基于Fe(Ⅱ/Ⅲ)循环的缓冲策略缓解水质波动下硫自养反硝化过程中硫化物与硝酸盐溢流问题

为解决硫自养反硝化(SAD)工艺在废水水质波动下易出现硫化物(S2-)与硝酸盐(NO3-)溢流的难题，研究人员创新性提出下游加载铁基缓冲填料床(FB)系统，通过Fe(Ⅱ/Ⅲ)循环氧化还原反应实现15天以上的稳定缓冲，同步减少硫资源损失。该策略为废水处理系统提供了高效、可持续的SAD工艺保障方案。

　　

在污水处理领域，硫自养反硝化(Sulfur Autotrophic Denitrification, SAD)技术因其无需有机碳源、污泥产量低的优势，被广泛应用于污水处理厂和人工湿地。然而这一工艺存在一个致命弱点：当进水水质波动时，低硝酸盐条件下会发生硫歧化反应(S⁰Disp)产生有毒硫化物，而高硝酸盐负荷时又会出现硝酸盐去除不完全的问题。这些溢出污染物不仅可能引发恶臭事件，还会对水生生态系统造成严重威胁。

针对这一行业痛点，哈尔滨工业大学的研究团队在《Water Research》发表了一项创新研究。他们独辟蹊径地提出：与其在SAD反应器内部调整，不如在其下游设置一个"电子银行"——铁基缓冲填料床(Fe-based buffer packed-bed, FB)系统。这个设计灵感来源于铁元素独特的"双重身份"：既能通过Fe(Ⅲ)快速固定硫化物，又能通过Fe(Ⅱ)辅助脱氮。

研究团队采用多学科交叉的研究方法：首先构建SAD-FB串联反应器系统，通过极端水质波动实验(4-18mg N/L硝酸盐浓度变化)验证缓冲性能；运用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)解析填料表面活性介质转化；结合高通量测序分析生物膜群落结构；并通过同位素示踪等技术阐明电子存储机制。

缓冲性能验证
在模拟极端水质波动条件下，单独SAD系统在低硝酸盐(4mg N/L)时产生高达7.2mg S/L的硫化物，高硝酸盐(18mg N/L)时出现14.7mg N/L的硝酸盐残留。而加载FB系统后，出水硫化物和硝酸盐始终低于0.5mg S/L和1.5mg N/L，证实其强大的缓冲能力。

介质转化机制
表征分析发现FB系统通过三步反应实现缓冲：(1)Fe₂O₃与硫化物反应生成Fe(Ⅱ)-S_x和S⁰；(2)储存的S⁰和Fe(Ⅱ)-S_x在高硝酸盐时参与反硝化；(3)生成的Fe(Ⅲ)重新进入循环。这种转化使铁损失率低至0.08mg Fe/L·d。

生物膜协同作用
微生物分析显示Thiobacillus(硫杆菌属)和Ferritrophicum(铁营养菌属)在填料表面形成功能生物膜，其丰度与缓冲性能呈正相关(r=0.82)，证实生物-化学协同作用。

与传统复合填料对比
相较于将铁矿物直接混合在SAD填料中的传统方法，下游FB设计避免了铁对硫歧化反应的催化作用，硫损失减少62%，且无需额外投加电子供体。

这项研究的重要意义在于：首次提出"空间分离-功能耦合"的创新思路，通过下游FB系统实现污染物的时空调控。相比现有技术，该策略具有三大突破：(1)变被动调整为主动预防，将生态风险扼杀在萌芽状态；(2)通过电子存储实现硫资源循环利用，降低运行成本；(3)模块化设计便于现有SAD工艺改造升级。研究团队特别指出，该技术尤其适合水质波动大的污水处理厂三级处理环节和人工湿地应用，为《水污染防治行动计划》的实施提供了新的技术支撑。