自养反硝化脱氮（四）
1.2.2.2硫-石灰石自养反硝化（SLAD工艺）
脱氮硫杆菌是一种兼性自养菌，革兰氏染色阴性，无抱子，这种菌将硝酸盐还原成氮气的同时，将硫或其化合物氧化为硫酸盐.这种菌进行反硝化所要求的环境条件是：厌氧、pH中性、无机碳源，当满足以上条件时，发生如下反应：
6NO3–+5S+2H2O→3N2+5SO42-+4H+ （1-23）
同时有一部分硝酸盐合成为有机氮化物，成为菌体的组成，其过程如下：
NO3–→NO2–→NH2OH→有机氮
总反应式为：
1.143S0+NO3–+0.337CO2+0.0842NH4++0.699H2O→
0.5N2+1.1143SO42-+1.228H++0.0842C5H7O2N （1-24）
2CaCO3+2H+→Ca(HCO3)2+Ca2+ （1-25）
Ca(HCO3)2+2H+→2H2CO3+Ca2+ （1-26）
从上式可以看出，硫自养反硝化过程中产生了H+，导致pH降低，但脱氮硫杆菌自养反硝化过程的最佳pH为6.8~7。因此环境中需要有一定的碱度，与产生的H+发生反应以便维持中性环境。此外，自养反硝化过程需要无机碳合成细菌细胞，故在中加人石灰石，既为细菌生长提供了无机碳，又维持了pH中性环境.
石灰石主要成分是碳酸钙（CaCO3），是一种使用十分广泛的建筑材料，也是许多工业生产中重要的原料。碳酸钙是一种白色粉末，无臭无味，放置在空气中不发生反应。几乎不溶于水，不溶于醇，呈碱性，和酸性液体会发生中和反应。分子式为CaCO3，分子量为100.09，熔点为1339℃，相对密度为2.93g/cm3。碳酸钙经过高温灼烧可生成氧化钙，分子式为CaO。氧化钙吸收水分后生成氢氧化钙，分子式为Ca(OH)2，氢氧化钙微溶于水，会吸收空气中的二氧化碳生成碳酸钙。
碳酸钙在有水分存在时呈弱碱性，能和酸性物质发生中和反应。碳酸钙在有二氧化碳和水存在的情况下水解生成碳酸氢钙。碳酸氢钙易溶于水，溶液呈弱碱性，并具有一定的缓冲作用。
石灰石投入酸性溶液中会发生一定的中和反应，使得一部分钙离子以游离的形式进入溶液。当溶液中存在硫酸根时会生成硫酸钙沉淀，去除硫酸根污染。
由于石灰石溶解度较低，不能提供足够的碱度，因此一些学者考虑采用其他材料或改变石灰石的加入方式以此来提高碱度。如李璟等使用沸石代替石灰石作为反应填料，研究表明：在硫/沸石固定床反应器中通过自养反硝化作用可有效去除水体中NO3–-N，在不投加CaCO3的情况下，出水pH可始终维持7.0。李天昕等用硫与石灰石粉混合造粒的方式制备填料，使填料表面附着的硫与石灰石分布均匀，因此提高了系统对pH值的缓冲能力，且可保持TN去除率在80%左右，出水pH为中性。Moon等研究了初始碱度对硫自养反硝化反应的影响，发现要使硫自养反硝化反应达到较好的效果，需将初始碱度设为理论值的2倍。阮赟杰等采用硫/珊瑚石作为填料来进行硫自养反硝化反应，在不外加碱的情况下，出水pH可保持高于7.08，并且在0.092~0.246kg/m3·d的进水硝酸盐氮负荷下，对NO3–-N的去除率保持在95%以上。除了用碱性填料来中和自养反硝化产酸，王海燕等将硫自养反硝化与电解产氢自养反硝化结合起来，在减少以硫作为电子供体产生过多SO42-的同时，可以将硫自养反硝化阶段产生的H+作为电化学产氢的前驱物，反应器出水呈中性，硫自养反硝化段可不必加CaCO3调pH而避免出水硬度的增加，但电解产氢的费用较高、操作难度较大。
总结：（1）硫–石灰石自养反硝化能部分解决碱度问题，但是石灰石本身对脱氮没有贡献，却占据了反应器相当大的体积， 减少了单位体积反应器同步脱氮除磷的效率，易板结，水力停留时间长，出水硬度、总溶解固体增加。
（2）石灰石能够有效中和系统中的H+，且产生的CO2和CO32-可以为自养菌的生长提供无机碳源；
（3）产生的Ca2+可以与水中的PO43-反应生成磷酸钙沉淀，使系统兼有脱氮除磷功能，且系统中总磷主要以化学沉淀法被去除。
1.2.2.3电化学氢硫集成自养反硝化工艺
结合直接电解供氢法和硫自养反硝化，开发出了电化学氢硫集成自养反硝化工艺，该工艺结合了电极-生物膜氢自养反硝化和硫自养反硝化SLAD系统的优点，避免了二者的缺点。工艺反应器上段采用电化学氢自养反硝化，下段采用硫自养反硝化，有利于2种反应H+的互补；硫段产生的H+可被电化学氢段反硝化消耗利用，一方面有助于电化学氢段反硝化的顺利进行，另一方面，硫段可不必添加石灰石来调节pH，避免了出水硬度的增加，进一步提高了反硝化能力，在最优运行条件范围内出水NO3–去除率可达90%以上，并且出水中无NO2–-N积累，最大体积负荷可达0.38kgNO3–-N/m3·d。
为强化电极生物膜法的深度脱氮效率，研究者们分别从提高反应器中自养反硝化细菌生物量和电流效率两个方面进行了探索。曲久辉等开创性地在传统的二维电极反应器中填装一定体积的填料，成为第三极，称为三维电极生物膜工艺（3 Dimensional Biofilm-electrode Reactor，3DBER），该举措有效增大了反应器电极表面积，从而丰富了体系的微生物量、提高了电流效率。Zhou利用3DBER去除微污染地下水中的硝氮和有机物，并将其静态和动态运行特性与二维电极生物膜反应器进行了比较。结果发现，3DBER比二维电极生物膜反应器的NO3–-N和COD去除效率都出现了明显提高，并且NO2–-N积累量也出现了明显的减少。李素梅等针对污水厂二级出水中TN的深度去除，运用3DBER进行探索试验，并对3DBER的较好的运行特性从宏观和微观两个角度进行了深入研究。结果表明，异养和自养两种反硝化细菌的存在，使三维电极生物膜工艺对低碳氮比城市污水处理厂生物处理后尾水有较好的深度脱氮效果；16S r DNA克隆文库分析结果表明，反应器填料生物膜中的优势菌属为具有反硝化功能的细菌Thauera，Enterobacter 和Comamonadaceae。但是，与传统异养脱氮工艺相比，3DBER还是存在HRT过长，去除效率较低的弊端。
总结：可适用用饮用水处理，电极成本高，碳棒电极溶解严重。
1.2.2.5硫—铁（单质和化合态）耦合自养反硝化工艺
从上述S、Fe自养反硝化的机理可看出，单独的铁自养反硝化与硫自养反硝化在实际应用中存在的不足，硫自养反硝化过程消耗城度，而铁自养反硝化产生碱度，将两者结合，控制一定的比例，可很好的维持反硝化体系的pH值。此外，S/Fe协同自养反硝化过程中，铁作为电子供体，可分担硫的负荷，减少出水硫酸根的生成，在处理离硝酸盐浓度、低碳氮比的贫水时，S/Fe协同自养反硝化具有很好的应用前景。
（1）硫—铁（单质）耦合工艺
以硫自养反硝化为主、铁化学还原为辅的脱氮及铁化学沉淀除磷的方式进行污水的深度脱氮除磷。该工艺在硫自养反硝化过程中产生H+，能够更好地促进铁的溶出，既能消耗产生的H+，确保出水的pH保持稳定，又能通过溶出的铁沉淀作用更好地去除磷酸盐，达到同时深度脱氮除磷的目的。
在硫铁耦合工艺中，电子转移如图1-4所示。
图1-4 硫铁耦合工艺电子转移示意图
在脱氮硫杆菌的作用下，单质S失去电子变成SO42-，NO3–得到电子被还原成N2，当还原不充分时，会有NO2–的产生；同时，单质Fe也具有较强的还原作用，Fe失去电子变成Fe2+，NO3–被还原生成NO2–和NH4+；生成的一部分NO2–被直接还原成N2，一部分NO2–与NH4+结合，通过厌氧氨氧化的作用生成N2释放到空气中，这样，将污水中的NO3–去除。同时，硫自养反硝化产生的H+还会促进Fe溶出，从而增加除磷效果。
硫磺为硫自养反硝化所用硫源，同时以铁为碱度补充，维持反硝化过程中环境pH稳定，创造良好的反硝化环境。对于磷酸盐的去除，主要是通过铁离子铁与磷酸盐结合形成沉淀将磷酸盐去除，而铁离子的产生主要有三方面，首先是反硝化产生的H+与铁反应产生Fe2+、Fe3+，其次零价铁也可还原硝酸盐，同时产生Fe2+、Fe3+，最后，由于所用填料铁为铁与碳化铁的合金，当填料铁浸没在水中时，会形成微型电池回路，加速铁的腐蚀。
工艺缺点：
1、硫酸盐问题，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。
2、铁也会还原部分硝酸盐，最终产物80%为氨氮。硫铁耦合工艺在实际运行中，会有一部分氮被还原为氨氮，但所占比例较少。
实际运行上所存在的问题：
- 由于该工艺有铁的加入，因此硫铁工艺相比纯硫工艺更容易发生板结，简单的水反冲有时候并不能将板结填料打散，填料反冲洗方式待优化。
硫-铁耦合载体填充床在除磷过程中铁的转化以及电子的转移如图1-5所示
图1-5 铁的转化及电子转移示意图
单质铁在失去电子后变成Fe2+，Fe2+一方面与溶液中的PO43-结合生成Fe3(PO4)2沉淀，一方面在O2的作用下被氧化为Fe3+，Fe3+一方面结合水中的OH–和PO43-生成Fe(OH)3和FePO4沉淀，另外还有部分的Fe2+与OH–生成Fe(OH)2，Fe(OH)2在O2存在的条件下被氧化为Fe(OH)3，Fe(OH)3很容易分解变成Fe2O3，即铁锈。铁锈、Fe3(PO4)2和FePO4附着在填料上，粘结填料，从而影响填充床的运行。由于二级出水中TP浓度较低，生成的Fe3(PO4)2和FePO4量不大，因此，沉淀物的主要组成是铁锈，还有少量的Fe3(PO4)2和FePO4。因此，要想防止因填料板结而引起的填料堵塞问题，必须要阻止铁锈的生成以及及时清除生成的Fe3(PO4)2和FePO4。
- 当DO脱除不完全时，O2进入脱氮填料层，会引起脱氮效果下降，同时也会导致铁表面出现氧化膜，从而影响除磷效果，因此，必须严格控制进水DO浓度。
（1）脱氧
铁锈的形成有两个必要因素：水和O2，因此要防止铁锈的生成，需要对进水进行除氧，而且硫自养反硝化需要在缺氧条件下进行，所以去除O2不但可以有效地防止铁锈生成，而且有利于NO3–-N的去除，降低NO3–-N的出水浓度。上述脱氧方法的主要原理分为三种：①加热，当水温升高时，O2的溶解度下降，继而从水中溢出；②降低氧的分压力，当水面上方氧分压很低甚至为零时，水中的氧气就会从水中源源不断地析出，从而达到脱氧的目的；③参与反应，使水中游离态氧参与生化反应，继而变成化合态氧，以此来去除水中的溶解氧。相对于其他方法，生物法具有价格低廉和操作容易的优点。以化学法为例，
反应方程式如下：
亚硫酸钠除氧：2Na2SO3+O2→2Na2SO4 （1-27）
根据反应式，去除1mgO2，理论上至少需消耗7.875mgNa2SO3，同时生成8.875mgNa2SO4。
脱氮硫杆菌在有氧条件下的生物脱硫过程为：
2S+3O2→2SO42-+2H+ （1-28）
由反应（1-28）可知，去除1mgO2，理论上需要消耗单质硫0.667mg，远小于亚硫酸钠的用量；单质硫的价格和亚硫酸钠的价格接近，可知，单质硫脱氧更为经济实惠。
（2）改变填充方式
在之前的研究中，硫铁填充床的填料采用完全混合填充，即是填料硫和铁完全混合，这种混合填充方式有利于填料的更好耦合，但是带来的问题就是铁生锈后，粘连了硫，形成的混合物质严重影响传质，导致填充床的过水阻力增加，处理效果降低。为此，可以通过改变填料的填充方式，将完全混合式变成分层填充，使铁和硫一定程度地分开，这样可以避免大量铁和硫的粘连，在一定程度上延缓板结的发生。
（3）反冲洗
在硫铁填充床中，生成的Fe3(PO4)2和FePO4以及其他磷酸盐和铁的沉淀物附着在填料上，随着运行的进行，积累的沉淀越来越多，也会增大填料的过水阻力，影响处理效果。可以采用反冲洗解决上述问题。然而不同的填充床，反冲流量、反冲时间以及反冲周期均有不同的要求，需要通过试验加以确定。
3、色度，铁的溢出不仅靠反硝化所产生的H+与铁反应，同时铁自身也会通过微型电池回路溢出，因此，出水中铁离子会存在过量的情况导致出水有一定色度（亚铁？三价铁？）。
4、中试填料填充方式是将装有铁的镂空塑料球与硫磺颗粒混合填充。但当铁消耗完后，填料铁如何补充有待解决，或开发更好的填料混合方式。
5、硫为易燃固体，而且也很易带静电而产生火花导致爆炸，继而燃烧引发火灾。硫的运输、储存和使用会带来一定的安全隐患。
（2）硫—FeS2（黄铁矿或硫铁矿）耦合工艺
黄铁矿的主要成分是FeS2，熔点1171℃，密度5.0g/cm3，在室温下为非活性物质，温度升高后则变得活泼。空气中能够被氧化为三氧化铁和二氧化硫。目前对黄铁矿的研究主要集中在矿山中黄铁矿的分布，以及对找矿的意义上。另外对黄铁矿在选矿和浮选中的研究也比较多。黄铁矿中的-1价硫元素失电子被氧化，不仅能生成+6价的硫酸根，在条件适宜的时候还可能生成0价的硫单质和+4价的二氧化硫，而硫单质和二氧化硫能够继续被氧化，最终生成+6价的硫酸根。
目前对利用黄铁矿去除硝酸盐氮的自养反硝化细菌的研究还比较少，自养反硝化细菌脱除硝酸盐氮需要电子供体，而地下水中缺少氧气，且有机营养物质匮乏，硝酸盐氮的去除常常受到电子供体不足的制约，因此需要额外添加电子供体。张彦浩等提出了利用氢自养反硝化细菌处理硝酸盐污染的地下水。万东锦等提出了利用硫自养反硝化去除地下水中硝酸盐。而利用黄铁矿作为电子供体的在国内研究中还很少见。
国外一些学者已经进行了相应的研究，证明了天然的反硝化的发生是和地球化学或是和黄铁矿氧化相耦合，并总结了利用黄铁矿作硫源的反硝化反应的表达式。
黄铁矿提供电子的反硝化（厌氧或者缺氧）反应的表达式为：
14NO3–+5FeS2+4H+→7N2+10SO42-+5Fe2++2H2O （1-29）
如果反应过程中
Fe2+被氧化：
NO3–+5Fe2++6H+→0.5N2+5Fe3++3H2O （1-30）
和黄铁矿氧化相耦合的反硝化反应整体的表达式为：
NO3–+0.33FeS2+0.67H2O→0.5N2+0.67SO42-+0.33Fe(OH)3+0.33H+ （1-31）
15NO3–+5FeS2+10H+→7.5N2+10SO42-+5Fe3++5H2O
从反应式可推论得知，黄铁矿中的硫元素可以作为电子供体将硝酸盐氮还原成氮气排出，降低硝酸盐氮的污染。同时黄铁矿中的-1价硫元素会失去电子，被氧化成+6价的硫酸根离子，黄铁矿中的+2价亚铁离子也可能被氧化，失去电子生成+3价的铁离子。并且此过程中还生成一定的氢离子，使得菌液中pH值有所下降。而在硫源过量电子供应充足的情况下，硫元素失去电子被氧化的产物中的硫元素可能不完全是+6价。反应最初，-1价的硫元素氧化不完全时可能会生成一部分0价的硫单质和含+4价硫元素的亚硫酸根离子，并且亚铁离子的氧化也可能进行缓慢或暂时不发生氧化反应。随着反硝化反应的继续进行，作为电子供体的硫铁矿逐渐被消耗，电子供应相对不足时，硫单质和亚硫酸根中的0价和+4价硫元素也会被氧化为+6价，生成硫酸根离子，同时+2价亚铁离子也会被氧化生成+3价的铁离子。
现在国内外的研究主要集中在描述以黄铁矿作为硫源的反硝化反应，并评估其可行性。并且对通过增加投入几种无机电子供体来提高自养反硝化，如零价铁、亚铁离子、以及硫元素的研究较多，由黄铁矿和其他硫化矿进行硝酸盐还原的研究则相对较少。在这些研究中，黄铁矿作为电子供体一直受到质疑，只有约根森等圆满完成了反硝化与黄铁矿氧化的偶联。他们利用沙质含水层中的沉积物进行了黄铁矿的反硝化实验，表明了黄铁矿的加入能够提高硝酸盐还原率。
试验研究过程中发现，虽然对黄铁矿氧化反应的研究较多，但大部分是集中在地下水方面的研究，在水处理方面相关的系统研究和应用还较少。同时相对硫磺而言，以黄铁矿为硫源还有下列优点：（1）黄铁矿来源更广泛，更廉价；（2）黄铁矿作为硫源自养反硝化的同时会产生硫酸铁、硫酸亚铁，其可以用作混凝剂去除水中的磷，达到同步脱氮除磷的目的，正好解决在化学沉淀去除水中的磷时混凝剂成本高的难题。（3）黄铁矿好氧氧化时，产生H+，厌氧氧化时消耗H+，二者结合可以减少H+的产生，减少石灰石的消耗，从而避免系统出水硬度过度提高的缺点。
（3）硫—FeS（磁黄铁矿）耦合工艺
天然磁黄铁矿（是磁黄铁矿族中的一种铁的硫化矿物，主要成分是硫化亚铁，但是其中铁和硫的比例通常低于1:1，组成范围为Fe7S8～Fe11S12，它的成分中含有硫达40%，天然磁黄铁矿中还存在三价铁等一些非硫化亚铁成分，比重4.6-4.7g/cm3、微溶于水，天然磁黄铁矿具结晶度高、 颗粒大、比表面积小等特征，表面活性偏低，磁黄铁矿具有较高的反应活性，能够提供微生物所需的其它营养元素）为碳源，其代谢产物铁离子及磁黄铁矿本身用来去除水中的磷，实现生物脱氮与化学脱氮的自然耦合。磁黄铁矿在微生物的作用下与硝酸根的反应式如下：
9NO3–+5FeS+8H2O→4.5N2+9SO42-+5Fe(OH)3+H+ （1-32）
7NO3–+5FeS+2H+→3.5N2+5SO42-+5Fe2++H2O
NO3–+5Fe2++6H+→0.5N2+5Fe3++3H2O
从（1-31）、（1-32）中可见去除同样多的硝酸根，使用磁黄铁矿时所产生的H+只有使用黄铁矿（黄铁矿、褐铁矿在惰性气氛下焙烧，可以获得多孔结构化的磁黄铁矿材料）时产生的H+的三分之一，极大地减少了碱度的需求量，因而只需利用水中的碱度就可以保持系统的pH变化不大。
（4）硫—碳酸亚铁（菱铁矿）耦合工艺
Widdel等人于1993年首次发现在厌氧条件下，紫色非硫光合细菌可以利用Fe2+作为电子供体。随后，Ehrenreich等人研究了此类利用Fe2+作为电子供体的光合细菌的生长生理过程，以及与已知的紫色硫细菌之间的联系。在厌氧条件下，含有Fe2+的限定矿物培养基（Fe2+的浓度为10mmol/L，并且大部分以FeCO3沉淀下来）富集了此类光合细菌，它们以Fe2+为唯一的电子供体进行光合作用。此类光合细菌生长环境的最佳温度为18~20℃，最佳pH为6.5~7.0。
Straub等人分别从淡水水体中的沉积物中筛选出化能型细菌，此类细菌可在厌氧条件并且不受光照的影响下，以亚铁离子为唯一的电子供体还原硝酸盐，即通过微生物的代谢活动进行反硝化。在pH=7并且有CO2和HCO3–存在的系统中，反硝化反应为：
10FeCO3+2NO3–+24H2O→10Fe(OH)3+N2+10HCO3–+8H+ （1-33）
10FeCO3+2NO3–+16H2O→10Fe(OH)3+N2+10CO2+2OH–
（硫—碳酸亚铁（菱铁矿）耦合：硫自养反硝化细菌以硫磺为电子供体， 将水中的硝酸根还原为氮气，去除水中的硝氮；菱铁矿提供无机碳源支持自养反硝化反应进行，并同时释放出铁离子化学除磷，从而实现的同步脱氮除磷。两者配合使用时，能够协同驱动污水深度脱氮，维持酸碱平衡，同时菱铁矿反硝化过程中产生二氧化碳，提供无机碳源，反应方程式如下：
0.86S0+5FeCO3+1.78NO3–+12.59H2O+0.06NH4+→
0.06 C5H7O2N +5Fe(OH)3+0.89N2+4.69CO2+0.85SO42- （1-34））
1.2.2.6硫自养反硝化总结
1、对比硝酸盐氮去除方式，硫（硫铁耦合）自养反硝化成本低廉，无需外加碳源，污泥产率低，是一种应用前途广泛的新型脱氮工艺；
2、硫铁耦合自养反硝化：硫自养反硝化细菌以硫磺为电子供体， 将水中的硝酸根还原为氮气，去除水中的硝氮； 单质铁、化合态态铁（黄铁矿、磁黄铁矿、菱铁矿）提供无机碳源支持自养反硝化反应进行， 并同时释放出铁离子化学除磷， 从而实现同步脱氮除磷。
2、硫酸盐问题，利用硫（硫铁耦合）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；通过添加其他物质如Ca2+、铁盐等物质可以降低硫酸盐浓度，增加硝酸盐去除量，同时能去除一定磷酸盐，达到除磷脱氮目的。