海绵铁驱动双污泥系统NDFO-Feammox耦合：构建可持续高效脱氮的铁循环网络优化

为解决传统生物脱氮技术碳源依赖性强、能耗高的问题，研究人员创新性地利用海绵铁(SI)驱动活性污泥与厌氧氨氧化(Anammox)污泥耦合的硝酸盐依赖型亚铁氧化(NDFO)与铁介导氨氧化(Feammox)过程。研究证实该系统可实现NH4+-N(87.1±3.2%)和NO3--N(91.8±2.7%)高效去除，并通过数学模型揭示NDFO途径贡献66.1%的Fe(III)供给。该研究为构建自养型铁-氮循环系统提供了理论支撑与技术范式。

　　

传统污水处理面临碳源"卡脖子"难题——现有生物脱氮技术如同"油老虎"，每处理1吨污水需消耗2-4公斤有机碳源，且能耗占污水处理厂总能耗的50%以上。更棘手的是，主流厌氧氨氧化(Anammox)技术存在亚硝酸盐(NO₂^--N)供应不稳定、硝酸盐(NO₃^--N)副产物累积两大技术瓶颈，就像汽车发动机始终无法达到最佳空燃比。

针对这些行业痛点，哈尔滨工业大学的研究团队在《Water Research》发表突破性研究。他们巧妙利用工业副产品海绵铁(SI)作为"生物燃料电池"，驱动活性污泥与Anammox污泥的协同代谢，构建出新型NDFO-Feammox耦合系统。该系统如同自然界铁细菌与硝化菌的共生体，通过铁离子价态循环实现"自供能"脱氮，为污水处理领域提供了绿色解决方案。

研究采用序批式反应器(SBR)进行长期运行实验，结合批次动力学测试与宏基因组分析。通过双约束数学模型量化代谢通量，并采用X射线光电子能谱(XPS)表征铁形态转化。关键发现包括：

氮去除性能
系统在稳定阶段实现NH₄⁺-N和NO₃^--N去除率分别达87.1%和91.8%。SI的缓释特性使Fe(II)浓度维持在5.2-8.7 mg/L，避免铁盐投加的"脉冲式"毒性。

代谢网络解析
宏基因组显示Candidatus Brocadia在Feammox代谢中占主导(相对丰度23.6%)。其narG基因表达量提升3.2倍，证实该菌能同时利用NO₃^--N和Fe(III)作为电子受体。

铁循环机制
NDFO途径贡献66.1%的Fe(III)，余量由化学氧化补充。铁存储蛋白(ftn)基因表达增强，形成"铁银行"调节机制。

结论与意义
该研究首次实现SI驱动的NDFO-Feammox代谢网络精准调控，突破传统铁盐投加导致的污泥矿化瓶颈。创新性发现包括：①Anammox菌可切换Feammox/Anammox双代谢模式；②SI表面氧化物作为"纳米反应器"促进电子传递；③铁存储机制实现能量跨周期分配。这些发现为发展"以废治废"型污水处理技术提供新思路，据估算可降低脱氮成本47%。未来通过优化SI粒径与污泥配比，有望实现工程化应用突破。