自养反硝化脱氮（三）
1.2国内外现状、水平和发展趋势
1.2.1氢自养反硝化（氢为电子供体）
氢自养反硝化是指一些无机营养型细菌利用氢气作为能源，以HCO3–或CO32-作碳源合成自身细胞，同时将硝酸盐还原为氮气的过程。氢气原料具有洁净无残留、利用率高、成本低廉、无需后续生物稳定性处理等优点，在近年来越来越多地受到研究者的关注。
由于氢气在水体中溶解度很小，如何使氢气能够在水中达到较好的传质和利用效果是制约该技术发展的关键。一般情况下，有以下几种方式将氢气通入水体供自养反硝化菌利用：（1）直接曝气；（2）通过电极电解产氢的方式将氢气溶入污染水体；（3）氢气在有压条件下通过无泡透气膜扩散进入水中或直接被膜外生物膜利用。
1.2.1.1直接曝气供氢技术
氢自养反硝化技术最早采用的是直接曝气供氢技术。Dries等采用一种双反应柱的循环体系，第一反应柱内装填有自养菌附着生长的聚亚胺酯材料，先向第一反应柱曝入氢气将硝酸盐还原，再在第二反应柱里将过量的氢气去除，残留的亚硝酸盐被氧化成硝酸盐，20℃时反硝化速率可达0.5kg/（m3·d）。Chang等将氢自养反硝化菌Alcaligenes eutrophus采用聚丙烯酰胺固定化处理成球状菌团，放入流化床内，从流化床底部曝入氢气，使固定化的菌团处于流化状态，菌团中的氢自养微生物利用溶解于水中的氢气进行自养反硝化，硝酸盐的去除效率（以氮计）达0.6～0.7kg/（m3·d）。但这种方法的缺陷在于氢气的利用效率不高，散溢到空气中的氢气有达到爆炸极限的风险。
1.2.1.2生物电化学反硝化反应器
在阴极表面原位产氢的条件下发生的生物反硝化即生物电化学反硝化（BER），氢自养反硝化菌利用阴极产生的氢气及阴极反应产生的低氧化还原电位（ORP）可以将硝酸盐还原为氮气。BER可将反硝化菌直接固定在阴极表面，使阴极产生的氢气被直接利用。BER的电极反应式见式（1-13）和式（1-14）。
阳极反应：5H2O→2.5O2+10H++10e– （1-13）
阴极反应：10H2O+10e–→5H2+10OH– （1-14）
而阴极上自养反硝化反应中NO3–的还原过程反应式见式（1-15）～式（1-16）。
2NO3–+2H2→2NO2–+2H2O （1-15）
2NO2–+2H2→N2O+H2O+2OH– （1-16）
N2O+H2→N2+H2O （1-17）
由式（1-13）～式（1-17）得阴极上自养反硝化的总反应式见式（1-18）。
2NO3–+6H2O+10e–→N2+12OH– （1-18）
综合以上式（1-15）～式（1-18），生物电化学反硝化反应可表示为式（1-19）。
2NO3–+H2O→N2+2.5O2+2OH– （1-19）
BER的设计主要包括电极材料、数量、排列方式等。颗粒活性炭、石墨及一些金属如不锈钢、镍、铜、钛等均可用做BER反应器的阴极。Szekeres等研究了一种双反应器的生物电化学反应装置，反应包括两个阶段，水首先通过电化学槽中的阴极柱产生氢气，然后在生物反应器里进行反硝化。这种生物反应器是一个装满活性炭颗粒的填充床，水连续不断地由下而上流动。该反应器在不同的水流速和电流强度下运行了一年，反硝化速率达0.25kg/（m3·d）。Park等采用BER反应器直接阴极产氢的方式处理高浓度硝酸盐废水，在电流200mA条件下驯化60d，获得98%的硝酸盐去除率。Wan等采用膜电极和硫自养反硝化相结合方式处理硝酸盐污染地下水，在硝酸盐体积负荷0.12~0.24kg/（m3·d）时，可以获得很好的脱氮效果；膜电极部分的脱氮效果取决于电流，最优的电流为30~1000mA。BER是崭新的技术，目前既没有成熟的技术应用指导文件，也尚未见规模化的工程应用报道。今后的研究应集中于电极的材料、形状以及BER的模型模拟、参数优化等方面。
电化学供氢的地下水脱氮工艺，解决了因氢气溶解度小而利用率低的问题，其基本原理是：微电解过程中阴极产生的氢被附着于阴极面的反硝化细菌所利用，从而完成对硝酸盐氮的还原。用这种方法净化硝酸盐氮污染源水时，对于进水中不同含量的硝酸盐氮可通过调节电流大小（一般在0～100mA）来达到相应的净化效果，其设施简单，安全，操作管理简单，净化费用低廉。但与异养生物反硝化相比，这类工艺单位体积反应器的处理能力仍较小，因而其更多的应用是其它方法进行集成。
1.2.1.3膜-氢基质生物膜反应器
膜-氢基质生物膜反应器（MBfR）则是将微孔膜和氢自养生物膜工艺结合起来的无泡供氢新工艺。与传统的膜生物反应器（MBR）是利用中空纤维膜的物理截流作用将悬浮活性污泥截流在生物反应池内，实现水力停留时间和污泥泥龄的分离，促进反硝化的效果；而MBfR则是在一定压力和膜孔径条件下，氢气以无泡扩散的形式向膜外传递，并可扩散至膜外的生物膜层中，被膜上生长的氢自养还原细菌利用，强化了气液传质，提高了氢气利用效率，降低了处理成本，且有效防止了爆炸隐患的产生。在MBfR中，中空纤维膜可无泡扩散气体，并作为生物膜的附着载体，使氢气在透过中空纤维膜外生物膜的过程中被微生物利用，同时将氧化性污染物还原为低毒或无毒产物。MBfR的核心构件是膜单元，膜的材质有无机和有机材料。膜单元普遍采用中空纤维膜，其膜外径较小，具有较大的比表面积。疏水性中空纤维膜使得氢气更容易在膜孔中扩散并与污染物充分接触，并可减少膜污染的发生。
MBfR反硝化过程示意见图1-2。
图1-2 MBfR反硝化过程示意见图
在MBfR中，受污染的水体在膜层外部流动，氢气以一定的压力通入中空纤维膜内腔，在压力的作用下从膜的内层通过微孔扩散到外层，在通过纤维膜外生长的生物膜过程中被生物膜中的氢自养细菌作为电子供体而利用，同时氢自养细菌将污染水体中的硝酸盐还原为氮气，从而达到净化水质的目的。
在反硝化过程中，会消耗H+，造成pH升高，这可能会影响生物代谢或者引起矿物质元素沉淀，降低反硝化速率。在pH＞8.6时，亚硝氮会积累，脱氮速率会明显下降。为避免pH上升，很多研究者通过投加磷酸盐缓冲剂降低pH，以提高反硝化速率。
1.2.1.4氢自养反硝化总结
优势：（1）氢气来源广泛，无毒无害，利用其作为电子受体进行反硝化，是一种能源有效利用的脱氮方式，可降低处理费用；（2）氢自养型反硝化菌利用无机物进行新陈代谢，无需任何有机碳源，生物产量低，以致污泥产率低。
存在的问题：（1）氢气易燃，在密闭区域达到一定量会引发爆炸，因此，需确保安全用气。（2）在氢自养型反硝化过程采用膜-氢基质生物膜反应器时，由于生物的繁殖和无机物的沉淀，会引起膜污染，而化学清洗会对生物产生不利影响，并造成大量微生物损失；（3）在低氮负荷处理下，会引起硫酸盐还原，降低出水质量，对此需进一步深入研究。
1.2.2硫自养、S/Fe协同反硝化（还原态硫、S/Fe协同铁为电子供体）
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，可在缺氧或厌氧条件下利用还原态硫（S2-，S0，SO32-，S4O62-，S2O32-等，不同硫化物的反硝化能力由强至弱分别为S2O32->FeS>FeS2>S）作为电子供体，通过还原态硫获取能量，同时以硝酸盐作为电子受体，将其还原为氮气，完成自养反硝化的过程。
图1-3 脱硫杆菌脱氮原理图
与异养反硝化不同的是，硫自养反硝化消耗碱度并产生高浓度的硫酸盐（见公式1-4~1-6）。该工艺中：
（1）硫磺最终转化产物为硫酸盐，根据反应式（1-4），每去除1gNO3–-N会产生7.45gSO42-，在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）和《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中规定硫酸盐浓度应低于250mg/L，因此利用硫自养反硝化工艺去除硝酸盐时，硝酸盐浓度应低于33.5gNO3—N/L。
（2）该工艺脱氮需要碱度，若将该工艺作为主体脱氮工艺，需要外部投加碱度或与其他填料耦合来补充碱度。
1.2.2.1单质硫硫自养反硝化
硫磺的主要成分是单质硫，且有少量钙、铁、铝、镁和微量硒、碲等元素。外观为淡黄色脆性结晶或粉末，有特殊臭味。分子量为32.06，蒸汽压是0.13kPa，闪点为207℃，熔点为119℃，沸点为444.6℃，相对密度（水＝1）为2.0。硫磺不溶于水，微溶于乙醇、醚，易溶于二硫化碳。脱氮硫杆菌在好氧条件下与一般硫杆菌相似，能将硫单质和亚硫酸盐氧化为H2SO4。
在厌氧的条件下，以单质硫和硫代硫酸盐作为电子供体氧化硫化物而获得能量，同时还原硝酸盐氮为氮气，实现反硝化作用，达到同步脱氮脱硫的效果。尤其适合处理同时含有高浓度硝酸盐氮和硫酸盐的污水。
脱氮硫杆菌可以利用不同的硫化物作为底物，通过氧化作用获取能量。作为自养菌，它以二氧化碳为碳源来合成细胞成分，组成细胞成分的氮源主要来自氨盐，所需矿质元素为钙、镁、磷、铁、钾等自养菌常规所需的元素。表1-1列出了脱氮硫杆菌获取能量的8种典型生化反应。由前（7）式可见，在有氧条件下，脱氮硫杆菌以O2为电子受体，可根据不同供氧量生成不同产物。可以推断，若在有氧条件下，利用脱氮硫杆菌氧化硫化物生成单质硫，控制较低的溶解氧值是关键因素。否则，继续曝气会生成氧化态硫化合物。
由表1-1第（8）式可见，在厌氧条件下，脱氮硫杆菌以NO3–为电子受体，氧化单质硫为硫酸盐的同时还原硝酸盐为氮气。从吉布斯自由能看，该反应过程产生能量很少。可以推断，若以硫化物作为电子供体，细胞可以获得更高的能量。这为寻求脱氮硫杆菌新的代谢途径提供了思路。
在厌氧条件下，硝酸盐又被作为电子受体而被还原。该过程的反应方程式如下：
55S0+50NO3–+38H2O+20CO2+4NH4+→25N2+55SO42-+4C5H7O2N+64H+ （1-20）
硝化过程产生的H+会降低环境中的pH值，而脱氮硫杆菌生存的最优pH环境为中性，因此要想中和反应，就必须向反应中投加碱（CaCO3为例）。
CaCO3+H+→HCO3－+Ca2+
HCO3－+H+→H2CO3 （1-21）
H2CO3→CO2+H2O
根据反应（1-20）和（1-21），每克NO3–N转化所需要的碱（如CaCO3）是4.57g（消耗碱的比例）。根据报道，从试验中获得的碱的消耗比例是2.9～4.6，因此这样高的碱消耗率会增加运行成本。两个方法可以解决这个问题：一个是利用石灰石作为碱的来源，建立硫－石灰石自养反硝化系统（Sulfur and limestone autotrophic denitrification system，SLAD）。虽然在自养反硝化过程中利用石灰石看起来是一种经济有效的方法，但是它仍然有不尽如人意的地方，如增加了排出物中总溶解固体（total dissolved solids，TDS）的量。同时，虽然这种方法对于NO3–N的含量低于100mg/L的污水处理是十分成功的，但是当处理高硝酸盐含量的污水（高于100mg/L）时，由于CaCO3在水中的溶解度很低，很难用石灰石提供碱，就会发现反硝化效率很低，并且有硝酸盐的积累。另一种减少碱的消耗的方法是利用异养反硝化作用产生的碱，也就是说将自养发硝化菌与异养反硝化菌混合培养，这样自养反硝化所需要的碱就可以从异养反硝化产生的碱中获得。反应方程式如下：
NO3–+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.47N2+1.68H2O+0.056C5H7O2N+HCO3－ （1-22）
鉴于脱氮硫杆菌具有脱氮的特殊性质，今年来对脱氮硫杆菌的应用研究十分活跃，但是也存在一些问题，如菌体生长的比较慢，对于温度及盐度的耐受性不够强等。限制了其应用范围。
Gommers等人利用脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans进行试验.结果表明：该细菌能以废水中的NO3–为电子受体，将硫化物氧化为单质硫，NO3–则被还原为氮气；反应器对废水中硫化物、乙酸和NO3–的去除效果都较好，负荷分别达到：硫化物2～3kg/（m3·d），乙酸4～6g/（m3·d），NO3–5kg/（m3·d）；氧化生成的单质硫被进一步氧化为SO42-的情况很少发生。试验中还发现，在缺少NO3–时，细菌能利用单质硫作为电子受体，并将其还原为硫化物.