硫酸鹽還原厭氧氨氧化機(jī)理及其微生物研究進(jìn)展

羅安騰，吳莉娜，和書航，余 珂

（1. 北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué) 城市雨水與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3. 北京大學(xué) 深圳研究生院 環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055）

石油、化工等行業(yè)排放的廢水中往往同時(shí)含有高濃度的氨氮和硫酸鹽，這類廢水如果不經(jīng)有效處理直接排放，其中的氨氮將會(huì)導(dǎo)致水中溶解氧含量降低、水體富營養(yǎng)化［1-2］，硫酸鹽則會(huì)腐蝕管道、污染大氣、酸化水體和破壞土壤結(jié)構(gòu)［3］，給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害［4-5］。目前，針對(duì)此類廢水的處理，常采用分段生化的方法，即先去除硫酸鹽再進(jìn)行脫氮處理，但這種處理方法存在工藝復(fù)雜、運(yùn)行不穩(wěn)定、占地面積大、成本高等缺陷。硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）工藝是近年來發(fā)展起來的一種新型廢水處理技術(shù)，它以硫酸鹽作為電子受體，將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓葘?shí)現(xiàn)了硫酸鹽和氨氮的同步去除，又不消耗外加有機(jī)碳源和能源，解決了厭氧氨氧化（Anammox）工藝中亞硝氮累積的問題，提高了工藝的可控性，降低了脫氮除硫的處理成本，具有廣闊的應(yīng)用前景［6-8］。

本研究分別從SRAO的反應(yīng)機(jī)理、功能微生物以及功能微生物與其他微生物之間的相互作用等方面進(jìn)行了綜述，分析了SRAO在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟，指出了SRAO目前所面臨的主要問題，展望了SRAO今后的發(fā)展方向，以期為SRAO工藝的改進(jìn)和工業(yè)應(yīng)用提供理論支持。

1 SRAO的反應(yīng)機(jī)理

2001年，F(xiàn)DZ-POLANCO等［9］采用顆?；钚蕴繀捬趿骰卜磻?yīng)器（AFB）處理糖蜜酒精廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入反應(yīng)器中50%的氨氮通過未知厭氧過程轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，同時(shí)反應(yīng)器中80%的硫酸鹽被去除，據(jù)此提出反應(yīng)器內(nèi)存在一種利用硫酸鹽作為電子受體將氨氮氧化為氮?dú)獾纳镞^程：首先，氨氮與硫酸鹽反應(yīng)生成S2-和亞硝氮；接著，S2-與部分亞硝氮發(fā)生硫自養(yǎng)反硝化作用，產(chǎn)生單質(zhì)硫（S）和氮?dú)?；最后，剩余的亞硝氮與氨氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)（見式（1）～（4））。

至此，SRAO反應(yīng)被首次發(fā)現(xiàn)。

2008年，LIU等［10］以硫酸鹽為底物，接種Anammox污泥，在無機(jī)碳源條件下啟動(dòng)無紡布旋轉(zhuǎn)生物接觸反應(yīng)器（Non-woven rotating biological contactor reactor，NRBCR）進(jìn)行SRAO實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在沒有有機(jī)物的情況下，NRBCR連續(xù)運(yùn)行80 d后產(chǎn)生了亞硝氮、S和氮?dú)猓瑩?jù)此認(rèn)為氨氮可能首先與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成亞硝氮和S，然后生成的亞硝氮與氨氮發(fā)生Anammox反應(yīng)（見式（5）～（7））。與FDZ-POLANCO等［9］提出的SRAO反應(yīng)相比，不同之處僅在于反應(yīng)過程中不產(chǎn)生S2-。

2009年，YANG等［11］在顆粒活性炭上流式厭氧污泥床（UASB）中接種硝化污泥，運(yùn)行120 d后，成功啟動(dòng)了SRAO反應(yīng)。由于氨和甲烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似，YANG等認(rèn)為SRAO反應(yīng)可能與硫酸鹽厭氧氧化甲烷的過程相似（見式（8）～（9）），據(jù)此推導(dǎo)出SRAO反應(yīng)中生成亞硝氮和S2-的可能半反應(yīng)方程式，即式（10）～（11）。

關(guān)于SRAO反應(yīng)機(jī)理的概念模型主要有3種（見圖1）。一種認(rèn)為：硫酸鹽被還原為S2-，氨氮被部分氧化為亞硝氮，之后S2-與亞硝氮反應(yīng)生成S和氮?dú)?，同時(shí)亞硝氮與剩余氨氮反應(yīng)生成氮?dú)猓唧w見圖1a；另一種認(rèn)為：硫酸鹽被還原為S，氨氮被部分氧化為亞硝氮，之后亞硝氮與剩余氨氮反應(yīng)生成氮?dú)猓唧w見圖1b；第三種觀點(diǎn)認(rèn)為：硫酸鹽作為電子受體直接將氨氮氧化為氮?dú)猓蛩猁}被還原為S，具體見圖1c。

圖1 SRAO的反應(yīng)機(jī)理

綜上，目前關(guān)于SRAO反應(yīng)的總方程式均相同，但其內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理卻存在爭(zhēng)議。一種爭(zhēng)議是關(guān)于反應(yīng)中間體的：有觀點(diǎn)認(rèn)為，硫酸鹽首先被還原成硫化物中間體，之后與氨氮氧化所產(chǎn)生的亞硝氮反應(yīng)生成S（圖1a）［9，12］；也有觀點(diǎn)認(rèn)為，在反應(yīng)過程中，硫酸鹽直接被還原為S（圖1b、1c）［10-13］。另一個(gè)爭(zhēng)議涉及反應(yīng)過程中氮?dú)獾纳蓹C(jī)制：有觀點(diǎn)認(rèn)為，在SRAO反應(yīng)中，氮?dú)馐峭ㄟ^底物氨氮與其氧化產(chǎn)生的亞硝氮發(fā)生反應(yīng)生成的（圖1a、1b）［9-10］；也有觀點(diǎn)認(rèn)為，氮?dú)馐橇蛩猁}作為電子受體直接將氨氮氧化生成的（圖1c）［13-14］。以上爭(zhēng)議可能會(huì)影響我們對(duì)SRAO反應(yīng)的理解和應(yīng)用，但不可否認(rèn)的是，SRAO反應(yīng)為同時(shí)脫氮除硫提供了技術(shù)上的可能性［15］，可以通過更加精細(xì)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法對(duì)SRAO的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究。

2 SRAO功能微生物及其在體系中的種間互作

2.1 SRAO功能微生物

在厭氧環(huán)境下，介導(dǎo)SRAO反應(yīng)的微生物群落為N、S循環(huán)建立了重要聯(lián)系，而且氨氮和硫酸鹽的去除效果也有賴于微生物的活性，因此，研究SRAO功能微生物的群落結(jié)構(gòu)和代謝途徑對(duì)SRAO工藝至關(guān)重要［16］。與Anammox功能微生物相比，SRAO功能微生物在反應(yīng)底物、產(chǎn)物、電子受體和能源產(chǎn)生機(jī)制等方面明顯不同。在反應(yīng)底物和產(chǎn)物方面，Anammox功能微生物直接對(duì)底物氨氮進(jìn)行氧化生成亞硝氮，而SRAO功能微生物則能夠利用硫酸鹽底物既進(jìn)行氨氮氧化，又同時(shí)進(jìn)行硫酸鹽還原，產(chǎn)生硫化物和亞硝酸鹽［17-18］。在電子受體方面，Anammox功能微生物將氨氮氧化為亞硝氮時(shí)傳遞電子，而SRAO功能微生物主要是將硫酸鹽還原為硫化物時(shí)傳遞電子。在能源產(chǎn)生機(jī)制方面，Anammox功能微生物主要通過氨氮氧化過程產(chǎn)生能量，而SRAO功能微生物主要通過硫酸鹽還原過程產(chǎn)生能量［19-20］。

LIU等［10］通過批量實(shí)驗(yàn)證明Anammox功能微生物具有很大的SRAO潛力，并通過變性梯度凝膠電泳分析發(fā)現(xiàn)了一種名為“Anammoxoglobus sulfate”的浮霉菌（planctomycetales）在氨氮氧化和硫酸鹽還原過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。蔡靖等［21］從長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧脫氮除硫反應(yīng)器污泥中分離獲得了一株SRAO功能菌，通過形態(tài)觀察、生理試驗(yàn)和16S rDNA序列比對(duì)，發(fā)現(xiàn)該菌株屬于食苯芽孢桿菌（Bacillus benzoevorans），該菌能夠利用多種碳源，基質(zhì)多樣性明顯。劉正川等［22］在UASB反應(yīng)器內(nèi)研究了由Anammox轉(zhuǎn)變?yōu)镾RAO的過程及其微生物群落的變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過177 d后，反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)菌群由Anammox功能菌屬“Candidatus brocadia”轉(zhuǎn)變?yōu)槭潮窖挎邨U菌，證明了SRAO的優(yōu)勢(shì)菌種與Anammox不同。RIKMANN等［23］分別在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）和UASB中建立了SRAO反應(yīng)，從MBBR中檢測(cè)到浮霉菌，而從UASB中檢測(cè)到疣微菌（Verrucomicrobia），表明除浮霉菌外，疣微菌也參與了SRAO反應(yīng)。MADANI等［24］采用厭氧馴化工藝，從工業(yè)廢水中分離出一株SRAO功能菌，經(jīng)16S rRNA測(cè)序鑒定，該菌株為蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus） FDAARGOS-798，經(jīng)過14 d的混合營養(yǎng)培養(yǎng)，該菌對(duì)氨氮和硫酸鹽的最大去除率分別為67%和80%。ZHANG等［25］通過構(gòu)建循環(huán)流厭氧生物反應(yīng)器（Circulating flow anaerobic bioreactor，CFAB）實(shí)現(xiàn)SRAO反應(yīng)，連續(xù)運(yùn)行187 d后，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)微生物群落變化明顯，且SRAO的轉(zhuǎn)化主要是由變形菌（Proteobacteria）引起的。

綜上，微生物在SRAO反應(yīng)中發(fā)揮了重要作用。隨著研究的不斷深入，越來越多的SRAO功能微生物群落被識(shí)別，但總體上講，關(guān)于功能微生物介導(dǎo)SRAO反應(yīng)代謝機(jī)理的研究還比較少，未來應(yīng)繼續(xù)結(jié)合基因組學(xué)、代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等手段，從代謝機(jī)理的角度出發(fā)，闡釋功能微生物在SRAO反應(yīng)中的作用。

2.2 微生物的種間互作

SRAO反應(yīng)的最終產(chǎn)物和中間產(chǎn)物的多樣性為其他微生物提供了理想的底物，有利于廢水處理相關(guān)的其他功能微生物，如Anammox功能微生物和自養(yǎng)反硝化功能微生物的生長(zhǎng)繁殖，故SRAO功能微生物與其他微生物的相互作用也是研究熱點(diǎn)之一。研究證實(shí)，SRAO功能微生物與其他微生物之間的相互作用模型主要有4種（見圖2）［16］。模型一是僅在SRAO功能微生物的作用下，氨氮和硫酸鹽發(fā)生氧化還原耦合反應(yīng)。如圖2a所示：SRAO功能微生物將氨氮氧化為亞硝氮、硝氮和氮?dú)?，同時(shí)將硫酸鹽還原為硫化物和S。RIOS-DEL TORO等［26］采用15N同位素示蹤分析了海洋沉積物，發(fā)現(xiàn)除存在反硝化、Anammox耦合亞硝酸鹽還原外，Anammox耦合硫酸鹽還原反應(yīng)同樣存在。硫酸鹽是海洋中最豐富的電子受體，在海洋沉積物中普遍存在，表明SRAO功能微生物可能在海洋環(huán)境中普遍存在。RIKMANN等［23］通過接種厭氧污泥，成功啟動(dòng)UASB實(shí)現(xiàn)脫氮除硫，發(fā)現(xiàn)在厭氧污泥中，同樣存在SRAO反應(yīng)。由此可見，無論是在自然環(huán)境中，還是在廢水處理實(shí)際中，SRAO反應(yīng)均普遍存在。

圖2 SRAO功能微生物與其他微生物的相互作用模型

模型二是在SRAO和Anammox功能微生物的共同作用下，氨氮和硫酸鹽發(fā)生氧化還原耦合反應(yīng)。如圖2b所示：首先，SRAO功能微生物利用硫酸鹽將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮、硝氮和氮?dú)猓蝗缓?，產(chǎn)生的亞硝氮在Anammox功能微生物的作用下與氨氮發(fā)生Anammox反應(yīng)。WU等［27］采用UASB-A/O反應(yīng)器-Anammox反應(yīng)器-序批式反應(yīng)器（SBR）耦合工藝對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行處理，結(jié)果表明：SRAO和Anammox能夠協(xié)同去除垃圾滲濾液中的氨氮，其中SRAO對(duì)氨氮的去除率為44.20%，Anammox對(duì)氨氮的去除率為35.46%；SO42-的去除率為52.8%；反應(yīng)體系中含有多種SRAO功能微生物，其相對(duì)豐度是Anammox功能微生物的10～20倍。QIN等［28］在UASB中接種Anammox污泥成功啟動(dòng)了SRAO反應(yīng)，在371 d的運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)氨氮去除途徑由初始的Anammox主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镾RAO主導(dǎo)，此外，在污泥中同時(shí)檢測(cè)到SRAO功能微生物和Anammox功能微生物的存在，表明SRAO功能微生物和Anammox功能微生物共存于反應(yīng)體系中并協(xié)同去除硫酸鹽和氨氮。

模型三是在SRAO功能微生物和自養(yǎng)反硝化功能微生物的共同作用下，氨氮和硫酸鹽發(fā)生氧化還原耦合反應(yīng)。如圖2c所示：首先，在SRAO功能微生物作用下，硫酸鹽和氨氮發(fā)生反應(yīng)，硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物和S，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮和硝氮；然后，在自養(yǎng)反硝化功能微生物的作用下，硝氮被還原為亞硝氮和氮?dú)?，部分亞硝氮被還原為氮?dú)?，硫化物和S被氧化為硫酸鹽繼續(xù)參與體系內(nèi)部的N、S循環(huán)。RIKMANN等［13］在MBBR中成功啟動(dòng)了SRAO反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)由于反應(yīng)體系中存在硫自養(yǎng)反硝化功能微生物，因此S或硫化物可以很容易地被氧化成硫酸鹽，導(dǎo)致部分硫酸鹽被恢復(fù)，并改變了出水氨氮和硫酸鹽的最終平衡，表明自養(yǎng)反硝化功能微生物參與了體系內(nèi)的N、S轉(zhuǎn)化。WANG等［29］在膨脹顆粒污泥床（EGSB）中成功啟動(dòng)了SRAO反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)體系中除SRAO功能微生物外，自養(yǎng)反硝化功能微生物如假單胞菌（Pseudomonas）和產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes）也參與了脫氮除硫反應(yīng)，可見SRAO功能微生物和自養(yǎng)反硝化功能微生物可以共存并協(xié)同去除硫酸鹽和氨氮。

模型四是在SRAO、Anammox和自養(yǎng)反硝化功能微生物的共同作用下，厭氧復(fù)合系統(tǒng)中的氨氮和硫酸鹽發(fā)生氧化還原耦合反應(yīng)。如圖2d所示：首先，在SRAO功能微生物的作用下，硫酸鹽和氨氮發(fā)生反應(yīng)，硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物和S，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮和硝氮；其次，在Anammox功能微生物作用下，產(chǎn)生的亞硝氮和氨氮發(fā)生Anammox反應(yīng)生成硝氮和氮?dú)?；最后，在自養(yǎng)反硝化功能微生物作用下，硝氮被還原為亞硝氮和氮?dú)猓糠謥喯醯贿€原為氮?dú)?，硫化物和S被氧化為硫酸鹽，繼續(xù)參與反應(yīng)，從而達(dá)到體系內(nèi)N、S轉(zhuǎn)化的平衡。ZHANG等［30］采用CFAB通過SRAO反應(yīng)同時(shí)去除氨氮和硫酸鹽，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)存在SRAO、Anammox和反硝化功能微生物，由于反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)存在硝氮和亞硝氮，導(dǎo)致發(fā)生了自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，表明除SRAO功能微生物外，Anammox功能微生物和自養(yǎng)反硝化功能微生物也參與了體系內(nèi)的N、S轉(zhuǎn)化。PRACHAKITTIKUL等［31］采用SBR，通過接種廢水好氧硝化池中的活性污泥，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行成功啟動(dòng)了SRAO反應(yīng)，通過16S rRNA 分析，檢測(cè)到SRAO、Anammox和自養(yǎng)反硝化功能微生物，再次表明SRAO、Anammox和自養(yǎng)反硝化功能微生物可以共存并協(xié)同去除硫酸鹽和氨氮。

綜上，與傳統(tǒng)的Anammox工藝相比，目前對(duì)于SRAO工藝的微生物群落特征、代謝途徑以及功能微生物的了解都十分有限，還需要在微生物層面進(jìn)一步提高對(duì)SRAO功能菌群的認(rèn)識(shí)。在SRAO功能微生物與其他微生物的相互作用方面，目前已經(jīng)開展了生物組學(xué)研究。今后還應(yīng)結(jié)合宏基因組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)重建和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)等生物信息分析方法，進(jìn)一步解析SRAO功能微生物的代謝活動(dòng)及其與其他微生物之間的潛在相互作用，不斷完善SRAO反應(yīng)體系中N、S的代謝機(jī)制。

3 結(jié)語

SRAO工藝作為一種綠色節(jié)能的新型生物脫氮除硫工藝，近年來受到廣泛關(guān)注。與Anammox工藝相比，SRAO工藝可以同步實(shí)現(xiàn)廢水的脫氮除硫，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。介導(dǎo)SRAO反應(yīng)的微生物群落在N、S循環(huán)之間建立了重要聯(lián)系，其反應(yīng)產(chǎn)物的多樣性促進(jìn)了SRAO功能微生物與Anammox功能微生物和自養(yǎng)反硝化功能微生物之間的相互作用，詳細(xì)研究這些功能微生物間的相互作用有利于進(jìn)一步了解反應(yīng)體系中N、S循環(huán)之間的聯(lián)系，從而提升SRAO工藝的脫氮除硫效率。目前SRAO工藝中仍存在以下問題：

a）SRAO反應(yīng)機(jī)理尚不明確，還需要深入探討，為其工程應(yīng)用提供理論支持。

b）目前，對(duì)SRAO體系中微生物的群落結(jié)構(gòu)、功能微生物和微生物代謝途徑以及微生物在廢水處理中的效能等了解還十分有限，需要深入研究。

針對(duì)上述SRAO工藝存在的問題，未來可以運(yùn)用生物信息學(xué)（如16S rRNA分析、宏基因組學(xué)分析）和分子生物學(xué)等方法對(duì)SRAO功能微生物的純培養(yǎng)、群落互作和群體感應(yīng)（信號(hào)機(jī)制）等進(jìn)行研究，深入探究SRAO體系中功能微生物之間的相互作用、不同環(huán)境因素影響下的菌落特征和功能菌的動(dòng)態(tài)特性等；通過微分干涉對(duì)比顯微鏡和拉曼光譜等方法揭示SRAO體系內(nèi)的N、S循環(huán)途徑，解析SRAO體系的內(nèi)部機(jī)制，為SRAO工藝的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。