锰碳酸盐-硫铁矿复合填料强化自养反硝化效能及其生化机制研究

为解决低C/N比废水处理中异养反硝化效率低、成本高的问题，研究人员开发了新型锰碳酸盐-硫铁矿（MnCO3 -S-FeS2 ）复合填料，通过协同锰、硫、铁循环提升自养反硝化效率。实验表明，该系统在HRT为24 h和12 h时硝酸盐平均去除率分别达83.85%和79.81%，显著高于传统硫铁矿系统（75.50%、65.48%）。研究揭示了MnCO3 作为电子供体、pH缓冲剂和代谢增强剂的多重作用机制，为低C/N污水治理提供了新策略。

　　

随着全球人口增长，人类活动导致的硝酸盐污染已成为水体富营养化的主要诱因。污水处理厂尾水因有机电子供体不足，难以实现高效生物脱氮。中国现行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）要求总氮（TN）低于15 mg/L，但仍远高于地表水Ⅳ类标准（1.5 mg/L）。传统异养反硝化需外加碳源，成本高且易造成二次污染。为此，以硫、铁等无机物为电子供体的自养反硝化技术因其环保、经济特性备受关注。然而，硫自养反硝化产酸抑制反应速率，铁自养反硝化又面临电子传递效率低等问题。

针对上述挑战，中国某研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，开发了锰碳酸盐-硫铁矿（MnCO₃
-S-FeS₂
）复合填料系统。该研究通过调控水力停留时间（HRT），结合微生物生理响应和高通量测序技术，系统评估了复合填料对低C/N废水脱氮的强化效果及机制。

关键技术包括：（1）制备具有多孔结构的MnCO₃
-S-FeS₂
复合填料；（2）对比分析不同HRT下硝酸盐去除效率；（3）测定微生物胞外聚合物（EPS）分泌量；（4）通过高通量测序解析微生物群落组成。

研究结果

1. 填料表征：SEM显示复合填料呈不规则块状多孔结构，EDX证实MnCO₃
   -S-FeS₂
   表面存在Mn、S、Fe元素均匀分布，粗糙表面利于微生物附着。
2. 脱氮性能：MnCO₃
   -S-FeS₂
   系统在HRT=24 h时硝酸盐去除率达83.85%，较传统S-FeS₂
   系统提升8.35%。
3. 微生物生理响应：MnCO₃
   的引入使松散型EPS（LB-EPS）和紧密型EPS（TB-EPS）分泌量分别增至98.74 mg/g-SS和122.31 mg/g-SS，显著促进菌群聚集。
4. 群落分析：Thiobacillus（硫杆菌）、Chlorobium（绿菌属）和Desulfobacterota（脱硫菌门）在MnCO₃
   -S-FeS₂
   系统中富集，协同驱动锰、硫、氮循环。

结论与意义
该研究证实MnCO₃
通过三重机制提升脱氮效率：（1）作为电子供体参与5Mn²⁺
+2NO₃
^?
→5MnO₂
+N₂
反应；（2）CO₃
^2?
缓冲pH波动；（3）促进功能菌群代谢活性。这不仅解决了硫自养反硝化的酸化瓶颈，还通过锰-硫-铁多元素协同拓宽了电子传递路径。研究成果为低C/N废水处理提供了经济高效的工程化解决方案，同时推动了中国丰富锰矿资源的可持续利用。