精制碳源生產廠家無機硫源自養反硝化電子供體選擇及研究現狀

　　精制碳源廠家無機硫源自養反硝化電子供體選擇及研究現狀。硝酸鹽(NO3-)是常見的水體污染物之一，主要來源于人類農業活動與工業含氮化學制品。人體攝入過多的NO3-會引發胃癌、非霍奇金淋巴瘤以及心臟類疾病，為保護人類健康，許多國家及地區規定飲用水中的NO3-不得超過10 mg/L。

　　生物反硝化是一種在低碳高氮水體中去除NO3-的方法，相較于離子交換、反滲透等物理化學過程，其成本效益更高、環境效益更好。根據外加有機碳源及非有機碳源的多少，生物反硝化可分為異養反硝化、自養反硝化和混養反硝化。

　　反硝化生化反應過程通常伴隨著電子傳遞，目前已建成的污水脫氮工程案例中多采用甲醇作為異養反硝化電子供體，乙醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖等有機碳源亦可作為電子供體還原NO3-。

　　但甲醇價格昂貴、易燃易爆、貯存條件嚴苛，乙醇、乙酸、乙酸鈉市場價格均高于甲醇，且乙醇本身同樣屬于易燃化學品，葡萄糖作為電子供體會造成系統內亞硝酸鹽(NO2-)大量累積，嚴重影響反硝化工藝正常運行。

　　還原性無機硫是一種自養反硝化電子供體，因其價格低廉、脫氮效率高、工藝過程中無需曝氣且生物產量低、環境效益與經濟效益兼顧，在水體脫氮脫毒領域受到越來越多的關注。

　　為此，筆者對化學合成單質硫(Schem0)、生物單質硫(Sbio0)、硫化物(S2-)、硫代硫酸鹽(S2O32-)、硫氰酸鹽(SCN-)、黃鐵礦(FeS2)、亞硫酸鹽(SO32-)7種不同的無機硫源電子供體進行了介紹，總結了不同電子供體的優缺點以及相應的反硝化原理和工藝特點，并提出了不同條件下硫自養反硝化實驗研究電子供體的選擇方案。

　　01

　　化學合成單質硫(Schem0)

　　Schem0具有脫氮高效、價格低廉、獲取渠道廣泛的特點，是目前硫自養反硝化中應用最多的電子供體。Schem0既可充當反硝化細菌能量來源，又可憑其在水體中的難溶性，作為反硝化細菌附著載體材料。其生物反硝化機理因無機碳源選擇的不同而存在差別。當無機碳源分別為CO32-和HCO3-時，反應機理分別如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

　　以Schem0作電子供體的生物反硝化通常采用流化床或填充床反應器，其中用Schem0顆粒和石灰石(CaCO3)作為填料的硫-石灰石自養反硝化工藝(sulfur-limestone autotrophic denitrification，SLAD)最為人們熟知。

　　由于Schem0自養反硝化過程存在堿度消耗，會導致系統內pH大幅降低，因此在SLAD工藝中，CaCO3不僅是反硝化細菌的無機碳源，也是抵消pH降低的外部緩沖物質。

　　對于SLAD工藝中硫/石灰石最優體積比，至今仍有不同的觀點。T. C. Zhang等研究發現，硝酸鹽轉化率最高時的硫/石灰石體積比為3∶1，而H. S. Moon等的研究結果表明，最優硫/石灰石體積比為1∶1。

　　筆者認為，實驗條件與規模，以及所使用石灰石孔隙率等的不同，是造成研究結果不一致的主要原因。

　　因此，在進行以還原性無機硫源為電子供體的自養反硝化研究之前，通過小規模的預實驗獲取最優實驗條件，對于達到理想的脫氮效率有著重要意義。但需要注意，過量的CaCO3會增加水體的硬度、堵塞反應裝置以及限制細菌生長。對于這個問題，F. D. Capua等通過研究發現，Ca(HCO3)2可以作為CaCO3的一種可溶性替代品。

　　Schem0自養反硝化脫氮效率不僅取決于反應器形式，同時還受系統內反硝化細菌、Schem0顆粒粒徑、溶解氧濃度、pH與堿度、溫度等多種因素影響。自養反硝化細菌分布在α-、β-、γ-、ε-變形菌綱中，其對所在水體的物理化學特性非常敏感，因此反應器內理化條件的設置必須以系統內反硝化細菌的最佳生長條件作為參考。

　　Thiomicrospira CVO和Sulfurimonas paralvinellae等微生物曾被發現存在于Schem0自養反硝化系統中。粒徑較小、比表面積較大的Schem0顆粒在加速Schem0由固相向液相轉移的同時，也可為自養反硝化微生物提供更多可附著的表面，促進生物膜的形成。

　　一般來講，由于溶解氧會抑制反硝化酶的合成，自養反硝化必須在厭氧條件下進行，同時避免反應器內溫度和pH過高或過低。通常情況下，自養反硝化反應器內溫度應維持在30 ℃左右，H. Furumai等認為SLAD工藝過程中的pH應始終保持高于7.4。

　　目前，Schem0自養反硝化工藝存在的主要問題是SO42-二次污染和反應器床層堵塞。造成反應器床層堵塞的原因，可能是膠體單質硫沉淀和Schem0顆粒表面形成了CaSO4。有研究表明，投加適量的有機碳源進行混養反硝化是限制堿度消耗和減少SO42-產生的有效手段，而進行預脫氣或系統內污水再循環可以有效減輕床層堵塞。

　　02

　　生物單質硫(Sbio0)

　　Sbio0通常在高硫化物負載反硝化以及天然氣、工業廢水廢氣去除生物H2S的過程中作為無毒廢棄物產生，其核心由正交S0環構成，并且正交S0環被一層具有親水特性的長鏈聚合物覆蓋。Sbio0的這種特殊結構使得其與Schem0相比，具有更大的比表面積、更高的微生物利用度、更好的親水性及膠體穩定性。

　　F. D. Capua等的研究表明，Sbio0的脫氮效率是Schem0的1.7倍，其反硝化原理與Schem0相似。

　　膜生物反應器通常被應用于以Sbio0為電子供體的自養反硝化。以Schem0作填料的填充床反應器在運行過程中往往存在高NO3-濃度條件下反硝化效率低、需要定期反沖洗以及低NO3-負載下Schem0歧化作用產生大量硫化物、反應器床層堵塞等問題。

　　而膜生物反應器與之相比，出水水質更好、水足跡更少，具有極佳的魯棒性，在酸性、低溫、高重金屬濃度、高沖擊荷載等脅迫條件下依然能夠有效運行，并且配置超濾膜可使更細小的單質硫顆粒應用于膜生物反應器，其相對較低的硫投加量可大大減少硫化物的產生。

　　D. Ucar等采用平板聚醚砜膜生物反應器進行反硝化研究時發現，Sbio0相比Schem0會更快地去除NO3-，但同時也會產生更多SO42-;Sbio0由于具有親水特性會形成膠狀分散體，因而更適合懸浮生長生物反應器。

　　此外，Sbio0與Schem0形成的菌落結構相似，Pleomorphomonas與Thermomonas 2種菌屬的細菌均占主體地位。

　　雖然以Sbio0作為自養反硝化電子供體高效環保，但近年來人們發現使用Sbio0進行反硝化可能會導致系統內NO2-富集，進而限制了Sbio0在高NO3-濃度廢水處理中的應用;并且更多研究表明，可溶性更高的S2-和S2O32-可能擁有更好的反硝化率。

　　03

　　硫化物(S2-)

　　硫化物一般以S2-、HS- 2種非揮發性離子或H2S的形式存在于水體中，其極易被硫酸鹽還原菌通過還原SO42-得到。

　　以S2-為電子供體的自養反硝化可分別以NO3-和NO2-作為電子受體，將S2-完全氧化為SO42-或部分氧化為S0, 并且S0常作為S2-向SO42-氧化過程中的過渡產物出現，其反硝化原理如式(3)~(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

　　以S2-為電子供體進行的自養反硝化可采用上流式厭氧污泥床反應器或填充床反應器。若采用填充床反應器，可用HCO3-作無機碳源，其反硝化過程如式(7)所示。

(7)

　　與S0不同，S2-自養反硝化過程會增加水體堿度，Thioalkalivibrio denitrificans和Thiohalomonas denitrificans等反硝化細菌可存在于S2-反硝化系統中以處理弱酸性廢水，并且在填充床反應器內，S2-反硝化效率高于S0的同時也會產生更少的SO42-。

　　但需要注意，S2-自養反硝化會出現和Schem0、Sbio0同樣的NO2-累積，抑制整個反硝化過程。低NO3-濃度則會使S2-反硝化系統內形成Sbio0膠體沉淀，增加反應器清潔頻率和維護成本。但Sbio0膠體沉淀本身可回收，可后續用于農業與工業生產活動。

　　另外，Aijie Wang等首次提出并實現了S2-、NO3-同一系統內的同步去除，其原理如式(4)所示，并確定S/N和S2-濃度為關鍵影響因素。該課題組后來又提出效率更高的自養反硝化耦合沼氣同步脫氮脫硫工藝，采用升流式厭氧污泥床反應器探究了碳源對同步脫氮脫硫工藝去除效果的影響，利用宏基因組學高通量測序技術證明了同步脫氮脫硫工藝中微生物群落結構與工藝運行效果的相關性，并針對Sbio0膠體特性，提出了利用聚合氯化鋁混凝沉淀進行水相中Sbio0高效分離回收的新方法。

　　04

　　硫代硫酸鹽(S2O32-)

　　S2O32-因其極高的溶解度和生物利用度被認為是所有無機硫源中最為有效的電子供體，并且可以應用于高濃度NO3-廢水的脫氮處理。

　　F. D. Capua等研究發現，在pH低至4.75、溫度低至3 ℃的極端環境下，以S2O32-為電子供體的自養反硝化依然可以保持較高的反硝化率。當以HCO3-作為無機碳源時，S2O32-在生物膜反應器中的反硝化過程如式(8)所示。

(8)

　　S2O32-自養反硝化為堿度消耗過程，并且F. D. Capua等發現，在流化床反應器中占主導地位的Thiobacillus denitrificans生物膜有著極高的耐受性。

　　Thiobacillus denitrificans在廢水脫氮研究領域有著重要意義，其可利用Schem0、Sbio0、S2-、S2O32-、FeS2等多種電子供體進行反硝化。Wen Hao等正是利用Thiobacillus denitrificans，通過X光吸收邊緣結構光譜，發現DL-半胱氨酸與L-胱氨酸2種媒介物質為Sbio0自養反硝化過程的電子提供者。

　　S2O32-作為電子供體具有最為出色的反硝化效率，即使在600 mg/(L·h)硝酸鹽負載率與10 min水力停留時間條件下也能完全去除NO3-，但同時S2O32-也會產生比Schem0、Sbio0和S2-更多的SO42-。

　　雖然目前尚未有資料證實SO42-會對人體健康產生直接危害，但是SO42-可以顯著改變飲用水的感官特性，許多歐美國家將飲用水中SO42-的水質標準設定為250 mg/L，這導致了S2O32-被限制使用。

　　05

　　硫氰酸鹽(SCN-)

　　SCN-是潛在的有毒化合物，即使低濃度的SCN-也可能對反硝化微生物產生毒性作用，因此很少被應用于自養反硝化。

　　D. Y. Sorokin等發現，除Thiobacillus denitrificans之外，少數Thialkalivibrio和Thiohalomonas菌屬的嗜鹽嗜堿細菌也可利用SCN-作為電子供體進行自養反硝化，其反硝化原理如式(9)所示。

(9)

　　SCN-自養反硝化過程會產生堿度。E. Broman等的研究表明，在連續攪拌釜反應器中，由硫桿菌屬細菌主導的SCN-自養反硝化可在pH低至3.5、溫度低至8 ℃的狀態下繼續進行。

　　因此，以SCN-為電子供體的反硝化工藝更適合處理采礦活動產生的酸性廢水。但相比Schem0、Sbio0、S2-和S2O32-，SCN-的反硝化效率更低，SCN-反硝化系統內微生物生長速度更慢。

　　06

　　黃鐵礦(FeS2)

　　以FeS2為電子供體的自養反硝化一般發生在含有FeS2的地下水沉積物生物膜接觸表面，以此控制地下水中NO3-濃度，保護含水層免受NO3-污染。其反硝化原理如式(10)所示。

(10)

　　FeS2的水溶性和水解速率極低，在反硝化研究中通常作為生物濾床反應器中的顆粒介質以使微生物附著并形成生物膜。

　　Zhe Kong等通過實驗證實，雖然FeS2擁有更高的pH維持能力和更低的SO42-產量，但其反硝化率卻遠不及Schem0，而Jiaoyang Pu等則認為，對FeS2進行酸化預處理可以有效去除其表面雜質并提高反硝化速率。另外，由于FeS2礦物中往往夾帶有毒金屬，所以FeS2一般不用于飲用水的脫氮處理。

　　07

　　亞硫酸鹽(SO32-)

　　SO32-雖然具有作為反硝化電子供體的潛力，但是目前仍然缺乏SO32-反硝化原理化學計量信息、生物反應器、工藝條件等相關內容的研究。

　　SO32-是Schem0、Sbio0、S2-、S2O32-、SCN-、FeS2向SO42-氧化過程中的中間產物，因此許多無機硫源反硝化細菌都具有氧化S2O32-的酶系統，可以將S2O32-作為反硝化電子供體。

　　C. A. Adams等利用Thiobacillus denitrificans首次驗證了SO32-作為電子供體進行生物反硝化的可能性，并發現pH為8.5時SO32-反硝化速率最快，效果僅次于硫化物。F. Sabba等認為，膜生物反應器是進行SO32-自養反硝化的理想構型，即向外部為反硝化生物膜的中空纖維膜提供SO2，SO2保留在生物膜上形成HSO3-和SO32-并用以反硝化，達到接近100%的SO2利用率。此外，SO32-具有潛在毒性，其對反硝化微生物的抑制作用尚需進一步研究。

　　08

　　總結與展望

　　自養反硝化研究中選用何種無機硫源作為電子供體，應該首先以所處理水體中NO3-污染程度作為參考，其次再將反硝化效率和成本納入評估范圍。

　　通常情況下，只有在NO3-污染的水體中，才應考慮使用無機硫源進行自養反硝化。

　　從NO3-污染程度來考慮，Schem0、Sbio0、S2-因其在反硝化過程中會導致系統內NO2-積累，限制了其在高濃度NO3-廢水處理中的應用，其僅適合處理低NO3-濃度的污水，其中S2-更適合處理弱酸性廢水;

　　高濃度NO3-污水的處理則需要高溶解度和高生物利用度的S2O32-;

　　SCN-和FeS2因其潛在的毒性僅分別應用于采礦酸性廢水和地下受NO3-污染含水層的脫氮處理中;SO32-的潛在毒性對微生物的抑制作用，以及NO3-濃度對SO32-反硝化速率的影響則需進一步研究。

　　從反硝化效率來考慮，Schem0脫氮高效且來源廣泛，Sbio0則具有比Schem0更高的生物利用度，且脫氮效率為Schem0的1.7倍，但二者都有可能在反硝化過程中造成SO42-二次污染及反應器堵塞;

　　S2-的脫氮效率在高于前兩者的同時，SO42-的產量也更少;S2O32-雖效率最高，但SO42-產生量卻高于Schem0、Sbio0和S2-;FeS2的SO42-產量少，但反硝化率遠不及Schem0;

　　SCN-反硝化率低于Schem0、Sbio0、S2-與S2O32-;目前針對SO32-的反硝化研究雖然較少，但其脫氮效果僅次于S2-，并且可被多種無機硫源反硝化細菌利用，同樣具有作為反硝化電子供體的潛力。

　　最后，從成本角度考慮，F. D. Capua等認為，電子供體的成本應為電子供體市場價格與特定底物利用率的乘積。

　　Schem0與S2-成本相近，S2O32-成本較高且為前兩者的6倍，FeS2的成本僅次于S2O32-，而Sbio0和SCN-的成本最低，SO32-的成本仍需進一步探究。此外，選擇合適的生物反應器和反硝化系統才能真正發揮電子供體的脫氮能力，而系統內理化條件的設置則主要取決于反應器內反硝化細菌菌群結構和預實驗結果。

　　水體NO3-污染程度、反硝化效率、成本為自養反硝化無機硫源電子供體選擇主要的參考標準，同時潛在毒性、二次污染可能性等環境健康因素也應考慮在內。

　　筆者認為，今后可以從以下5個方面進行深入研究：

　　①無機硫源自養反硝化以及無機硫源與有機碳源同時作為電子供體的混養反硝化產生的SO42-會對環境造成二次污染，目前化學沉淀法和膜分離法是應用較為廣泛的SO42-去除方法，若水體中存在Cu2+、Mn2+等金屬離子，則可以采用厭氧硫酸鹽還原技術將SO42-還原為S2-，使之最終形成金屬硫化物沉淀以達到金屬離子與SO42-的同步去除，且已有研究表明，適量投加Cu2+與Fe2+可提升系統內硫自養反硝化菌脫氮速率并降低SO42-累積。但是基于金屬離子對微生物影響的復雜性，目前很多研究成果缺乏代表性與普遍性，金屬離子對微生物反硝化的影響仍需進一步探究。

　　②進行預脫氣和系統內污水再循環可起到減緩反應器床層堵塞的作用，但需要根據實際應用進一步對污水再循環系統進行研究設計。

　　③探究氧化過程對Sbio0顆粒內部結構的影響，以及尋求Sbio0膜污染有效解決途徑，有助于加速Sbio0自養反硝化技術的應用和推廣。

　　④SO32-是具有潛力的新型反硝化電子供體，后續的研究應集中在反硝化原理化學計量信息、生物反應器構型、潛在微生物毒性等方向。

　　⑤脫氮硫桿菌在厭氧狀態下可利用NO3-作為電子受體進行自養反硝化，并且對環境因子的耐受范圍較寬，是具有潛力的工程菌種研究對象。應構建反硝化效率更高、適應能力更強的工程菌種，并探究不同硫源反硝化反應器內工程菌種的最佳投放條件。

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