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Effects of zero valent iron on nitrate removal in anaerobic bioreactor with various carbon-to-nitrate ratios: Bio-electrochemical properties, energy regulation strategies and biological response mechanisms

反硝化 零价铁 化学 硝酸盐 电化学 生物反应器 氧化还原 电子转移 无氧运动 电子受体 无氧呼吸 无机化学 电子传输链 氮气 环境化学 生物化学 光化学 电极 有机化学 生物 生理学 物理化学 吸附
作者
Guoxiang You,Chao Wang,Jun Hou,Peifang Wang,Yi Xu,Lingzhan Miao,Jialin Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:419: 129646-129646 被引量:77
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.129646
摘要

Zero valent iron (ZVI) supported biological denitrification in anaerobic bioreactor is arising as a promising technology for nitrogen removal. However, the bioelectrochemical process and energetic flow strategy involved in ZVI amended bio-denitrification remains unknown. Herein, the electron transfer behaviors and energy biosynthesis were examined from biological and biochemical aspects at various C/N ratios in ZVI-microbe systems, with corresponding mono-microbe systems as control. In ZVI-microbe systems, the denitrification efficiencies significantly improved to 55.93% and 95.35% at lower C/N ratios of 0 and 3.7 mg C/mg N, whereas at 7.4 mg C/mg N the removal efficiency decreased by 38.26%. At lower C/N ratios, significant increases in microbes-based electron generation, transportation and consumption activity were observed in the presence of ZVI. Morphological analysis revealed that the formation of iron oxides on ZVI and microorganisms surface contributed to the feasibility of ZVI-oxidation in continuous electron donating and transferring. Electrochemical and fluorometric analysis demonstrated that the outer membrane c-type cytochrome, flavin proteins and biosynthetic fluvic acid in extracellular polymeric substances were involved in the microbially and biochemically mediated electron transfer. The energetic benefit from oxidative phosphorylation conduced to the nitrate reduction. Nevertheless, at 7.4 mg C/mg N, the rapid reactions between bioaccumulated NO2− and Fe2+ in periplasm led to the cell encrustation and reactive species accumulation, which deteriorated the anaerobes activity and nitrogen reduction capacity. These results firstly shed light on the mechanisms of bio-electrochemistry and energy regulation in ZVI supported mixotrophic nitrate reduction and provided basis for the application of ZVI in engineering practice.
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