近日，我校水利與環(huán)境學(xué)院張馨文副教授課題組在環(huán)境領(lǐng)域頂級期刊《Water Research》上發(fā)表了題為“A new insight on simultaneous water purification and greenhouse gas reduction by constructing sulfur-siderite driven autotrophic denitrification pathways in constructed wetlands”的研究論文，主要研究在人工濕地中構(gòu)建鐵硫膠膜多電子體系以實現(xiàn)水質(zhì)和溫室氣體的雙減排。該論文第一作者為環(huán)境工程2022級碩士研究生馮成業(yè)，通訊作者為其導(dǎo)師張馨文副教授。

人工濕地由于綠色生態(tài)和經(jīng)濟可行的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。然而，在處理低碳氮比廢水時，傳統(tǒng)人工濕地的脫氮效率往往受限于碳源缺乏，且其運行過程中會不可避免地產(chǎn)生溫室氣體，增加了碳足跡，限制了其應(yīng)用場景。硫-菱鐵礦自養(yǎng)反硝化（SSAD）工藝使得生物脫氮過程擺脫對碳源的依賴，是一種極具潛力的新型脫氮技術(shù)。本研究通過在人工濕地中構(gòu)建鐵硫膠膜多電子體系，旨在強化人工濕地水質(zhì)凈化效果的同時控制溫室氣體排放，為提升人工濕地的整體環(huán)境效益提供新思路。

圖1 鐵硫膠膜多電子體系人工濕地的構(gòu)建、雙減排效果及作用機制

以硫-菱鐵礦混合填料作為基質(zhì)的濕地（SS-CW）在長達220天的運行過程中表現(xiàn)出最佳的脫氮除磷性能，總氮和磷酸鹽的平均去除率分別為91.6%和96.3%，各項出水指標(biāo)均符合國家城市污水排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。相較于傳統(tǒng)人工濕地，SS-CW的甲烷和氧化亞氮排放減少了76.7%和93.4%，有效減少了濕地碳足跡。通過對微生物活性、功能基因、微生物群群落結(jié)構(gòu)以及微生物代謝途徑的分析，揭示了SS-CW優(yōu)秀凈化性能的機制。研究結(jié)果表明，在人工濕地中構(gòu)建SSAD途徑可以實現(xiàn)：1）微生物活性的增強：顯著提高電子傳遞活性，強化硝化和反硝化過程，優(yōu)化系統(tǒng)脫氮效果，提高系統(tǒng)電子利用效率；2）關(guān)鍵基因豐度的增加：溫室氣體減排和污染物去除相關(guān)基因的豐度在SS-CW中顯著提高；3）微生物群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：更多的硫自養(yǎng)反硝化菌和甲烷氧化菌在SS-CW中富集，形成了協(xié)同作用更強的功能性微生物群落；4）代謝能力的提升：甲烷消解途徑顯著提升，碳代謝過程增強，電子的產(chǎn)生和傳遞活性全面提升。優(yōu)化了碳、硫、氮和鐵的耦合循環(huán)，為水質(zhì)凈化和溫室氣體減排提供了充足的能量支持。

圖2 鐵硫膠膜多電子體系中典型溫室氣體減排機理圖

本研究證實了在人工濕地中構(gòu)建鐵硫膠膜多電子體系能實現(xiàn)高效的水質(zhì)凈化和溫室氣體減排，并深入探究了其作用機制，為低碳氮比廢水的高效脫氮處理提供了新的技術(shù)途徑。該研究成果對推動人工濕地技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，實現(xiàn)水污染控制和溫室氣體減排的雙重目標(biāo)具有重要的理論指導(dǎo)意義和實踐價值。上述研究受國家自然科學(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)基金面上項目及山東省優(yōu)秀青年創(chuàng)新團隊計劃的資助。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135425000442

撰稿：張馨文      編輯：劉孟頔      編審：張偉