基于黄铁矿的两阶段反硝化深床过滤器中废水处理性能的提升

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced Wastewater Treatment Performance in a Two-Stage Pyrite-Based Denitrifying Deep Bed Filter

两阶段脱氮深床滤器系统协同去除COD、NH4+、NO3-、TP达93.85%、82.01%、93.70%、75.80%，通过方铁矿氧化释放Fe2+驱动自养反硝化（Thauera占优），活性炭吸附有机物支持异养反硝化（Bacillus、Halomonas）及化学除磷，实现微生物群落功能互补。

　　

丁俊|凌峰|田书阳|谢文波|陈晓彩|余莉|李旭梅|谢发志|李卫华|薛同展|杨后云|黄先怀

安徽省水污染控制与废水回用重点实验室，安徽省环境污染控制与资源再生重点实验室，安徽建筑大学，合肥，中国

摘要

为了解决传统废水处理方法在营养物质去除方面的局限性，构建了一种两级反硝化深床过滤系统，以黄铁矿和活性炭作为主要过滤介质。该系统对COD、NH₄⁺-N、NO₃^--N和TP的去除效率分别达到了93.85 ± 3.41%、82.01 ± 4.04%、93.70 ± 3.80%和75.80 ± 2.45%。显微观察显示，黄铁矿通过氧化溶解形成了粗糙多孔的结构，持续释放Fe²⁺和硫物种作为电子供体，促进自养反硝化和化学磷沉淀。同时，活性炭吸附了上游的有机物质和溶解成分，并支持生物膜附着，从而实现硝化和反硝化的同步进行。高通量测序分析表明，功能微生物在空间上存在明显分化：黄铁矿层富集了以Thauera为主的自养反硝化菌群，负责硝酸盐的还原；而活性炭层则栖息着异养降解菌如Bacillus和好氧反硝化菌Halomonas，增强了有机物的氧化和氮的深度去除效果。这种介质诱导的空间分区和代谢互补性成功建立了自养-异养耦合过程，为高效去除废水中的氮和磷提供了有效策略。

引言

富营养化及其对生态安全和公共健康的威胁已演变成全球性的环境危机，迫切需要能够同时去除废水中的氮和磷的高效稳定技术。由富营养化引发的藻类爆发不仅严重破坏了水生生物多样性，还释放了蓝藻毒素，直接威胁饮用水安全和生态系统健康。此外，过量的藻类堆积常常导致河道堵塞，严重影响通航和水力发电设施[1]。因此，深度去除废水中的氮和磷营养物质成为水污染控制的关键目标。

反硝化深床过滤（DDBF）是一种将物理过滤与生化反应相结合的先进生物过滤工艺，因其同时去除氮和磷的潜力而被广泛应用。尽管通常用于废水的高级处理，但提高其对有机负荷波动的适应性仍是其运行的关键挑战[2]。然而，传统的DDBF在处理碳氮比（C/N）较低的废水时存在效率和稳定性双重限制[3]。单一过滤床往往无法有效管理微生物群落之间的底物和电子受体竞争，导致氮和磷的去除效果不佳[4]。此外，补充外部有机碳以满足反硝化需求不仅会增加运行成本，还会增加过滤器快速堵塞的风险[5]。

为克服这些空间和竞争限制，多级功能分区已成为先进水处理中广泛验证的工程策略[6]。通过空间分离处理单元，多级配置实现了阶段性的协同作用，提高了过程可控性和负荷分配效率。例如，在 constructed wetlands 和生物曝气过滤系统中，串联操作通过建立具有明确氧化-还原梯度的不同微环境，成功分离了微生物代谢途径[7]。这种分层系统的核心优势在于初级阶段能够专注于关键化学转化（如强化反硝化），而次级阶段则作为深度吸附和残余有机物去除的精处理单元[8]。

除了配置设计外，过滤介质的功能提升也对提高过滤性能起着决定性作用。传统的惰性介质（如石英砂）缺乏催化活性，在低C/N条件下难以支持反硝化过程。因此，研究人员开发了新型介质，包括固体碳源、零价铁和合成铁碳复合材料[9]。然而，这些材料常面临成本高、长期钝化和堵塞等问题[10]。最近，黄铁矿因其低成本和作为硫-铁自养反硝化电子供体的潜力而受到关注[11]。然而，单独使用黄铁矿的系统常遇到pH值下降和化学需氧量（COD）去除不足等运行问题[12]。因此，尽管多级功能分区和基于黄铁矿的介质在营养物质去除方面展现出巨大潜力，但两者在DDBF系统中的集成仍大多未被探索。特别是，能够同时实现pH缓冲、高效污染物降解和微生物生态位竞争的系统设计尚未得到充分研究。

为解决这些不足，本研究构建了一种以黄铁矿和活性炭为核心过滤介质的新型两级DDBF系统。系统对其化学需氧量（COD）、NH₄⁺-N、NO₃^--N和总磷（TP）的协同去除效率进行了系统评估，深入分析了介质的结构演变和元素转化模式，并阐明了功能微生物群的空间分布特征和协同机制。具体而言，本研究验证了黄铁矿驱动的自养反硝化与活性炭促进的同步硝化和反硝化（SND）之间的耦合。此外，从处理性能、物质转化和微生物生态学的角度全面验证了这种两级配置的技术优势。这项工作旨在为创新深度营养物质去除过滤技术的开发和工程应用提供理论基础和实践支持。

接种污泥和进水特性

接种污泥来自中国合肥的一家市政污水处理厂。接种体积为2 L，混合液悬浮固体（MLSS）浓度为7.67 g/L。接种前，污泥经过24小时曝气以消耗残留的可生物降解有机物。为了减少复杂背景物质的干扰并严格阐明空间代谢解耦机制，本研究使用了合成废水作为控制实验条件。

COD去除

图1a展示了整个运行期间COD浓度和去除效率的动态变化。在最初的启动阶段（第1天至第30天），进水和出水COD浓度分别为166.99 ± 18.09 mg/L和52.54 ± 21.10 mg/L，平均去除效率为68.61 ± 11.75%。相对较低的去除效率是由于生物膜的适应过程[16]。值得注意的是，在过渡期间观察到的波动...

结论

本研究构建了一种利用黄铁矿和活性炭的新型两级反硝化深床过滤系统，用于高级废水处理。该系统在COD、NH₄⁺-N、NO₃^--N和TP的去除方面表现出优异的性能，去除效率分别达到93.85 ± 3.41%、82.01 ± 4.04%、93.70 ± 3.80%和75.80 ± 2.45%。机制分析表明，黄铁矿的氧化溶解持续释放电子供体，驱动了以Thauera为主的自养反硝化和化学...

CRediT作者贡献声明

丁俊：撰写——初稿、方法学、概念设计。 杨后云：撰写——审稿与编辑、监督。 薛同展：监督。 黄先怀：资金获取、概念设计。 李旭梅：研究。 余莉：资源管理、方法学。 李卫华：项目管理。 谢发志：验证。 田书阳：可视化分析、研究。 凌峰：撰写——初稿、形式分析、数据管理。 陈晓彩：研究、数据管理。 谢文波：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52100020）、安徽省中青年教师培训项目（YQZD2023054）、安徽建筑大学科研后备人才培养项目（2023XMK04）、国家重点研发计划（2023YFC3205705）、国家关键实验室水灾害防治专项基金（2023491411）以及技术创新平台重大项目等的支持。