1.1.2.2硫自养反硝化（还原态硫为电子供体）

硫自养反硝化是始于20世纪70年代的利用硫杆菌属进行自养反硝化脱氮的技术，也是目前自养反硝化的重点研究方向。硫自养反硝化是指在缺氧或厌氧条件下，某些光能营养型、无机化能营养型的硫氧化细菌，可利用还原态硫（S2-，S0，SO32-，S4O62-，S2O32-等）作为电子供体，以NO3–-N为电子受体，同时通过氧化还原态硫获取能量，将NO3–-N还原为氮气的过程。

迄今为止，人们已经证实硫杆菌属（Thiobacillus）有8种：脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）、排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus）、那不勒斯硫杆菌（Thiobacillus naples）、氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）、氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）、新型硫杆菌（Thiobacillus novellas）、中间硫杆菌（Thiobacillus intermedius）、代谢不全硫杆菌（Thiobacillus perometabolis）。其中脱氮硫杆菌是较为特殊的一个种，它能在胞外聚集单质硫，在厌氧条件下以硝酸盐作为电子受体进行生长。脱氮硫杆菌为革兰氏阴性菌，细胞形态为短杆状，长度约0.5×（1.0～3.0）μm，具有内褶结构，端生鞭毛，运动性强，专性自养，兼性厌氧，最适pH值为中性，在8～37℃范围内均能生长，最适生长温度为28～30℃，是中温菌。广泛分布在土壤、淡水、海水、矿山的排水、阴沟污水、含硫温泉以及硫沉积的地方。脱氮硫杆菌对高盐环境的适应性不强，如当硫酸根浓度超过250mmol/L时，由于总离子强度的升高其生长将受到抑制。

1904年Benjeric首先分离到脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans），之后Baalsurd研究了它的生理特性。脱氮硫杆菌广泛存在于土壤、淡水和海洋沉积物、污水处理池中，特别是厌氧条件下能够大量生长。脱氮硫杆菌是化能自养型细菌，在氧化硫化物的过程获得能量，并以硝酸盐为电子受体。因此，这是一类在废水同步脱硫反硝化处理工艺中起主要作用的微生物。脱氮硫杆菌能够利用的氮源范围很广，包括氨盐、硝酸盐、亚硝酸盐以及氨基酸等。在厌氧条件下，硝酸盐因作为电子受体而被还原并生成氮气。在硫循环体系中，好氧条件下，脱氮硫杆菌以氧为电子受体氧化还原硫化合物而获得能量。厌氧条件下，脱氮硫杆菌以反硝化反应的方式同时参与硫、氮循环，以硝酸盐中的氧来氧化硫化合物。

脱氮硫杆菌是一种专性自养和兼性厌氧型细菌。在好氧条件下可以将硫单质和硫化物氧化为硫酸盐。在厌氧条件下，利用硝酸盐作为电子受体，可以进行自养反硝化。由于该菌株有脱硫反硝化的特性，近年来越来越多的研究利用脱氮硫杆菌来抑制微生物腐蚀、从工业废气或者天然气中去除硫化氢（H2S）气体，去除受污染水体中的硝酸盐和废水同步脱氮除硫处理等应用。

几种利用硫及其还原性硫化物作能源的反硝化反应式如下：

1.1S0+NO3–+0.76H2O+0.4CO2+0.08NH4+→0.5N2+1.10SO42-+1.28H++0.08C5H7O2N     （1-4）

0.844S2O32-+NO3–+0.086HCO3–+0.347CO2+0.434H2O+0.086NH4+

→0.5N2+1.689SO42-+0.697H++0.086C5H7O2N     （1-5）

0.421H2S+0.421HS−+NO3–+0.086HCO3−+0.346CO2+0.086NH4+

→0.5N2+0.842SO42–+0.262H++0.086C5H7O2N+0.434H2O    （1-6）

从上述反应式可知，（1）硫自养反硝化反应过程产酸，一般处理后出水呈弱酸性，由于硫自养反硝化菌的最适生长pH为中性，当pH过低会造成亚硝酸盐的积累，因此需要向反应器中投加碱或调节初始水质pH偏碱性；（2）硫自养反硝化过程一般要求兼氧环境DO<1mg/L，温度对脱氮速率影响较大，随着温度的下降，脱氮速率呈减小趋势，其影响在温度为20℃左右时最为显著。Claus、Trouve等[研究发现硫自养反硝化过程中由于温度、pH、S/N比等环境条件的影响，会产生中间产物NO2–-N，对硫自养反硝化有明显的抑制作用。（3）由公式（1-4）、（1-5）可知采用硫代硫酸盐为电子供体去除硝酸盐效率高于单质硫，但是产生的硫酸盐对于2种电子供体去除效果影响，后者低于前者。

与异养反硝化不同，硫自养反硝化具有两个优势：①不需要投加有机物作为碳源，节省资源的同时防止二次污染的产生；②产生的污泥量极少，因此降低到了污泥的处理量和处理费用，但硫自养反硝化过程会消耗碱度且产生较高浓度硫酸盐，当采用不同还原性硫时，硫自养反硝化产物和中间产物内部一样，主要会产生NO2–盐或者NO2–盐瞬间积累。

1.1.2.3铁自养反硝化（单质铁或者二价铁为供体）

铁自养反硝化脱氮菌可以利用单质铁或二价铁为电子供体来进行反硝化反应，在厌氧的条件下，硝酸根代替氧气成为电子受体，硝酸根氮被还原为氮气。其反应原理如下图所示：

铁的自养反硝化是一个比较复杂的过程，大致可分为两个阶段：一是铁腐蚀析氨，二是反硝化。第一阶段的反应式如下：

Fe0＋2H2O→H2＋Fe2＋＋2OH–                                           （1-7）

铁腐蚀产生的氢气可被反硝化还原菌所利用，将硝酸盐还原为氮气，反应方程式如式1-8所示。零价铁在一定条件可以式与硝酸盐直接发生化学还原反应，将硝酸盐过还原为氨氮，如图1.1左侧所示，其反应式为：

2NO3–＋5H2→N2＋4H2O＋2OH–                                                                 （1-8）

4Fe0＋NO3–＋7H2O→4Fe2＋＋NH4＋＋10OH–                                    （1-9）

铁与硝酸盐的生物反硝化过程的总反应式为：

5Fe0＋2NO3–＋6H2O→5Fe2＋＋N2＋12OH–                                 （1-10）

根据热为学研究证明，式1-9与式1-10的吉布斯自由能变分别为620kJ、1147kJ，可知在铁、硝酸盐、反硝化细菌共存的条件下，铁与硝酸盐优先进行生物反硝化过程。

铁自养反硝化是一个产碱的过程，随着反应的进行，pH逐渐升高，反硝化过程逐渐受到抑制，亚硝酸根产生积累。

Young等人在1964年就尝试以铁粉作还原剂脱除饮用水中硝酸盐氮，但约有75%的硝酸盐氮转化为氨氮，反应中需要调节pH值。

Huang Chin-Pao等人研究了pH值和铁粉量与硝酸盐浓度的比例对硝酸盐去除率和去除速率的影响。结果表明，在pH小于或等于4时，铁粉的表面积与硝酸盐的初始浓度之比为120m2/molNO3，或者比例更高些时，铁粉能够在1小时内通过还原作用去除硝酸盐。

Cheng等人研究了在有氧条件，不同pH值下的铁粉对硝酸盐的还原作用。在pH＝7的条件下，反应是一个放热的过程（460kJ/mol），反应产物为氨氮和Fe2+。

NO3–+10H++4Fe0→NH4++3H2O+4Fe2+                                       （1-11）

由于反应中需要消耗氢离子，所以为了使反应得以进行，必须在反应过程中加入酸和采取pH的缓冲措施。同时反应速度快慢的依次是：pH=5>pH=6>pH=7。铁粉还原法的原理都比较相似，所以有着共同的缺点：（1）反应中需要严格地调节pH值（产碱过程）使得反应得以进行；（2）反应后的水中有较多的氨氮和硝酸盐氮，所以仍然需要后续的处理。

1.1.2.4以NH4+为电子供体的自养反硝化（Anammox）

厌氧氨氧化菌种在厌氧条件下，以亚硝酸盐为氧化剂，把氨氮氧化为氮气和硝酸盐，反应方程式如下：

NH4++1.31NO2–+0.0425CO2→1.045N2+0.22NO3–+1.87H2O+0.09OH–+0.0425CH2O   （1-12）

厌氧氨氧化菌种是Anammox工艺的基石，其生长能力和代谢能力是Anammox工艺的灵魂，其代谢活性高，对基质亲和力强，但是其生长慢（倍增时间11d），细胞产率低（0.11g/g，VSS/NH4+_N），其启动时间长（需要积累反应器需要菌种数量），和运行不稳定（细胞流失大于生长）的缺点，根据上述公式，硝态氮产量约为氨氮的22%，意味着Anammox工艺出水需要补充处理。