海绵铁生物滤池中铁循环驱动的硝酸盐去除特性与途径：化学与微生物的协同作用

本研究针对传统脱氮工艺有机碳需求高、亚硝酸盐积累难控制等问题，创新性地构建了以海绵铁为铁源的自养脱氮生物滤池（SIBF）。通过耦合硝酸盐依赖型亚铁氧化（NDFO）和铁氨氧化（Feammox）过程，在pH=6、HRT=8?h条件下实现硝酸盐去除率84.1%、总氮去除率72.5%，揭示了NDFO（60%）与海绵铁化学还原（24%）的协同脱氮机制，为低碳废水处理提供了新思路。

　　

氮污染引发的富营养化问题长期困扰水环境治理，传统生物脱氮工艺如硝化-反硝化存在有机碳依赖性强、亚硝酸盐积累控制难等瓶颈。虽然厌氧氨氧化（anammox）工艺具有高效自养优势，但其依赖亚硝酸盐的特性限制了在低氨氮废水中的应用。此时，自然界中铁循环驱动的氮转化过程——铁氨氧化（Feammox）和硝酸盐依赖型亚铁氧化（NDFO）进入了研究视野。这两种过程无需有机碳源，通过铁价态变化即可实现氮素去除，但工程化应用面临铁源持续补充的难题。

针对这一挑战，研究人员创新性地采用多孔海绵铁（Fe⁰含量>88%）作为固体铁源，构建了海绵铁生物滤池（SIBF）。该系统通过海绵铁缓慢释放Fe²⁺的特性，同步支撑NDFO微生物（以Thiobacillus为主）的代谢活动和Feammox过程。研究显示，在pH=6、水力停留时间8小时条件下，系统硝酸盐去除率达84.1%，总氮去除率72.5%。¹⁵N示踪实验揭示脱氮途径的"双引擎"机制：NDFO过程贡献60%的氮去除（产物为N₂和NO₂^-），海绵铁化学还原贡献24%（产物为NH₄⁺），而生成的NH₄⁺又可通过Feammox进一步转化为N₂。高通量测序发现滤池底部Thiobacillus丰度高达25.2%，形成明显的空间分布梯度，印证了生物-化学协同作用。

关键技术方法包括：1）构建海绵铁生物滤池反应器；2）¹⁵N同位素示踪实验解析脱氮途径；3）氮转化批次实验量化各过程贡献率；4）高通量测序分析微生物群落结构。

【硝酸盐去除特性】

在pH 2-8范围内，海绵铁均可化学还原NO₃^-为NH₄⁺，但pH过低会导致微生物死亡。优化条件下，系统表现出稳定的脱氮性能，且溶解态N₂O的积累主要源于海绵铁对NO₂^-的化学还原。

【微生物群落演变】

Thiobacillus在滤池不同区域呈现梯度分布（底部25.2%→顶部6.3%），其丰度与NDFO活性正相关。海绵铁的孔隙结构为微生物提供了理想附着位点，形成高活性生物膜。

该研究首次实现了海绵铁介导的NDFO-Feammox耦合工艺持续运行，突破传统铁基脱氮工艺需持续投加铁盐的限制。海绵铁缓慢释放Fe²⁺的特性既避免铁浓度波动对微生物的抑制，又降低运行成本。研究为低碳废水处理提供了新范式，其"以废治废"思路（利用工业副产品海绵铁）兼具环境与经济双重效益。未来可通过优化海绵铁粒径、调控DO浓度等手段进一步提升系统性能，推动工程化应用。