利用基于零价铁的混合固体碳源，提高 constructed wetlands（人工湿地）对污水处理厂出水的反硝化处理效果

《Bioresource Technology》：Enhanced denitrification performance of constructed wetlands for wastewater treatment plant effluent using zero-valent iron-based mixing solid carbon sources

硝酸盐高效去除与稳定机制研究：零价铁/纤维素/PHBV混合碳源在人工湿地中协同作用提升生物反硝化效率，通过释放活性有机物增强电子传递及脱氮酶活性，稳定应对水力负荷波动，实现97%以上硝态氮去除率。

　　

作者：叶 Zhu、钱 Chen、Tanveer M. Adyel、Guoxiang You、Jun Wu、Yu Yao、Lingzhan Miao、Jun Hou

中国江苏省南京市河海大学环境学院，教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室，邮编210098

摘要

本文开发了一种新型的基于零价铁的混合固体碳源（ZVI-MSCS），其中嵌入了纤维素、聚（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸）和ZVI，以提升城市污水处理厂出水中氮的去除效率。浸出实验表明，ZVI-MSCS结合了碳释放成分的生物可利用性和适中的碳释放速率。当应用于人工湿地（CWs）时，在水力停留时间减少的情况下，ZVI-MSCS的硝酸盐去除率可达97%，且波动幅度小于10%。机制研究表明，ZVI促进了纤维素降解为易利用的有机化合物，从而增加了NADH的供应，并上调了电子载体（复合物I/III和Cyt c）的活性，进而增强了电子传递和反硝化酶（NAR、NIR、NOR和NOS）的活性。高通量测序显示，氮和碳代谢增强的生物学基础在于从变形菌门向梭菌门的转变，推动了铁-碳混合营养反硝化的进程。本研究为在人工湿地中使用固体碳源进行高效生物反硝化提供了关键技术支持。

引言

污水处理厂的大规模废水排放对接收水体的生态安全构成了严重威胁（Li等人，2024b）。主要问题是这些废水中的总氮（TN）浓度（5–20 mg/L）远高于引发富营养化的0.5–1.2 mg/L阈值（Zhou等人，2022b）。进一步分析表明，硝酸盐氮（${NO}_3^{-}-N$）是污水处理厂出水中主要的氮形式，占比高达78%至95%（Czerwionka等人，2012）。因此，在污水处理厂的深度处理过程中，$N_3^{-}-N$的还原至关重要。

人工湿地为高级废水处理提供了一种经济高效、基于自然的解决方案（Chen等人，2022）。然而，其异养反硝化过程常常受到污水处理厂废水低碳氮比（C/N）的限制（Chen等人，2022）。固体碳源（SCSs）可以持续释放碳，但存在一个权衡：天然纤维素价格低但寿命短，而可生物降解的聚合物虽然释放周期较长，但成本较高（Yang等人，2025a）。因此，采用了一种混合型SCS（MSCSs）来平衡成本和碳释放效率。Li等人（2024b）将聚（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸）（PHBV）与湿地植物残渣交联，并将其应用于人工湿地，结果平均氮去除效率（NRE）比空白组高出1.94倍。由于碳释放能力增强（2.43 mg COD/g），生物炭-PHBV混合系统在处理城市废水时实现了90%的TN去除效率（Yang等人，2025b）。然而，目前关于SCSs碳释放性能的研究往往仅关注释放的溶解有机碳（DOC）的“数量”，而对其组成的“质量”关注较少（Li等人，2024a）。不同的有机成分在微生物代谢中的可用性存在显著差异（Zhu等人，2023）。碳源的“质量”直接决定了电子供应的能力和速率，从而影响氮的去除效果（Miao等人，2023）。同时，传统的MSCSs在水力停留时间（HRT）/水力负荷波动下容易迅速消耗，导致反硝化效果大幅下降（Zhang等人，2016）。这种波动在高级污水处理厂中很常见，该领域面临着排放量的大区域差异以及由于标准严格和容量扩大而带来的处理需求增加（Li等人，2024b）。因此，迫切需要开发新型SCSs，以在碳释放的“数量和质量”之间实现协同平衡，并表现出稳定的反硝化性能。

Weber等人（2009）提出了自养/异养共反硝化过程，其中有机电子供体提供主要的碳和能量，无机供体作为辅助的“第二底物”。在这一过程中，零价铁（ZVI）作为一种经济且环保的无机电子供体受到关注，因为它具有较低的氧化还原电位（Chen等人，2023a）。通过腐蚀，ZVI释放出Fe²⁺，作为电子穿梭剂，促进微生物的$N_3^{-}-N$还原，并减轻亚硝酸盐（$N_2^{-}-N$的抑制（Chen等人，2023a）。这提高了NRE的可持续性和稳定性，为解决传统MSCSs在水力波动下碳供应不平衡的问题提供了潜在解决方案。Liu等人（2022）结合了基于沉积物的生物炭和ZVI，协同增强了反硝化作用，在3天内实现了98%的最佳NRE，并减少了$N_2^{-}-N$和铵（$N_4^{-}$的积累。Jia等人（2022）证明，装有PHBV/ZVI的生物反应器在降低HRT的情况下保持了显著更高的NRE。值得注意的是，ZVI能够促进顽固的大分子有机物分解为小分子、易于生物降解的碳源（如有机酸），显著提高了有机化合物的生化可利用性（Zhang等人，2014）。这对于优化SCSs的碳释放性能也非常重要。然而，现有研究缺乏对ZVI是否以及如何调节SCSs释放的碳成分特性的深入探讨，以及这两种因素如何协同作用影响反硝化微生物的代谢途径。

本研究使用聚乙烯醇/海藻酸钠（PVA/SA）混合支架将ZVI与PHBV和天然纤维素（锯末/秸秆）结合，制备了一种基于ZVI的混合SCS（ZVI-MSCS）。这种新型材料与单一PHBV和传统MSCS进行了比较。首先，通过浸出实验表征了各种SCS的碳释放（数量和组成）以及ZVI-MSCS的铁释放情况，评估了ZVI-MSCS改善反硝化的潜力。随后，将五种类型的SCS引入人工湿地，比较和验证了不同HRT下ZVI-MSCS的实际废水净化效果。最后，通过功能酶活性测定和16S rRNA高通量测序阐明了ZVI-MSCS增强氮去除的机制。本研究旨在开发一种具有优越碳释放组成和更稳定反硝化性能的新型复合碳源，从而解决人工湿地处理城市污水处理厂出水中氮去除的技术挑战。

材料与制备方法

200目PHBV粉末和4毫米圆柱形PHBV颗粒购自中国Yikeman Biotechnology有限公司。200目小麦秸秆粉末和木屑粉末购自江苏省苏泉市。粒径为0.5–5 μm的球形ZVI粉末购自中国冶金研究院。PVA（皂化度：99%；聚合度：1800）、SA（20°C时1.0%水溶液的粘度：80–120 mPa·s）及其他试剂均来自相关供应商。

形态结构分析

使用SEM评估了五种SCS在浸出实验前后的表面形态（见补充材料图S3）。浸出前，PHBV表面光滑，而PS和PW表面粗糙多孔。球形ZVI颗粒明显分散在FPS和FPW的表面上，增加了其表面粗糙度（Zhu等人，2022）。浸出后，PHBV表面仅有轻微侵蚀，整体保持完整。

结论

本研究开发了用于污水处理厂出水中高级氮去除的ZVI-SCS。ZVI-MSCS表现出更稳定的碳释放速率。在水力停留时间减少的情况下，NRE呈现出梯度：FPW ≈ FPS > PW > PS > PHBV > 对照组。ZVI-MSCS通过促进纤维素降解为易利用的有机物质，提高了NADH的供应，增强了生物降解性。同时，ZVI-MSCS调节了电子载体（复合物I、复合物III和Cytc）的丰度，并提高了相关酶的活性。

CRediT作者贡献声明

叶 Zhu：撰写——初稿撰写、数据整理、概念构思。钱 Chen：研究调查、数据分析。Tanveer M. Adyel：撰写——审稿与编辑。Guoxiang You：撰写——审稿与编辑。Jun Wu：撰写——审稿与编辑。Yu Yao：撰写——审稿与编辑、监督。Lingzhan Miao：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。Jun Hou：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢该项目获得的资助，包括国家重点研发计划（2023YFC3208903）、国家自然科学基金（编号52379063）和拉萨市科技计划项目（LSKJ202438）的支持。TMA还感谢澳大利亚研究委员会发现早期职业研究员奖（DECRA，DE240100633）的资助。