零价铁耦合硫自养反硝化强化废水深度脱氮：硫歧化与电子转移的介导机制

《Water Research X》：Boosting Nitrogen Removal through Fe0-Coupled Sulfur Autotrophic Denitrification: Mediated by Enhanced Sulfur Disproportionation and Electron Transfer

为解决硫自养反硝化(SAD)工艺存在的酸度积累、硫酸盐排放高、硫生物利用度低及固体停留时间(SRT)短等瓶颈问题，研究人员开发了将铁屑封装于硫基质中的硫铁复合填料(SICF)，构建了Fe0耦合SAD系统。研究发现，SICF10%系统在1h水力停留时间(HRT)下实现了490.3 ± 24.5 mg/(L·d)的最高反硝化速率，较单一SAD系统提升36.9%，同时将出水中硫酸盐浓度降至5.3 ± 0.2 mg·mg-1-N。该研究通过维持中性pH、促进硫歧化与FeS原位生成、延长底物SRT及构建高效电子转移网络，为实现无需外加碳源的高效深度脱氮提供了新策略。

　　

随着污水处理厂排放标准的日益严格，对二级出水进行深度脱氮已成为保护水环境的关键。然而，二级出水普遍存在碳氮比(C/N)低的问题，这使得依赖有机碳源的传统异养反硝化工艺面临成本高、易造成二次污染等挑战。近年来，无需外加有机碳的自养反硝技术，特别是以单质硫(S⁰)为电子供体的硫自养反硝化(Sulfur Autotrophic Denitrification, SAD)，因其成本效益和化学稳定性而备受关注。但SAD工艺本身也存在“先天不足”：反应过程会产生大量质子，导致系统持续酸化，抑制微生物活性；硫在水中的溶解度极低，生物可利用性差；最终产物硫酸盐(SO₄^2-)浓度高，可能造成二次污染；并且固体硫的停留时间(Solid Retention Time, SRT)有限。以往常添加石灰石(CaCO₃)来中和酸度，但这又会引入出水硬度升高、占据反应空间等问题。有没有一种方法，既能“中和”酸，又能“助攻”脱氮，甚至还能减少副产物呢？

为此，哈尔滨工业大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了另一种常见的还原性物质——零价铁(Fe⁰)。铁腐蚀的过程恰恰会产生碱度(OH?)，正好可以中和SAD产生的酸。而且，Fe⁰自身及其腐蚀产物Fe2?也是优秀的电子供体，可以参与铁自养反硝化(Iron Autotrophic Denitrification, IAD)。然而，简单的物理混合会导致Fe⁰暴露在水中快速钝化失效。研究团队创新性地提出了一种“糖衣炮弹”策略：他们利用硫在约140°C熔融的特性，将铁屑粉末均匀封装在熔融的硫基质中，冷却后制成一颗颗硫铁复合填料(Sulfur-Iron Composite Fillers, SICF)。这就像给铁芯包上了一层硫的外衣，既避免了铁的过早钝化，又创造了硫-铁紧密耦合的独特界面。相关研究成果已发表在环境领域著名期刊《Water Research X》上。

为验证这一构想，研究人员主要应用了以下几项关键技术方法：通过热熔铸法制备了不同铁屑含量(10%， 30%， 50%)的SICF填料，并构建了上流式填充床生物反应器进行长期连续流实验；利用合成废水模拟低C/N的二级出水，接种来自实际工程的厌氧污泥启动系统；综合运用扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等手段对填料反应前后的形貌、元素分布、物相和表面化学状态进行表征；通过离子色谱、紫外分光光度法等监测进出水氮、硫、铁等物种浓度，并进行电子平衡计算以量化SAD和IAD的贡献；最后，通过16S rRNA高通量测序和宏基因组测序，解析了系统内的微生物群落结构、关键功能物种及其代谢通路基因的表达情况。

3.1. SICF填料的表征

通过SEM-EDS和XRD分析证实，铁屑被成功封装在硫基质中，填料表面粗糙度增加，硫分布均匀。氮气吸附-脱附等温线显示，掺铁后填料的比表面积和孔容积有所增加，接触角测试表明其亲水性得到改善，这些特性更有利于微生物的附着和生长。

3.2. 自养反硝化性能及SAD/IAD贡献分析

3.2.1. SICF填料的脱氮性能

在1小时水力停留时间(HRT)下，含10%铁屑的SICF_10%系统表现最优，总氮去除率(TNR)达89.9 ± 3.3%，脱氮速率为490.3 ± 24.5 mg/(L·d)，比单一硫填料(S?)系统高出36.9%，出水总氮浓度低至2.3 ± 0.8 mg/L，达到了我国目前最严格的城镇污水处理厂排放标准(≤5 mg/L)。同时，亚硝酸盐(NO₂^--N)积累量比S?系统降低了2倍。然而，当铁屑比例增加至30%和50%时，脱氮性能反而显著下降，并出现了亚硝酸盐积累和铵盐(NH₄⁺-N)积累，表明过量的Fe⁰可能促进了硝酸盐异化还原为铵(Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium, DNRA)过程，并导致填料表面钝化。此外，Fe⁰的腐蚀产碱效应有效中和了SAD产生的酸，使SICF系统出水pH维持在7.1-8.2的中性偏碱范围，为微生物活动创造了适宜环境。强温室气体N₂O的排放量在SICF_10%系统中也保持在极低水平。

3.2.2. IAD和SAD对整体反硝化的贡献

通过监测铁、硫物种并进行电子平衡分析，量化了两种途径的贡献。在最优的SICF_10%系统中，IAD贡献占比为17.6%-31.1%，SAD贡献占比则超过三分之二。这表明优异的脱氮性能主要得益于Fe⁰的添加强化了SAD过程，而非IAD为主导。同时，SICF_10%系统的单位脱氮硫酸盐产生量降至5.3 ± 0.2 mg·mg^-1-N，比S?系统降低了26.4%，有效缓解了硫酸盐污染。

3.3. Fe⁰在硫铁耦合反硝化中的作用

反应后填料表征揭示了其内在强化机制。SEM显示SICF表面微生物富集更显著，胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)含量更高，表明Fe⁰促进了生物膜形成。XPS分析发现，反应后SICF表面同时存在S2?、多硫化物(S_n^2-)、SO₃^2-和SO₄^2-等多种硫形态，证实Fe⁰腐蚀提供的碱度环境促进了硫歧化反应。其中生成的S_n^2-水溶性好，是比固态S?更易被微生物利用的电子供体，从而提升了硫的生物利用度。更关键的是，XPS和FTIR均检测到FeS的生成。FeS是由铁腐蚀释放的Fe2?/Fe3?与硫歧化产生的HS?原位反应生成。FeS的形成能够将铁和硫“锁”在固相界面，延缓了电子供体的流失，有效延长了底物的SRT；同时固定了过量的硫化物，避免了其释放到水体中，并能为微生物提供更多的附着位点。

3.4. 微生物群落分析

16S rRNA测序表明，Fe⁰的添加定向富集了功能菌群。硫自养反硝化菌(Sulfur Autotrophic Denitrifying Bacteria, SADB)如Thiobacillus的相对丰度随Fe⁰比例增加而显著上升。特别值得注意的是，在SICF_10%系统中，硫歧化细菌(Sulfur Disproportionation Bacteria, SDB)如Dissulfurimicrobium的丰度也大幅增加，从基因水平证实了硫歧化途径的增强。然而，过高的铁比例(30%， 50%)会破坏这种功能菌群的协同，导致脱氮性能下降。

3.5. 微生物功能与代谢通路

宏基因组学分析从基因层面阐明了代谢网络的增强机制。在SICF_10%系统中，与反硝化相关的基因(如napAB, nosZ)、硫歧化相关基因(如sdo, asrA/B, psrA)、铁氧化与运输相关基因(如KorA/B, feoB, afuC)的表达均显著上调。更重要的是，编码电子传递链(Electron Transfer Chain, ETC)复合物I、III、细胞色素c等的基因，以及介导胞外电子转移(Extracellular Electron Transfer, EET)的MtrABC孔道-细胞色素复合物和醌类(pqqB)相关基因也更为丰富。这表明Fe⁰的加入不仅提供了电子，还激活并强化了微生物内部及细胞与无机底物之间的电子传递网络，从而驱动了更高效的硫/铁/氮耦合代谢。

本研究通过开发硫封装零价铁复合填料，成功构建了一个高效的Fe⁰耦合硫自养反硝化系统。核心结论与重要意义在于：首先，该系统在1小时HRT下实现了高达490.3 mg/(L·d)的脱氮速率，出水总氮达到一级A标准以上，且亚硝酸盐和硫酸盐积累显著减少，N₂O排放量极低，展示出优异的深度脱氮性能和环境友好性。其次，研究从多角度揭示了其强化机制：Fe⁰腐蚀维持的中性pH环境促进了硫歧化反应和水溶性多硫化物(S_n^2-)的生成，破解了固态硫生物利用度低的难题；原位生成的FeS作为“缓冲库”和“稳定剂”，延长了硫铁底物的SRT，稳定了反应界面；Fe⁰的引入富集了Thiobacillus和Dissulfurimicrobium等功能菌，并从基因层面激活了氮、硫、铁代谢及电子传递相关通路，构建了一个高效的集成电子转移网络。最后，该研究提供了一种无需外加有机碳、以废治废（利用铁屑）的深度脱氮新工艺思路。其创新的填料封装策略有效克服了铁钝化和硫利用度低的双重瓶颈，为应对低碳氮比废水深度处理挑战提供了技术可行、成本可控且易于实施的解决方案，具有重要的理论创新价值和工程应用前景。