铁锰双氧化物驱动移动床生物膜反应器高效脱氮除磷的新机制与性能研究

为解决低碳氮比生活污水中氮磷去除效率低的难题，研究人员开发了不同铁锰(Fe/Mn)配比的移动床生物膜反应器(MBBR)。结果表明，该系统在II-IV阶段对NH4+-N和NO3?-N的去除率分别达96%/55%、97%/34%和40%/75%，并通过生物铁锰氧化物吸附与氧化还原循环实现磷去除。该研究揭示了铁锰氧化还原循环(Fe-Mn redox cycling)驱动胞外聚合物(EPS)分泌、促进电子传递的机制，为低碳污水处理提供了创新解决方案。

　　

随着工业化进程加速，生活污水中氮磷排放引发的富营养化问题日益严峻。传统生物处理工艺对低碳氮比(C/N)污水中的营养盐去除效率有限，亟需开发高效稳定的新型处理技术。铁锰氧化物因其优异的吸附与催化性能在水处理领域备受关注，但生物铁锰双氧化物在移动床生物膜反应器(MBBR)中的应用机制尚不明确。安徽高校科研团队在《Bioresource Technology》发表的研究，通过构建不同Fe/Mn配比的MBBR系统，揭示了铁锰氧化还原循环驱动脱氮除磷的分子机制。

研究采用1.5L有机玻璃柱构建连续流MBBR反应器，以模拟低碳氮比(4.5)生活污水为处理对象，通过控制Fe(II)/Mn(II)投加浓度(5-15 mg·L^?1)建立不同运行阶段。利用三维荧光光谱解析溶解性有机物(DOM)组分，结合高通量测序分析生物膜菌群结构，并通过X射线光电子能谱(XPS)追踪铁锰价态转化路径。

反应器性能与污染物去除
在60天运行中，II-IV阶段NH₄⁺-N去除率分别达96±2%、97±1%和40±5%，NO₃^?-N去除呈现55±5%、34±6%和75±4%的阶段性特征。总磷(TP)去除主要依赖生物铁锰氧化物的吸附共沉淀，当Fe/Mn摩尔比升至2:1时，TP去除效率提升27%。

生物膜特性与分子机制
铁锰氧化物显著刺激胞外聚合物(EPS)分泌，其多糖含量较对照组增加1.8倍。DOM中类腐殖酸组分促进Fe(III)/Mn(IV)还原，形成持续氧化还原循环。活性氧(ROS)检测显示，Fe-Mn体系使超氧阴离子水平降低62%，减轻了氧化应激对微生物的损伤。

微生物群落与功能基因
高通量测序揭示Proteobacteria(45.7%)和Planctomycetota(22.3%)为优势菌门，其携带的细胞色素c基因和锰氧化酶基因共同参与电子传递。铁锰循环主要发生在细胞外空间，通过EET(胞外电子传递)途径完成Mn(II)/Fe(II)的再生。

该研究证实铁锰双氧化物可通过三重机制协同增效：① 氧化物表面吸附直接去除磷；② 氧化还原循环耦合硝化/反硝化过程；③ EPS介导的生物电化学系统强化电子传递。相比传统工艺，该系统在低碳条件下实现总氮(TN)最高89±2%的去除率，且无二次污染风险。研究成果为城镇污水厂提标改造提供了理论支撑和技术路径，特别适用于碳源匮乏地区的污水处理需求。