铁改性生物炭的多重环境修复功能：同步强化反硝化及Cu2+/Pb2+解毒去除机制解析

针对废水中硝酸盐(NO3–-N)与重金属(HMs)协同去除难题，研究人员通过铁改性稻壳/贝壳生物炭(NRHB/NRSB/NRXB)构建多功能修复平台。研究发现NRHB通过Fe3O4负载促进电子传递(硝酸盐去除率提升24.6%)，化学吸附实现Cu2+(29.78 mg/g)/Pb2+(29.95 mg/g)高效固定，腐殖酸释放缓解金属毒性，为复合污染治理提供绿色解决方案。

　　

随着工农业快速发展，水体中硝酸盐(NO₃^–-N)与重金属(Cu²⁺/Pb²⁺)复合污染问题日益严峻。硝酸盐引发水体富营养化，而重金属具有生物累积性和不可降解性，两者共存时因化学行为差异导致传统处理技术效率低下。更棘手的是，污水处理厂常面临碳源不足(C/N比低)制约反硝化效率的困境。面对这一环境治理痛点，中国研究人员创新性地将农业废弃物(稻壳)和海洋副产品(贝壳、小龙虾壳)转化为铁改性生物炭，探索其"一材多用"的协同修复机制。

研究团队采用稻壳(RH)、废弃贝壳(WS)和小龙虾壳(CS)为原料制备三种铁改性生物炭(NRHB/NRSB/NRXB)，通过X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)表征材料特性，结合动力学实验评估其对Aquabacterium sp. XL4菌株反硝化性能的促进作用。通过批式吸附实验分析Cu²⁺/Pb²⁺去除效率，并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析吸附机制。通过监测溶解性有机质(DOM)释放和微生物活性变化，阐明重金属解毒途径。

促进菌株XL4反硝化效率
在C/N=0.5的低有机碳条件下，NRHB使硝酸盐去除率提升24.6%，动力学常数k值提高3.4倍。表征证实Fe₃O₄负载形成的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环加速电子传递，而生物炭老化释放的腐殖酸类物质作为电子穿梭体进一步促进反硝化。

重金属吸附性能差异
NRHB对Cu²⁺和Pb²⁺的吸附量分别达29.78 mg/g和29.95 mg/g，符合Langmuir单层吸附模型。壳源生物炭(NRSB/NRXB)因含CaCO₃表现出更强的离子交换能力，而RH衍生物炭表面丰富的含氧官能团主导化学吸附。

重金属-反硝化相互作用
低浓度Cu²⁺(<5 mg/L)通过促进Fe²⁺氧化间接增强反硝化，而Pb²⁺则表现出显著生物毒性。当两者共存时，生物炭通过协同吸附和生物沉淀作用缓解Pb²⁺抑制，使微生物脱氢酶活性恢复至对照组的85.3%。

环境意义与创新价值
该研究首次系统揭示了铁改性生物炭在"硝酸盐-重金属"复合污染体系中的三重作用机制：①Fe₃O₄介导的电子传递网络提升低C/N比反硝化效率；②化学吸附与离子交换协同实现重金属高效固定；③腐殖酸类物质通过螯合作用降低金属生物有效性。提出的"以废治废"策略不仅实现农业废弃物的高值化利用，更为复杂水质净化提供了经济可行的技术方案。研究成果发表于《Journal of Hazardous Materials》，为发展绿色可持续的环境修复材料提供了重要理论依据。