红泥/锰改性焦炭构建快速渗透系统同步脱氮除硫：效能提升与微生物调控机制

针对工业废水中氮/硫污染物协同去除难题，广西团队创新性地构建了红泥/锰改性焦炭快速渗透系统(CRIS)。研究发现锰改性焦炭可显著提升硫酸盐(SO42-)去除率达64.9%，并通过激活硫代谢(亚硫酸盐还原+53.3%)和氮循环(糖酵解/氨氧化增强)通路，实现COD、NH4+-N、SO42-同步去除。该技术为复杂废水处理提供了低能耗解决方案。

　　

随着全球工业化进程加速，橡胶、纺织等行业排放的含氮/硫废水引发严峻生态挑战。这类废水具有"双高"特征——高浓度NH₄⁺-N导致水体富营养化，而SO₄^2-还原产生的硫化物不仅腐蚀管道，更会释放恶臭物质。传统处理技术面临根本性矛盾：硫酸盐还原菌(SRB)会与反硝化菌竞争碳源，而高浓度氨氮又直接抑制微生物活性。更棘手的是，现有工艺往往伴随高能耗问题，如活性污泥法运行成本居高不下。

在此背景下，广西自然科学基金资助团队创新性地将工业副产品红泥与锰改性焦炭相结合，构建了快速渗透系统(CRIS)。该系统充分发挥红泥中CaO/Fe₂O₃的酸碱调节功能，同时利用锰的多价态特性(Mn⁴⁺/Mn³⁺)催化电子传递，在实验室规模实现了污染物协同去除。当硫酸盐浓度从50 mg/L提升至100 mg/L时，锰改性组(Group C)展现出显著优势：硫酸盐去除率(64.9±6.50%)较传统焦炭组提升13.1个百分点，NH₄⁺-N去除率(50.5±4.47%)也保持稳定。

研究采用合成废水控制变量，通过X射线光电子能谱(XPS)和宏基因组测序揭示作用机制。关键发现包括：

COD去除效率
所有系统对COD的去除率均超75%，这归功于焦炭多孔结构的物理吸附与生物膜降解的双重作用。值得注意的是，锰改性组的电子传递效率提升，为后续氮硫转化提供了能量基础。

微生物群落演变
变形菌门(Proteobacteria)在所有系统中占比超50%，但锰改性组中布鲁氏菌(Brucella)丰度从0.83%激增至3.53%。这种变化与硫代谢功能基因的上调密切相关，尤其是亚硫酸盐还原途径增强53.3%。

代谢机制解析
锰的引入显著激活了氮循环两条关键通路：一方面通过好氧氨氧化将NH₄⁺转化为NO₂^-，另一方面在厌氧界面促进NO₃^-还原为N₂。同步发生的硫代谢重构使得SO₄^2-更易转化为固态硫化物，有效阻断了硫化氢的释放风险。

这项发表于《Biochemical Engineering Journal》的研究具有三重创新价值：首先，将工业废料红泥"变废为宝"，既解决了铝业固废处置难题，又降低了污水处理成本；其次，锰催化策略使系统对有机碳源的依赖度降低30%，突破了传统反硝化的限制；更重要的是，通过微生物群落定向调控，首次在CRIS中实现了硫代谢(SRB)与氮循环的协同优化。

研究团队特别指出，该系统的吨水处理成本可比活性污泥法降低40%，且污泥产量减少70%，为工业园区废水处理提供了可规模化的技术选择。未来研究将聚焦于真实工业废水的长期运行测试，并探索锰改性填料的使用寿命延长方案。