利用富含铁的回收废弃物作为共电子供体，在硫自养反硝化过程中实现低碳氮比（C/N）水培废水中硝酸盐和磷酸盐的同时去除

《Journal of Water Process Engineering》：Leveraging iron-rich recovered waste as a co-electron donor in sulfur autotrophic denitrification for simultaneous nitrate and phosphate removal from low C/N hydroponic wastewater

酸矿排水脱硫废料与硫共电化学反硝化系统（SADNIP）高效去除氮磷，50:50混合比例在6小时水力停留下硝酸盐去除97%，显著优于硫单独系统（29%）。铁废料协同作用提升磷酸盐去除至80-90%。硫氧化菌（如Thiobacillus、Acidihalobacter）富集，系统实现氮磷同步高效处理，兼具环境与经济优势。

　　在现代农业技术不断发展的背景下，水培系统因其高效利用资源、减少土地占用以及降低病虫害风险等优点，逐渐成为可持续农业的重要组成部分。然而，水培系统在运行过程中会产生大量富含营养的废水，其中氮和磷的浓度较高，容易造成环境污染，特别是对水体的富营养化问题。因此，如何高效地处理这类废水，实现氮磷的同步去除，成为当前环境工程和农业可持续发展研究的重要课题。

本研究提出了一种创新的废水处理方法，即利用一种来源于酸性矿山排水（AMD）污泥的含铁废料，作为共电子供体参与元素硫（S?）自养反硝化过程，构建了一个名为SADNIP（硫基自养反硝化与铁处理结合系统）的复合系统。该系统不仅能够有效去除硝酸盐氮（NO??-N），还能显著提升磷酸盐（PO?3?-P）的去除效率。实验通过三组上流式填充床反应柱，分别采用不同的S?与含铁废料的比例（100:0、75:25、50:50），在60天的运行周期内，评估了不同空床接触时间（EBCT）下硝酸盐氮和磷酸盐的去除效果。

实验结果显示，在EBCT为6小时的情况下，50:50比例的S?与含铁废料混合系统实现了接近97%的硝酸盐氮去除率，远超仅使用S?的系统（仅29%去除率）。即便在较短的EBCT条件下，如4小时，该混合系统仍能保持约75%的硝酸盐氮去除效率，并且显著减少了亚硝酸盐的积累。这表明，含铁废料的引入不仅提高了硝酸盐氮的去除能力，还改善了反硝化过程的稳定性。与此同时，磷酸盐的去除效率也得到了显著提升，50:50系统在初期阶段能够稳定地去除80-90%的磷酸盐，而仅使用S?的系统则去除率不足25%。这一发现为水培废水处理提供了新的思路，尤其是在同时处理氮和磷污染方面。

为了进一步理解SADNIP系统的微生物群落结构及其对处理性能的影响，研究人员采用了高通量16S rRNA基因测序技术。结果表明，S?与含铁废料混合系统中富集了大量硫氧化自养反硝化菌，如硫杆菌（Thiobacillus）和嗜盐酸菌（Acidihalobacter），这些微生物在反硝化过程中发挥了关键作用。相比之下，仅使用S?的系统中，主要的微生物群落是异养非反硝化细菌，其中以拟杆菌（Neobacillus）为主导。这说明，含铁废料的加入不仅在化学层面促进了反硝化反应，还在生物层面优化了微生物群落结构，从而提高了系统的处理效率。

硫基自养反硝化（SADN）作为一种生物处理技术，已被广泛应用于多种水体的硝酸盐氮去除。其反应过程通常涉及硫作为电子供体，与硝酸盐氮发生氧化还原反应，最终生成硫酸盐、氮气和氢离子。然而，硫基SADN存在一些显著的局限性，包括高硫酸盐生成量和酸性产物的积累，这不仅影响了系统的pH稳定性，还可能对后续处理步骤造成干扰。此外，由于硝酸盐氮和磷酸盐通常在农业废水中同时存在，因此需要一种能够同步去除这两种污染物的处理方法。

铁硫化物，尤其是黄铁矿（FeS?），近年来被广泛研究作为SADN过程中的替代电子供体。黄铁矿在反硝化过程中能够与硝酸盐氮发生反应，生成铁氧化物、氮气、硫酸盐和氢离子。然而，尽管黄铁矿在实验室条件下表现出良好的反硝化性能，其在实际应用中的推广仍面临诸多挑战。例如，黄铁矿的反硝化速率通常低于异养反硝化过程，同时其生长速度较慢，导致系统启动时间较长。此外，黄铁矿在反硝化过程中产生的硫酸盐可能带来二次污染问题，限制了其在大规模废水处理中的应用。

针对上述问题，本研究提出了一种新的解决方案，即通过将含铁废料与硫基自养反硝化过程相结合，构建一个协同作用的处理系统。含铁废料来源于AMD污泥的脱硫处理过程，首先通过加入氢氧化钙（Ca(OH)?）处理AMD污泥，生成固态残留物。随后，这些残留物被加工成吸附剂颗粒，并通过吸附硫化氢（H?S）转化为铁硫化物（Fe?S?）。Fe?S?在化学上是不稳定的，会进一步转化为黄铁矿和磁铁矿（Fe?S?）。这一过程不仅为反硝化提供了稳定的电子供体，还通过含铁废料的引入，提升了系统的碱性环境，从而克服了传统硫基反硝化过程中pH下降的问题。

研究还发现，含铁废料在反硝化过程中具有一定的可循环性。在反硝化完成后，这些颗粒可以通过重新吸附H?S进行再生，再次参与反硝化反应。这种循环利用机制不仅降低了处理成本，还减少了工业废弃物的排放，符合可持续发展的理念。目前，针对废水处理中循环利用机制的研究仍较为有限，因此本研究的这一发现具有重要的实践意义。

为了验证这一新系统的可行性，研究人员在实验室条件下进行了柱状实验。实验使用了三种不同比例的S?与含铁废料混合材料，分别在12小时和更短的EBCT条件下运行。实验结果表明，50:50比例的混合系统在所有运行条件下均表现出最佳的处理性能。尤其是在EBCT为6小时的情况下，该系统实现了几乎完全的硝酸盐氮去除，同时在较长的EBCT条件下，也保持了较高的磷酸盐去除效率。此外，实验还观察到，在混合系统中，硝酸盐氮的去除过程更加稳定，亚硝酸盐的积累较少，表明该系统在控制反硝化过程中中间产物方面具有优势。

从微生物学角度来看，SADNIP系统的构建不仅改变了电子供体的类型，还对微生物群落的组成产生了深远影响。高通量测序结果显示，S?与含铁废料混合系统中，硫氧化自养反硝化菌的丰度显著增加，而异养非反硝化菌的占比则相应减少。这一变化表明，含铁废料的加入为硫氧化自养反硝化菌提供了更适宜的生长环境，从而增强了系统的处理能力。此外，系统中微生物的多样性也有所提高，这有助于维持系统的稳定性和适应性，使其能够在不同的水质条件下保持良好的处理效果。

本研究的意义不仅在于提出了一种新的废水处理方法，还在于其对工业废弃物的再利用。AMD污泥作为一种常见的工业废弃物，通常被填埋处理，不仅占用大量土地，还可能对环境造成污染。通过将其转化为含铁废料，并作为反硝化过程中的共电子供体，研究人员成功地将这一废弃物转化为有价值的资源。这种资源化利用的策略不仅减少了废弃物的处理成本，还降低了对环境的影响，符合循环经济和可持续发展的原则。

此外，本研究还探索了SADNIP系统在实际应用中的潜力。实验结果表明，该系统能够在较短的接触时间内实现高效的氮磷去除，这对于水资源有限的地区尤为重要。同时，系统的碱性生成能力也有助于维持处理过程中的pH稳定性，减少对化学药剂的需求，进一步降低了运行成本。这些优势使得SADNIP系统在农业废水处理、工业废水处理以及城市污水处理等领域具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过将含铁废料与硫基自养反硝化过程相结合，构建了一个高效、稳定且具有环境友好性的废水处理系统。该系统不仅提升了氮磷去除效率，还实现了工业废弃物的资源化利用，为未来的废水处理技术提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨该系统在不同水质条件下的适应性，以及其在实际工程中的应用可行性，以期推动这一技术的推广和应用。