《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Polyhydroxyalkanoates/corncob-iron Sulfide Denitrification System for Simultaneous Nitrogen and Phosphorus Removal: Mechanisms of Carbon Source Release and Mixotrophic Denitrification
编辑推荐：
•IS-PCC的NO??-N和TP去除效率分别比ISAD高出26.8%和15.63%。
•IS-PCC出水SO?2?浓度比ISAD低47.49 mg/L。
•富集了与硫、铁和有机物相关的代谢微生物。
•IS-PCC中代谢途径的相对丰度高于ISAD。
引言
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IS-PCC的NO??-N和TP去除效率分别比ISAD高出26.8%和15.63%。
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IS-PCC出水SO?2?浓度比ISAD低47.49 mg/L。
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富集了与硫、铁和有机物相关的代谢微生物。
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IS-PCC中代谢途径的相对丰度高于ISAD。
引言
低碳氮比（C/N < 3.5）废水的生物脱氮仍是富营养化控制中的关键难题，因为碳源不足严重限制了反硝化效率[1], [2], [3]。目前的技术方案，包括自养反硝化和异养反硝化，均存在固有的局限性，制约了其实际应用。研究人员提出混合营养反硝化有望解决低碳氮比废水处理的问题。
自养反硝化作为废水处理的一种经济有效的解决方案，引起了广泛关注。该过程利用无机电子供体，如硫化物、氢气（H?）和亚铁离子（Fe(II)），来还原硝酸盐[4]。其中，硫化铁（FeS）——一种天然丰富且廉价的矿物——可作为双重电子供体（通过S2?和Fe(II)），实现氮和磷的同时去除，如方程式（1）、（2）、（3）所示。[5]证明，辉铁矿驱动的自养反硝化可有效去除氮，同时通过生物介导的氧化还原反应从废水中回收磷。然而，该方法存在若干局限性：（1）自养反硝化通常表现出比异养过程更慢的反应动力学（Wang et al., 2019）；（2）自养反硝化菌生长速率缓慢，延长了反应器启动时间[6]；以及（3）如方程式（3）所示，FeS基反硝化会产生大量硫酸根（SO?2?），可能导致二次水污染。5FeS+8NO??+4H?O→4N?+5Fe2?+8OH?+5SO?2?5Fe2?+NO??+6H?→0.5N?+5Fe3?+3H?O10FeS+18NO??+16H?O→9N?+10Fe(OH)?+2H?+10SO?2?
将异养反硝化与硫化铁自养反硝化相结合，可克服上述缺点。传统异养反硝化依赖于可溶性碳源，包括甲醇、乙酸和葡萄糖，来驱动反硝化过程。然而，这些碳底物存在若干操作挑战，包括精确加药困难以及储存和处理过程中的安全隐患[7]。固体碳源也可应用于反硝化，主要分为天然材料如玉米芯和麦秸[8]，以及可生物降解聚合物如聚3-羟基丁酸-共-羟基戊酸酯（PHBV）[9]、聚己内酯（PCL）[10]和聚羟基脂肪酸酯（PHA）[11]。天然材料在初期表现出快速释碳，但无法维持稳定的长期碳释放。可生物降解聚合物依赖微生物水解进行碳释放，初期释放速率较低，但可实现长期稳定的碳源供应。
先前的研究在该领域取得了重要进展。[5]表明辉铁矿驱动的自养反硝化可去除氮并回收磷。Zhou等人[12]研究了黄铁矿/PHBV混合营养系统的氮磷去除效率。关键基因的共现分析揭示了纤维素降解、反硝化和硫循环基因的存在。这些发现证实了铁硫自养反硝化与固相异养反硝化耦合的可行性，并暗示了微生物协同作用的潜力。然而，将天然材料与可生物降解聚合物结合使用的混合固体碳源，及其与硫化铁自养反硝化结合用于低C/N废水的同时氮磷去除，尚未得到系统阐明。
本研究开发了一种新型聚羟基脂肪酸酯（PHA）/玉米芯复合材料（PCC）碳源，通过将PHA与玉米芯混合而成。我们系统地评估和比较了两个系统的氮磷去除性能：硫化铁自养反硝化（ISAD）系统和硫化铁-PCC混合营养反硝化（IS-PCC）系统。本研究的目标为：（1）评估ISAD系统的营养物质去除效率；（2）研究关键运行参数对IS-PCC系统营养物质去除的影响；以及（3）阐明IS-PCC混合营养反硝化过程的潜在去除机制。
章节片段
实验材料准备
实验中使用的硫化铁购自河南省三门峡市，经筛分得到3-5 mm的颗粒。PHA经筛分得到3-4 mm的颗粒用于实验。玉米芯选自中国东北，经筛分得到5-6 mm的颗粒。
使用前，硫化铁按照[5]中描述的方法进行预处理，以去除表面氧化物。PHA颗粒用去离子水彻底冲洗，并在50°C下烘干2小时。同样，玉米芯颗粒也...
ISAD过程的氮磷去除
30天运行期间，包括NO??-N、NO??-N和NH??-N的脱氮性能，以及总磷去除率和出水硫酸根（SO?2?）浓度，如图2所示。图2a展示了出水NO??-N浓度的变化及相应的去除效率。反应开始时NO??-N的平均进水浓度为20.97 mg/L。可以明显看出，在仅添加黄铁矿的ISAD系统中，NO??-N的浓度...
结论
本研究成功开发了一种创新的硫化铁-PHA/玉米芯复合材料（IS-PCC）混合营养反硝化系统，其性能优于传统的硫化铁自养反硝化（ISAD）系统。在反应时间为24小时、进水NO??-N和TP分别为20.12和1.60 mg/L的条件下，IS-PCC系统的平均出水NO??-N和TP分别为0.28和0.58 mg/L。微生物分析表明Thioclava属...
未引用参考文献
Hosono et al., [56]
CRediT作者贡献声明
赵雅旭（Yaxu Zhao）：写作 – 审阅与编辑。张雨薇（Yuwei Zhang）：写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。魏东阳（Dongyang Wei）：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。张华永（Huayong Zhang）：写作 – 审阅与编辑。苏培栋（Peidong Su）：写作 – 审阅与编辑，可视化，调查。周雨辰（Yuren Zhou）：方法论，调查。温柱青（Zhuqing Wen）：可视化，资源。吴瑞（Rui Wu）：方法论，调查，形式...
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到了深圳市科技创新计划协同创新项目——承接中国国家重大科技项目（CJGJZD2020061710260200）和国家重点研发计划（2021YFC3201505-02）的资金支持。
张雨薇 | 赵雅旭 | 吴瑞 | 刘佳龙 | 周雨辰 | 温柱青 | 张华永 | 苏培栋 | 魏东阳
