铁屑强化硫自养反硝化与除磷在潜流人工湿地中的应用及机制研究

为解决污水处理中氮(N)和磷(P)排放标准日益严格的问题，研究人员通过铁屑(ISs)强化硫自养反硝化(SAD)系统，在潜流人工湿地(SSF CWs)中实现了总氮(TN)和总磷(TP)去除率分别达77.14%和87.11%，并揭示了微生物群落与功能基因的协同作用机制，为低碳废水处理提供了可持续解决方案。

　　

随着全球水环境治理标准的提高，污水处理厂面临氮(N)、磷(P)排放限值的严峻挑战。以北京为例，总氮(TN)和总磷(TP)的排放标准已分别收紧至10 mg/L和0.2 mg/L，但传统二级处理出水的TN和TP浓度仍高达10–20 mg/L和0.5–1.0 mg/L。潜流人工湿地(SSF CWs)虽能处理大流量低污染水体，但其脱氮效率受限于碳源不足，而除磷效果则因基质吸附容量有限和季节性波动大打折扣。更棘手的是，低温会显著抑制微生物活性，进一步降低系统性能。

针对这些瓶颈，上海交通大学的研究团队创新性地将铁屑(ISs)引入硫自养反硝化(SAD)系统，构建了Fe + S-SSF复合湿地。通过242天的实验发现，该系统的TN和TP去除率分别比传统SAD系统提高9.19%和19.11%，尤其在低温条件下仍保持稳定性能。微生物分析显示，ISs显著富集了Ferritrophicum等关键反硝化菌属，并激活了与铁循环(Fe²⁺
/Fe³⁺
)和硫代谢相关的功能基因。这种协同作用不仅通过硝酸盐依赖型亚铁氧化(NDFO)促进脱氮，还通过生成磷酸铁沉淀实现高效除磷，同时解决了SAD系统酸化和ZVI钝化两大难题。该成果发表于《Journal of Cleaner Production》，为污水深度处理提供了"以废治废"的新思路。

研究采用三项关键技术：1) 构建对照(C-SSF)、硫添加(S-SSF)和铁硫复合(Fe + S-SSF)三组SSF CWs系统；2) 使用高通量测序分析微生物群落结构；3) 通过宏基因组学解析功能基因表达谱。

整体脱氮性能
数据表明Fe + S-SSF的TN去除率(20.55–76.98%)显著高于S-SSF(12.16–67.95%)和对照组。ISs的加入使NO₃
^-
-N去除率提升至81.25%，同时将NO₂
^-
-N积累量控制在0.5 mg/L以下，证实铁硫协同减少了中间产物积累。

除磷机制
Fe + S-SSF的TP去除率(87.11%)远超S-SSF(67.95%)，X射线衍射证实系统中形成了蓝铁矿(Fe₃
(PO₄
)₂
·8H₂
O)等沉淀，说明Fe²⁺
释放是除磷关键。

微生物群落响应
在门水平上，Fe + S-SSF中变形菌门(Proteobacteria)占比达42.6%，其携带的napA、nirS等反硝化基因表达量比对照组高2.1倍。属水平的Ferritrophicum相对丰度与TN去除率呈显著正相关(R²
=0.83)。

功能基因分析
ISs使Fe + S-SSF中与铁氧化(cyc2)、硫代谢(soxB)相关的基因表达量提升3.8倍，同时检测到完整的DNRA(硝酸盐异化还原成铵)通路，说明系统存在多重氮转化路径。

该研究证实，铁屑的加入使SAD系统形成"硫驱动脱氮-铁介导除磷-微生物协同调控"的闭环机制。这种设计不仅将工业废料(ISs)转化为功能材料，还通过Fe/S循环实现pH自调节，解决了传统工艺需外加碱度的痛点。在低温条件下，系统仍能维持70%以上的脱氮效率，这对北方地区污水处理具有特殊价值。作者Azharuddin Chachar等指出，该方法每吨污水处理成本可比化学除磷降低32%，为污水厂提标改造提供了经济可行的技术选项。未来研究可进一步优化铁硫配比，并探索在工业废水中的应用潜力。