基于不同电子供体反硝化脱氮技术研究进展

韩霏 包心雨 曹本川 焦焓齐 张伟*，2

（1. 长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；2. 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）

1 引言

随着工农业快速发展，生活和工业污废水排放以及农业生产，造成水体硝酸盐污染，威胁水生态安全［1］，硝酸盐进入人体可诱发高铁血蛋白症和胃癌等［2］。相比物化处理工艺，生物反硝化脱氮技术因具有高效、低耗、低污染的特点而被广泛采用。传统生物反硝化脱氮效果较好，但往往需要投加甲醇等有机碳源作为电子供体，造成电子残留和产泥较多等问题，增加后续处理的成本［3］。

近年来，以氢气、还原性的硫和铁、甲烷、铵盐等作为电子供体的自养反硝化、甲烷氧化耦合反硝化和厌氧氨氧化等新型生物脱氮技术备受关注［4-6］。例如，自养反硝化在厌氧或缺氧条件下，可利用重碳酸盐、碳酸盐和二氧化碳等无机碳源，以氢气、硫等作为硝酸盐还原的电子供体，从而实现反硝化脱氮。该技术还可以亚硫酸盐、亚砷酸盐、锰等无机污染物作为电子供体，实现同步去除多种污染物［7］。其无需投加固/液态有机碳源，二次污染风险低，能有效处理低碳氮比含硝酸盐废水。基于此，本文主要综述了基于铁、硫、氢气和甲烷为电子供体的新型生物脱氮技术的研究进展，并探讨了其工艺今后的发展方向。

2 新型生物脱氮技术

2.1 氢自养反硝化

2.1.1 氢自养反硝化原理

20 世纪70 年代末期开始出现氢自养反硝化技术的研发，至80 年代已有中试研究。氢自养反硝化是指一些细菌以氢气作为电子供体，以或作为微生物生长及代谢的碳源，将和还原为N2的过程，其反应过程如下［3］：

由反应方程式可以看出，氢自养反硝化的产物是无污染的水，氢气本身无毒，并且反应剩余的氢气易从处理的水中去除，具有清洁、无二次污染的优点［8-9］。

2.1.2 氢自养反硝化的应用和影响因素

根据供氢方式，常见的氢自养反硝化反应器有直接曝气生物膜反应器、膜曝气—生物膜反应器和电极—生物膜反应器等。氢气的利用效率是限制氢自养反硝化过程的主要因素，直接曝气式是将氢气以一定的压力注入密闭的反应器内，供微生物利用，此方法的氢气利用率低，剩余的氢气有发生爆炸的危险。而膜曝气式主要利用微孔膜作为生物膜载体，氢气在其中扩散并被微生物利用，此方法增加了氢气的利用效率，出水中氢气的残留少，氢气爆炸的风险降低［10］。电极—生物膜反应器是通过水电解产氢供给生物膜上的反硝化菌作电子供体，从而进行生物反硝化。此方法产氢数量的多少取决于电流的大小，所以电流是影响电极生物膜反应器脱氮效率的关键性因素［8］。

当前国内外对氢自养反硝化的研究主要集中在反应器的革新。陈丹等［1］构建了生物陶粒反应器，将氢气曝气扩散器置于附有生物膜的陶粒下方，间歇补充氢气。实验先对污泥进行驯化，其间通入足够的氢气，从而培养氢自养反硝化菌，采用连续流模式，考察了水力停留时间（HRT）、负荷、pH、温度等环境因素对反硝化过程的影响。研究表明，保持氢分压、30 mg/L，pH＝7 和25 ℃条件恒定，当HRT 为24 h 时，可基本去除水中的，在HRT 5～16 h 时，其去除率随HRT 的增加而升高；当N 浓度高于110 mg/L 时，反硝化受到抑制；反应器最适pH 为中性偏碱性环境；最适温度为25～30 ℃；氢气的供应是限制氢自养反硝化过程的主要因素。Zhang 等［11］构建了中空纤维膜—生物膜反应器，基于氢自养反硝化考察高硫酸盐浓度对水中去除影响。实验反应器由1 个容纳2 个膜组件的透明塑料桶构成，进水流体从上侧流向下部出口，氢气从上方被压入反应器内，并从膜的内腔转移，被膜上的微生物利用完成反硝化。实验结果表明，当进水浓度为300 mg/L 和浓度为50 mg/L 时，总氮去除率可达98.8%，反硝化速率为134.6 g N/（m3·d）。电极生物膜法研究多从电极材料、工艺布置和电流强度等方面进行。曲久辉等［8］以活性炭纤维和石墨分别作阴极与阳极，构建了电极—生物膜反应器，在外加电流强度9 mA 和浓度为28.4 mg/L 时，取得了良好的去除效果。Tang 等［12］将颗粒活性炭置于圆筒式电极反应器中，构建了上流式三维电极生物膜反应器，实验结果表明，在外加电流240 mA、HRT 为18 h 和浓度为150 mg/L时，可同步去除低有机碳水中的硝酸盐和硫酸盐，去除率分别为88.49±4.5%和29.35±5.5%。

2.2 铁自养反硝化

2.2.1 铁自养反硝化原理

铁自养反硝化工艺需要的微生物为硝酸盐还原菌，从20 世纪90 年代中期以来，人们就在湖泊底泥、活性污泥、池塘等不同环境中发现许多铁基质反硝化细菌［13］。铁自养反硝化细菌能够以，等为碳源，以Fe0或Fe2＋作为电子供体，还原从而进行脱氮。其反应过程如下［14］：

尽管Fe2＋更易被微生物直接利用，但其也容易被氧化为Fe3＋，生成沉淀，导致利用率降低；铁自养反硝化中的Fe0和Fe2＋材料消耗（Fe/N），理论上Fe0相比于Fe2＋用量更少，而Fe0会与Fe3＋生成Fe2＋，这样可提高Fe 的利用率［15］。

2.2.2 铁自养反硝化的应用和影响因素

根据铁源不同，铁自养反硝化主要有Fe2＋自养反硝化和Fe0自养反硝化两种类型。王弘宇等［16］通过对湖泊底泥中分离筛选的铁自养反硝化细菌，考察其生物特性和脱氮途径，研究表明，在浓度为40 mg/L、Fe2＋浓度为500 mg/L 和pH 为6.8～7.0时，其去除率可达87.0%，并且大部分转化为N2。周可等［17］在升流式反应器中构建了Fe2＋自养反硝化体系，通过逐级升高Fe2＋浓度驯化活性污泥（0，280，560，840 mg/L），其去除率和速率分别可达87.0±1.8%与120 g N/（m3·d），远高于未经驯化的活性污泥，并且无亚硝态氮的积累。张宁博等［18］通过接种生活污水厂活性污泥，在升流式厌氧反应器中启动了Fe0自养反硝化过程，还原铁粉投加量为10 g/10 d（铁粉粒度200 目），通过池上部水有效解决了污泥矿化问题反应速率可达34.4 g N/（m3·d），并且无和的积累。其另一项研究还表明，Fe0自养反硝化过程尽管消耗酸，但不会不断升高而是稳定在7.5～7.8 之间［19］。胡智丰等［20］针对污水处理厂出水，构建了铁基质生物膜反应器进行自养反硝化深度脱氮研究，铁基质生物载体由Fe 单质、活性炭等构成，研究结果表明，当进水TN 约为15 和20 mg/L（由氨氮和硝酸盐组成），HRT 为8 h 时，其TN 去除负荷分别可达480，580 g TN/（m3·d）。通过复合电子供体来驱动微生物进行自养反硝化是当前研究热点之一。

袁帅等［21］构建了纳米Fe0-氢自养反硝化耦合体系，将纳米Fe0与氢气驯化后的活性污泥混合并处理水样，当浓度为65 mg/L，纳米Fe0的引入显著提高了系统的活性，反硝化速率由81.4 gN/（m3·d）提高到343.0 gN/（m3·d）。在充足氢气供应条件下，耦合体系的的反应速率远高于单一的化学还原和单一自养反硝化体系，最高可达到397.2 gN/（m3·d）。Wen 等［22］研究了Fe2+对硫自养反硝化系统的脱氮性能的影响，研究发现添加少量Fe2+能有效促进系统的生物脱氮能力。Zhu 等［23］利用碳酸铁与硫驱动自养反硝化系统耦合，结果发现耦合系统的反硝化速率高达720 g N/（m3·d），远高于其他对照组。

2.3 硫自养反硝化

2.3.1 硫自养反硝化原理

硫自养反硝化工艺研究始于20 世纪70 年代，是指某些无机化能营养型、光能营养型的硫氧化细菌，如Thiobacilla denitrificans 和Thiomicrospira denitrificans，在缺氧或者厌氧的环境下，利用还原性的硫（S2-，S0等）作为电子供体，将或还原成N2的工艺技术［24］。单质硫是目前应用最广泛的硫自养反硝化的电子供体，其反应过程如下［25］：

单质硫为可作为填料，无需其他投加过程，但其存在水中硫酸盐浓度持续提高、pH 逐渐降低的现象，适用于硫酸盐浓度较低的地下水中硝酸盐的去除。相比单质硫反硝化过程，硫化物的反硝化速率更快，硫酸盐的产生减少，并且可以减少二次污染的风险，同时可以减少硫单质的投加，从而节省资源；但硫化物通常具有明显的臭味和腐蚀性，是管道破裂和河道黑臭的原因之一，同时在反应过程中产生的亚硝酸盐的积累也不可忽视［26］。相比而言，硫代硫酸钠溶解性高、传质好，对系统pH 影响不大，但需增加加药设备等。

2.3.2 硫自养反硝化的应用和影响因素

硫自养反硝化根据硫供体类型不同，主要有单质硫、硫化物和硫代硫酸盐为电子供体的自养反硝化体系。马航等［27］采用硫自养反硝化生物膜反应器耦合厌氧污泥反应器，考察单质硫尺寸及反应器类型对硫自养反硝化反应器启动的影响，研究发现在进水浓度为80～90 mg/L，HRT 为3 h 的条件下，0.8 mm 单质硫颗粒（相比3 mm）可获得更高的脱氮效率。Cardoso 等［28］在以硫化物为电子供体的自养反硝化体系中，研究发现当浓度过高时，硫化物被转化为硫酸盐。而当基质过低时，部分硫化物将被转化为硫单质。而硫化物的浓度过高，将会与单质硫发生链式反应［29］。许健等［30］在研究碳源对硫化物自养反硝化的影响时发现，当碳源条件不同，硫化物自养反硝化脱氮效率和产物均不同。当有机物浓度低时，可提高脱氮除磷的效率；但当浓度过高时，则会引起的积累，抑制反硝化反应，降低反应速率。Cui 等［31］构建了流化床生物膜反应器，以硫代硫酸钠作为电子供体对模拟的含盐生活污水中的硝酸盐进行去除，研究结果表明，系统脱氮效率可达370 g N/（m3·d）。Fan 等［32］通过实验发现，硫代硫酸盐在硫的自养反硝化过程中会转化为S0，S2-和酸可挥发性硫化物（AVS）等硫化物，最后的产物均为硫酸盐，且其作为硫源的利用顺序为S2-＞＞AVS≈S0。

将硫自养反硝化技术与异养反硝化、厌氧氨氧化和生物膜电极反应器等工艺联用，可实现酸碱互补、降低异养反硝化过程中污泥的产量、降低自养反硝化过程中的产生等，是当前研究热点之一。缪博等［33］通过改变硫源，并结合异养反硝化，考察了低温对硫自养反硝化脱氮系统的影响。研究表明，低温条件下反硝化脱氮作用受到明显抑制，相比单质硫，投加硫代硫酸盐或乙酸盐，反硝化脱氮系统反应速率分别提升了2.81 和8.49 倍。Liu 等［34］在硫代硫酸盐自养反硝化耦合厌氧氨氧化系统中添加有机碳源，其系统的除氮率可达92.8%，负载能力十分优异。厌氧氨氧化是该系统的主要反应。投加有机碳源提高了硫代硫酸盐微生物的利用率，使硝酸盐的消耗增加。Wang 等［35］通过间歇式的方法，采用硫单质—菱铁矿反硝化体系验证了菱铁矿作为pH 的缓冲剂和有机碳源的可能性，并确定了硫单质与菱铁矿的最佳体积比，在运行中将浓度控制在4 mg/L。Li 等［36］通过间歇式、中试等实验方法研究，用磁黄铁矿与硫单质颗粒混合，在1 年的时间内可以将出水中的浓度控制在较低的范围内。可以发现，与其他类型的电子供体相比，其产生的硫酸盐更少，但仍高于国家规定的限值。

2.4 甲烷氧化耦合反硝化

2.4.1 甲烷氧化耦合反硝化原理

甲烷是最简单的有机物，也是一种重要的温室气体，对全球气候变暖有着很大的影响，其引起的温室效应是CO2的20 倍［37］。甲烷氧化耦合反硝化反应是指在厌氧或有氧条件下，硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，甲烷作为电子供体的反硝化过程［38］。20 世纪70 年代，人们在厌氧环境中发现硫酸盐还原型厌氧甲烷氧化过程。2006 年，Raghoebarsing 等［39］首次在实验中实现了在厌氧条件下完成甲烷氧化耦合硝酸盐还原，并将此反应过程称为反硝化型甲烷厌氧氧化（DAMO），其反应方程式如下：

目前关于反硝化型厌氧甲烷氧机理的研究尚在起步阶段。Ettwig 等［40］提出内部好氧的M. oxyfera 细菌亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化以及Haroon 等［41］提出M. nitroreducens 古菌通过逆向产甲烷途径耦合硝酸盐还原与甲烷的厌氧氧化等。甲烷是污水处理厂厌氧反应的最终产物，具有易获取、无毒害且无需纯化便即可投入使用的优点。

2.4.2 甲烷氧化耦合反硝化的应用和影响因素

甲烷不易溶于水，故人们最初认为甲烷是影响DAMO 过程的主要因素。张衡等［43］采用甲烷驯化后的活性污泥构建了序批式反应器，研究结果表明，在甲烷充足供应条件下，体系具备良好的反硝化速率，而对照组几乎没有反硝化脱氮效果。Hu 等［44］分别以作为基质进行DAMO 微生物富集，发现当以为基质时基物中只有M.oxyfera 细菌，以为基质时基物中有M.nitroreducens 细菌和M.oxyfera 细菌，同时基质的浓度也对DAMO 的富集有影响。当初始浓度过低时，会抑制微生物的生长，过高则会对微生物产生毒性抑制。Kampman等［45］对DAMO 技术在污水厂脱氮处理中的应用展开研究，采用两组SBR 来富集DAMO 功能微生物，其中一组添加了10%的污水厂原水。结果显示，添加污水厂原水的实验组DAMO 微生物的活性比没有添加的另一组高，可以推测污水中含有可以促进DAMO 微生物活性的某种物质。另外，以活性污泥为接种源，在自然的条件下成功富集了DAMO 微生物，证实DAMO 微生物可在常温下富集，常温下污水厂进行处理有一定可行性。此外，甲烷作为电子供体，不仅能够实现反硝化除，近期研究还对其应用于如六价铬、高氯酸盐、溴酸盐、硒酸盐等污染物的去除。Lai 等［46］在构建的微生物反应器中考察了甲烷作为电子供体，同步去除硒酸盐及硝酸盐。研究发现，在甲烷不足的条件下，硝酸盐对于硒酸盐的去除略有抑制，但是两种含氧阴离子能同时被去除；研究还进一步揭示了硒酸盐一部分是被诸如Methylomonas 嗜甲烷菌属直接耦合甲烷氧化成二氧化碳生成零价硒，另一部分硒酸盐则是被微生物在利用甲烷氧化生成的有机中间代谢产物条件下还原。

3 结论与展望

本文主要阐述了基于氢气、还原性的铁和硫以及甲烷作为电子供体的新型反硝化脱氮技术，其较传统工艺而言有一定优势，具有巨大的潜力。但当前对上述工艺技术的研究仍存在局限，如氢气和甲烷易燃易爆炸与较低的水溶解性的问题；Fe 性质活泼难以保持长期活性、减弱或者避免Fe 氧化、钝化导致的负面影响等问题；单质硫利用效率较低、硫化物自身毒害特性以及硫自养反硝化过程生成硫酸盐副产物等问题；当前大部分研究多为实验室规模等。结合上述分析，为进一步推进上述工艺技术的中试或大规模工程应用，可从以下方面着手：（1）强化功能微生物的富集。功能微生物是限制反硝化脱氮的主要因子，如DAMO 微生物富集缓慢，温度、pH、盐分、溶解氧等环境因素的直接/间接影响需要更深入的研究。（2）强化工艺的效率和稳定性。在水处理过程中选择合适的填料，可达到多重效果，如维持功能微生物生长的适宜环境、提高处理效率、减少产泥等［47］；水环境的物化特征直接/间接影响工艺的运行，如通过光照、电磁场等物理场，提高体系的反硝化速率和稳定性等［48］。（3）与其他工艺联用。基于不同电子供体的反硝化技术之间的技术联用或与其他物化工艺联用，以实现互补与协同作用。如通过复合电子供体维持体系pH 的稳定，减少污染物和副产物的产生等，提高技术的实际应用性，进而开展中试或实际工程的应用。