黄铁矿填充三维生物膜电极反应器中硝酸盐去除与能量利用的平衡：间歇电场调制的优化策略

本研究针对硝酸盐污染水体治理中能耗高的问题，创新性地将黄铁矿自养反硝化(PAD)与三维生物膜电极反应器(3DBER)耦合(P3DBER)，通过优化间歇电场(IEF)的启停比(3:3)，在20?mA电流下实现95.96%硝酸盐去除效率(NRE)的同时，将能耗降至0.035?kW·h/g NO3–-N。研究揭示了Thiobacillus等优势菌群(占比5.68–28.47%)通过传统反硝化(47.95%)和异化硝酸盐还原成铵(DNRA, 38.44%)的双重代谢途径，为设计高效节能废水处理系统提供了新范式。

　　

随着农业废水、垃圾渗滤液等人类活动排放的增加，水体硝酸盐污染已成为全球性环境挑战。过量硝酸盐不仅破坏水生态平衡，更通过"蓝婴综合征"等疾病直接威胁人类健康。传统异养反硝化技术面临碳源投加成本高、污泥产量大等问题，而新兴的黄铁矿自养反硝化(PAD)虽能以FeS₂作为电子供体将NO₃^–还原为N₂，却因矿物溶解速率慢导致启动周期长、效率低下。中国国家自然科学基金资助项目团队通过耦合三维生物膜电极反应器(3DBER)创造性地开发出P3DBER系统，但连续供电模式仍存在能耗过高(0.050?kW·h/g NO₃^–-N)的瓶颈。

为解决这一矛盾，研究人员系统考察了间歇电场(IEF)调控策略。通过动态吸附实验排除了填料吸附作用的干扰，采用高通量测序解析微生物群落结构，结合功能基因预测阐明代谢通路。在50?mm×50?cm的有机玻璃反应器中，分层填充砾石支撑层(10?cm)、黄铁矿层(20?cm)和无填料层(10?cm)，中央石墨电极连接直流电源，通过精密调控电流通断比实现IEF优化。

实验系统部分显示，反应器采用透明有机玻璃柱状设计，石墨电极由苏州驰诚模具配件有限公司提供，确保实验条件可控。动态吸附实验证实填料对NO₃^–-N的吸附在300分钟后达饱和，后续结果均反映真实的生物电化学过程。

研究取得突破性发现：在20?mA电流下，中等启停比(3:3)实现最佳平衡——NRE达95.96±1.46%，能耗仅0.035±0.002?kW·h/g NO₃^–-N。微生物分析表明，该条件下群落稳定性最高(77.30%正相关)，Thiobacillus(28.47%)、Desulfovibrio(14.40%)和Desulfomicrobium(13.28%)成为优势菌属。功能基因预测揭示传统反硝化(47.95±4.58%)和DNRA(38.44±3.18%)是主要代谢途径，而中等启停比促进胞外聚合物(EPS)分泌，增强系统稳定性。

结论部分强调，P3DBER在3:3启停比下实现NRE95.65–98.07%的高效运行，电能利用率提升42%以上。该研究首次量化了IEF策略对P3DBER系统性能的影响，发现中等电场刺激既能维持Thiobacillus等电活性菌的代谢活性，又避免连续供电导致的能量浪费。通过揭示DNRA与传统反硝化的协同作用，为复杂氮循环网络的调控提供了新见解。这些发现对发展可持续废水处理技术具有重要指导价值，相关成果发表于《Bioresource Technology》。