Fe2+协同生物除磷是一种高效低耗除磷技术,但目前关于Fe2+协同生物除磷的研究主要集中在除磷效果方面,而对该过程中微生物细胞内外磷的代谢及Fe2+对微生物影响的研究均较少。因此,Fe2+协同生物除磷的机理尚需从微生物的角度进行深入研究。该文采用SBR研究不同Fe2+浓度(0、5、7、12和17 mg/L)对生物除磷反应污染物去除效果的影响,并结合31P核磁共振光谱、背散射扫描电镜-X射线能量射散谱分析Fe2+协同生物除磷过程中微生物细胞内外磷的代谢,同时采用高通量测序技术进一步分析Fe2+对生物除磷过程微生物群落结构的影响。主要结论如下:(1)进水COD浓度为220 mg/L,正磷酸盐浓度为10.02 mg/L,当Fe2+浓度分别为0、5、7、12和17 mg/L时,Fe2+协同生物除磷反应器的出水正磷酸盐浓度分别为3.59、1.89、0.28、0.18和0.38 mg/L,由此可见Fe2+的投加可以降低生物除磷反应器出水磷浓度。(2)采用31P核磁共振光谱和背散射扫描电镜-X射线能量射散谱分析Fe2+协同生物除磷过程中微生物细胞内外磷的代谢。结果表明:好氧条件下Fe2+协同生物除磷过程中细胞内Poly-P链长和EPS中Poly-P链长均大于相应厌氧条件下的。细胞内Poly-P和EPS中Ortho-P、Poly-P的增加量随着Fe2+浓度的增加而减少,EPS中Pyro-P的增加量在0.02~0.1 mg P/g SS之间波动。由此可见,随着Fe2+浓度的变化微生物细胞内外磷的形态没有变化,但随着Fe2+浓度的增加,微生物细胞内外不同形态磷的含量存在不同的变化。在投加Fe2+的生物除磷体系中,通过背散射扫描电镜可以看出污泥表面有大量白色物质,EPS中存在一些灰白色物质,细胞内含有较小的灰白色聚磷颗粒。X射线能量射散谱检测出污泥表面白色物质、胞外聚合物和胞内聚磷颗粒中均含有大量的铁元素和磷元素。由此可见,投加Fe2+的生物除磷体系中污泥表面存在铁磷沉淀,胞外聚合物中存在铁磷化合物,胞内聚磷类型以Fe-poly-P为主。(3)采用高通量测序技术分析Fe2+协同生物除磷的微生物学机制。通过OTU聚类和Alpha多样性分析Fe2+协同生物除磷过程中微生物数目和微生物物种多样性,结果表明:当Fe2+浓度从0 mg/L增加到7 mg/L,生物除磷反应器中的微生物数目在增加,微生物物种多样性在升高;当Fe2+浓度从7 mg/L增加到17 mg/L,生物除磷反应器中的微生物数目在降低,微生物物种多样性在降低。由此可见,低浓度的Fe2+投加量对微生物的生长有促进作用,高浓度的Fe2+投加量对微生物的生长有抑制作用。通过微生物物种分布考察Fe2+协同生物除磷过程中微生物群落结构,结果表明:随着Fe2+浓度的增加,纲水平上:聚磷菌纲相对丰度在逐渐下降;属水平上:聚磷菌属相对丰度在逐渐降低,聚糖菌属相对丰度在逐渐增加。由此可见,Fe2+的投加不利于聚磷菌的生长,但有利于聚糖菌的生长。通过冗余分析考察Fe2+协同生物除磷过程中环境因子Fe2+与微生物物种之间,环境因子Fe2+与环境因子p H、PO43-、COD之间以及不同Fe2+投加量下生物除磷污泥样品中微生物物种组成之间的关系,结果表明:环境因子Fe2+与聚磷菌丰度成负相关关系,与聚糖菌丰度成正相关关系;环境因子Fe2+与环境因子p H、PO43-、COD均成负相关关系;Fe2+投加前后微生物物种组成相似度低,低的Fe2+投加量(5 mg/L和7 mg/L)下微生物物种组成相似度高,高的Fe2+投加量(12 mg/L和17 mg/L)下微生物物种组成相似度高。Fe2+协同生物除磷是一种有效的除磷技术,Fe2+协同生物除磷过程中微生物细胞内外磷的代谢及微生物群落结构及多样性的研究有助于提高磷的去除率的同时降低亚铁盐的经济开支,为其他污水生物处理工艺中Fe2+协同生物除磷技术的应用提供了一些微观的理论依据,具有一定的现实意义。