地下水除铁新策略：缺氧条件下硫化铁(FeSx)形成机制及工程应用研究

针对传统曝气过滤法产生大量低价值铁污泥(72,802吨/年)的问题，荷兰研究团队创新性提出缺氧条件下硫化铁(FeSx)固定床连续流反应器除铁技术。研究表明，该技术可在<10分钟快速形成致密硫化铁颗粒(FeSm/FeS2)，Fe(II)rem/S(-II)rem摩尔比达0.76±0.16，为饮用水处理提供更紧凑高效的解决方案。

　　

全球约三分之一人口依赖地下水作为饮用水源，但高浓度铁(Fe)的存在导致管道堵塞、水质变色等问题。传统曝气过滤法虽能有效除铁，却产生大量蓬松的氢氧化铁(Fe(OH)₃)污泥——仅荷兰每年就产生72,802吨，这些低密度絮状物既难处理又缺乏商业价值。更棘手的是，频繁的反冲洗操作不仅消耗大量能源（每次反冲洗耗水量达处理水量的2-5%），还会中断水厂正常运行。面对这一全球性难题，代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表突破性研究，首次将地质成矿原理引入水处理领域，开创性地利用硫化铁(FeS_x)的快速成矿特性实现高效除铁。

研究团队采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱等先进表征技术，在模拟地下水环境中构建了以黄铁矿(pyrite, FeS₂)为填料的升流式固定床反应器。通过精确控制硫化氢(H₂S)投加量（5.3±1.6至11.3±2.5 mg S(-II)/L），在19分钟水力停留时间内完成从Fe(II)到纳米级硫铁矿(mackinawite, FeS_m)的转化。

【Iron removal through sulfide dosage】

当进水铁浓度19.8±1.8 mg Fe(II)/L时，低硫投加量下除铁效率达7.1±2.6%，而高硫投加量时骤增至91.3±2.3%。电导率监测显示反应过程伴随H⁺消耗，证实Fe²⁺+HS^-→FeS_m+H⁺的成矿路径。

【Particulate iron sulfides formation】

黑色悬浮物的快速出现（<10分钟）印证了FeS_m的纳米晶特性，其形成速率常数k=1.5×10⁴ M^-1s^-1远超传统絮凝过程。反应产物通过SEM-EDX检测显示典型的Fe-S原子比（1:1.1），且部分新生颗粒会附着在黄铁矿载体表面形成矿化层。

这项研究颠覆了百年来的除铁范式，其重要意义在于：①将污泥体积缩减80%以上；②产物硫化铁可作为电极材料或重金属吸附剂实现资源化；③反应器体积仅为传统工艺的1/5。正如通讯作者Doris van Halem指出，该技术不仅适用于地下水处理，其揭示的"成矿水处理"原理更为砷(As)、铅(Pb)等重金属去除开辟了新路径。未来通过优化硫投加方式和载体表面修饰，有望建成全球首个"零铁污泥"饮用水厂。