铁-硫自养反硝化在污水处理中的研究进展

铁-硫自养反硝化是一种高效环保的生物工艺,被认为是有效处理低碳氮比污水的方法之一。相较于传统的硫基自养反硝化和铁基自养反硝化,铁-硫自养反硝化有着更高的反硝化能力,无须外加p H缓冲物质,具有二次污染小、氮磷同步去除等优势。该文介绍了铁-硫自养反硝化的形成过程及作用机理,并系统梳理了近年来铁-硫自养反硝化的发展和应用现状;阐述了铁-硫自养反硝化应用于污水处理领域的现状,对未来铁-硫自养反硝化的研究方向进行了展望。     

硫自养反硝化饮用水脱氮：悬浮填料与硫源作用效果评估

针对饮用水硝酸盐污染和固定床硫自养反硝化脱氮负荷低等问题,开展流化床型硫自养反硝化脱氮研究,探究聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭悬浮填料对硫自养反硝化的影响,并对比了不同硫源(升华硫、硫代硫酸钠和生物硫)对反硝化效果的影响.结果表明,悬浮填料可显著提升反硝化脱氮效果,升华硫与硫代硫酸钠效果优于生物硫.在最佳条件下,TN去除率可稳定保持在98.49%,TN脱氮负荷达2.84 g·L^-1·d^-1.机理分析表明,悬浮填料中海藻酸钠可作为异养反硝化的有机碳源,实现自养与异养反硝化相结合,减少了副产物NO₂^-和SO₄^2-的生成,并提供碱度,保持体系pH的稳定.加入悬浮填料后,反硝化微生物生长得到促进,优势菌属为Thauera(兼性自养反硝化菌)和Brachymonas(异养反硝化菌).     

电流对MEC-3DBER-S脱氮除磷效果的影响及机理分析

针对低C/N污水处理厂二级处理出水中氮、磷去除问题,基于三维电极生物膜工艺（3DBER）反硝化脱氮碳源消耗量少的特点,构建了微电凝聚-三维电极生物膜耦合硫自养强化脱氮除磷工艺（MEC-3DBER-S）.对比研究了3DBER与MEC-3DBER-S在不同电流强度条件下的运行特性,并结合基于nirS基因的克隆文库技术分析了MEC-3DBER-S中反硝化微生物的构成.运行结果表明,MEC-3DBER-S有效强化了氮、磷的去除效果,特别是提高了低电流条件下的脱氮效率;同时电流作用能够促进海绵铁腐蚀,提高除磷效果.当C/N=1.5、HRT=8h、I=300mA条件下,其TN和TP去除率分别达到75%和78%,分别比3DBER高10%和28%左右.基于nirS基因的克隆文库结果表明,MEC-3DBER-S中同时存在与具有异养、氢自养、硫自养和铁自养反硝化功能的菌属相似的细菌.该体系中有机碳源、H2、单质硫和Fe²⁺等电子供体可相互补充,强化了脱氮;同时,体系中还存在物化联合生物除磷的作用,强化了除磷.因而,MEC-3DBER-S复合反硝化体系保证了较高的脱氮除磷效果.     

硫基功能材料在污水深度脱氮中的应用——研究进展与发展趋势

为了降低人类生产和生活过程排放的氮素污染物对自然水体的环境压力，我国污水处理厂的总氮排放标准在持续提升，对生物脱氮技术的稳定性和经济性提出了极大的挑战。硫自养反硝化技术不受水质低碳氮比限制，在脱氮成本、污泥产率及碳减排等方面优势突出，受到学术界和工业界的广泛关注。经过长期研究积累和工程实践，硫自养反硝化技术已经发展和衍生出多元化的工艺系统。本文聚焦于硫基功能材料作为反硝化电子供体驱动的自养生物脱氮过程，对功能材料性能、功能微生物特征、适配型工艺系统及应用现状进行了系统综述，旨在厘清研究进展和预判发展方向。     

电化学氢自养与硫自养集成去除饮用水中的硝酸盐

研究了一种电化学氢自养与硫自养集成去除饮用水中硝酸盐的方法，将2种自养反硝化集成，既可减少以硫作为电子供体产生的SO4^2-，也可以使硫自养反硝化产生的H^ 作为电化学产氢的前驱物。同时，在硫自养段可不添加调pH的CaCO3，避免了出水的硬度升高。试验结果表明，在反应器的水力停留时间（HRT）为1．9－5h，最小电流相应为3－16mA时，NO3^--N去除率达90％以上，出水中NO3^--N和SO4^2-浓度分别低于3．0mg/L和170mg/L,NO2^--N未检出，硫段和电氢段出水pH值均维持在中性附近。     

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO₃^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/（m³·d）;SBR周期内NO₂^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO₃^--N还原为NO₂^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO₂^--N还原为N₂过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO₃^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/（kg VSS·d）,硫自养反硝化污泥NO₂^--N降解速率为0.117kg N/（kg VSS·d）,污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.     

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO₃^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/（m³·d）;SBR周期内NO₂^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO₃^--N还原为NO₂^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO₂^--N还原为N₂过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO₃^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/（kg VSS·d）,硫自养反硝化污泥NO₂^--N降解速率为0.117kg N/（kg VSS·d）,污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.     

3BER-S耦合脱氮系统运行特性研究

为了强化三维电极生物膜脱氮工艺(3BER)的脱氮效果,将3BER与硫自养反硝化技术耦合成3BER-S工艺,用于低碳氮比城市污水厂尾水的深度脱氮处理.与3BER对比研究结果表明,3BER-S工艺在TN去除率、系统pH平衡能力和NO2--N积累方面均优于3BER工艺;当进水C(NO3--N)= 35±2mg/L,TOC:N:P=10.7:10:1,pH=7.0~7.5时,3BER-S耦合工艺对TN和NO3--N的去除效率分别为85%和94%,分别比3BER高15%和10%;出水中NO2--N的浓度为3.04mg/L,比3BER低2mg/L.3BER-S中硫自养反硝化作用定量分析表明,硫自养脱氮作用在整个脱氮过程中所占比例为14.07%,单质硫的有效利用率达到79.5%,硫自养反硝化过程对稳定3BER-S系统出水pH值起重要作用.根据3BER-S中微生物基于反硝化细菌特异性基因nirS的克隆文库结果,系统中反硝化细菌都与β变形菌纲中的细菌有较高的同源性,其中61.41%的反硝化细菌属于陶厄氏菌属(Thauera);脱氮硫杆菌和嗜酸菌属(Acidovorax)分别占3.50%和19.30%.表明当碳源比较充足时,3BER-S工艺的脱氮作用主要以异养反硝化过程为主,以单质硫和氢为电子供体的自养反硝化脱氮作用也占有一定比例.     

硫自养反硝化技术优劣辨析

硫自养反硝化因无需外加碳源、运行过程无CO₂直接碳排放,且硫或硫化物价格低廉而开始进入大众眼帘.硫自养反硝化概念始于20世纪70年代,但国际上对其研究与应用一直默默无闻,反而是近年来在我国方兴未艾,这一反差现象耐人寻味.通过对硫循环及硫资源概括总结发现,全球硫储量虽多,但硫资源开采主要来源于石油、天然气冶炼过程中对硫的回收,获得并不具有持久性.对硫自养反硝化过程原理、存在问题、直接碳排放等分析显示,自养反硝化速率较异养反硝化低61.5%～75.6%,反应过程会产生大量SO₄^2-.此外,还存在硫填料滤床穿透逐渐降低处理负荷等问题.碳排放分析揭示,低pH(<6.5)会抑制反应进程,可能导致反硝化止步于氧化亚氮(N₂O)而产生相当释放量.相反,除外加碳源导致CO₂直接排放问题外,异养反硝化在同步脱氮除磷方面优势明显.况且,碳源缺乏问题存在多种解决方案,完全可以通过不外加碳源或选择废弃生源性碳源来解决碳排放问题.因此,在选择正确脱氮除磷技术路径时需要在深入了解反应机理的基础上,全...     

硫化物型自养反硝化中NO_2~--N与S~0的积累条件

厌氧氨氧化所需的电子受体NO2--N可由亚硝化过程获得也可由半反硝化过程获得。对于含有NO3--N的废水,可通过以S2-为电子供体的自养反硝化过程把NO3--N还原为NO2--N。文章从pH值、S/N摩尔比、硫化物浓度、HRT、COD等方面,探讨以S2-为基质的硫自养反硝化中NO2--N与S0的积累条件,为硫化物型自养反硝化-ANAMMOX工艺提供理论依据。     

DNBF-O3-GAC组合工艺深度脱除氮磷及代谢产物

为提高污水厂尾水水质,本研究采用新型缓释碳源复配海绵铁、活性炭作为反硝化生物滤池的复合填料,分别以模拟二级处理出水和实际污水厂尾水为进水,考察了复合缓释碳源填料反硝化生物滤池-臭氧-活性炭(DNBF-O_3-GAC)组合工艺同步脱氮除磷及去除微生物代谢产物的性能,并借助Mi Seq高通量测序技术分析了反硝化生物滤池生物膜中的微生物群落结构特征.结果表明,组合工艺取得了较好的脱氮除磷及微生物代谢产物的效果:模拟配水阶段和实际尾水阶段NO_3~--N平均去除率分别达到88.87%、79.99%;TP平均去除率分别达到87.67%、65.51%;UV254平均去除率分别达到45.51%、49.23%.组合工艺各处理单元具有不同的功能:NO_3~--N、TN、TP、TFe的变化主要发生在反硝化生物滤池反应器中;UV254、三维荧光强度的变化主要发生在臭氧-活性炭反应器中.微生物在属水平进行聚类分析结果表明,反硝化脱氮系统存在硫自养反硝化菌和异养反硝化菌,当实际尾水阶段碳源相对不足时,硫自养反硝化作用有了显著加强,Thiobacillus(硫杆菌属)的占比由7.44%上升至29.62%,硫自养反硝化与异养反硝化形成的这种互补作用延长了新型缓释碳源的使用周期.     

硫源对反硝化脱氮性能及微生物群落结构的影响

为探究不同硫源驱动下硫自养反硝化系统的脱氮性能及各自优缺点，该文采用UASB反应器研究进水NO₃^--N浓度、水力停留时间对负载型单质硫(PFSF)自养反硝化系统和硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)自养反硝化系统脱氮性能的影响，并从微生物群落结构角度分析2个系统种间协同竞争作用。结果表明：(1)相同条件下，Na₂S₂O₃自养反硝化系统脱氮性能、抗负荷能力、稳定性优于PFSF自养反硝化系统。(2)Na₂S₂O₃系统和PFSF系统优势菌属均为Thiobacillus和Sulfurimonas，自养脱氮菌属丰度分别为49.92%和47.54%,Na₂S₂O₃系统微生物群落结构比PFSF系统更复杂。(3)两系统均具有稳定的微生态平衡，Na₂S₂O_...     

异养与硫自养反硝化协同处理高硝氮废水特性研究

在异养反硝化反应器中添加单质硫,实现硫自养与异养反硝化联合处理NO_3~-废水,探讨异养和硫自养反硝化协同过程中的p H恒定及污泥减量化的特性.结果表明,硫自养反硝化菌在异养反硝化反应器内能够实现快速生长.经过65d的运行,控制进水TOC/N为0.65~0.75时,协同反硝化在无额外碱添加的情况下,厌氧反硝化产生的碱度满足自养反硝化的需求;运行至116d时,协同反硝化的总氮去除率为85%以上,脱氮效能稳定在2.5 kg·(m~3·d)~(-1).通过与完全异养反硝化相比,协同反硝化的污泥产量仅为完全异养反硝化的60%,极大地降低了污泥产量.但是利用协同自养反硝化处理高浓度NO_3~--N废水时,存在NO_2~--N累积的现象,即使是最终稳定期也有20 mg·L~(-1),需进行深度处理.     

基于硫源介导的低碳脱氮技术研究进展

在“双碳”目标背景下，以异养反硝化为技术核心的传统工艺尚不能满足低碳脱氮的需求.硫源介导的自养反硝化工艺(sulfur-driven autotrophic denitrification,SDAD)因其高效脱氮且同步减碳的优势而在生物脱氮领域受到广泛关注.在国内外已有研究的基础上，本文系统梳理了SDAD及其衍生工艺的最新进展，重点关注工艺效能、功能微生物代谢机制、温室气体(N₂O)减排机制及其工程化应用进展.结果表明：(1)SDAD体系由自养硫氧化反硝化细菌(autotrophic sulfur-oxidizing nitrate-reducing bacteria,a-soNRB)、异养硫氧化反硝化细菌(heterotrophic sulfur-oxidizing nitrate-reducing bacteria,h-soNRB)和硫歧化细菌(sulfur disproportionating bacteria,SDB)三类微生物相互作用，共同完成脱氮.低硫化物浓度(S^2-浓度为6.25 mmol/L)下，a-soNRB是主要的功能菌....     

脱氮硫杆菌自养反硝化及其影响因素研究进展

简要回顾了近几十年来利用脱氮硫杆菌进行自养反硝化及其影响因素方面的研究成果,阐述了接种脱氮硫杆菌的自养反硝化系统的应用范围和主要影响因素的研究现状。其中对一些与自养反硝化应用及其影响因素相关的重要问题、近年来研究的热点问题,如硫磺颗粒粒径影响、硫磺/石灰石的体积比、进水硫化物/硝酸盐的摩尔比、水力停留时间、有毒物质的影响以及脱氮动力学模型的建立进行了重点分析。指出了利用脱氮硫杆菌进行自养反硝化目前存在的一些技术方面的问题及其解决途径,并对其今后的发展趋势和应用前景进行了展望。     

2种生物反硝化法去除地下水中硝酸盐的研究

采用砂柱装置,在实验室研究了自养微生物和异养微生物2种生物反硝化方法对地下水中硝酸盐的去除效果。自养反硝化反应在以硫作为电子供体的硫/石灰石/细沙反应柱中进行,异养反硝化反应在石灰石/细沙反应柱中进行,进水增加乙醇作为外加碳源。实验结果用以比较2种反硝化方法在硝酸盐去除率、微生物反应动力学和反应产物三者的异同。结果表明,自养反硝化反应中NO3--N去除率达95.4%,异养反硝化反应去除率可达99.3%;分别与Monod微生物0级、1/2级和1级反应动力学方程进行拟合,2种反硝化反应均符合1/2级微生物反应动力学,适合用1/2级微生物反应方程描述;在反应结束阶段,自养反硝化主要反应产物SO42-出水浓度低于250mg/L,异养反硝化副产物CH3OO-易成为二次污染源,异养反硝化的反硝化速率明显高于自养反硝化反应。     

硫磺/硫铁矿自养反硝化系统脱氮性能

基于硫自养反硝化作用,寻求一种经济、快速、高效地污水脱氮工艺,采用硫磺/硫铁矿组合进行自养反硝化脱氮试验,以低C/N市政污水为处理对象,分别考察温度,硫磺与硫铁矿体积比和HRT等理化因素对反应器脱氮性能的影响.结果表明,在进水TN质量浓度约40 mg·L^-1条件下,1号反应器最佳HRT为2.5 h,TN去除率平均稳定在72.2%,出水TN约10.55 mg·L^-1;2号反应器最佳HRT为3.5 h,TN平均去除率约67.8%,出水TN平均稳定至12.90 mg·L^-1;3号反应器最佳HRT为3.5 h,TN平均去除率60.6%,出水TN稳定在15.00 mg·L^-1左右.硫磺/硫铁矿自养反硝化系统比硫铁矿自养反硝化系统启动快;该系统脱氮效率随着硫磺与硫铁矿体积比减小而降低;该系统脱氮性能对温度的变化并不敏感,脱氮性能优于单独以硫铁矿为硫源的自养反硝化系统;系统中硫自养反硝化过程的主要功能菌属是Sulfurimonas和Thiobacillus,在3个反应器所占比例为1号 > 2号 > 3号.     

硫自养反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺中微生物群落结构和多样性研究

为研究基于硫自养反硝化和厌氧氨氧化耦合工艺中微生物群落结构和多样性特征,从稳定运行的HABR厌氧折流板反应器中采集生物膜样品,利用PCR-DGGE技术分别对反应器中4个格室进行群落结构解析。结果表明,微生物群落变化与水质环境中的有机物、氮和硫的浓度有关,微生物群落结构在不同的格室中变化较大,4个格室中的细菌的Shannon-Wiener指数(H)由左至右依次减小,相邻格室的相似性较高。经过克隆测序分析,HABR反应器内的微生物多为硫自养反硝化菌和厌氧氨氧化菌,并且出现了Sulfurimonas菌种,该类菌种是同步脱硫反硝化作用的主要功能菌,它们对污水中硫及氮的去除发挥了重要的作用。     

硫铁填料和微电流强化再生水脱氮除磷的研究

为提高再生水质量,在不同C/N和HRT条件下,对比分析硫铁复合填料和微电流作用强化再生水深度脱氮除磷效果.结果表明,硫铁复合填料和微电流作用均能够强化氮、磷的深度去除效果,且二者结合能够使反硝化系统pH值稳定在7.2~8.5之间.系统中TN主要靠异养反硝化、氢自养反硝化和硫自养反硝化作用去除,94.04%的TP是以生成磷酸铁沉淀的形式去除.分别从填料上取生物膜,进行Miseq高通量测序,构建细菌16S rRNA基因克隆文库.结果发现,在仅有海绵铁作用系统中,同时具有异养反硝化和氢自养反硝化功能的细菌所占比例达到29.47%;硫铁复合填料和硫铁微电流作用系统中,具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus(硫杆菌属)所占比例分别达到60.47%和40.62%.因此,硫铁复合填料和微电流作用用于强化再生水深度脱氮除磷具有明显的优势.     

S~(2-)/NO_3~--N对硫自养反硝化与厌氧氨氧化耦合脱氮除硫启动的影响

为寻求经济、有效的同步脱氮除硫工艺,采用HABR(复合式厌氧折流板反应器),接种厌氧氨氧化活性污泥,以人工模拟废水为研究对象,在进水p H为8.0、温度为(32±1)℃、HRT为6.5 h的条件下,调整进水S2-/NO3--N〔n(S2-)∶n(NO3--N)〕分别为2.0∶5、3.5∶5、5.0∶5、6.5∶5,研究其对硫自养反硝化和厌氧氨氧化耦合工艺启动的影响,试验连续进行了54 d.结果表明:当S2-/NO3--N1时,S2-的供应量相对不足,导致硫自养反硝化生成的NO2--N量不足,进而影响后续厌氧氨氧化效果,NH4+-N去除率较低,平均值为53.5%,同时剩余NO3--N继续氧化硫自养反硝化生成的S0,致使出水中ρ(SO42-)增大;当S2-/NO3--N=1时,S2-供应量充足,硫自养反硝化生成NO2--N量最大,厌氧氨氧化效果最好,NH4+-N去除率最高,平均值为65.1%;当S2-/NO3--N1时,S2-过量,S2-去除率下降.试验通过控制S2-/NO3--N,在HABR内成功实现了硫自养反硝化和厌氧氨氧化耦合工艺启动,NH4+-N、S2-、NO3--N最大去除率分别为74.3%、99.0%、99.5%,S2-/NO3--N=1为最佳比例.