傳統生物脫氮技術通過異養反硝化過程將硝酸鹽還原為氮氣，從而完成水中氮素的去除。但是傳統的脫氮技術存在兩方面不足：一是需要投加大量的有機碳源（如甲酸、乙酸、葡萄糖等），不僅增加污水處理廠的運行成本，而且可能會增大出水COD超標的風險；二是投加大量的化學藥劑必然會導致大量剩余污泥的生成，從而增加污泥處置成本。硫自養反硝化技術利用化能自養微生物，在缺氧或厭氧條件下以低價態硫（S0、S2-、S2O32-等）作為電子供體將硝酸鹽還原為氮氣，從而實現污水脫氮。該技術以總氮去除率高、污泥產率低、N2O還原速率快、N2O溫室氣體產生量少等特點被廣泛應用于污水及地下水的處理。介紹了硫自養反硝化技術的脫氮原理、影響因素及其耦合工藝在實際應用中的效果，對硫自養反硝化技術的未來發展方向進行展望，以期為硫自養反硝化技術進一步的推廣應用提供參考。
1、硫自養反硝化技術脫氮原理
硫自養反硝化技術利用還原態硫作為電子供體，將NO3-、NO2-還原為N2從而去除水中的氮元素。不同形態的硫進行自養反硝化的反應式如表1所示。
硫自養反硝化的本質是硫自養反硝化菌利用以上硫源發生反硝化作用，目前從自然界中分離鑒定出的硫自養反硝化菌種類已超過10種，根據能量來源不同可分為3種：①嚴格化能自養型細菌，如Thiobacillusdenitrificans、Thiobacillusthioparus等；②兼性自養型細菌，如Paracoccusdenitrificans；③巨大絲狀細菌，如Beggiatoa和Thioplaca。在湖泊、海洋沉積物以及油田等自然環境中均發現了硫自養反硝化菌，而在污水處理系統中大量存在的硫自養反硝化菌則更多是球菌與桿菌，如趙晴等在成熟的硫化物自養反硝化顆粒污泥中發現大量的球菌與桿菌，其中與硫化物自養反硝化過程相關的自養反硝化功能菌的比例在65%以上，如Thiobacillusdenitrificans和Sulfurimonasdenitrificans等。
2、硫自養反硝化技術脫氮的影響因素
2.1 電子供體類型
硫自養反硝化技術研究中的還原性無機硫化物主要有6類：①硫化物（H2S/HS-/S2-）；②單質硫S0（化學合成單質硫以及生物單質硫）；③硫代硫酸鹽（S2O32-）；④天然硫鐵礦物（硫鐵礦FeS2/磁黃鐵礦FeS）；⑤硫氰化鹽（SCN-）；⑥亞硫酸鹽（SO32-）等。其中，單質硫、硫化物、硫代硫酸鹽以及天然硫鐵礦物是較為常用的4種電子供體類型。在以單質硫為硫源的自養反硝化體系中，通常使用硫磺作為電子供體，硫磺廉價且無毒，性質穩定，但是其在常溫下的溶解度較低，因此會對生物有效性產生限制；硫化鈉等硫化物雖然較易溶解，但其溶解后造成的強堿性環境會對系統中的微生物造成沖擊；硫代硫酸鹽相較于單質硫有更高的溶解度，因此傳質效果、生物有效性都有較大的提升，但采用硫代硫酸鈉作為電子供體時，需要增加溶藥、加藥等設備，對運行管理要求相對較高；天然硫鐵礦物廉價易得，含有豐富的鐵、硫元素，其反硝化過程產生的酸能促進礦石的溶解，可提供更多的硫化物和Fe2+作為電子供體，且反硝化過程產生的Fe3+能夠與PO43-反應生成沉淀，可以達到同時脫氮除磷的效果。但是硫鐵礦物作為填料需要較長的HRT才能取得較好的出水效果，這限制了硫鐵礦物的工程實際應用。
電子供體的選擇不同會導致微生物種類有較大的差異，最終影響硫自養反硝化工藝的脫氮效果。袁瑩等在升流式厭氧污泥反應床（UASB）中分別考察了以S0、Na2S和Na2S2O3作為電子供體的3個系統的脫氮效果，其中以Na2S2O3為電子供體的反應器脫氮效率最好，其次是S0反應器，Na2S系統對總氮的去除率最低，其原因在于不同硫自養反硝化系統培養馴化的自養反硝化菌不同。Carboni等分別使用S0、FeS2、S2O32-、S2-作為反硝化電子供體，并比較了來自污水廠的消化污泥和UASB反應器的厭氧顆粒污泥兩種接種污泥的微生物群落發展情況。研究結果表明，除了S2-系統外，其他3種系統都發現了以自養反硝化為主的微生物群落，其中在FeS2系統中發現了以Thiobacillus、Thioprofundum以及Ignavibacterium為主導的優勢菌種；S2O32-系統的反硝化速率最高，分別比S0、FeS2系統快1.5倍和6倍。李冬梅等以硫鐵礦為填料構建了人工濕地裝置，在微污染水源條件下，水力停留時間為60h時，硫鐵礦人工濕地對NH4+-N、NO3--N、TN的去除率分別為60.9%、67.2%以及49.2%；人工濕地礦石表面菌落中Proteobacteria是優勢菌種，相對豐度占45%左右，Thiobacillus為自養反硝化脫氮的主要功能菌種。除了常規的硫化物作為電子供體外，有研究利用煉油廠的廢硫化堿（含有較高濃度的硫，以S2-為主）作為自養反硝化的替代電子供體來源，提高了反硝化效率，TN去除率增加約9%。
2.2 溫度
溫度是影響微生物活性的關鍵因素之一，作為硫自養反硝化過程中的優勢菌種，自養反硝化菌如脫氮硫桿菌等通常在高溫條件下表現出最佳的生長狀態，最適溫度為25~35℃。溫度差異導致不同電子供體的溶解度和整個系統的傳質效率也有所改變，因此會影響系統對氮素的去除效率。
李天昕等利用硫粉和石灰石粉制備自養反硝化填料，并將其裝填于濾柱反應器中，實驗結果表明，當溫度從10℃上升至30℃時，脫氮硫桿菌的生長速率逐漸增大；當溫度繼續升高時，菌株的生長速率開始減慢。在此系統中，菌株的最適反硝化溫度為32.8℃，高于其自身生長的最適溫度（29.5℃）。袁瑩等的研究表明，Na2S2O3系統對低溫的適應能力最強，在10~20℃時，HRT由6h降至4h，NO3-的平均去除率仍高達92%，但是在低溫條件下，系統內NO2-積累量增加，說明NO3-在低溫條件下未完全轉化。
2.3 pH
與溫度的影響方式類似，pH的變化也會造成微生物活性的改變。李文斐的研究表明，pH影響了微生物細胞膜中膜電荷電位的變化，進而引起反應過程中微生物酶活性的改變，最終導致反硝化效率發生變化。目前，研究普遍認為自養反硝化菌的最適pH為6.8~8.2，大多數研究結果證明硫自養反硝化的最佳pH為中性條件。
此外，不同形態的硫電子供體在發生反硝化作用過程中會產酸或產堿（見表1），因此系統pH發生變化，若不補充堿度或酸度，則反應體系的脫氮過程會受到抑制。較為常用的4種硫電子供體發生的自養反硝化作用均是產酸過程，因此實際應用中為了維持pH穩定，通常會添加含有堿度成分的物質。在傳統的硫自養反硝化系統中，因為石灰石成本低且易獲取，所以常被作為外加堿度物質來調節pH。在以石灰石作為堿度來源的硫自養反硝化系統中，硫與石灰石的體積比（S/L）是一個關鍵因素，在保證堿度充足的前提下，應盡可能提高反應器中硫的比例，從而達到更高的脫氮率。Kilic等評估了3個填充不同S/L（1∶1、2∶1和3∶1）的平行填充床生物反應器的工藝性能，在S/L為3∶1的反應器中觀察到了最大的硝酸鹽還原率，硝酸鹽負荷為0.66gNO3--N/（L·d）。
盡管石灰石在低硝酸鹽負荷情況下是有效的外加堿度來源，但在高濃度硝酸鹽負荷條件下，石灰石緩慢的溶解速率可能會成為自養反硝化過程的限制因素，同時，石灰石產生的出水硬度、溶解性總固體（TDS）提高等問題也不容忽視。Sahinkaya等比較了S0-石灰石和S0-碳酸氫鹽固定床生物反應器的反硝化性能，兩者的自養反硝化速率分別為0.1和0.36gNO3--N/（L·d），使用碳酸氫鹽作為堿度來源提高了反應器的脫氮效率。除了常規的碳酸氫鹽外，還有白云石、蛋殼、牡蠣殼等非常規的含堿度材料構建的硫自養反硝化體系。
2.4 HRT
HRT是影響硫自養反硝化反應程度的一個重要參數，對反硝化是否徹底以及副產物的積累量和硝態氮的去除率具有決定性作用。李維維等的研究表明，HRT越長，NO2--N和S0的積累率越小，說明較長的HRT可使反硝化過程進行得更為徹底，反應產物最終轉化為N2和SO42-。此外，HRT對微生物的生長也有一定影響，當HRT過短時，反硝化過程產生的能量可能不滿足微生物生長代謝的需要。更多的研究表明，TN的去除率隨HRT的增加而升高，在硫磺-石灰石系統中，當HRT>6h時，NO3--N及TN的去除率均能達到100%；當HRT<5h時，雖然NO3--N去除率仍能達到100%，但是TN去除率明顯降低。這主要是因為反硝化過程中硝酸鹽還原速率大于亞硝酸鹽還原速率，所以當HRT不夠長時，亞硝酸鹽還原不徹底，導致亞硝酸鹽的積累。由天然硫鐵礦物（如FeS2、FeS等）構建的人工濕地往往需要更長的HRT才能達到脫氮的目的，因為硫鐵礦等礦物的溶解率極低，所以其向水體提供硫源是一個緩慢的過程，最佳的HRT往往在24h以上。為實現高效脫氮、降低HRT，田家宇等使用聚乙烯醇-海藻酸鈉-活性炭懸浮填料開展了流化床型硫自養反硝化脫氮研究，實現了優勢菌種的快速富集，TN處理負荷是傳統固定床的3.6~13.7倍。不同HRT下硫自養反硝化系統對氮素的去除率見表2。
2.5 硫氮比（S/N）
在不同的硫自養反硝化工藝體系中，進水硝酸鹽負荷與硫的濃度是影響NO3--N去除率的重要因素。S/N（硫與硝酸鹽的比）對NO3--N去除率的影響主要體現在兩方面：一是進水硫化物濃度過高會對微生物產生抑制作用，二是硫化物濃度過低會因電子供體不足而導致反硝化效率較低。因此，合適的S/N是硫自養反硝化工藝中的關鍵參數。
蘆昭霖等探究了S/N對SBBR反應器系統硫自養反硝化的影響，發現隨著S/N的增加，NO3--N的去除速率越來越大，但是TN去除率有所下降，在S/N=1.3時，系統內發生完整的硫自養反硝化過程，TN去除率高達94.8%；但S/N增加到1.5后，系統中出現了硝酸鹽異化還原成銨（DNRA）的現象，產生了NH4+-N，TN去除率下降至79.7%，同時造成了SO42-的積累。研究發現，活性污泥系統中也有類似的現象發生，其原因在于游離硫化物（S2-）會抑制反硝化過程中N2O和NO的還原，從而積累亞硝酸鹽，為DNRA提供電子供體。
2.6 其他因素
其他因素如硫源的粒徑、進水水質等都會影響硫自養反硝化的效率。粒徑更小意味著可反應的硫表面積更大，因此，系統的反應傳質效率也更高。當反應條件相同時，顆粒硫粒徑為3~5mm時的脫氮率僅是粒徑為0.5~1mm時的1/2。但是，硫粒粒徑過小易隨水流失，導致反應器脫氮效率較低，且投資成本提高。
研究表明，進水中含有少量無機鹽對硫自養反硝化過程有促進作用。進水中維持一定濃度的磷酸鹽有利于硝酸鹽的去除，磷濃度為0.034mg/L時的硝酸鹽去除量是3.25mg/（L∙h），是磷濃度為0.023mg/L時的3倍以上；當Mg2+<0.059mg/L時，其濃度變化對硫反硝化過程的影響較大；Fe2+的限制濃度應低于0.058mg/L。袁玉玲等的研究也表明，初始磷濃度對TN去除有較大影響，當磷元素濃度過低時，反硝化菌亞硝酸還原酶的合成會受到抑制，為使TN去除率保持在90%以上，磷酸鹽的初始濃度應不低于0.4mg/L。
3、硫自養反硝化技術耦合工藝研究進展
硫自養反硝化工藝存在反應裝置啟動時間長、反應過程產酸和產SO42-等缺點，若與其他工藝耦合則可以有效避免上述缺點，從而達到更好的脫氮效果。
3.1 硫自養-異養反硝化
將硫自養反硝化與異養反硝化工藝進行耦合，可以減少堿度的投加，降低運行成本。為了強化脫氮性能，Sahinkaya等在含有硫和石灰石的填充床生物反應器內加入甲醇以刺激自養和異養反硝化過程，當甲醇/NO3--N（質量比）為1.67時，實現了對濃度為75mg/L的NO3--N的完全去除，出水硫酸鹽約為225mg/L，遠遠低于甲醇/NO3--N為2.47時的異養反硝化理論值。李祥等在異養反硝化反應器中添加S0后發現，硫自養反硝化菌能在異養反硝化反應器中快速生長；相比于完全異養反硝化過程，協同反硝化的TN去除率達到85%以上，污泥產量僅為完全異養反硝化的60%，極大地降低了污泥產量。史航等構建了陶粒-硫磺混合生物填料自養-異養反硝化耦合工藝用以處理城市污水處理廠的尾水，在C/N為4、HRT為4h的條件下與異養反硝化工藝對比后發現，在保證相同脫氮效率的情況下，硫自養-異養反硝化耦合工藝減少了碳源的投加量，降低了運行成本。
另一方面，雖然硫自養-異養反硝化耦合工藝具有明顯的優勢，但是在處理高濃度NO3--N廢水的同時會產生NO2--N的積累，需要進行深度處理。除此之外，硫自養菌在與反硝化異養菌的底物競爭中容易處于劣勢，從而導致協同系統失穩，影響脫氮效果。
3.2 硫自養反硝化-厭氧氨氧化
近年來，傳統脫氮工藝效率不足和能耗較大等缺點日益凸顯，無需有機碳源和曝氣的厭氧氨氧化技術逐漸成為研究熱點。在缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以NO2--N作為電子受體，將NH4+-N氧化為N2，同時伴隨少量NO3--N的產生。硫自養短程反硝化產生的NO2--N可以作為厭氧氨氧化反應的氧化劑，耦合工藝得以形成。Li等為了同時去除含氟半導體廢水中NH4+-N和NO3--N，將S0驅動的自養反硝化和厭氧氨氧化工藝進行耦合后發現，耦合工藝實現了對含氟半導體廢水中TN的去除，出水TN<20mg/L。方文燁等在硫自養反硝化耦合厭氧氨氧化的過程中同樣發現，引入S0后的厭氧氨氧化系統對TN的去除率達到了97%以上，遠遠高于厭氧氨氧化理論的TN最高去除率。
由此可見，通過向厭氧氨氧化體系中投加如單質硫、硫化鐵等硫源，在適當的pH、溫度等條件下，可以實現耦合工藝的穩定運行，并且達到較好的除氮效果。但是，厭氧氨氧化菌群和硫自養反硝化菌群對共同底物（如NO2--N）的競爭、反應過程中硫化物對厭氧氨氧化菌群的抑制作用等都會限制耦合工藝的長期穩定運行。
3.3 短程硝化反硝化-厭氧氨氧化-硫自養反硝化
短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化工藝在不額外添加有機碳源的情況下可直接將高濃度NH4+-N轉化為N2排出，運行過程中耗氧量少，污泥產率低。但是，該耦合工藝會形成NO3--N的積累，造成二次污染，同時存在的菌群底物競爭問題也未得到有效解決。通過在短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化工藝后添加硫自養反硝化階段，可以解決NO3--N的積累問題，同時實現完全脫氮。郝理想等通過短程硝化反硝化-厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合工藝來處理老齡填埋場滲濾液，解決了原有生化工藝處理過程中碳源投加量大、污泥產生量高等問題，其中耦合工藝對COD、NH4+-N、TN、TP、SS的去除率均保持在99%以上。
3.4 硫自養反硝化-生物濾池
傳統的異養反硝化濾池需要額外投加碳源，不僅運行成本高，而且存在BOD5超標風險。劉寶峰等采用硫自養反硝化濾池對市政污水進行深度處理，在實際應用中發現自養反硝化濾池平均除氮率達到90%，微生物馴化啟動時間約為12d，出水NO3--N穩定在5mg/L以下，運行成本較異養反硝化濾池減少50%以上。此外，為了提高耦合工藝的脫氮效率，新型載體材料的開發同樣至關重要。羅黎煜等通過在生物濾池內添加新型石灰石改性硫磺材料來處理模擬一級B標準出水，研究發現：當硫磺與石灰石的體積比為3∶1時，改性材料的脫氮除磷效果最佳；當HRT為1h時，對NO3--N和PO43--P的去除率分別高于89%和65%。研究同時分析了生物濾池內的微生物群落組成，發現濾池內的硫自養反硝化菌群豐度>79%，保證了濾池始終具有良好的脫氮除磷效果。為了對比該耦合工藝與傳統生物濾池在脫氮性能上的差異，Wang等對硫自養生物濾池與異養生物濾池的運行性能進行了比較，研究發現硫自養反硝化濾池在無反沖洗條件下運行15d仍能保持穩定的反硝化性能，而異養反硝化濾池在停止反沖洗2d后硝酸鹽去除率明顯下降。由此可見，通過在傳統生物濾池內添加硫自養反硝化填料，可以有效改善系統的脫氮性能。
3.5 硫自養反硝化-人工濕地
人工濕地可以在一定程度上降低污水處理廠二級出水中的氮磷污染物，運行和維護成本較低。但是，人工濕地系統有機碳源的短缺使其對NO3--N的去除效果較差。因此，通過向濕地系統中投加硫源營造自養反硝化的條件可以有效降低出水中NO3--N的濃度。Wang等研究了3種基于硫自養反硝化的水平、綜合垂直和水平-綜合垂直流人工濕地系統的脫氮效果，在HRT為3.5h、溫度為18.5~23.5℃條件下，采用綜合垂直流濕地系統最為有效，硫自養反硝化系統對NO3--N的去除起主導作用，對NO3--N和TP的去除效率分別為96.1%和44.3%。王翔等通過將硫自養反硝化和人工濕地相結合，有效解決了潛流濕地脫氮難的瓶頸。其研究發現，控制濕地系統中還原態硫-沸石-礫石的體積比為1∶1∶1，在溫度分別為25~30℃和17~19℃條件下，硫自養潛流濕地系統的脫氮率均達到了90%以上。人工濕地是一個綜合的生態系統，其在凈化水質的同時也具有一定的經濟、生態和美學價值。與其他耦合系統相比，加入硫源后的人工濕地系統可以使廢水的污染物降解反應更加多元化，達到良好污水處理效果的同時獲得最大資源化利用。
3.6 生物膜-電極耦合硫自養反硝化
生物膜-電極反應（BER）通過將電化學過程與生物降解過程相結合，利用電化學過程的產物為生物膜反應提供碳源和能源，具有處理效率高、投資成本低等優點。然而，傳統的BER電能消耗過高，對硝酸鹽的去除效果受限于陰極表面積和電流強度。因此，為了提高反硝化效率以及節約電能，BER耦合硫自養反硝化工藝逐漸成為處理高濃度硝酸鹽廢水的最佳選擇。
王旭峰等采用三維電極生物膜與硫自養耦合工藝去除地下水中的硝酸鹽時發現，當反應溫度為20~25℃、進水pH為7~7.5、HRT為16h和電流強度為400mA時，反應體系對NO3--N的去除率達到了97.15%。Liu等將生物膜-電極反應器與硫自養反硝化過程進行組合來去除地下水中的硝酸鹽，發現電流強度對耦合過程的反硝化效果影響較大，當電流強度為100mA時，硝酸鹽的去除率達到了99.9%，亞硝酸鹽產量很低。隨著電流強度的增加，SO42-的積累濃度逐漸增加，硫自養反硝化的參與比例逐漸上升。Hao等在處理低C/N廢水時發現，相較于BER來說，BER耦合硫自養反硝化工藝對氮的去除率可以提高45%左右；與單一的硫自養反硝化工藝或者BER工藝相比，耦合工藝的BER系統內氫自養反硝化所產生的堿度可以補充硫自養反硝化消耗的堿度，同時，硫自養反硝化過程產生的H+可作為BER陰極產氫的前驅物，從而提高系統的產氫速率。
3.7 磁分離-硫自養反硝化
研究表明，磁分離技術對SS、COD、TP等均有較高的去除率，但是此技術作為物理方法對氨氮和硝態氮的去除不甚明顯。在經過磁分離工藝處理后，污水的C/N顯著下降，因此后續增加硫自養反硝化工藝，無需額外添加有機碳源即可實現污水的脫氮除磷。
3.8 小結
綜上所述，將硫自養反硝化過程與其他工藝進行耦合，可以有效提高系統的脫氮效率，不同耦合工藝的優缺點如表3所示。
4、展望
硫自養反硝化工藝因其效率高、能耗低、無需添加有機碳源、污泥產量少等優點受到廣泛關注，目前已經成功應用在低濃度生活污水以及高濃度工業廢水的中小規模治理中。溫度、pH、HRT、進水S/N、電子供體的選擇等都是硫自養反硝化工藝脫氮效率的重要影響因素，反應器類型的選擇及設計、工藝參數的設置、耦合工藝的過程控制都給硫自養反硝化的實際應用帶來了困難和挑戰，并且出水硫酸鹽二次污染問題也限制了硫自養反硝化技術的大規模推廣。研究表明，HRT是限制硫自養反硝化技術應用的主要原因，HRT較長則工藝所需的占地面積大，因此該技術應用在一體化污水處理設備中的可能性較小，與生物濾池、人工濕地等負荷較小的工藝耦合時較為適用。未來應對以下幾個方面進行更為深入的研究，使硫自養反硝化技術得到更廣泛的應用。
①與其他工藝耦合時，因自養菌增殖速率較異養菌更為緩慢，故亟須富集培養高效的硫自養反硝化菌，縮短硫自養反硝化工藝的啟動周期并提高工藝穩定性。
②目前硫源材料存在傳質速率低、價格高等問題，因此亟須開發比表面積大、抗沖擊負荷能力強、價格低廉、高效耐用的新型生物載體硫源材料。
③根據硫自養反硝化耦合體系中微生物群落結構的動態變化，分析優勢菌群的豐度變化，識別硫自養反硝化核心微生物菌群和功能基因，深入研究硫自養反硝化相關功能基因的表達對微生物活性的影響。（來源：安徽舜禹水務股份有限公司）
