不同氮硫濃度及氮硫比對硫酸鹽還原厭氧氨氧化脫氮效果的影響

楊世東，祝彥均，劉 涵，劉泓序

不同氮硫濃度及氮硫比對硫酸鹽還原厭氧氨氧化脫氮效果的影響

楊世東，祝彥均，劉 涵，劉泓序

（東北電力大學建筑工程學院，吉林 132012）

該研究在硫酸鹽還原厭氧氨氧化（Sulfate-Reducing Anaerobic Ammonium Oxidation，SRAO）脫氮工藝的基礎上，探究了SO42-濃度在100 mg/L的條件下，控制NH4+的投加量在不同N/S（NH4+-N/SO42-）濃度比下ASBR（Anaerobic Sequencing Batch Reactor）反應器的運行效果及其脫氮性能。N/S從1.0增大到3.0時，ASBR中氨氮的平均去除率從78.5%增加到94.4%，但體系內SAD（Sulfur Autotrophic Denitrification）菌的豐度及活性未受到明顯抑制，SRAO作用和ANAMMOX（Anaerobic Ammonia Oxidation）作用始終是ASBR脫氮的主要途徑。當N/S的濃度比由3.0增至4.0時，ASBR中氨氮的平均去除率由94.4%下降為69.2%。這表明隨著N/S的增大，體系內ANAMMOX菌和SRAO菌活性的降低，抑制了體系脫氮性能。這時SAD菌的豐度及活性略有增加。硫的去除率隨N/S比的變化趨勢和總氮的去除規律類似，在N/S=3.0時達到最大74.2%。結合高通量測序結果，說明不同N/S下的脫氮微生物優勢菌群會不斷變化，改變體系脫氮除硫性能。

發酵；氨氮；菌；硫酸鹽還原厭氧氨氧化；硫自養反硝化；

0 引 言

2001年首次發現厭氧氨氧化新工藝，由于包括硫酸鹽還原過程，因此稱之為硫酸鹽還原型厭氧氨氧化過程（Sulfate-Reducing Anaerobic Ammonium Oxidation，SRAO），工藝解釋了在厭氧流化床反應器中觀察到的氮素和硫酸鹽異常損失的現象[1]。硫酸鹽還原氨氧化（SRAO）工藝是指厭氧條件下，使硫的最高價態化合物SO42-作為電子受體并將NH4+-N作為電子供體，將氨氮轉化為氮氣的生化過程，在同一反應單元內可以同步脫氮除硫[2-3]。其中：50%的NH4+-N以凱氏氮（Kjeldahl Total Nitrogen，KTN）的形式在原水中被去除，但在反應脫氮過程中大約存在10%的總氮（Total Nitrogen，TN）以NOx--N形式殘留；存在于原水中的S-SO42-，大約有20%的S-SO42-以S-S2-或S-H2S等硫化物的形式殘存[1]。因此出水中總氮，總硫酸鹽無法徹底去除。但根據試驗環境條件不同，殘存的S-SO42-和NOx-N所占比例及含量也并不相同。這是由于SRAO過程是一系列的生化聯合反應[4]，包括硫自養反硝化過程、厭氧氨氧化過程、硫酸鹽還原過程以及其他過程等。

硫的自養反硝化（Sulfur Autotrophic Denitrification，SAD）工藝是以硫的化合物（S2-，HS-）作為反應物在自養條件下進行反應，實現同步去除含氮硫化合物的技術[5]。由于厭氧氨氧化與硫自養反硝化反應具有相似生態位[6]。Schrum等[7]通過研究發現在高基質（高濃度NH4+-N）濃度下，NO2-或NO3-作為SRAO反應產生的中間產物可以有機物作為電子供體進行反硝化作用，實現反硝化與厭氧氨氧化的協同作用。Liu等[8]研究發現在低碳條件下處理含氮硫廢水時，SRAO反應產生的副產物（NO3--N和硫化物）可以作為硫自養反硝化（SAD）的底物實現氮素之間轉化（NO3--N→N2），促進硫自養反硝化-厭氧氨氧化技術進行。由于厭氧氨氧化（SRAO，ANAMMOX）過程可與硫自養反硝化過程相互作用，并在同一反應單元內同時發生，實現兩個脫氮過程聯合：自養反硝化過程耦合厭氧氨氧化反應[9]。該過程一方面由于厭氧氨氧化過程及硫自養反硝化過程的同時存在可以提高脫氮性能；另一方面可以促進硫元素在體系內循環，降低水中元素硫對厭氧氨氧化細菌毒害作用及傳質效率的影響[10-11]。兩者既在同一反應單元，又在同一環境下轉化氨氮。因此，合適的底物濃度及比例對于該聯合反應是重要的反應前提之一。以往的研究中，N/S濃度比在1.71～13.3之間SRAO反應都會發生[12]。但是在不同的N/S濃度比條件下，對于總氮及硫酸鹽的去除效率是不同的。若想通過SRAO過程進行對含氨氮及硫酸鹽廢水處理的實際應用，找到最佳的氮硫濃度比對于理論的研究和具體操作至關重要。

本研究以厭氧序批式污泥反應器（Anaerobic Sequencing Batch Reactor，ASBR）為反應裝置。通過調節原進水中NH4+-N和SO42-的濃度比（N/S濃度比）來改變這一體系中進水的氨氮和硫酸鹽的摩爾比以實現脫氮和硫循環兩種現象同時發生。研究N/S濃度比對反應器脫氮性能以及微生物種群特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及試驗設計

試驗裝置為有效容積為2.0 L的柱形反應器。如圖 1所示。ASBR反應器以48 h作為一個周期，其中由進水期（單次進水1 h）、反應期（間歇攪拌24 h）、沉淀期（22 h）和排水期（1 h）4個階段組成。各階段均由自動程序控制器自主控制運行。體系中，控制進水pH值8.2～8.6，溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）<0.5 mg/L，反應器溫度采用水浴層控制為30 ℃，為了保證避光和恒溫，水浴隔層用黑色保溫棉包裹。攪拌器設置轉速為60 r/min。

在序批式反應器內加入接種的種子污泥，啟動時間為110 d，維持水力停留時間（Hydraulic Retention Time，HRT）為48 h。由于先前在無機條件下多數研究的N/S在2左右[12]，因此選擇將本試驗的N/S控制在其附近，并逐步通過增加進水NH4+-N濃度使N/S逐漸增加。初始N/S濃度比為1.0∶1.0。隨后進水NH4+-N由100 mg/L逐漸增加至450 mg/L，使N/S濃度比分別提高至1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0、2.5∶1.0、3.0∶1.0、3.5∶1.0、4.0∶1.0。為了保證數據準確，設置一組運行方式及環境完全相同的ASBR作為對比但無重復試驗。每一個周期排出1L上清液，循環排放的上清液作為每一周期的檢測試樣，然后重新添加合成廢水。

本試驗選擇在培養期N/S濃度比分別在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0的共5個污泥測樣樣本冷凍保存后進行微生物群落結果高通量測序分析，分析在五組不同N/S濃度比條件下SRAO功能菌和硫自養反硝化菌等的相對豐度，通過相對豐度查看群落多樣性及功能和內部演化規律，分析結果確定該系統內菌類最佳生長環境。

1.2 接種污泥與進水配方

前期啟動反應器的研究中，以人工模擬工業廢水作為系統進水；以常規厭氧氨氧化（ANAMMOX）污泥及長春東南污水處理廠厭氧池內活性污泥組成種子污泥。采用上述運行工況經110 d馴化培養后強化ASBR反應器內SRAO作用，使NH4+-N和TN（Total Nitrogen）的去除率穩定在91%和87.1%左右。

本試驗進水為人工配水，配水組成[13]為：硫酸鹽100 mg/L，KH2PO427 mg/L，CaCl2·2H2O 180 mg/L，MgSO4·7H2O 300 mg/L，NaHCO30.5 g/L。并且由于需要在試驗期間調整N/S，氨氮的濃度范圍選擇在100～450 mg/L之間。并且，為了保持系統內異養菌如硫酸鹽還原菌活性且真實工藝中廢水含有一定量的COD。但應不抑制系統內其他功能自養菌，因此加入葡萄糖濃度為230～250 mg/L。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 分析方法

根據Deng等[14]報道的方法計算SRAO脫氮貢獻比（SRAO）、ANAMMOX脫氮貢獻比（ANAMMOX）和SAD脫氮貢獻比（SAD）?？偟獪y樣方法采用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，SO42-測定采用鉻酸鋇比色法[15]，NH4+-N采用納氏試劑法，NO2--N，NO3--N都采用標準測量方法紫外分光光度法。pH的測定設備使用上海雷磁pH計，溶解氧測定儀器采用溶解氧儀（HQ3OD，HACH，Colorado，USA）測定。數據繪圖和統計分析均使用Origin 8.5進行處理。

1.3.2 宏基因組微生物分類測序方法

利用移動互聯網技術，實現交通出行的一體化服務及交通出行信息的實時服務，并提供出行點到點的精準信息服務.

本試驗使用高通量測序技術利用電腦芯片進行序列檢測，效率高并且實用簡單，可以在數百萬個點上進行閱讀測序把平行處理思想用到極致[16]。由于該技術通量高，范圍廣，單位數據成本低，測序深度高而且結果準確度高等優點，被廣泛應用于研究微生物功能預測，群落組成和進行相對豐度計算。

1.3.3 功能菌群定量分析

采用SPSSAU平臺對測樣結果得出的數據進行統計并計算分析；利用線性回歸模型逐步解析氮的元素循環及轉化速率與相關脫氮功能菌群的定量響應關系。

2 結果與分析

2.1 不同N/S比下的脫氮除硫率

為了探究N/S對硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）工藝影響，進行了210 d的連續性試驗。由于每一個周期內都包含4個相同的階段，為了探究氨氮及硫酸鹽等在各個過程的轉化效果，選擇一個典型周期作為特征周期來觀察各物質的變化過程。

在長期的ASBR反應器運行過程中，根據出水總氮含量及出水氨氮含量能夠分析出硝酸鹽以及亞硝酸鹽的積累量極少，因此假設氨氮和硫酸鹽僅可通過厭氧氨氧化（SRAO、ANAMMOX）去除，在不同的氨氮和硫酸鹽濃度比條件下算出氨氮硫酸鹽的去除效率和進行2種反應所對應的脫氮貢獻率然后進行分析。

如圖2所示為一個典型SBR周期各物質及環境條件的變化。在氨氮去除率最佳的N/S=3.0條件下，氨氮以及硫酸鹽主要在間歇攪拌的反應期去除。

如圖3所示，N/S濃度比為1.0時，在低氨氮濃度下馴化培養硫酸鹽還原厭氧氨氧化污泥。在此階段末期，氨氮去除效率（Ammonia Removal Efficiency，ARE）穩定至78.5%，硫酸鹽去除效率（Sulfate Removal Efficiency，SRE）穩定至53.9%。此時氨氮去除量和硫酸鹽去除量之比（ΔNH4+-N∶ΔSO42-）約為1.88，并且此時總氮的去除基本全部是由SRAO過程完成，其脫氮貢獻率（SRAO≈100%）。

如圖3所示，在N/S濃度比由1.5增加至3.0時，氨氮去除效率（Ammonia Removal Efficiency，ARE）逐漸從約84.4%提高至約94.4%。硫酸鹽去除效率（Sulfate Removal Efficiency，SRE）從約57.2%提高至約74.2%，并且在這一階段，SRAO過程的脫氮貢獻率由SRAO≈87.7%降至SRAO≈48.8%。此時總氮去除量由厭氧氨氧化（SRAO、ANAMMOX）過程完成（SRAO+ANAMMOX≈100%），且ANAMMOX過程逐漸增強。氨氮去除量和硫酸鹽去除量之比（ΔNH4+-N：ΔSO42-）由2.36提高至4.43。

因此，在N/S為3.0時，反應體系的脫氮效果達到最佳狀態。但由于NOx--N的積累，會降低體系內總氮的去除效率，而在這一體系內去除NOx--N是硫自養反硝化的主要過程。硫自養反硝化耦合厭氧氨氧化過程能有效提高TN的去除效率。研究發現構建的硫自養反硝化耦合厭氧氨氧化系統可以使TN去除效率達到95%左右[17]。

2.2 微生物群落結構

采用高通量測序技術研究不同N/S濃度條件下微生物相對豐度變化，如圖4所示。

通過高通量測序確定反應體系內微生物菌群分類。其中：與[18]為常規厭氧氨氧化（ANAMMOX）菌的兩個科屬，在體系內所占比例最高；[19]作為一類硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）菌屬，可以參與硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）反應；[20]為硫自養反硝化（SAD）菌屬，在反應體系內進行硫自養反硝化過程。因此體系內存在上述菌種參與反應脫氮過程。

當N/S濃度比提高至2.0時，反應器中微生物群落的相對豐度發生改變。由最開始的8.6%提高10.6%，由15%提高至17.4%，并未發生明顯變化；由17.0%提高到了17.9%。

當N/S濃度比提高至3.0時，反應器中提高至13.9%，由提高至20.7%，、并未發生明顯變化。從微生物群落結構的相對豐度可以看出，在N/S≤3.0時，反應體系內的優勢菌群發生改變。常規亞硝酸鹽型厭氧氨氧化菌（，）逐漸成為優勢菌群；硫酸鹽還原厭氧氨氧化菌（），硫自養反硝化（）、硝化菌和異養反硝化菌的含量大體保持不變。

當N/S濃度比提高至4.0時，反應器中降低至8.5%，降低至16.5%；降低至16.9%；并未發生明顯變化。因此在3.0≤N/S≤4.0時，反應體系內的厭氧氨氧化菌群活性受到抑制。體系內常規亞硝酸鹽型厭氧氨氧化菌（，）、硫酸鹽還原厭氧氨氧化菌（）的相對豐度降低；硫自養反硝化（）、硝化菌和異養反硝化菌的含量大體保持不變。

因此，提高進水N/S濃度比，僅影響厭氧氨氧化菌（ANAMMOX、SRAO）活性。但體系內積累的NOx--N量不同會造成SAD過程的處理負荷不同。如圖3、4所示，在N/S=3.0時，體系內厭氧氨氧化菌脫氮效能最佳；此后逐漸提高進水NH4+-N濃度，抑制厭氧氨氧化菌（ANAMMOX、SRAO）活性，總氮去除率由95.5%降低至71.4%。分析原因：

1）硫酸鹽參與厭氧氨氧化過程生成單質硫S。一方面污泥在攪拌器攪拌的作用下吸附在單質硫S的表面促進形成顆粒污泥，提高脫氮性能[21-22]。另一方面單質硫S在攪拌器攪拌的作用下吸附在污泥顆粒表面也會影響傳質效率，抑制污泥的脫氮效率。

2）硫酸鹽改變氮素之間的轉化，通過厭氧氨氧化反應將NH4+-N直接轉化成N2。NH4+-N：一部分作為ANAMMOX的底物生成NO3-N；而另一部分參與硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）反應直接轉化為N2。ANAMMOX和SRAO之間會發生底物競爭。因此提高進水NH4+-N濃度，在底物競爭基質作用下ANAMMOX菌在體系內所占比例得到提高。

2.3 脫氮規律及性能分析

基于上述研究成果，計算SO42-濃度在100 mg/L附近的條件下，不同N/S比條件下TN的轉化速率與不同功能菌種影響的關系。根據氮素轉化途徑構建線性回歸模型，以研究不同功能菌種對TN轉化速率的影響，如式（1）[23]所示（2=0.979，=0.011）。

式中（TN）為TN轉化速率，mg/(L·h)；為常規厭氧氨氧（ANAMMOX）；為硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）；SA為硫自養反硝化（SAD）。

如式（1）所示，在N/S濃度比的影響下，體系內TN的轉化速率[(TN)]主要受[SA/(SA+)]和（/）兩個變量影響。反應器中硫，酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）菌在體系內所占比例保持相對穩定。逐步提高進水N/S濃度比，上述2個變量與TN的轉化速率正相關。

在不同N/S濃度條件下，TN轉化速率主要依賴于SRAO，ANAMMOX和SAD之間的相互協同作用[24]。其中，SRAO和ANAMMOX主要去除體系內NH4+-N，SAD和ANAMMOX主要可以實現將NO2--N和NO3--N轉化為N2[25]，而NOx--N的來源生依賴硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）和常規厭氧氨氧化（ANAMMOX）過程將作為底物的NH4+-N部分轉化[26]。SAD（轉化NOx--N）和SRAO、ANAMMOX（轉化NH4+-N）兩者可以相互協同共同實現體系高效脫氮。

/隨著N/S的增加，表明體系內常規厭氧氨氧化（ANAMMOX）菌含量增加有利于提高NH4+-N的去除效果。SA/(SA+)表明體系內NO2--N和NO3--N轉化過程。體系內NH4+-N濃度的提高，增加副產物（S和NO2--N）含量可以增強硫自養反硝化（SAD）菌活性[27]。通過調節進水N/S濃度比，可以控制作為副產物NO2-或NO3-的產量促進SAD過程[28]。

當N/S≤1.5時，過量SO42-還原生成單質（S）并將NH4+-N氧化為NO2--N，提高SO42-的轉化率和NO2-的產率[29]。此時系統中主要由ANAMMOX和SRAO作為功能菌種。逐漸提高N/S濃度比>1.5時，在硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）作用下過量的NH4+-N為反應體系提供充足的電子，將NH4+-N氧化為NO2-N；同時產生的NO2--N可作為常規厭氧氨氧化（ANAMMOX）和硫自養反硝化（SAD）反應的底物，實現厭氧氨氧化-硫自養反硝化技術使體系實現高效脫氮現象[10]。此時系統中主要由ANAMMOX和SAD作為功能菌種。

綜上所述，在不同的N/S濃度比水平下會不同程度影響ASBR中ANAMMOX菌，SRAO菌和SAD菌群豐度及活性。改變N/S濃度比會使該體系內脫氮微生物優勢菌群不斷變化，進而導致脫氮性能的改變。作為脫氮的主要功能菌種，上述3種功能微生物在各系統中對底物的競爭優勢存在較大差異，進而改變中間產物的生成量，造成體系內主反應的變化及不同的氨氮及硫酸鹽的轉化率。

3 結 論

1）當SO42-濃度在100 mg/L附近的條件下通過控制氨氮濃度逐步提高進水NH4+-N和SO42-濃度比（N/S濃度比），在N/S濃度比在3.0時，反應體系脫氮性能處于最佳狀態。

2）當SO42-濃度在100 mg/L附近時，不同的N/S濃度比下體系內脫氮的主要過程和途徑也不同。當N/S濃度比≤1.5時，SRAO作用主要作為反應脫氮主要途徑。在N/S濃度比>1.5時，可以提高ANAMMOX 菌群豐度，實現厭氧氨氧化（SRAO、ANAMMOX）作為反應脫氮主要途徑。

3）由于不同N/S下ΔNH4+-N：ΔSO42-的損失比例在不同底物濃度下并不同，所以SRAO耦合SAD體系是一系列的生化偶聯反應且占比不同，所以進水N/S仍是這一體系影響脫氮的重要因素。

[1] Fdz-Polanco F, Fdz-Polanco M, Fernandez N, et al. New process for simultaneous removal of nitrogen and sulphur under anaerobic conditions[J]. Water Research, 2001, 35(4): 1111-1114.

[2] 楊世東，劉涵. 硫自養反硝化中亞硝酸鹽積累的研究現狀與展望[J]. 東北電力大學學報，2020，40(1)：56-64.

Yang Shidong，Liu Han. Research on nitrite accumulation in sulfur autotrophic denitrification[J] Journal of Northeast Electric Power University, 2020，40(1)：56-64.

[3] Zhang L, Zheng P, He Y H, et al. Performance of sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation[J]. Science in China(Series B: Chemistry), 2009(1): 92-98.

[4] 劉福鑫，黃勇，袁怡，等. 厭氧硫酸鹽還原-氨氧化的研究[J]. 環境工程學報，2015，9(2)：699-704.

Liu Fuxin，Huang Yong，Yuan Yi，et al. Study of anaerobic sulfate-reducing ammonium oxidation reaction[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2015，9(2)：699-704.

[5] 張晨曉，郭延凱，杜海峰，等. 硫自養反硝化反應器脫氮特性研究[J]. 河北科技大學學報，2016，37(1)：96-101.

Zhang Xiaochen, Guo Yankai, Du Haifeng, et al. Denitrification characteristics of sufur autotrophic denitrification reactor[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2016，37(1)：96-101.

[6] 周健，黃勇，劉忻，等. 硫自養反硝化耦合厭氧氨氧化脫氮條件控制研究[J]. 環境科學，2016，37(3)：1061-1069.

Zhou Jian，Huang Yong，Liu Xin, et al. Element sulfur autotrophic denitrification combined anaerobic ammonia oxidation[J]. Environmental Science，2016，37(3)：1061-1069.

[7] Schrum H N, Spivack A J, Kastne Mr, et al. Sulfate-reducing ammonium oxidation: A thermodynamically feasible metabolic pathway in subseafloor sediment[J]. Geology, 2009, 37(10): 939-942.

[8] Liu C, Li W, Li X, et al. Nitrite accumulation in continuous-flow partial autotrophic denitrification reactor using sulfide as electron donor[J]. Bioresource Technology, 2017, 243: 1237-1240.

[9] Susumu H, Kenji F, Masahiko S. Autotrophic denitrification using elemental sulfur[J]. Ferment Technol. 1987, 65: 683-692.

[10] Qian Jin, Zhang Mingkuan, Wu Yaoguo, et al. A feasibility study on biological nitrogen removal (BNR) via integrated thiosulfate-driven denitratation with anammox[J]. Chemosphere, 2018, 208: 793-799.

[11] Sun X, Du L, Hou Y, et al. Endogenous influences on anammox and sulfocompound-oxidizing autotrophic denitrification coupling system (A/SAD) and dynamic operating strategy[J]. Bioresource Technology, 2018, 264: 253-260.

[12] Liu Luyao, Xie Guojun, Xing Defeng, et al. Sulfate dependent ammonium oxidation: A microbial process linked nitrogen with sulfur cycle and potential application[J]. Environmental Research, 192(2021): 110282

[13] AOlav Sliekers N Derwort J L, Campos Gomez, et al. Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite in one single reactor[J]. Water Research. 2002, 36(10): 2475-2482

[14] Deng Shiyun, Peng Yongzhen, Zhang Liang, et al Advanced nitrogen removal from municipal wastewater via two-stage partial nitrification-simultaneous anammox and denitrification (PN-SAD) process[J]. Bioresource Technology, 2020, 304:122955.

[15] Liu S, Yang F, Gong Z, et al. Application of anaerobic ammonium-oxidizing consortium to achieve completely autotrophic ammonium and sulfate removal[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(15): 6817-6825.

[16] 陶文鑫. 海綿鐵對厭氧氨氧化與反硝化耦合的影響研究[D]. 吉林：東北電力大學，2018.

Tao Wenxin. Effect of Sponge Iron on the Coupling of Anaerobic Ammonia Oxidation and Denitrification[J]. Jilin: Northeast Electric Power University, 2018.

[17] Wang Tuo, Guo Jianbo, Song Yuanyuan, et al. Efficient nitrogen removal in separate coupled-system of anammox and sulfur autotrophic denitrification with a nitrification side-branch under substrate fluctuation[J]. Science of The Total Environment, 2019, 696: 150-159.

[18] Shen L D, Cheng H X, Liu X, et al. Potential role of anammox in nitrogen removal in a freshwater reservoir, Jiulonghu Reservoir (China)[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2017, 24(4): 3890-3899.

[19] 劉正川，袁林江，周國標，等. 從亞硝酸還原厭氧氨氧化轉變為硫酸鹽型厭氧氨氧化[J]. 環境科學，2015(9)：229-235.

Liu Zhengchuan，Yuan Linjiang，Zhou Guobiao, et al. Achievement of sulfate-reducing anaerobic ammonium oxidation reactor started with nitrate-reducting anaerobic ammonium oxidation[J]. Environmental Science，2016，37(3)：1061-1069.

[20] 李芳芳，施春紅，李海波，等. 饑餓對硫自養反硝化反應器生物群落結構的影響[J]. 環境科學，2017，38(3)：1109-1115.

Li Fangfang，Shi Chunhong，Li Haibo, et al. Impact of starvation conditions on biological community structure in sulfur autotrophic denitrification reactor[ J]. Environmental Science，2017，38(3)：1109-1115.

[21] Fangmin C, Xiang L, Chenwei G, et al. Selectivity control of nitrite and nitrate with the reaction of S0 and achieved nitrite accumulation in the sulfur autotrophic denitrification process[J]. Bioresource Technology, 2018, 266: 211-219.

[22] Mahmood Q, Zheng P, Hayat Y, et al. Effect of pH on anoxic sulfide oxidizing reactor performance[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(8): 3291-3296.

[23] 王振，朱振華，丁亞男，等. 低溫對CANON型序批式生物膜反應器脫氮的影響[J]. 中國環境科學，2019， 39(4)：191-199.

Wang Zhen, Zhu Zhenhua, Ding Yanan, et al. Effect of low temperature on nitrogen removal in a sequencing batch biofilm reactor with CANON process[J]. China Environmental Science, 2019， 39(4)：191-199.

[24] 方文燁，李祥，黃勇，等. 單質硫自養短程反硝化耦合厭氧氨氧化強化脫氮[J]. 環境科學，2020，41(8)：3699-3706.

Fang Wenye，Li Xiang，Huang Yong, et al. Improved on nitrogen removal of anaerobic ammonia oxidation by coupling element sulfur-based autotrophic short-cut denitrification[J]. Environmental Science，2020，41(8)：3699-3706.

[25] Sun X, Du L, Hou Y, et al. Endogenous influences on anammox and sulfocompound-oxidizing autotrophic denitrification coupling system (A/SAD) and dynamic operating strategy[J]. Bioresource Technology, 2018, 264: 253-260.

[26] Ma B, Wang S, Cao S, et al. Biological nitrogen removal from sewage via anammox: Recent advances[J]. Bioresource Technology, 2016, 200: 981-990.

[27] 馬景德，潘建新，李澤敏，等. FeS自養反硝化與厭氧氨氧化的耦合脫氮機制[J]. 環境科學，2019，40(8)：3683-3690.

Ma Jingde，Pan Jianxin，Li Zemin, et al.Performance and mechanisms of advanced nitrogen removal via FeS-driven autotrophic denitrification coupled with ANAMMOX[J]. Environmental Science，2019，40(8)：3683-3690.

[28] Liu S, Yang F, Gong Z, et al. Application of anaerobic ammonium-oxidizing consortium to achieve completely autotrophic ammonium and sulfate removal[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(15): 6817-6825.

[29] Wenk C B, Blees J, Zopfi J, et al. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria and sulfide-dependent denitrifiers coexist in the water column of a meromictic south-alpine lake[J]. Limnology and Oceanography, 2013, 58(1): 1-12.

Effects of N/S and ammonia concentrations on the process of sulfate reduction anaerobic ammonium oxidation

Yang Shidong, Zhu Yanjun, Liu Han, Liu Hongxu

(,,132012,)

Sulfate-reducing anaerobic ammonia oxidation (SRAO) reaction can be used to remove nitrogen and sulfate simultaneously in the same process, providing a new approach for complex industrial wastewater treatment in wastewater with a high concentration of ammonia and sulfate. However, the unstable SRAO depends easily on various external environmental factors. Particularly the main substrate, the concentrations and their ratios of ammonia nitrogen and sulfate are of great importance to the SARO process. In this study, a systematic investigation was made on the effect of the S/N (NH4+-N/SO42-) ratio at different concentrations on the removal of nitrogen and sulfur in an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR). Two ASBRs with a volume of 2.0 L were also used in parallel in the experiment, where the hydraulic retention time was 48 h. The ASBRs were wrapped up with the cotton layer and black paper to isolate from the environment, while remaining at 30 ℃ with the hot water from the water-bath with the casing layer of reactors. The four stages of reactors included loading, mixing, precipitation and drainage, which were controlled by automatic program controllers. The ratio of nitrogen to sulfur was adjusted by adding different concentrations of ammonium chloride and sulfate. The results showed that when N/S increased from 1.0 to 3.0 under the condition of sulfate concentration of about 100 mg/L, the NH4+removal increased from 84.4% to 94.4%. The high-throughput sequence analysis showed that relative abundance ofin the anaerobic reactor increased from 8.6% to 10.6%, and the relative abundance ofincreased from 15% to 17.4%. At this time, the relative abundance and activity of Sulfur Autotrophic Denitrification (SAD) bacteria in ASBR did not change significantly, but the relative abundance of sulfate-reducing ammonia oxidation functional bacteriaandincreased significantly to 13.9% and 20.7%, respectively. The sulfate reduction ammonia oxidation (SRAO) and ANAMMOX were considered to be the main ways of nitrogen removal. An obvious decrease of NH4+removal from 94.4% to 69.2% when the S/N increased from 3.0 to 4.0, which showed inhibition of SRAO and ANAMMOX bacteria in higher S/Ns over 3.0. At the same time, the content of(Sulfur autotrophic denitrifying bacteria) and nitrifying bacteria remained unchanged. The relative abundance ofanddecreased to 8.5% and 16.5%, respectively. Combined with the experimental results, the removal of sulfate according different S/Ns showed a similar trend as TN removal. The TN and sulfur removal rate could reach 94.4% and 74.2% when the N/S value was 3.0. High-throughput sequencing analysis showed the different dominant species of bacteria at the S/Ns, indicating the variation of TN and sulfur removal rate in the ASBR. The sulfate removal at different N/S ratios demonstrated combined denitrification in the system, including SRAO, SAD, and traditional ANAMMOX. The SARO was the dominant process of denitrification, when N/S<1.5, whereas, the effect of ANAMMOX was the main denitrificaiton, when N/S>1.5. An optimum N/S of 3.0 can be expected to effectively couple the SARO and ANAMMOX for the greatest nitrogen removal.

fermentation; ammonia; bacteria; sulfate reducing ammonium oxidation; sulfur autotrophic denitrification (SAD);

楊世東，祝彥均，劉涵，等. 不同氮硫濃度及氮硫比對硫酸鹽還原厭氧氨氧化脫氮效果的影響[J]. 農業工程學報，2021，37(16)：199-204.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.025 http://www.tcsae.org

Yang Shidong, Zhu Yanjun, Liu Han, et al. Effects of N/S and ammonia concentrations on the process of sulfate reduction anaerobic ammonium oxidation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 199-204. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.025 http://www.tcsae.org

2021-03-24

2021-07-14

吉林省科技廳自然科學基金項目（20150101090JC）

楊世東，副教授，博士，研究方向為污廢水處理。Email：15981105115@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.025

X703

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1002-6819(2021)-16-0199-06