项目组上海交通大学团队在基于直接铁电子驱动的自养反硝化低碳硝酸盐废水处理技术方面取得研究进展

2025.06.03 38

在低碳氮比废水处理中,传统依赖有机碳源的异养反硝化工艺面临碳排放高、运行成本大等困境。近年来,零价铁(ZVI)这一无机电子供体因其良好的电子供给能力受到广泛关注。现有研究普遍认为,ZVI可通过厌氧腐蚀产氢,进而驱动氢自养反硝化反应,然而由于氢气在水中传质效率低,严重影响ZVI电子的生物可利用性。构建零价铁-微生物间的高效电子传递路径,是开发高效铁基自养反硝化技术的关键。

在国家重点研发计划课题(2021YFA1201701)资助下,上海交通大学团队开发以零价铁(ZVI)为唯一电子供体的低碳硝酸盐废水自养反硝化新技术,通过构建ZVI-希瓦氏菌-脱氮副球菌三元体系,提出“直接铁电子驱动自养反硝化策略”。研究表明,在不添加任何外源有机碳源的情况下,该体系可在6天内将废水总氮浓度由28.2 mg/L降至2.4 mg/L。希瓦氏菌作为生物导电通道,可高效接收ZVI释放的电子并传递至脱氮副球菌,从而驱动反硝化反应。具体而言,希瓦氏菌膜结合细胞色素c通过其表面羧基与ZVI氧化壳层稳定结合,加速电子从铁核跨界面转移至细胞色素。电化学原位红外光谱证实该直接电子转移途径的存在。细胞色素蛋白中的Hem-805在界面电子转移过程中展现最高活性,DFT计算进一步表明,ZVIHem-805在结合过程中发生约1.33 e-的界面电荷迁移。ZVI在腐蚀过程中形成的次生导电矿物也可能在微生物间作为“电子桥”,进一步增强种间电子转移及反硝化效率。生命周期分析表明,该体系的碳排放约为2.51 kg CO2eq/kg N,远低于传统异养反硝化处理工艺(4.04 kg CO2eq/kg N)。本研究提出一种基于优化电子转移路径的废水脱氮新模式,为低碳高效的生物脱氮技术体系构建提供理论基础和工程应用潜力。

上述研究以“Direct iron-electron driven autotrophic denitrification for low-carbon nitrate wastewater treatment”为题,在线发表于环境领域学术期刊Journal of Environmental Scienceshttps://doi.org/10.1016/j.jes.2025.05.067)。华中师范大学博士生马思聪为该文章第一作者,华中师范大学孙红卫副教授,上海交通大学张礼知教授为共同通讯作者。

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