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这篇综述聚焦人工湿地（CWs）处理低碳氮比（C/N）废水难题。探讨了无机电子供体自养反硝化机制与效果，重点阐述多电子供体自养反硝化（MEDAD）系统优势，提出可行性框架，为提升废水处理效率提供新思路。
引言
随着经济和城市化快速发展，城市污水排放量剧增，严重影响水环境质量。为缓解水体富营养化，各国对污水处理厂氮磷排放标准日益严格。比如荷兰对敏感水体的排放要求为 2.2mg N/L（氮）和 0.15mg P/L（磷） ，中国也制定了严格标准，但多数污水处理厂即使执行最严格的一级 A 标准，仍高于国家地表水环境质量标准中的 V 类水标准。水体富营养化的临界值为氮超 0.2 - 0.3mg/L、磷超 0.01mg/L，处理低碳氮比（C/N）废水以达到这些标准仍是全球难题。
污水处理厂出水 C/N 比低，因有机电子供体有限导致反硝化性能差。传统异养反硝化技术虽能高效脱氮，但存在二次污染、操作复杂和成本高的问题。人工湿地（CWs）作为绿色、节能且经济的处理系统备受关注，可处理多种低 C/N 比废水，但依赖有机碳源成为瓶颈。依靠湿地植物根系释放碳作为异养电子供体不足以维持高效硝酸盐去除性能，添加外部碳源又面临精准添加困难、易引发二次污染和增加运行成本等问题。因此，利用无机电子供体的自养反硝化系统成为研究热点，但现有单电子供体系统（如单独的硫或铁）存在诸多挑战，如硫酸盐积累、pH 不稳定和脱氮不完全等。
本文提出在 CWs 中采用多电子供体自养反硝化（MEDAD）新模式，整合互补无机底物（如黄铁矿 - 钢渣复合材料），协同增强脱氮除磷效果并减少副产物生成。同时，利用湿地植物根际效应优化微生物活性，这在以往研究中未被充分探索。自养反硝化 CWs 的建立依赖填充材料（提供电子供体）和微生物群落调控，其脱氮机制包括硫或硫化物完全氧化为硫酸盐、H2转化为水以及零价或低价金属氧化为高价态等与硝酸盐还原的耦合反应，为金属和硫基底物在 CWs 中的应用提供了可能。目前，关于 MEDAD 系统在 CWs 中处理低 C/N 比废水的系统整合研究存在空白，本文将对此进行全面分析。
利用 CWs 处理低 C/N 比废水的挑战和机制
低 C/N 比废水常见于农业径流和硝化工业废水，给 CWs 处理带来难题。由于有机电子供体不足，总氮（TN）去除效率通常降至 50% 以下。这使得操作人员不得不添加外部碳源（如甲醇、乙酸盐），导致运行成本增加 20 - 40%，还可能因有机负荷过高引发水体富营养化。
MEDAD 底物在 CWs 中的开发和优化
近年来，基于 CWs 的无机 MEDAD 性能研究进展迅速。该系统的底物通常包含黄铁矿、单质硫、钢渣、废铁等一种或多种材料。其中，将硫基材料和钢渣整合作为 MEDAD 底物，可直接解决单电子系统的运行限制。黄铁矿驱动的自养反硝化过程发生一系列化学反应，能有效去除硝酸盐。
系统整合和工程挑战
在 CWs 中，电子供体不足常限制污染物去除效率，尤其是低 C/N 比废水的微生物反硝化过程。通过系统设计、底物优化和运行管理，将自养反硝化技术整合到 CWs 中至关重要。首先要全面评估待处理废水的特性、当前土地利用情况等，然后根据评估结果选择合适的 MEDAD 底物并优化其组成，同时还要考虑湿地的水力条件、植物配置等因素，以确保系统高效稳定运行。
主要挑战和未来方向
将 CWs 与 MEDAD 底物整合处理低 C/N 比废水虽潜力巨大，但实际应用仍面临诸多挑战。首要难题是开发新型 MEDAD 底物，现有底物（如 S0、黄铁矿、钢渣）稳定性欠佳，主要源于副产物积累和钝化。为此，需研发更稳定、高效的底物材料，探索新的合成方法和改性技术。此外，还需深入研究微生物群落结构和功能的调控机制，提高微生物对底物的利用效率；优化系统工程设计，提升系统的可扩展性和适应性，以实现大规模应用。
结论
本探索性研究表明，多电子自养反硝化 CWs 可能是处理低 C/N 比废水的有效途径。将 CWs 与自养反硝化电子供体填料相结合，有望同时实现低 C/N 比废水的深度脱氮和除磷。在此背景下，开发适用于 CWs 的 MEDAD 底物至关重要，这些底物不仅可通过氧化还原反应提供电子供体，还能影响湿地微生物群落和植物生长，对实现高效废水处理具有重要意义。
