本研究由Yan Yang（重庆工商大学国家智能制造服务国际科技合作基地）、Jixing Li（重庆工商大学）、Zheng Kong（重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室/昆士兰大学澳大利亚水与环境生物技术中心）、Jingchen Ma（重庆大学/中国建筑西南设计研究院）、Yu Shen（重庆工商大学）、Haiyuan Ma（重庆大学）、Yi Yan（重庆市设计院有限公司）、Kang Dan（中电投远达环保工程有限公司）和Hongxiang Chai（重庆大学，通讯作者）共同完成，发表于《Water Research》期刊2024年第265卷，文章编号122311。

学术背景

该研究属于环境工程与微生物生态学交叉领域，聚焦于城市雨水径流处理中的生物滞留系统（bioretention system）优化问题。随着城市化进程加速，不透水地表面积增加导致雨水径流携带大量污染物（如悬浮物、有机物、石油烃及氮磷营养盐）进入水体，传统生物滞留系统对硝酸盐（NO₃⁻）的去除效率低且不稳定。为解决这一问题，研究团队提出了一种基于黄铁矿（pyrite）与木屑（woodchip）协同作用的混合营养型（mixotrophic）生物滞留系统，通过铁硫化物（iron sulfide）的生成与循环利用实现自维持脱氮效应。研究背景包括以下关键科学认知：
1. 黄铁矿自养反硝化：黄铁矿作为无机电子供体可促进自养反硝化（autotrophic denitrification），但反应速率低，难以应对高氮负荷；
2. 木屑异养反硝化：木屑提供溶解性有机碳（DOC, dissolved organic carbon）驱动异养反硝化（heterotrophic denitrification），但存在DOC和铵盐（NH₄⁺）二次污染风险；
3. 硫酸盐还原菌（SRB, sulfate-reducing bacteria）的作用：硫酸盐还原过程可生成硫化铁（FeS），其作为电子供体可进一步支持自养反硝化，形成循环机制。

研究目标包括：（1）比较不同填料配置下系统的脱氮性能与副产物控制；（2）探究DOC溶解速率对脱氮效率的影响；（3）揭示微生物互作对硫化铁生成的调控机制。

研究流程与方法

1. 生物滞留系统构建与配置

设计三种生物滞留柱（直径15 cm，高100 cm）：
- PY系统：饱和区填充黄铁矿（15%体积比），作为自养反硝化对照；
- PW-V系统：非饱和区混合木屑（10%），饱和区填充黄铁矿，实现混合营养脱氮；
- PW-S系统：饱和区混合木屑（10%）与黄铁矿（15%）。

2. 模型开发与校准

扩展团队前期开发的黄铁矿自养生物滤池模型，新增DOC溶解、异养反硝化及硫酸盐还原动力学模块：
- DOC溶解动力学：通过批式实验测定好氧（oxic）与厌氧（anoxic）条件下木屑的DOC释放速率（q₁=2.667 mg-C/L/h，q₁’=0.153 mg-C/L/h）；
- 微生物过程建模：采用Michaelis-Menten方程描述异养反硝化，引入Haldane抑制项表征硝酸盐对硫酸盐还原的抑制；
- 参数校准：利用51组水样数据校准模型，Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）>0.35，验证模型可靠性。

3. 实验验证与情景模拟

• 操作条件测试：在不同降雨强度（4–24 mm/h）、硝酸盐负荷（1.5–6 mg-N/L）及干燥时长（1–9天）下评估系统性能；
  
• 硫化铁生成量化：基于溶度积常数（Ksp）计算游离Fe(III)与硫化物的沉淀量，分析微生物竞争（异养/自养反硝化菌与SRB）对FeS生成的影响。
  

主要结果

1. 脱氮效率：PW-V系统在多数条件下表现最优，总氮（TN）去除率显著高于PY系统（p<0.05）。PW-S系统在高氮负荷（6 mg-N/L）时硝酸盐去除率最高（得益于高异养反硝化速率），但伴随DOC泄漏（2.59–6.94 mg-C/L）。
   
2. 副产物控制：PY系统Fe(III)和硫酸盐（SO₄²⁻）累积量最高；PW-S系统因SRB活跃导致硫化物（S²⁻）积累；PW-V系统通过DOC分层分布（非饱和区释放）有效平衡脱氮与副产物抑制。
   
3. 微生物互作机制：
   
   • DOC分布：PW-V系统中DOC由非饱和区向饱和区迁移，受降雨历时影响显著（R²=0.82）；
     
   • FeS生成动力学：PW-S系统因异养反硝化占主导（贡献率>70%），Fe(III)产量不足限制FeS生成；PW-V系统中DOC与Fe(III)的协同作用促进FeS循环（生成量达1.57×Fe(III)产量）。
     

结论与价值

1. 科学价值：首次阐明混合营养型生物滞留系统中硫化铁自维持循环的微生物驱动机制，提出DOC分布与SRB活性的动态平衡理论。
   
2. 应用价值：PW-V系统配置（木屑置于非饱和区）被推荐为最优方案，可在复杂降雨条件下实现稳定脱氮（TN去除率提升20–35%）且最小化二次污染风险。
   
3. 技术革新：开发的耦合模型为生物滞留系统设计提供量化工具，参数敏感性分析表明缺氧DOC溶解速率（q₁’）是脱氮效率的关键调控因子（敏感系数-2.43）。
   

研究亮点

1. 多过程耦合模型：首次整合DOC溶解、异养/自养反硝化及硫酸盐还原动力学，实现系统性能的精准预测（MAE<0.38 mg-N/L）；
   
2. FeS循环效应：揭示硫化铁作为“电子库”在季节性氮负荷波动中的缓冲作用，为低温条件下生物滞留系统优化提供新思路；
   
3. 工程指导意义：明确木屑老化（DOC释放速率衰减）对系统长期运行的影响，建议优先选用低氮含量的木质纤维素材料。
   

其他发现

• 竞争抑制现象：硝酸盐浓度>2 mg-N/L时显著抑制硫酸盐还原（抑制率>50%），需通过HRT（水力停留时间）调控优化SRB活性；
  
• 甲烷减排潜力：Fe(III)与硫酸盐的存在可抑制产甲烷菌（methanogen）活性，减少温室气体排放。
  

该研究为城市雨水处理提供了兼具高效性与可持续性的技术方案，相关模型与设计准则已应用于重庆地区低影响开发（LID）设施建设中。