1、概述

水资源是人类赖以生存的重要资源，但是，近年来随着人口的大量增长和经济的迅速发展，特别是农业生产过程中农药、化肥的大量使用以及生活污水和工业废水的无序排放，使得大量硝酸盐进入地表及地下水体导致水中硝酸盐污染普遍存在并呈加剧趋势。长期饮用被硝酸盐污染的水容易导致高铁血红蛋白症以及＂蓝婴症＂等，其转化物还具＂三致＂风险，而且地表水的硝酸盐污染会引起水体的富营养化，恶化水质和生态环境，水中硝酸盐污染的治理刻不容缓。

为控制水体硝酸盐含量，确保水环境健康，世界各国均对水体中硝酸盐含量进行了严格规定。世界卫生组织（WHO）和美国环保署（EPA）规定饮用水中NO₃^–N浓度不得超过10mg/L，即NO₃^–限值为44.3mg/L。欧洲规定饮用水NO₃^–-N标准为11.3mg/L，即NO₃^–限值为50mg/L。2007年我国开始实施的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），规定硝酸盐（以N计）最高限值为10mg/L（地下水源限制时为20mg/L）。

NO₃^–-N在地下水中的背景值一般小于2mg/L，超过该值则表明地下水受到了人类活动的污染。我国依据地下水水质现状、地下水的用途及人体健康需要，根据《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）将我国地下水以NO₃^–-N为标准（以N计、毒理学指标）划分为五类：Ⅰ类≤2.0mg/L、Ⅱ类≤5.0mg/L、Ⅲ类≤20.0mg/L、Ⅳ≤30.0mg/L、Ⅴ类＞30.0mg/L。

目前污水厂一级A标准的TN出水浓度为15mg/L，是地表水V类水体TN限值（2mg/L）的7倍多。

研究高效、低成本的去除污水处理厂二级生化出水的NO₃^–-N以及脱除低浓度硝酸盐氮污染的湖泊水、地下水、饮用水中的NO₃^–-N，最大限度的提高反硝化反应的限度，将污水中NO₃^–-N转化为N₂而完全去除，是污水脱氮亟待解决的问题，将成为污水处理的热点和难点。

1.1反硝化进展研究

如何有效去除水中硝酸盐污染已经成为近年来水处理界的一个重要课题。

目前，硝酸盐的去除方法主要有物理化学法（如离子交换法、反渗透、电渗析等）、化学法（活泼金属反硝化、催化反硝化等）、生物法（异养和自养反硝化等）。目前普遍认为生物处理方法是去除水中硝酸盐污染物是最经济有效的方法，生物处理方法的原理是利用微生物的反硝化作用，将水中的硝酸盐最终还原为氮气排至大气中。具备设备简单、运行费用低、反应条件温和等优点。

广义上，反硝化过程中，硝酸盐在微生物的作用下有两种转化途径：第一种途径为同化还原反硝化，在该过程中反硝化细菌能够将硝酸盐同化为铵盐以供细胞合成有机氮化合物，成为菌体本身；第二种为异化还原反硝化，是指将硝酸盐最终还原为N₂。但由于同化脱氮量低于总氮去除量的30%，而异化脱氮量却高于70%，故反硝化脱氮主要是指异化反硝化脱氮。因此生物反硝化法是指反硝化细菌在缺氧或厌氧条件下，以废水中的NO₃^–-N作为电子受体，将其转化为N₂或氮氧化物的过程。这个过程中涉及多种酶及中间产物，并伴随着电子转移和能量产生，是一个复杂的生化反应过程，在生态系统氮循中环扮演着重要角色。其转化过程为：NO₃^–→NO₂^–→NO→N₂O→N₂。生物反硝化法依据细菌所利用碳源的有机、无机性分为异养和自养反硝化。

1.1.1异养反硝化

异养反硝化是异养微生物以有机碳源作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体，通过生物还原作用将硝酸盐还原为氮气的过程。异养反硝化菌菌种比较多且复杂，一般为厌氧菌，在处理过程中，因为缺少电子供体，需外加碳源，投加碳源有机物（甲醇、乙醇、醋酸、葡萄糖等）作为反硝化基质来保证反硝化进程的充分进行。其异养反硝化的反应方程式通常如下：

甲醇：NO₃^–+1.08CH₃OH→0.065C₅H₇NO₂+0.47N₂+1.44H₂O+0.76CO₂+OH^–

乙醇：NO₃^–＋0.59C₂H₅OH→0.09C₅H₇NO₂＋0.45N₂＋0.95H₂O＋0.73CO₂＋OH^–       （1-1）

醋酸：NO₃^–＋0.84CH₃OO^–→0.08C₅H₇NO₂＋0.46N₂＋0.06H₂O＋1.3CO₂＋1.84OH^–

有机碳源（TOC）：C₁₀H₁₉O₃N＋10NO₃^–→N₂＋10CO₂＋3H₂O＋NH₃+10OH^–

异养反硝化的优点：单位体积反应器的处理量大、反硝化速率比较快、启动时间短；缺点：外加碳源会带来较高的运行成本、且在进水水质波动情况下易造成碳源投放过量或者不足，存在残留有机基质的二次污染问题并影响出水水质。

1.1.2自养反硝化

自养反硝化指自养反硝化菌（某些化能自养型微生物）利用无机碳（CO₂、HCO₃^–、CO₃^2-）作为碳源，主要以无机物（S、S₂^–、H₂、S₂O₃^2-、Fe、Fe²⁺、NH₄⁺等）作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢，将缺少有机碳源的硝酸盐氮污染的水中的NO₃^–-N还原为N₂。这一过程和同步反硝化自养反硝化有不同，同步反硝化适宜于原水中高氨氮废水且反硝化是从NO₂^–开始，直接反硝化NH₄⁺。目前自养反硝化技术根据其电子供体类型的不同，主要有氢自养反硝化、硫自养反硝化、铁自养反硝化和厌氧氨氧化四种。

国内外近20年来关于自养反硝化的研究表明，自养反硝化菌在处理地下水、地表水硝酸盐氮污染，生活污水深度脱氮方面有广泛的应用前景。主要得益于自养反硝化技术的三大优点：（1）以还原态硫化合物、Fe²⁺、H₂等无机物作为电子供体，不会产生残余有机物；（2）不需外加有机碳源，投资和运行成本大大降低；（3）自养型细菌生长周期长增长率低，降低了污泥产量和出水生物污染的风险。

1.1.2.1氢自养反硝化（氢为电子供体）

氢自养反硝化的细菌称为氢细菌，主要是脱氮副球菌属，该类菌以H₂作为电子供体利用CO₂、HCO₃^–等无机碳源，进行反硝化脱氮。反应方程式为：

5H₂+2NO₃^–→N₂+4H₂O+2OH^–                                             （1-2）

H₂+0.35NO₃^–+0.35H⁺+0.052CO₂→0.17N₂+1.1H₂O+0.010C₅H₇O₂N                （1-2）”

氢气是自养反硝化理想的电子供体，纯氢气作电子供体，脱氮效率高且反应快速（在以甲醇作为电子供体的异养反硝化试验组中，反硝化速率是30gNO₃^–-N/m³·d，而以H₂作为电子供体的自养反硝化试验组中，反硝化速率是18gNO₃^–-N/m³·d），清洁无污染且剩余污泥少，反应剩余氢气易从处理后的水中除去，无二次污染也无需后续处理。但由于氢气易燃且与空气混合易爆，存在一定的安全风险，同时氢气在水中的溶解度很低，20℃时每升水中只能溶解1.6mgH₂，其在自养反硝化中利用率不高（仅30%~50%），因此氢气从气态向液态的物质转移速率可能会限制微生物的增长速率从而降低自养反硝化的速率。

对氢自养反硝化的影响因素进行了研究发现在温度为30~40℃时氢自养反硝化效果最好，并且当进水硝酸氮浓度<10mg/L时，总氮的去除率能保持在95%以上。考察pH对氢自养反硝化菌反硝化性能的影响时发现pH<6.7以及pH>9.2时，其生物活性会受到抑制，而当pH为7.7时，反硝化速率最高。

在氢自养反硝化中，H₂的来源一直是个难题，因此要考虑水中供氢的方法提高氢气的利用率。向水中供氢气主要通过扩散器从外部加入或通过电化学反应直接在反应器内生成。一般使用外部供氢，将氢气发生器连接反应器充入液体相，但生成的氢气成本较高，因此氢自养反硝化的推广应用受到了一定的限制。

曲久辉等等对以活性炭纤维作电极进行的电化学反应进行了研究，以电解水在阴极产生的氢气作为自养反硝化的电子供体，对水中的硝酸盐氮有良好的去除效果，且无亚硝酸盐氮的积累，但利用电极生物膜法进行反硝化脱氮的具体机理尚不明确，需进一步研究，且该法能耗较高，较难大规模使用。

此外，利用零价铁在水中厌氧腐蚀产生氢气给微生物提供电子供体也是目前研究的一个方向，其原理主要包括方程式（1-3）的生物脱氮反应和前期零价铁的产氢：

Fe⁰+2H₂O→H₂+Fe²⁺+2OH^–                                                （1-3）

但是，由于零价铁本身会跟NO₃^–-N发生一定程度的反应产生NH₄⁺-N，这并不是反硝化反应所需要的产物，在各种原材料中，Susham等利用钢丝绒作为产氢的原材料，发现其产生的NH₄⁺-N的量最小，但为了减少NH₄⁺-N的产生量，钢丝绒的浓度也需设的很低，同时为了保证脱氮效果，又必须提高HRT到约13d。目前也有将纳米铁代替零价铁和氢自养反硝化菌相结合，可大大提高脱氮反应效率，但该技术尚处于起步阶段，仍需深入研究。

总结：（1）H₂的来源一直是个难题，需要解决氢气利用率；（2）零价铁和NO₃^–-N发生反应产生NH₄⁺-N；（3）氢自养反硝化是一个产碱消耗酸过程，造成pH升高，会影响微生物代谢或者引起矿物质沉淀，降低反硝化速率，在pH>8.6时造成亚硝酸氮积累，脱氮速率严重降低。