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当前水体富营养化问题严峻，传统废水处理方法存在局限，硫自养反硝化（SAD）虽有潜力但面临挑战。研究人员开展钙改性菱铁矿硫自养反硝化（SCAD）研究，发现其脱氮除磷效果佳，为废水处理提供新策略。
在美丽的地球家园中，水体富营养化却成了一个棘手的大麻烦。大量氮、磷等营养物质排入水体，让河流、湖泊变得 “病恹恹”，水生态平衡被打破，不仅威胁水生生物的生存，还影响人类健康。传统的废水处理方法依赖异养反硝化，需要添加外源碳源，这不仅成本高，还会带来一系列问题，比如出水化学需氧量（COD）浓度增加、产生大量污泥，甚至造成二次污染。
硫自养反硝化（SAD）技术的出现，给废水处理带来了新希望。它利用无机硫化合物作电子供体，能在处理低碳氮比废水时，无需外部有机碳源，降低运行成本，在污水处理领域潜力巨大。然而，理想很丰满，现实却很骨感。SAD 系统存在酸化抑制问题，而且无法同时除磷，现有的基于矿物的硫自养系统研究也存在局限，难以满足处理高氮磷负荷废水的需求。
为了解决这些难题，来自国内的研究人员开展了一项关于钙改性菱铁矿硫自养反硝化（SCAD）的研究。这项研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为废水处理领域带来了新突破。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：构建了常规 SAD、菱铁矿硫自养反硝化系统（SSAD）和 SCAD 这三种不同的自养反硝化系统，进行长期（90 天）连续流实验对比；利用扫描电子显微镜（SEM）观察不同系统污泥的微观形态；开展微生物群落分析，探究微生物在系统中的作用；对相关基因进行检测，研究电子供体机制对反硝化和硫氧化的影响 。
不同水力停留时间（HRT）下反硝化性能差异
研究人员经过 90 天的连续运行实验，对比不同反应器系统的进出水情况。结果发现，SCAD 系统在同时脱氮除磷方面表现出色。在水力停留时间为 24 小时时，SAD、SSAD 和 SCAD 系统的平均出水总氮（TN）浓度分别为 9.4±2.4mg/L、7.4±1.3mg/L 和 3.7±1.4mg/L，SCAD 系统的出水 TN 浓度最低 ，展现出强大的脱氮能力。
SCAD 在分子水平上同时脱氮除磷的机制
通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，与 SAD 系统中紧密附着的污泥不同，SSAD 和 SCAD 系统由于菱铁矿的存在，污泥更为松散，间隙更大，且更多地附着在矿物表面，这有利于提高脱氮效率。进一步的元素分析表明，SCAD 系统中存在 Fe-P 和羟基磷灰石（HAP）沉淀，这是其高效除磷的关键。在微生物群落方面，SCAD 系统中微生物生物量增加，硫杆菌属（Thiobacillus）、硫单胞菌属（Sulfurimona）和铁营养菌属（Ferritrophicum）等功能菌共同富集，促进了污染物的去除。从基因层面来看，Fe2+/S0共电子供体机制上调了关键的反硝化基因（narG、nirK）和硫氧化基因（sqr），推动了反硝化和硫氧化过程。
研究表明，SCAD 系统通过化学 - 微生物协同作用，实现了高效的同时脱氮除磷。该系统的最大 TN 去除率达到 93.4%，总磷（TP）去除率达到 98.8% ，远超 SAD 和 SSAD 系统。钙改性菱铁矿表面负载的 CaCO3/CaO 释放的 Ca2+，促进了 HAP 的形成，实现高效除磷；同时，菱铁矿的 Fe2+/Ca2+缓释特性稳定了系统 pH，增强了反硝化作用。此外，微生物群落的变化和关键基因的上调，也为污染物去除提供了有力支持。
这项研究意义重大，它不仅解决了硫基自养反硝化系统中酸度积累和除磷不足的关键技术瓶颈，还为菱铁矿等天然矿物在废水处理中的应用提供了新的思路。未来，基于 SCAD 技术的进一步研究和优化，有望在实际废水处理工程中得到广泛应用，为解决水体富营养化问题提供更有效的技术手段，守护地球的水资源环境。
