硫自養(yǎng)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(huán)科院科技咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；2.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，四川 成都 610000)

2018年4 月中國生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關(guān)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(qū)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(zhì)改善的突出瓶頸。目前，城鎮(zhèn)污水處理廠的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)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(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主因之一。為此，國內(nèi)很多地方城鎮(zhèn)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(biāo)準(zhǔn)，主流的異養(yǎng)反硝化工藝仍存在需投加碳源導(dǎo)致處理成本較高的問題，而硫自養(yǎng)反硝化工藝具有無需外加碳源，產(chǎn)泥量少，無二次污染等優(yōu)點，成為一個可行的探索方向[1-4]。

1 硫自養(yǎng)反硝化原理

硫自養(yǎng)反硝化是自養(yǎng)反硝化作用中研究較為廣泛的一個方向，其具體反應(yīng)機理就是無機化能營養(yǎng)型、光能營養(yǎng)型的硫氧化細菌可在缺氧或厭氧條件下利用還原態(tài)硫（S0、S2-、S2O32-等） 作為電子供體，通過對還原態(tài)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(xiàn)自養(yǎng)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(tài)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(yǎng)反硝化計量學(xué)公式：

以硫代硫酸鹽為電子供體的硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)方程式如：

總反應(yīng)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(yǎng)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(yīng)式可知，不同電子供體的反應(yīng)過程均產(chǎn)酸和硫酸鹽，同時也會有NO2-積累現(xiàn)象[6]。因此，學(xué)者們通過探索控制反應(yīng)條件、改變反應(yīng)器形式和填料形式等方法來規(guī)避以上弊端，推動著硫自養(yǎng)反硝化工藝的發(fā)展和應(yīng)用。

2 影響因素比較與討論

2.1 電子供體類型

硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)常用的電子供體有硫代硫酸鹽、硫單質(zhì)、硫化物等化合物，電子供體類型對于反應(yīng)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(yǎng)反硝化過程具有更好的脫氮效果。以微生物T.denitrificans為例（已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的8種硫桿菌屬中，脫氮硫桿菌T.denitrificans已被研究發(fā)現(xiàn)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(yīng)機理和原料經(jīng)濟性等方面比較，黃鐵礦是硫自養(yǎng)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(guān)于電子供體類型對反應(yīng)速率影響的研究結(jié)果體現(xiàn)的規(guī)律并不十分一致。

袁瑩等[3]研究了NaS2O3、Na2S和S單質(zhì)作為電子供體處理NO3-質(zhì)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(zhì)硫系統(tǒng)和NaS2O3系統(tǒng)均能達到90%以上的去除率，Na2S系統(tǒng)僅有47%左右，發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(fā)現(xiàn)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(jù)一級反應(yīng)動力學(xué)方程對反應(yīng)速率進行了擬合，得到硝酸鹽降解速率常數(shù)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(dāng)量的硫代硫酸鈉、黃鐵礦、硫單質(zhì)三種不同硫源的培養(yǎng)基，測定20d后的硝酸鹽氮濃度，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽氮去除率黃鐵礦大于硫單質(zhì)大于硫代硫酸鈉，與國內(nèi)其他學(xué)者的研究結(jié)果不太一致?？赡苁怯捎诹蜃责B(yǎng)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(nèi)大多數(shù)學(xué)者認為利用硫磺作為硫源的自養(yǎng)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(yǎng)反硝化反應(yīng)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(yīng)速率，從而顯著提高了處理效率縮減了HRT。此外，硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)中電子供體的量、電子供體的聚集態(tài)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(yīng)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(yīng)器及填料形式

反應(yīng)器形式對反應(yīng)效果的影響也至關(guān)重要，如采用上向流進水的方式有利于反硝化過程中產(chǎn)生的氣體從反應(yīng)器中溢出，且有利于創(chuàng)造反硝化的厭氧環(huán)境，利于反硝化的發(fā)生。

劉續(xù)等[11]對比了陶粒作為填料載體的細高型反應(yīng)器和矮胖型生物濾柱反應(yīng)器以陶粒作為載體處理人工配水的效能，發(fā)現(xiàn)矮胖型反應(yīng)器較細高型反應(yīng)器相比在中低水力負荷條件下處理效果更穩(wěn)定，細髙型反應(yīng)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(tài)不同也會影響反應(yīng)效果，馬航等[12]比較了厭氧污泥反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器的性能，發(fā)現(xiàn)前者的最大去除速率高于后者，但生物膜反應(yīng)器脫氮效率穩(wěn)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(yīng)器內(nèi)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(yǎng)反硝化微生物在BAC（生物活性炭）系統(tǒng)、普通絮狀污泥系統(tǒng)、包埋固定化系統(tǒng)中以NaS2O3作為電子供體去除硝酸氮的效果，發(fā)現(xiàn)BAC系統(tǒng)結(jié)合硫自養(yǎng)反硝化可以采用更短的HRT實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)BAC系統(tǒng)中的細菌以桿菌為主，且生物密度遠大于絮狀污泥系統(tǒng)。

由此可知，反應(yīng)器的形式及內(nèi)部填料構(gòu)建的生物反應(yīng)的微環(huán)境都影響著硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)的效果。通常，可以利用CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)模擬并對反應(yīng)器的布水、傳質(zhì)、排氣及泥水分離效果進行優(yōu)化，以尋找最優(yōu)的反應(yīng)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(chǔ)上研發(fā)微生物固定化效果好的填料和傳質(zhì)效率更高的反應(yīng)器。

2.3 反應(yīng)條件

2.3.1 pH值

硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)過程為產(chǎn)酸反應(yīng)，隨著反應(yīng)進行會消耗堿度，pH會隨反應(yīng)進程的持續(xù)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(yǎng)反硝化反應(yīng)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(yǎng)反硝化系統(tǒng)的脫氮性能影響，結(jié)果表明硫磺/石灰石系統(tǒng)初始pH對NO3-的影響較小，僅在pH值為7～8范圍內(nèi)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(yǎng)反硝化系統(tǒng)在初始pH的影響下的反硝化速率，結(jié)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(nèi)硫/石灰石生物濾柱反應(yīng)器的TN去除率的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)TN去除率pH在5.5～9范圍內(nèi)均能達到70%以上，當(dāng)pH=7左右時TN達到最大去除效率。

由此可知，若想硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)維持較高的脫氮效率，必須在反應(yīng)系統(tǒng)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(huán)境影響到了微生物的代謝活性，而是由于pH的降低導(dǎo)致反應(yīng)體系內(nèi)無機碳的缺乏使反硝化效率下降，并通過向反應(yīng)體系內(nèi)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(wěn)定的反硝化反應(yīng)。因此，在極端pH值條件下，為保持硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)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(yǎng)菌，是一種嚴(yán)格自養(yǎng)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(guān)于DO參與抑制脫氮硫桿菌生物反硝化反應(yīng)的具體途徑，目前主要有兩種結(jié)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(yīng)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(yīng)器亞硝氮的沿程積累與消減趨勢，總結(jié)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(guān)，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(xiàn)象。而趙晴[21]等研究發(fā)現(xiàn)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(yīng)器在進水未經(jīng)過預(yù)處理（DO質(zhì)量濃度≈3～5mg/L） 和經(jīng)過N2吹脫作用后（DO質(zhì)量濃度＜0.1mg/L） 的脫氮效果，發(fā)現(xiàn)DO質(zhì)量濃度對于以硫磺/白云石為填料的反應(yīng)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(yīng)組存在抑制作用。這是由于DO對于硫自養(yǎng)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(yīng)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(dǎo)致了短時間內(nèi)的亞硝酸氮的濃度積累，但最終由于原水中DO參與反應(yīng)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?nèi)?，提高反?yīng)速率的同時加快了反應(yīng)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(yīng)用，HRT越小所需反應(yīng)器體積越小，則建設(shè)投資相應(yīng)降低，同時處理工藝也更易推向市場應(yīng)用。

周婭等[22]研究了不同體積比的硫磺/黃鐵礦反應(yīng)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(fā)現(xiàn)隨著HRT的逐漸減?。?h降至2.5h），系統(tǒng)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(yīng)器研究了不同HRT條件下對污水廠二級出水（TN質(zhì)量濃度約為40mg/L） 的處理效果，發(fā)現(xiàn)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(yǎng)反硝化濾池處理人工配水，發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(dāng)HRT繼續(xù)降低時，NO3-去除率顯著降低至75%以下。由上可知，不同學(xué)者開展硫自養(yǎng)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(yīng)條件的共同影響，不同類型的電子供體和反應(yīng)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(huán)境因素，對微生物的群落、氣體傳質(zhì)速率、污泥的沉降性能都具有很大的影響。大部分硫自養(yǎng)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(yīng)溫度區(qū)間較窄，硫自養(yǎng)反硝化工藝在我國北方寒冷地區(qū)和南方地區(qū)冬季的應(yīng)用將受限制。

張晨曉等[24]比較了升流式固定床硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)器在t=20℃、30℃、35℃、40℃四種溫度條件下的硝酸鹽去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)t=30℃～35℃條件下硝酸鹽去除率最高，硝酸鹽的去除率可達90%?？姴┑萚25]以接種硫自養(yǎng)反硝化菌液的血清瓶作為反應(yīng)容器實驗了硝態(tài)氮去除率在不同溫度條件下的影響，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(yīng)體系在低溫條件下受抑制時的反應(yīng)速率常數(shù)，分別可提高8.49倍和2.81倍。因硫代硫酸鹽為離子態(tài)，易于傳遞，因此在低溫下硫轉(zhuǎn)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(xiàn)為低溫對以硫代硫酸鹽為電子供體的硝態(tài)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(shù)有利于包埋顆粒內(nèi)硫自養(yǎng)反硝化菌的增殖，從而提高反應(yīng)系統(tǒng)低溫環(huán)境下的反應(yīng)速率。歐陽麗華等[26]實驗了在升流式顆粒污泥床反應(yīng)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(huán)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(yīng)器內(nèi)微生物活性并提高反應(yīng)器的微生物固定化效果使其不流失是提高系統(tǒng)在低溫環(huán)境中處理能力的關(guān)鍵。

3 結(jié)語與展望

硫自養(yǎng)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(yōu)勢，同時也存在一些局限性。近年來許多學(xué)者進行了大量相關(guān)研究。

1）目前的研究關(guān)于不同類型電子供體的硫自養(yǎng)反硝化速率與由反應(yīng)機理所推導(dǎo)的排序規(guī)律并不十分一致，可能由于電子供體粒徑以及其他關(guān)聯(lián)因素如電子供體的聚集態(tài)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(yīng)速率的重要因素。

2） 隨著硫自養(yǎng)反硝化過程進行引起的pH下降并不是導(dǎo)致反應(yīng)速率降低的直接原因，無機碳源的缺乏可能是造成反應(yīng)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(yǎng)反硝化菌的微環(huán)境以及使用硫代硫酸鈉作為碳源是提高硫自養(yǎng)反硝化工藝在低溫季節(jié)運行效果的可行方法。

為更好推進硫自養(yǎng)反硝化工藝走向大規(guī)模工程應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)中優(yōu)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(zhì)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(yīng)速率常數(shù)研究。

③研究開發(fā)截留微生物效果更好的填料和反應(yīng)器。