传统脱氮除磷工艺存在高碳源依赖与高化学消耗问题，难以满足碳中和需求。基于还原态硫/铁尾矿利用的自养反硝化技术因其低碳特性成为研究热点。其中黄铁矿自养反硝化（PAD）通过微生物催化将NO_₃^⁻还原为N_₂，同步释放Fe³⁺与PO₄^3-形成沉淀，实现氮磷协同去除，兼具“以废治废”优势。然而黄铁矿稳定晶格致使其氧化动力学缓慢，现有改进手段如高温制备纳米磁黄铁矿或电化学耦合虽提升效能，但能耗与安全性限制其规模化应用。硫自养反硝化（SAD）与铁基系统存在双向协同：SAD产酸促进铁矿物溶解，Fe³⁺反哺激活硫代谢菌群，磁黄铁矿-硫系统脱氮速率可达960 g N/(m³·d)。现有分层填料技术未实现PAD与SAD的电子传递协同及微生物互作深度耦合。本研究构建黄铁矿/硫磺自养反硝化（PSAD）体系，通过元素流-物质流-微生物多维分析揭示硫铁协同机制，并验证其实际污水深度处理效能，为发展低碳高效的氮磷同步去除技术提供理论支撑。

研究表明，相较于PAD和SAD，PSAD展现出更为优异的氮磷同步去除能力。如图1（a）所示，当HRT从24 h缩短至1.5 h时，SAD、PSAD和PAD体系平均出水TN浓度分别为0 - 1.66、0 - 2.32和13.40 -14.85 mg/L。PSAD出水TN浓度满足污水处理厂深度脱氮的技术需求。如图1（b）所示，在HRT为24、12、6、3和1.5h时，PSAD系统的TN去除率分别为19.88±0.74、40.49±1.09、80.21±2.16、157.96±4.78和287.35±11.55 g N/(m³·d)，比理论TN去除速率提高了81%-141%。如图1（c）所示，PSADB对PO₄^3--P的平均去除率为72.18-96.12%，远高于PADB和SADB的平均PO₄^3--P去除率。在HRT为3h时，PSADB系统可满足地表水环境质量标准III级TP的(0.2 mg/L)要求。如图1（d）所示，在HRT为24、12、6、3和1.5h时，PSADB体系对PO₄^3--P的去除率分别为0.96±0.06、1.98±0.13、3.52±0.27、6.51±0.45和11.65±1.71 g P/(m³·d)，比理论PO₄^3--P去除率高31%-121%。结果表明PSAD统中存在耦合效应，可以强化二级出水同步脱氮除磷效率。

图1 PAD、SAD和PSAD体系的TN TN浓度变化(a)、TN去除速率(b)、PO₄^3--P浓度变化(c)和PO₄^3--P去除速率(d)

机理分析表明，在PSAD体系中，PAD与SAD的耦合作用不仅促进了硫和铁的转化，同时扩展了反应区域。因此，PSAD体系内生物量得以累积，并增强了微生物反硝化功能的稳定性，包括黄铁矿和硫颗粒表面的电子转移与消耗过程。此外，自养反硝化菌（如Thiobacillus和Ferritrophum）、硫酸盐还原菌（如Desulfocapsa）以及铁还原菌（如Geothrix）作为微生物氮、硫和铁循环的关键贡献者，在PSAD体系中得到了显著富集。同时，该体系还促进了铁离子的浸出，并以Fe₃(PO₄)₂·8H₂O和FePO₄沉淀的形式有效去除磷。综上所述，PSAD被证实为一种高效的同步脱氮除磷技术，能够高效且环保地满足日益严格的排放标准。PSAD强化氮磷去除的机制如图2所示。

图2 PSAD体系氮磷强化去除机制

为进一步探究PSAD体系在处理实际二级出水时的同步脱氮除磷效率，向体系中泵入含20.65±0.24 mg/L TN、1.00±0.24 mg/L TP的实际二级出水作为进水。由图3（a）可以看出，出水TN和TP的平均浓度分别为1.40±0.03和0.19±0.02 mg/L，PSAD体系出水氮磷浓度能够满足污水处理厂深度脱氮除磷的技术需求。PASD体系进出水的平均DOC浓度分别为5.47±0.11和5.25±0.18 mg/L。自养反硝化是PSAD体系处理实际二级出水的主要的脱氮方式。这一结果也可以由基质颗粒上生物膜的微生物群落结构再次验证（图3（b））。属水平上，Thiobacillus、Ferritrophicum及Sulfurimonas等自养反硝化菌是PSAD体系中黄铁矿和硫磺颗粒上的优势功能微生物。以上结果表明，实际二级出水中的有机物未对PSAD体系脱氮除磷造成显著影响，PSAD体系可以稳定去除二级出水中的氮磷污染物。

图3 PSAD体系实际废水处理的运行性能（a）和属水平细菌群落（Top 10）（b）

本研究探索PAD与SAD的深度耦合机制，进一步提高氮磷同步去除效率，为实现污水处理的低碳、绿色、高效目标提供理论基础和技术支持。