硫自養反硝化用于深度處理脫氮的研究與進展

張理泰，楊長軍，余 丹，龍 泉*

(1.四川省環科院科技咨詢有限責任公司，四川 成都 610000；2.四川省生態環境科學研究院，四川 成都 610000)

2018年4 月中國生態環境部印發了《關于加強固定污染源氮磷污染防治的通知》，指出全國水污染防治形勢面臨新的變化，部分地區氮磷污染上升為水污染防治的主要問題，成為影響流域水質改善的突出瓶頸。目前，城鎮污水處理廠的氮磷等營養物質的排放量在全國水污染物排放總量中占有較大的比重，污水處理廠的氮磷污染排放仍是導致水體富營養化的主因之一。為此，國內很多地方城鎮污水處理廠主要出水污染物排放限值開始參考Ⅳ類排放標準，主流的異養反硝化工藝仍存在需投加碳源導致處理成本較高的問題，而硫自養反硝化工藝具有無需外加碳源，產泥量少，無二次污染等優點，成為一個可行的探索方向[1-4]。

1 硫自養反硝化原理

硫自養反硝化是自養反硝化作用中研究較為廣泛的一個方向，其具體反應機理就是無機化能營養型、光能營養型的硫氧化細菌可在缺氧或厭氧條件下利用還原態硫（S0、S2-、S2O32-等） 作為電子供體，通過對還原態硫進行氧化獲取能量，同時以硝酸鹽為電子受體，將其還原為氮氣，利用無機碳（如CO32-、HCO3-）合成細胞，從而實現自養反硝化過程。具有這種生理特性的細菌包括Thiobacilla.denitrificans、Tms.denitrificans、Thiobacilla.pantotropha等，其典型的代謝途徑同時包括還原態硫的氧化過程和硝酸鹽的還原過程[5]，如式 （1） ～（5） 所示。

以硫鐵礦為電子供體的自養反硝化計量學公式：

以硫代硫酸鹽為電子供體的硫自養反硝化反應方程式如：

總反應式如下：

完成以上過程的細菌稱為反硝化脫硫細菌（NRSOB），以脫氮硫桿菌（Thiobacillus denitrifications）為代表。雖然硫自養反硝化過程無需外加碳源進行脫氮，但是也存在一系列弊端。由上述反應式可知，不同電子供體的反應過程均產酸和硫酸鹽，同時也會有NO2-積累現象[6]。因此，學者們通過探索控制反應條件、改變反應器形式和填料形式等方法來規避以上弊端，推動著硫自養反硝化工藝的發展和應用。

2 影響因素比較與討論

2.1 電子供體類型

硫自養反硝化反應常用的電子供體有硫代硫酸鹽、硫單質、硫化物等化合物，電子供體類型對于反應效率的影響尤為顯著。研究表明，一定程度上以還原性金屬硫化物為電子供體的硫自養反硝化過程具有更好的脫氮效果。以微生物T.denitrificans為例（已經發現的8種硫桿菌屬中，脫氮硫桿菌T.denitrificans已被研究發現是脫硫反硝化處理中起主要作用的微生物），不同硫化物的反硝化能力由強至弱分別為 S2O32-＞FeS＞FeS2＞S[7]。從反應機理和原料經濟性等方面比較，黃鐵礦是硫自養反硝化工藝用于市政污水深度處理脫氮的理想電子供體，但已有的關于電子供體類型對反應速率影響的研究結果體現的規律并不十分一致。

袁瑩等[3]研究了NaS2O3、Na2S和S單質作為電子供體處理NO3-質量濃度約為13mg/L的人工配水，在20℃以上的條件下，HRT約為控制在2～4h，單質硫系統和NaS2O3系統均能達到90%以上的去除率，Na2S系統僅有47%左右，發現Na2S2O3作為電子供體達到相同處理效率時所需的HRT遠小于S2-和S0。李芳芳等[8]研究了硫磺/硫鐵礦-白云石為填料（硫磺、黃鐵礦和白云石的粒徑均為5～10 mm）的生物濾池反應器處理人工配水模擬二沉池出水作為實驗進水的脫氮除磷效果，發現利用硫磺-白云石作填料在HRT為45min時，NO3-去除率可達99%以上，而利用硫鐵礦-白云石作填料在HRT為4d時，NO3-去除率僅為67.2%。蒲嬌陽等[9]在錐形瓶中添加接種污泥，對比了貝殼粉與硫磺/天然硫鐵礦和酸處理后硫鐵礦對人工模擬含硝酸鹽氮廢水的處理效果，根據一級反應動力學方程對反應速率進行了擬合，得到硝酸鹽降解速率常數分別為0.76d-1（酸處理黃鐵礦）、0.87d-1（天然硫鐵礦）、0.96d-1（硫磺）。孫瑩等[10]采用分離純化出的脫氮硫桿菌接種等硫當量的硫代硫酸鈉、黃鐵礦、硫單質三種不同硫源的培養基，測定20d后的硝酸鹽氮濃度，發現硝酸鹽氮去除率黃鐵礦大于硫單質大于硫代硫酸鈉，與國內其他學者的研究結果不太一致。可能是由于硫自養反硝化的影響因素較多，在孫瑩等人的實驗中其他影響因素也起到了非常重要的作用。

由上可知，目前國內大多數學者認為利用硫磺作為硫源的自養反硝化效率高于黃鐵礦作為硫源的效率。同時，硫源的粒徑越小也越有利于硫自養反硝化反應的進行，這是由于電子供體的粒徑越小，其比表面積越大，與污染物的接觸就越充分，越利于提高反應速率，從而顯著提高了處理效率縮減了HRT。此外，硫自養反硝化反應中電子供體的量、電子供體的聚集態和純度、與微生物的接觸方式、以及微生物的菌屬種類等也是影響反應速率的重要因素，其不同因素之間的相互作用、相互制約的機理仍需要進一步深入研究。

2.2 反應器及填料形式

反應器形式對反應效果的影響也至關重要，如采用上向流進水的方式有利于反硝化過程中產生的氣體從反應器中溢出，且有利于創造反硝化的厭氧環境，利于反硝化的發生。

劉續等[11]對比了陶粒作為填料載體的細高型反應器和矮胖型生物濾柱反應器以陶粒作為載體處理人工配水的效能，發現矮胖型反應器較細高型反應器相比在中低水力負荷條件下處理效果更穩定，細髙型反應器在高水力負荷、較短停留時間條件下仍能保持較好的處理效果。同時，微生物生長的附著狀態不同也會影響反應效果，馬航等[12]比較了厭氧污泥反應器和生物膜反應器的性能，發現前者的最大去除速率高于后者，但生物膜反應器脫氮效率穩定性上更為突出。

此外，采用活性炭做為生物載體既可以顯著提高反應器內的菌密度，還可起到一定的篩選作用，提高處理效能。王暉等[13]對比了硫自養反硝化微生物在BAC（生物活性炭）系統、普通絮狀污泥系統、包埋固定化系統中以NaS2O3作為電子供體去除硝酸氮的效果，發現BAC系統結合硫自養反硝化可以采用更短的HRT實現更好的處理效果，最小HRT僅為0.5h，并通過掃描電鏡觀察分析微生物生長情況，發現BAC系統中的細菌以桿菌為主，且生物密度遠大于絮狀污泥系統。

由此可知，反應器的形式及內部填料構建的生物反應的微環境都影響著硫自養反硝化反應的效果。通常，可以利用CFD（計算流體力學）技術模擬并對反應器的布水、傳質、排氣及泥水分離效果進行優化，以尋找最優的反應器形式，同時還需要進行不同種類的填料對于篩選微生物種類的傾向研究，在此基礎上研發微生物固定化效果好的填料和傳質效率更高的反應器。

2.3 反應條件

2.3.1 pH值

硫自養反硝化反應過程為產酸反應，隨著反應進行會消耗堿度，pH會隨反應進程的持續而迅速降低，通常大部分微生物對于pH的耐受范圍較窄，如脫氮硫桿菌的最適生長pH為6.8～7左右[14]，研究pH對于硫自養反硝化反應的影響趨勢和作用機理十分必要。

袁玉玲等[15]研究了初始pH對于硫磺/石灰石、黃鐵礦、黃鐵礦/石灰石三種自養反硝化系統的脫氮性能影響，結果表明硫磺/石灰石系統初始pH對NO3-的影響較小，僅在pH值為7～8范圍內時TN的去除率才在最佳效果。而黃鐵礦、黃鐵礦、石灰石初始pH對NO3-和TN的去除率影響變化趨勢較一致，pH值范圍大致均在7.5～9時NO3-和TN的去除率達到最大值。付炳炳等[16]研究了以硫鐵泥作為電子供體的硫自養反硝化系統在初始pH的影響下的反硝化速率，結果表明在初始pH值為8左右時，NO3-和TON達到最大去除率。李天昕等[17]研究了初始pH在5～9范圍內硫/石灰石生物濾柱反應器的TN去除率的變化趨勢，發現TN去除率pH在5.5～9范圍內均能達到70%以上，當pH=7左右時TN達到最大去除效率。

由此可知，若想硫自養反硝化系統維持較高的脫氮效率，必須在反應系統加入一定的pH緩沖劑（如石灰石、碳酸氫鹽等） 以維持適宜的pH值。然而，Di Capua等[18]的研究表明pH在更低時反硝化效率的降低并非是pH環境影響到了微生物的代謝活性，而是由于pH的降低導致反應體系內無機碳的缺乏使反硝化效率下降，并通過向反應體系內添加二氧化碳的方式證明了在pH低至4.75的條件下體系仍能維持穩定的反硝化反應。因此，在極端pH值條件下，為保持硫自養反硝化反應效率，一方面可以通過投加pH緩沖劑，另一方面也可以投加無機碳源。

2.3.2 DO濃度和NO2-積累

硫桿菌屬中的主要微生物脫氮硫桿菌(Thiobacillus denirificans)屬于硫桿菌屬、革蘭氏陰性化能自養菌，是一種嚴格自養和兼性厭氧型細菌，特別在厭氧條件下能夠大量生長。通常反硝化過程要求溶解氧濃度低于1 mg/L，脫氮硫桿菌的反硝化過程會因過高的溶解氧濃度受到抑制，且同時會引起亞硝酸鹽氮的積累，關于DO參與抑制脫氮硫桿菌生物反硝化反應的具體途徑，目前主要有兩種結論，一種認為反硝化酶活性受溶解氧作用受到抑制，另一種認為溶解氧在反硝化過程中會同樣作為電子受體參與反應與NO3-進行競爭，從而使得生物反硝化過程受到抑制[19]。

吳芳磊等[20]分析了硫/石灰石組合填充床反應器亞硝氮的沿程積累與消減趨勢，總結出亞酸鹽鹽氮的積累主要與硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮氣這兩個過程的速率差有關，亞硝酸鹽還原酶受溶解氧的抑制較硝酸鹽還原酶更強兩方面共同作用造成了亞硝酸鹽氮的積累現象。而趙晴[21]等研究發現提高S/N比可顯著提高NO3-降解速率，并大幅降低亞硝酸鹽的積累濃度。

李芳芳等[8]通過實驗對比了以硫磺/白云石和以黃鐵礦/白云石為填料的兩種反應器在進水未經過預處理（DO質量濃度≈3～5mg/L） 和經過N2吹脫作用后（DO質量濃度＜0.1mg/L） 的脫氮效果，發現DO質量濃度對于以硫磺/白云石為填料的反應組無明顯影響，其TN去除率均可達到90%以上；而DO對于以黃鐵礦/白云石為填料的反應組存在抑制作用。這是由于DO對于硫自養硝化的抑制作用機制可分為兩方面，一方面是由于DO作為電子受體參與反應與NO3-進行競爭，但由于實驗條件下的DO濃度值遠小于NO3-濃度，故硝酸鹽氮的還原速率降低并不明顯，同時，由于DO對于亞硝酸鹽氮還原酶的抑制作用導致了短時間內的亞硝酸氮的濃度積累，但最終由于原水中DO參與反應被消耗而使其抑制作用逐漸減弱使亞硝酸鹽氮濃度逐漸降低。提高S/N比后，可使DO作為電子受體的競爭作用變弱，提高反應速率的同時加快了反應體系中DO的消耗，同時使亞硝酸鹽氮還原酶受DO抑制的積累過程縮短，同時使亞硝酸氮的峰值積累濃度降低。

2.3.3 HRT

污水處理工藝達到最佳處理效果時的最短HRT的大小直接影響其能否走向工程應用，HRT越小所需反應器體積越小，則建設投資相應降低，同時處理工藝也更易推向市場應用。

周婭等[22]研究了不同體積比的硫磺/黃鐵礦反應柱處理低C/N比市政污水（進水TN濃度在37～44mg/L） 時HRT的影響，發現隨著HRT的逐漸減小（5h降至2.5h），系統的TN去除率明顯下降且存在亞硝酸鹽積累的情況。李天昕等[19]利用石灰石、硫磺、沙子和水泥等制備的填料反應器研究了不同HRT條件下對污水廠二級出水（TN質量濃度約為40mg/L） 的處理效果，發現3.2h為最適HRT，此時的TN去除率超過90%。許健等[23]采用以Na2S2O3作為電子供體、生物陶粒作為載體的自養反硝化濾池處理人工配水，發現當HRT由12h逐漸縮短至2h的過程中，脫氮效果無顯著變化，TN去除率均可達到85%以上，而當HRT繼續降低時，NO3-去除率顯著降低至75%以下。由上可知，不同學者開展硫自養反硝化實驗時，其最適的HRT差異較大。這是由于最適的HRT受多種反應條件的共同影響，不同類型的電子供體和反應器類型和以及溫度條件具有不同的最佳HRT。研究顯示，硫代硫酸鈉作為電子供體達到同處理效率時所需的HRT顯著小于硫磺和黃鐵礦[3-10]。

2.3.4 溫度

溫度對于生物處理過程來說是一個的重要環境因素，對微生物的群落、氣體傳質速率、污泥的沉降性能都具有很大的影響。大部分硫自養菌屬于嗜中溫菌，最適生長溫度在30～35℃，最適反硝化溫度范圍為25～30℃。由于適應溫度區間較窄，硫自養反硝化工藝在我國北方寒冷地區和南方地區冬季的應用將受限制。

張晨曉等[24]比較了升流式固定床硫自養反硝化反應器在t=20℃、30℃、35℃、40℃四種溫度條件下的硝酸鹽去除效果，結果發現t=30℃～35℃條件下硝酸鹽去除率最高，硝酸鹽的去除率可達90%。繆博等[25]以接種硫自養反硝化菌液的血清瓶作為反應容器實驗了硝態氮去除率在不同溫度條件下的影響，發現低溫對于脫氮作用有明顯抑制作用，且隨溫度降低而加重，同時發現在5℃的低溫條件下加入乙酸鹽或者硫代硫酸鹽可顯著提高反應體系在低溫條件下受抑制時的反應速率常數，分別可提高8.49倍和2.81倍。因硫代硫酸鹽為離子態，易于傳遞，因此在低溫下硫轉移與傳遞蛋白的抑制作用對硫代硫酸鹽的代謝影響較小，表現為低溫對以硫代硫酸鹽為電子供體的硝態氮的還原抑制作用相對更弱。

同時，也有研究表明固定化包埋技術有利于包埋顆粒內硫自養反硝化菌的增殖，從而提高反應系統低溫環境下的反應速率。歐陽麗華等[26]實驗了在升流式顆粒污泥床反應器中采用高分子凝膠材料水性聚氨酯包埋普通活性污泥制成包埋顆粒，并使用硫代硫酸鈉作為電子供體處理硝酸鹽氮濃度為40mg/L的進水，環境溫度在12℃左右時，出水NO3-平均濃度低于2mg/L，去除率均達到95%以上。

因此，維持反應器內微生物活性并提高反應器的微生物固定化效果使其不流失是提高系統在低溫環境中處理能力的關鍵。

3 結語與展望

硫自養反硝化工藝作為污水深度脫氮的一種新型工藝，對于處理市政污水處理廠二級出水具有較大優勢，同時也存在一些局限性。近年來許多學者進行了大量相關研究。

1）目前的研究關于不同類型電子供體的硫自養反硝化速率與由反應機理所推導的排序規律并不十分一致，可能由于電子供體粒徑以及其他關聯因素如電子供體的聚集態和純度、與微生物的接觸方式、以及微生物的菌屬種類等也是影響反應速率的重要因素。

2） 隨著硫自養反硝化過程進行引起的pH下降并不是導致反應速率降低的直接原因，無機碳源的缺乏可能是造成反應速率下降的主要原因，可通過投加無機碳源如CO2解決。

3）改善硫自養反硝化菌的微環境以及使用硫代硫酸鈉作為碳源是提高硫自養反硝化工藝在低溫季節運行效果的可行方法。

為更好推進硫自養反硝化工藝走向大規模工程應用，建議未來的研究方向可集中在以下幾個方面：

①加強對于不同類型電子供體的反應系統中優勢微生物的行為特性、代謝過程以及電子供體對微生物生存篩選的作用途徑的研究。

②將提高黃鐵礦的傳質效率作為突破點，如開展更小粒度尺寸的黃鐵礦作為電子供體的反應速率常數研究。

③研究開發截留微生物效果更好的填料和反應器。