硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化脫氮除磷研究進(jìn)展

魏 秋，王春榮，宋俊學(xué)，劉苗苗，張 浙，胡 馨

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點實驗室，北京 100086；3.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250358）

農(nóng)業(yè)化肥使用和生活廢水排放會產(chǎn)生大量含氮、磷廢水，嚴(yán)重污染水體〔1〕。須對氮、磷進(jìn)行有效控制，防止其對環(huán)境和人體健康造成進(jìn)一步危害。NO3-的處理方法有離子交換法、反滲透法、化學(xué)還原法、吸附法和生物法。生物脫氮工藝運行成本低，不會造成二次污染，是最具效益和可行性的硝酸鹽去除工藝之一〔2〕，但異養(yǎng)反硝化時需外加碳源。磷的處理方法包括化學(xué)沉淀法、生物法、物理吸附法、人工濕地、膜處理法等，其中化學(xué)沉淀法和生物法處理效果好且應(yīng)用廣泛〔3〕。化學(xué)沉淀法需添加聚合氯化鋁（PAC）等絮凝劑，成本較高；生物處理受揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、好氧池溶解氧、二沉池污泥回流等影響，工藝需進(jìn)行優(yōu)化。

自養(yǎng)反硝化是在自養(yǎng)反硝化菌的作用下，以CO32-、HCO3-等為碳源，無機(jī)物S2-、S2O32-、Fe、Fe2+、H2等為電子供體，將NO3--N、NO2--N還 原為N2〔4〕。硫、鐵硫化物能被自養(yǎng)反硝化菌（如脫氮硫桿菌）利用，在缺氧和中性條件下將NO3--N還原為N2；同時反硝化過程產(chǎn)生的酸能促進(jìn)硫鐵礦的溶解，提供更多硫化物和Fe2+作為電子供體。Fe2+氧化產(chǎn)生Fe3+，可與PO43-反應(yīng)生成沉淀，達(dá)到同時去除氮、磷的目的，且自養(yǎng)反硝化產(chǎn)泥量少、成本低，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定的酸堿度，引起人們廣泛關(guān)注〔5-6〕。筆者對國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化的研究進(jìn)行總結(jié)，為進(jìn)一步研究自養(yǎng)反硝化脫氮除磷工藝提供一定參考。

1 硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化原理

硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化以硫/鐵硫化物為電子供體，NO3-為電子受體，利用無機(jī)碳（CO2、HCO3-、CO32-）為碳源將NO3-還原為N2〔4〕，其反應(yīng)過程如圖1所示。

圖1 硫/硫鐵礦自養(yǎng)反硝化過程示意Fig.1 Diagram of autotrophic denitrification process of sulfur/pyrite

自養(yǎng)反硝化菌群不能直接吸收利用作為電子供體的硫，其電子的轉(zhuǎn)移途徑可能為：硫與細(xì)胞表面的硫醇基團(tuán)作用生成硫醚結(jié)合的硫原子，然后將其運輸?shù)郊?xì)胞基質(zhì)；或在中性和堿性條件下HS-親核攻擊S0導(dǎo)致S8裂解成多硫化物，然后通過多硫化物載體蛋白穿過細(xì)胞膜，與硫轉(zhuǎn)移酶發(fā)生反應(yīng)〔7〕。硫鐵化物作為固相的電子供體時，微生物也不能直接吸收利用。最近的研究發(fā)現(xiàn)微生物以自由游離方式存在，且游離細(xì)胞的硝酸鹽還原率與脫氮率相近，表明酸性溶解或氧化斷裂Fe—S鍵進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)作電子供體，供微生物利用〔8〕。

從式（1）可以看出，硫作電子供體的自養(yǎng)反硝化會產(chǎn)生H+，降低系統(tǒng)的pH，而大多數(shù)自養(yǎng)反硝化菌的最適宜環(huán)境為中性，以硫作電子供體會抑制反硝化過程。

與硫相比，鐵硫化物作為電子供體時能保持系統(tǒng)pH的穩(wěn)定，同時減少硫酸鹽的生成，防止二次污染。反硝化脫氮過程產(chǎn)生的Fe3+與PO43-反應(yīng)生成沉淀，或水解產(chǎn)生Fe（OH）3，對PO43-產(chǎn)生吸附作用〔9〕，達(dá)到同時脫氮除磷的目的。相關(guān)反應(yīng)式如式（2）～式（11）所示〔10-11〕。

2 硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化的影響因素

硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化的速率主要受水力停留時間（HRT）、溫度、pH和堿度等的影響。HRT越長，反硝化效果越好，脫氮除磷越徹底；反硝化菌群屬于嗜溫性菌，溫度低于20℃時反硝化速率被明顯抑制；pH在6.5～7.0時菌群活性最高〔12〕。

2.1 HRT

HRT是影響自養(yǎng)反硝化效果的重要因素之一，進(jìn)水硝酸鹽濃度越高，所需HRT越長。不同HRT下，各填料對氮、磷的去除效果如表1所示。

表1 不同HRT下氮、磷的去除率Table 1 Removal rate of nitrogen and phosphorus under different HRT

Weili ZHOU等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)，硫作電子供體、進(jìn)水硝酸鹽為43 mg/L（以N計）時，HRT為4 h可以去除80%～90%的硝酸鹽。Yongde LIU等〔20〕用硫去除20 mg/L的NO3--N，HRT為4h時去除率達(dá)到99.18%。Ruihua LI等〔6〕利用磁黃鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)去除城市污水處理廠二級出水中的氮和磷，當(dāng)進(jìn)水NO3--N、PO43--P分別為21.1、2.6 mg/L，HRT為24 h時，出水NO3--N、PO43--P分別為1.9、0.3 mg/L。李睿華等〔15〕用黃鐵礦和石灰石作填料的生物濾池處理二級城市污水，HRT為5 d、進(jìn)水NO3--N為25.53 mg/L、TP為4.17 mg/L時，出水NO3--N、TP分別為0.94、0.04 mg/L。袁玉玲〔22〕以FeS2為填料研究自養(yǎng)反硝化過程，進(jìn)水NO3--N為30 mg/L、TP為15 mg/L時，F(xiàn)eS2自養(yǎng)反硝化的最優(yōu)HRT為6 d，TN、TP的去除率可達(dá)86.1%、43.7%。單獨將磁黃鐵礦作填料時，自養(yǎng)反硝化需要24 h才能取得較好的出水效果，采用黃鐵礦或混合石灰石時HRT需要5 d以上，工程實際應(yīng)用受到限制。

陸娜娜〔23〕用硫與天然硫鐵礦的復(fù)合填料對氮磷進(jìn)行去除，結(jié)果表明，進(jìn)水NO3--N、PO43--P分別為20、0.5 mg/L時，反應(yīng)器的HRT越長，出水NO3--N含量越低；S+FeS、S+Fe1-xS、S+FeS2作填料時，硝酸鹽被完全去除的最佳HRT分別為12、12、9 h。Yan YANG等〔24〕以納米黃鐵礦為電子供體處理實際二級出水，進(jìn)水含氮（13.81±1.52）mg/L、含磷（2.44±0.05）mg/L，HRT在0.6～3.6 h時幾乎完全脫氮〔總有機(jī)氮為（0.045±0.011）mg/L〕；HRT為0.6 h時，出水中的磷平均低至0.03 mg/L，磷去除率平均為98%。硫與硫鐵礦聯(lián)合使用可以縮短HRT；燒制納米黃鐵礦后，比表面積增加，HRT縮短至0.6 h，但燒制納米黃鐵礦的成本不經(jīng)濟(jì)，不能實際應(yīng)用。

以單獨的硫作電子供體，HRT在幾小時內(nèi)即可去除80%～100%的硝酸鹽，但對磷無去除效果。以硫鐵礦或硫鐵礦混合石灰石作電子供體，HRT在1 d或5～6 d能達(dá)到很好的處理效果。HRT為0.6 h，納米黃鐵礦對氮、磷的去除率在98%，但處理成本增加。

2.2 溫度

溫度影響微生物的活性。自養(yǎng)反硝化菌通常表現(xiàn)出嗜溫行為，反硝化最佳溫度約為30℃，低于20℃或高于40℃會對反硝化過程產(chǎn)生明顯抑制作用。Weili ZHOU等〔25〕以硫作電子供體，當(dāng)進(jìn)水NO3--N為13 mg/L、溫度為10～20℃時，系統(tǒng)可去除49.8%的硝酸鹽和40.0%的總氮；而溫度高于20℃時，可去除70%以上的硝酸鹽和總氮?？姴┑取?6〕發(fā)現(xiàn)低溫條件會明顯抑制自養(yǎng)反硝化過程，5℃時的自養(yǎng)反硝化速率僅為25℃時的3.2%，15℃時的反硝化速率為25℃的24%，且硝酸鹽大部分轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。

溫度升高有利于自養(yǎng)反硝化過程。Weili ZHOU等〔14〕以硫-石灰石為填料，28℃下去除10 mg/L硝酸鹽（以N計）的HRT為2.5 h，8℃下HRT為4.2 h時僅能去除一半硝酸鹽。蒲嬌陽〔27〕利用硫鐵礦處理模擬水中的硝酸鹽，反應(yīng)體系為20℃時的反硝化速率較30℃時的降低50%，同時出現(xiàn)NO2--N積累；調(diào)整溫度為30℃時反硝化速率恢復(fù)到原水平，溫度低于20℃會抑制反硝化的進(jìn)行。Fangmin CHEN等〔28〕以硫為電子供體，在進(jìn)水NO3--N為50 mg/L、溫度從17℃升至40℃、HRT為12 h的條件下對出水進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，溫度為17℃時出水NO3--N為34.25 mg/L；溫度升至35℃時出水中的NO3--N為15.56 mg/L；進(jìn)一步升至40℃，出水硝酸鹽升高，表明溫度≥40℃或≤17℃都會抑制反硝化作用。Ruihua LI等〔29〕以FeS作電子供體，發(fā)現(xiàn)溫度從5℃升至10℃時，NO3--N去除速率從3.5 mg/（L·d）升至17 mg/（L·d）；溫度升至28℃時，NO3--N去除速率增加到21 mg/（L·d）；溫度進(jìn)一步升至40℃時，NO3--N去除速率降至16.9 mg/（L·d）。

2.3 pH和堿度

pH和堿度是影響微生物活性的重要參數(shù)。pH過高或過低都會影響微生物的活性，進(jìn)而對反硝化產(chǎn)生抑制〔30〕。自養(yǎng)反硝化菌的最適pH在6.8～8.2〔31〕。

霍珊〔32〕考察了硫單獨存在下pH對自養(yǎng)反硝化的影響，結(jié)果表明，pH在7～9時對反硝化無影響；pH為6時反硝化速率明顯降低并出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累；pH為5，反應(yīng)時間為30 h時只有部分NO3--N發(fā)生轉(zhuǎn)化。Yuansheng HU等〔33〕發(fā)現(xiàn)黃鐵礦自養(yǎng)反硝化過程在pH為5～8條件下進(jìn)行，特別在pH為5～6的酸性條件下表現(xiàn)最優(yōu)。可能的原因為：（1）鐵硫化物反硝化菌在低pH環(huán)境下具有最適值〔34〕；（2）低pH促進(jìn)了鐵硫化物的溶解，從而提高反硝化速率〔29〕；（3）硫鐵礦可作為緩沖劑，維持反應(yīng)系統(tǒng)pH的穩(wěn)定。

Fangmin CHEN等〔28〕發(fā)現(xiàn)，pH為6.5時NO3-去除率僅為57.39%；pH調(diào)至7.5時，系統(tǒng)對NO3-的去除率達(dá)到96.99%；pH為8.5，NO3-去除率降到86.71%。Ruihua LI等〔29〕研究證明，隨著酸度的增加，反硝化速率提高；此外，進(jìn)水pH為7～8時，堿度的增加能改善反硝化作用，但進(jìn)水pH>8后反硝化速率下降。較低或較高的pH環(huán)境可能導(dǎo)致碳酸根分解和二氧化碳排出，消耗可用的碳源，從而抑制細(xì)菌功能，使自養(yǎng)反硝化過程受阻〔35〕。

基于式（1）計算可得，去除1 mg NO3--N需消耗3.91 mg堿度（以CaCO3計）。Dongjin WAN〔36〕等研究發(fā)現(xiàn)，隨著HRT的縮短，消耗的堿度也在下降，且堿度消耗變化值偏離理論值，其認(rèn)為原因在于堿度受微生物和水中其他離子的干擾。

綜上，自養(yǎng)反硝化菌的最適pH在6.8～8.2。為保持自養(yǎng)菌的活性及保證反應(yīng)系統(tǒng)的脫氮速率，應(yīng)使進(jìn)水pH在合理范圍內(nèi)，同時系統(tǒng)中有足夠的堿度。

2.4 其他影響因素

硫和鐵硫化物在水中的溶解度極低，當(dāng)反應(yīng)體系無法提供足夠的電子供體時，硝酸鹽不能完全還原，亞硝酸鹽發(fā)生積累。姚鵬程〔37〕發(fā)現(xiàn)硫氮比（物質(zhì)的量之比）為理論值1.1時，NO3--N轉(zhuǎn)化速率僅為20%；隨著硫氮比的增加，NO3--N轉(zhuǎn)化速率也在增加，硫氮比為10時NO3--N轉(zhuǎn)化速率增加到90%以上。高硫氮比可增加反硝化菌與硫和硫化物的接觸面積，從而提高反硝化速率。

Zhe KONG等〔5〕發(fā)現(xiàn)COD增加會抑制鐵硫化物的自養(yǎng)反硝化，增加異養(yǎng)反硝化的比例；盡管進(jìn)水中含有COD會增加硝酸鹽的去除效果，但前端COD的供應(yīng)不穩(wěn)定，會同時抑制異養(yǎng)和自養(yǎng)反硝化過程，造成反應(yīng)體系惡化。王暉〔38〕研究發(fā)現(xiàn)，硫氮比≥0.7、進(jìn)水含有低濃度COD時，硝酸鹽去除率在90%以上且能夠去除部分COD，提高反應(yīng)系統(tǒng)的出水水質(zhì)。

低碳氮比污水經(jīng)過自養(yǎng)反硝化處理后可去除90%以上的硝酸鹽，同時對水中的低濃度COD有去除效果，但控制硫氮比與COD之間的利用比例比較困難，需要進(jìn)一步研究自養(yǎng)脫氮的同時利用殘余COD增加脫氮效果。

3 硫/鐵硫化物自養(yǎng)反硝化微生物菌屬

反硝化脫氮硫桿菌是自養(yǎng)反硝化工程中最主要的微生物菌種，其中Thiobacillus denitrificans和Sul?furimonas denitrificans是最常見和占優(yōu)勢的反硝化細(xì)菌〔39〕。表2為廢水處理中不同電子供體的自養(yǎng)反硝化菌屬。

表2 廢水處理中鑒定的反硝化菌屬Table 2 Denitrifying bacteria identified in wastewater treatment

Hydrogenophilaceae能夠溶解硫顆粒，促進(jìn)硫的自養(yǎng)反硝化進(jìn)程，其在接種污泥中的相對豐度<0.1%，反應(yīng)器運行結(jié)束時其豐度增加到37.1%，與T.denitrificans均是參與硫自養(yǎng)反硝化的主要物種〔40〕。Thiobacillus denitrificans和Sulfurimonas denitrificans是最常見的硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，具有將硝酸鹽還原為N2和將硫氧化為硫酸鹽的能力。Geothrix作為第三種優(yōu)勢屬可能在系統(tǒng)中發(fā)揮Fe0氧化反硝化作用〔42〕。

霍珊〔32〕利用分子生物學(xué)分析自養(yǎng)反硝化微生物群落，發(fā)現(xiàn)Thiobacillus是系統(tǒng)主要的微生物菌屬，占總微生物的50%，其次為Sulfurimonas，約占微生物的20%。Shenghui WANG〔42〕等研究了S-Fe反應(yīng)器微生物的種類組成，表明S.denitrificans約占所有細(xì)菌的50%，T.denitrificans是硫基自養(yǎng)反應(yīng)器中報道的主要自養(yǎng)反硝化菌，僅約占22%。

Yongwei ZHANG等〔18〕發(fā)現(xiàn)磁黃鐵礦自養(yǎng)反硝化反應(yīng)器的主要細(xì)菌是Thiobacillus和Sulfurimonas。周 翔〔44〕研究發(fā)現(xiàn)，硫 養(yǎng)體系中Thiobacillus和Sulfurimonas相對豐度分別為17.44%和3.79%，而硫鐵礦體系中Thiobacillus的相對豐度為22.68%；這是因為Thiobacillus不僅可利用硫、硫化物進(jìn)行自養(yǎng)反硝化，同時可利用Fe（Ⅱ）進(jìn)行自養(yǎng)反硝化。

Thiobacillus denitrificans和Sulfurimonas denitrifi?cans是硫/硫鐵礦自養(yǎng)反硝化過程的最主要的脫氮硫桿菌屬。同時，兼性自養(yǎng)菌，如Paracoccus denitrificans、Thiobacillus delicatus、Thiobacillus thyasiris、Thiosphaera pantotropha、Pseudomnas、Bacillus、Ochrobactrum和Rhodococcus也具有反硝化能力〔12〕。

4 工程應(yīng)用

地下水的硝酸鹽污染具有長期性和持續(xù)性，因此地下水的修復(fù)異常困難，常規(guī)異養(yǎng)處理會造成二次污染，而添加硫鐵化物修復(fù)是一種可行的方法〔45〕。Shunlong JIN等〔45〕利用黃鐵礦混合木屑修復(fù)受硝酸鹽污染的地下水，HRT為12 h、進(jìn)水NO3--N為50 mg/L時，出水NO3--N<25 mg/L，增加木屑未對反硝化起到促進(jìn)作用。

硫/硫鐵化物也可用于污水的深度處理，如污水處理廠二級出水、雨水等。Wei WANG等〔46〕將硫與菱 鐵礦混合進(jìn)行中試，HRT為8、4 h時，NO3--N去除率分別為（86.8±15.8）%、（67.7±20.0）%；PO43--P去除率分別為（72.8±28.5）%、（60.8±32.1）%，且穩(wěn)定 運行401 d未 發(fā)生堵塞。Zhibin GE等〔47〕構(gòu)建 人工濕地探究黃鐵礦對氮、磷去除效果的影響，HRT為72 h、運行3 a，黃鐵礦對蘆葦生長無影響，且對TN和TP的 去 除 率 分 別 為（69.4±21.4）%、（87.7±14.2）%。E.SAHINKAYA等〔48〕構(gòu) 建 了40 m3/d的反硝化裝置，硝態(tài)氮體積負(fù)荷為0.15 kg/（m3·d）時能完全 脫 氮。Yin ZHOU等〔49〕采用硫復(fù)合填料生物濾池探究工程應(yīng)用中的反硝化性能，結(jié)果表明硫復(fù)合填料生物濾池的最大硝態(tài)氮體積負(fù)荷為0.75 kg/（m3·d），通過氣-水聯(lián)合反沖洗能夠去除老化生物膜，防止反應(yīng)器堵塞〔25〕。

上述中試及工程應(yīng)用結(jié)果表明，硫/硫鐵化物作為填料可有效修復(fù)地下水硝酸鹽污染，并進(jìn)行二級出水的深度脫氮除磷，工程應(yīng)用成本低、效益高。

5 總結(jié)與展望

相較于傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化，自養(yǎng)反硝化成本低、產(chǎn)泥量少，得到越來越多的關(guān)注。特別對于低碳氮比的二級出水，應(yīng)用前景更為廣闊。同時，鐵硫化物參與反應(yīng)產(chǎn)生的鐵離子可與磷酸根結(jié)合除磷，降低加藥除磷的成本。

硫可作電子供體自養(yǎng)反硝化去除硝酸鹽，但對磷沒有去除效果。在填料中增加碳酸鈣基質(zhì)能除磷，但需調(diào)節(jié)到堿性條件，增加成本。延長HRT，鐵硫化物能去除90%以上的氮磷，納米硫鐵礦可縮短HRT，但制作條件嚴(yán)苛，增加應(yīng)用成本。

將硫與鐵硫化物研磨混合造粒，能夠克服以上問題，但仍存在以下難點：

（1）兩者混合后如何提高鐵硫化物在反應(yīng)體系中的貢獻(xiàn)率，增加鐵離子溶出與磷反應(yīng)達(dá)到更高的除磷效果是需要關(guān)注的問題；同時，當(dāng)污水中硝酸鹽高于33.2 mg/L，產(chǎn)生的硫酸鹽會超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)（250 mg/L），造成出水硫酸鹽不達(dá)標(biāo)。

（2）反應(yīng)形成的磷酸鐵或氫氧化鐵膠體吸附的磷酸鹽會沉積在填料表面，阻礙填料與微生物接觸，降低反應(yīng)速率；運行過程中還會出現(xiàn)細(xì)胞老化脫落，造成反應(yīng)器堵塞。通過加大反沖洗力度可以除去沉淀和老化生物膜，但力度過大會造成填料表面和體系中的微生物減少，同時反沖洗方式和周期頻率也是需要考慮的問題。

（3）硫/硫鐵礦運行產(chǎn)泥量少于傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化，但自養(yǎng)反硝化啟動周期長，接種污水處理廠的污泥需馴化7～14 d才能啟動成功，需開發(fā)快速啟動反應(yīng)器的接種方法。

（4）在二級處理污水工程應(yīng)用中，長時間厭氧會發(fā)生硫酸鹽還原反應(yīng)，產(chǎn)生硫化氫氣體。應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用調(diào)整反應(yīng)器運行條件，進(jìn)一步完善運行處理設(shè)備，使硫/硫鐵礦自養(yǎng)反硝化有更廣闊的應(yīng)用空間。