通过FeS和ZVI协同增强部分反硝化-厌氧氨氧化（PD/A）系统中的氮去除效果，以实现低碳/氮废水的处理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic enhancement of nitrogen removal in partial denitrification-anammox (PD/A) systems aided by FeS and ZVI for low carbon/nitrogen wastewater treatment

本研究开发了PD/A-FeS@ZVI协同系统用于低C/N废水处理，显著提升总氮去除效率至97.06%，较单一体系提高24.32%-252.94%。长期运行中微生物群落调控增强自修复能力，使TNRE从79.61%提升至86.27%。FeS/ZVI协同作用通过FeS促进硝酸盐还原，ZVI提供电子并形成硫铁循环，降低界面电阻（R-ct）和硫酸盐积累（ΔSO?2?/TNrem），实现稳定高效脱氮。

　　本研究聚焦于一种用于处理低碳氮比（C/N）废水的新型部分反硝化-厌氧氨氧化（PD/A）系统。传统上，处理此类废水时，PD/A工艺面临效率低下和稳定性差的问题。为了应对这些挑战，研究团队开发了一种集成铁硫（FeS）和零价铁（ZVI）的介导系统（PD/A-FeS@ZVI），旨在提升氮去除效率并增强系统的长期稳定性。通过一系列批次实验和长期运行测试，研究团队验证了该系统在实际应用中的潜力，并揭示了其在微生物活性、电子传递和硫铁循环方面的协同机制。

在低C/N比的废水中，有机碳源的缺乏使得传统反硝化过程难以有效进行。为了维持反硝化反应所需的电子供体，通常需要添加有机物，如甲醇或乙酸，但这不仅增加了处理成本，还可能引发二次污染。相比之下，无机电子供体如FeS和ZVI因其成本效益和环境友好性，成为替代方案。然而，这些材料在实际应用中也存在一定的局限性。例如，FeS和FeS?的反应动力学较慢，且在高氮浓度条件下容易产生过量的硫酸盐（SO?2?）。此外，ZVI在长期使用中可能因氧化层形成而出现表面钝化，影响其电子供体能力，进而影响系统的稳定性。

针对上述问题，研究团队提出了一种结合FeS和ZVI的协同作用策略。通过构建一个能够促进FeS原位生成的系统，可以有效提高氮去除效率，同时减少硫酸盐的积累。实验结果表明，在批次实验中，PD/A-FeS@ZVI系统实现了高达97.06%的总氮去除效率（TNRE），显著优于PD/A-FeS（提升42.12%）、PD/A-ZVI（提升24.32%）和对照组（提升252.94%）。这一效率的提升归因于FeS和ZVI之间的协同作用，它们共同促进了硝酸盐向亚硝酸盐的还原过程，从而为厌氧氨氧化细菌（AnAOB）提供了更稳定的反应环境。

在长期运行实验中，研究团队进一步观察了该系统的稳定性。结果显示，随着运行时间的延长，系统中的自养反硝化过程逐渐增强，厌氧氨氧化细菌的活性也得到了稳定，总氮去除效率从79.61%±1.03%提升至86.27%±0.31%。这一变化表明，PD/A-FeS@ZVI系统不仅在短期实验中表现出色，而且在长期运行中也能够维持较高的氮去除效率，这为该技术的实际应用提供了有力支持。

在微观层面，研究团队通过界面分析和微生物群落研究，揭示了PD/A-FeS@ZVI系统中的关键机制。首先，FeS的原位沉积在ZVI表面，形成了一个导电层，这不仅降低了电荷转移电阻（R-ct），还有效减少了硫酸盐的生成速率（ΔSO?2?/TNrem）。其次，研究发现，一些稀有但活跃的硫酸盐还原菌（SRB）能够利用ZVI作为电子供体，直接还原硫酸盐，生成硫化物（HS?/S2?）。这些硫化物随后与Fe(OH)?反应，形成新的FeS，从而实现了硫铁循环的自我维持。这一过程不仅促进了ZVI的再生，还增强了系统的稳定性。

此外，研究还发现，富集的硫氧化菌（SOB）和铁氧化菌（IOB）在系统中发挥了重要作用。这些微生物能够通过硝酸盐的还原作用，为厌氧氨氧化细菌提供更适宜的生长环境，同时减少硝酸盐的积累，防止对AnAOB造成不利影响。这一发现表明，PD/A-FeS@ZVI系统中不同微生物之间的相互作用是其高效运行的关键因素之一。

从机制上看，FeS在硝酸盐还原过程中起到了主导作用，其反应速率约为2.39±0.01 mg NO??-N/h，而ZVI则主要通过提供电子，促进硫酸盐的还原，形成一个完整的硫铁循环。这种双介质介导的策略不仅提高了系统的氮去除效率，还增强了其在低C/N比废水处理中的稳定性。通过减少电子传递的瓶颈，该系统能够在较长的时间内维持高效的反应性能，从而满足实际工程应用的需求。

研究团队还强调了该系统在环境和经济方面的优势。首先，PD/A-FeS@ZVI系统无需额外添加有机碳源，降低了运行成本。其次，由于FeS和ZVI的协同作用，系统能够在不依赖外部碳源的情况下实现高效的氮去除，这不仅减少了二次污染的风险，还提高了系统的可持续性。此外，该系统的构建和运行过程对环境的影响较小，符合当前绿色和可持续发展的趋势。

尽管PD/A-FeS@ZVI系统在实验室条件下表现出良好的性能，但其在实际应用中的可行性仍需进一步验证。例如，如何在大规模处理系统中有效控制FeS和ZVI的反应速率，如何防止FeS的过量生成，以及如何优化微生物群落的结构以提高系统的稳定性，都是需要解决的关键问题。未来的研究可以进一步探讨这些因素，并结合实际工程条件，优化系统的运行参数和结构设计。

总之，PD/A-FeS@ZVI系统为低C/N比废水的氮去除提供了一种新的解决方案。通过结合FeS和ZVI的协同作用，该系统不仅提高了氮去除效率，还增强了系统的长期稳定性。这一研究为高效生物脱氮技术的发展提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动低C/N比废水处理技术的进一步优化和应用。