磁铁矿强化硫-菱铁矿自养反硝化系统：超短水力停留时间下深度脱氮从实验室到中试的突破

为解决污水处理中传统异养反硝化需外加碳源、成本高且HRT长的问题，研究人员开发了磁铁矿强化硫-菱铁矿自养反硝化（SSMAD）系统。实验表明，SSMAD在HRT低至15分钟时仍能稳定脱氮，负荷达0.95 kgN/(m3 ·d)，较传统SSAD和SAD提升1.6倍和4.4倍，并通过促进硫/铁氧化菌（如Thiobacillus）的电子传递实现高效脱氮，为低碳污水处理提供了新策略。

　　

随着全球水体富营养化加剧，污水处理厂面临日益严格的氮排放标准（如中国和欧盟要求总氮TN<15 mg/L）。传统异养反硝化需添加甲醇等碳源，不仅成本高昂，还会增加温室气体排放。硫自养反硝化（SAD）虽能利用硫化物作为电子供体，但存在反应速率慢、HRT长（6-24小时）及副产物亚硝酸盐（NO₂
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-N）积累等问题。更棘手的是，SAD过程产生的酸性物质会导致pH骤降，而联合菱铁矿（siderite）的SSAD系统虽能缓冲pH并通过Fe²⁺
提供额外电子，仍无法突破HRT限制。

北京林业大学等机构的研究团队提出创新方案：在SSAD填料中掺入导电性磁铁矿（magnetite），构建SSMAD系统。通过实验室和中试实验，该系统在超短HRT（15分钟）下实现TN<12.3 mg/L，相关成果发表于《Water Research》。研究采用宏转录组学分析微生物代谢通路，结合连续流反应器对比SSMAD与SSAD性能，并利用真实污水处理厂二级出水验证实用性。

主要技术方法

1. 复合填料制备：按硫:菱铁矿:磁铁矿=4:4:1比例熔融冷凝成型；
2. 连续流实验：设置7组HRT（0.25-6小时）对比SSMAD与SSAD脱氮效率；
3. 微生物分析：16S rRNA测序鉴定Thiobacillus等功能菌，宏转录组解析电子传递链基因（如c型细胞色素）；
4. 中试验证：处理实际污水厂二级出水，监测TN、NO₃
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   -N等指标。

研究结果

1. 超短HRT下的高效脱氮：SSMAD在HRT=30分钟时脱氮负荷达0.95 kgN/(m³
   ·d)，较SSAD提升60%；中试阶段HRT=15分钟时出水TN仍低于12.3 mg/L。
2. 微生物群落调控：磁铁矿显著富集硫氧化菌Thiobacillus（相对丰度增加37%）和铁氧化菌Sulfurimonas，两者协同完成硫/铁驱动的硝酸盐还原。
3. 电子传递机制：宏转录组显示磁铁矿促进菌间电子转移（IET），硫中间体由Sulfurimonas生成并被Thiobacillus利用；同时上调c型细胞色素基因，强化胞外电子传递（EET）。

结论与意义
该研究首次证实磁铁矿可通过双重电子传递路径（IET和EET）加速自养反硝化，突破传统SSAD的HRT瓶颈。SSMAD系统无需碳源投加，在15分钟HRT下即可满足严苛排放标准，且填料制备工艺简单，具备工业化应用潜力。这一成果为污水处理厂提标改造提供了“低碳-高效-可持续”的技术范式，尤其适用于土地受限或需快速脱氮的场景。未来研究可进一步优化磁铁矿比例，并探索其在厌氧氨氧化（anammox）耦合工艺中的应用。