0 引 言

目前，含有S2-和的工业废水产生、排放量越来越大，给自然生态环境造成了严重的危害。其中S2-可能会引起生物腐蚀，而且在酸性环境下还有可能会产生有毒有害的H2S，大量消耗水中的溶解氧，致使水生生物大量死亡，严重破坏水生生态系统[1，2]。

生物反硝化过程分为自养反硝化和异养反硝化，异养反硝化以有机碳源作为电子供体，以或作为电子受体；而在自养反硝化中，以无机物(如S2-、Fe2+等)作为电子供体，以或作为电子受体。近年来，众多国内外学者在氮循环路径中发现了硝酸盐异化还原成铵(DNRA)的现象[3，4]，有关DNRA作用的研究多集中在生态环境中，如河流、湖泊和海洋等地表水底泥和土壤及消化污泥，而针对活性污泥、生物膜脱氮系统研究较少。

本实验以乙酸盐和硫化钠同时作为电子供体，以作为电子受体，以序批式生物膜反应器(SBBR)中微生物群作为电子转移载体，通过不断降低C/S，影响异养和自养反硝化菌的微生物活性，提高自养反硝化路径在氮转移路径中的贡献占比，探讨电子供体对生物脱氮性能以及氮转化途径的影响。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本实验采用SBBR工艺，实验装置(图1)采用有机玻璃制作的圆柱形容器，内径为130 mm，高度为165 mm，有效容积2 L。实验用接种污泥取自西安市邓家村污水处理厂，采用醛化纤维及涤纶丝组合填料作为生物膜载体，悬挂于圆柱形容器内，内置磁力搅拌转子，容器置于恒温磁力搅拌器上从而控制水温和搅拌速度，转速为400 r/min，温度控制在25 ℃。通过蠕动泵和自动控制系统控制进出水，容器内分别放置DO、pH、ORP电极探头，实时监测系统运行情况。

反应器周期运行，通过自动监控系统完成进出水，进出水比为1∶1，进水pH控制在(7.70±0.10)，HRT=2 h。为了尽量减少其他因素对反应结果的干扰，在每次实验测定前，先将25 ℃清水放置于恒温装置上，用N2吹脱30 min，使其溶解氧(DO)<0.3 mg/L以待备用。同时，将生物膜用自来水清洗3次，以减小上一周期遗留物质对实验的干扰。准备工作结束后，将新鲜配制的进水注入反应器内，按照时间间隔采样收集以待测定。

在为2 mmol/L的条件下，通过改变有机碳源的浓度和S2-物质的浓度来探索不同C/S下的脱氮效率，运行条件见表1。

1.2 实验材料

实验用水采用人工配水，初期进水各物质浓度为：NaHCO3 800 mg/L、KH2PO4 350 mg/L、CaCl2 50 mg/L、微量元素2 mL；微量元素组分：H3BO3 50 mg/L、CuCl2 30 mg/L、ZnCl2 50 4H2O 50 mg/L、MgSO4·H2O 500 mg/L、CoCl2·6H2O 50 mg/L、AlCl3 50 mg/L、NiCl2 50 mg/L、浓HCl为1 mL/L。

1.3 分析方法

试样分析方法均采用国家环境保护总局发布的标准方测定采用纳式试剂分光光度法；测定采用紫外分光光度法；测定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；S2-测定采用亚甲基蓝分光光度法；测定采用USEPA1 SulfaVer4试剂浊度法；COD测定采用连华科技多参数水质快速测定仪；DO、pH采用WTWmulti3630 IDS测定；氧化还原电位(ORP)采用雷磁PHSJ-3F测定。

1.4 误差分析

采用纳氏试剂分光光度法检测，由于的测定在一定程度上受到S2-的干扰[5]，为消除该干扰，本实验利用35组单一状态不同浓度的S2-对的影响数据，绘制拟合曲线(图2，Pearson’s r=0.969>0.8)。本文中均采用此法处理：溶液中

1.5 DNRA过程占比n的计算方法

DNRA过程占比n按式(1)计算:

(1)

2 结果与讨论

2.1 C/S对异养反硝化的影响

2.1.1 不同C/S下含氮、硫组分变化

在生物脱氮过程中，可转化为N2、NO、N2O，本实验除检测的外，假设其余转化为含氮气体逸出，各含N物质组分见表2。当电子供体当量越小C/S为2∶1时，反应结束时N以液态的形式存在较多，说明脱氮效率较低。

不同C/S下含氮组分及含硫组分随时间的变化如图3所示。可知：当C/S为8∶1，4∶1，2∶1，2∶3时对应的反应速率分别为20.00，14.98，12.07，13.9 去除率为作为中间产物，其最大积累量总体呈现先增加后减少，最大积累量分别为3.09，6.75，9.53，3.67 mg/L，其对微生物的副作用可忽略不计；在电子供体转移过程中，1 mol CH3COO-完全去除需要转移4 mol e-，1 mol S2-完全氧化可转移8 mol e-，在图3中，电子供体总量约为40，24，16，32 mmol/L，说明电子供体过量时，积累量相对较小；其中，有机物(CH3COO-)可提供电子供体与无机物(S2-)可提供电子供体之比分别为4∶1、2∶1、1∶1、1∶3，说明当以有机物作为主要电子供体时，脱氮效率较高；通过n(C)/n(S)=8∶1和n(C)/n(S)=4∶1对比可发现，电子供体量(有机物)越高，脱氮效率越高，所需时间也越短。

2.1.2 不同C/S条件下COD变化

有机碳源和S2-以COD的形式呈现(图4)，COD的下降主要集中在0～60 min，即的还原过程主要发生在这一阶段，而后随着电子受体的大量减少，COD消耗缓慢。进水中COD不断增多的情况下，在C/S为8∶1，4∶1，2∶1，2∶3条件下COD消耗量分别为156.5，136.9，62.1，143.5 mg/L，随着COD消耗量的减少，脱氮效率降低，说明作为有限的电子受体时，过量的电子供体不仅提高了反硝化菌、DNRA过程菌对的获取能力，同时更有助于脱氮。而在n(C)/n(S)=2∶1情况下，有机物消耗量较少，电子供体明显不足，导致脱氮效果不佳。

综上，在同时投加有机碳源和硫化物作为电子供体的混养系统内，通过改变C/S，发现较高的COD会促进的去除。

2.2 C/S对硫自养反硝化的影响

由于初始溶液中受限，即电子受体有限，在有机碳源发生变化后，异养反硝化菌与自养反硝化菌会对产生竞争，说明在单独改变C/S的同时，系统内的微生物竞争关系会发生明显的改变。不断降低C/S，会对系统内的硫自养反硝化过程产生间接的影响，硫自养反硝化速率加快，导致硫自养反硝化占比增大。

由图3及含硫各物质组分(表3)可知：在去除过程中，具有还原性较强的S2-参与硫自养反硝化过程，进一步转化为等物质[6-8]，且含S中间物质均呈现先升高后降低现象。此处以n(C)/n(S)=2∶3为例，在图3d中，前20 min，足量的电子供体导致脱氮反应速度缓慢，波动较小，表3中n(C)/n(S)=2∶3时含S中间物质在30 min达到峰值，说明此阶段主要转换为等中间产物，其后和S2-均呈现增长迅速，而其他含S物质减少，说明含S中间产物作为电子供体参与硝酸盐、硫酸盐的还原过程。而初期硫酸盐的存在是由于日常含S进水生成的过量硫酸盐在微生物膜表面有附着，导致生物膜上一直有硫酸盐的积累[9]。

如表3、图3a、3d所示，在n(C)/n(S)=8∶1、n(C)/n(S)=2∶3条件下，由于电子供体的过量，S2-浓度整体均呈现先消耗后再次产生的现象，同时再次产生的时间分别为40，30 min，反应后期S2-浓度分别为13.9，21.6 mg/L，说明前期S2-消耗主要是由于硫自养反硝化，而后期S2-的生成是由于系统中存在的硫酸盐还原菌利用剩余的COD对硫酸盐、单质硫及不稳定的含硫化合物进行还原而产生[9]。在n(C)/n(S)=4∶1、n(C)/n(S)=2∶1中，S2-的去除率较高，可达到98.58%和100%；n(C)/n(S)=8∶1、n(C)/n(S)=2∶3时仅分别为56.56%和49.23%。

如图3所示，在n(C)/n(S)=8∶1、n(C)/n(S)=4∶1、n(C)/n(S)=2∶1、n(C)/n(S)=2∶3条件下，在各反应条件下达到的峰值分别为12.5，14，18.2，34.2 mg/L，净生成量分别为3.9，14.9，11.7，22.5 mg/L；通过图3c、3d在进水中电子供体明显增多后，电子受体有限，异养反硝化竞争能力减弱，导致自养反硝化菌对的获取能力相对增强，S2-无法传递更多的电子转化为而是转化为含硫中间产物，导致的净生成量会明显下降；同时反应器水样表面有白色悬浮层，可能是单质硫，这在Dolejs等[10]和Moraes等[2]研究中均得到了验证。

注：各组分质量按所含S元素计。

综上所述，在前期电子供体充足的情况下，硫自养反硝化生成硫酸盐及含硫中间产物；当电子受体消耗完时，硫酸盐还原菌利用剩余COD将不稳定含硫化合物还原为S2-，降低了S2-的去除效率。

2.3 C/S对DNRA的影响

如图在整个过程中均可以检测到，出水分别为1.7，4.9 mg/L；图3c n(C)/n(S)=2∶1条件下全过程未检测到产生；如图3a所示，在部分过程段可检测到，总体趋势呈先上升后降低至零。S2-在快速消耗的同时，的产生是由于初期电子供体足够且少量的存在条件下发生的DNRA现象，Eveline等[11]也认为电子供体充足且受限的环境下有利于DNRA过程的产生。分析不同条件下转移路径占比(表4)可知，n(C)/n(S)=2∶3条件下，DNRA路径可达到16.3%。

2.4 不同C/S时脱氮过程中ORP和pH的变化

在不断改变C/S后，异养反硝化与自养反硝化占比在不同阶段会有明显差异，间接导致系统内ORP及pH发生不同的变化。

不同C/S下ORP随时间变化如图5所示，在n(C)/n(S)=8∶1条件下ORP整体呈现逐渐下降的状态；n(C)/n(S)=4∶1条件下ORP变化范围较小；n(C)/n(S)=2∶1条件下，ORP呈现上升现象，硝酸盐物质剩余较多，说明电子供体不足导致脱氮效率低；n(C)/n(S)=2∶3条件下，呈现逐渐降低的现象，同时全过程均保持在<-400 mV，说明此条件下电子供体完全过量，反硝化速率相对较快。n(C)/n(S)=2∶3条件中0～10 min ORP快速下降，此时电子供体优先选择作为电子受体并将其还原为可将其作为还原的指示点；10～50 min有一个平台期，主要是作为电子受体进行反硝化，而后ORP呈现持续降低，电子受体减少，电子供体相对过量，同时伴随S2-的还原。

不同C/S下pH随时间变化如图6所示，pH变化趋势基本一致，前期由于反硝化阶段消耗氮源，释放OH-，导致pH上升，后期硫酸盐还原菌进行还原反应消耗OH-，产生S2-，所以导致pH下降并趋于稳定。实验中n(C)/n(S)=2∶1、n(C)/n(S)=2∶3条件下，pH上限依次升高，说明随着C/S下降，自养反硝化过程逐渐占优；同时反硝化过程中消耗同样的电子受体，S2-比有机碳源产生更多的OH-。n(C)/n(S)=8∶1、n(C)/n(S)=4∶1、n(C)/n(S)=2∶1、n(C)/n(S)=2∶3条件下，pH的峰值分别出现在10，50，50，30 min，基本与COD变化相吻合，而与S2-相比，有一定时间的延后性，说明pH可以为混养状态下反硝化过程提供指示作用。

3 结 论

1)随着C/S逐渐降低，在电子供体足够的情况下，反硝化脱氮途径中自养反硝化过程逐渐占优，自养反硝化过程中S2-的消耗速率增大，系统中去除率较高，可达到92%以上。

2)在n(C)/n(S)=4∶1中，S2-的去除率较高，可达到98.58%。在前期电子供体充足的情况下，硫自养反硝化生成硫酸盐；当电子受体不足时，硫酸盐还原菌利用剩余COD将不稳定含硫化合物还原为S2-，降低了S2-的去除效率。

3)在n(C)/n(S)=4∶1、n(C)/n(S)=2∶3情况下，有机物作为电子供体过量，出水中出现说明有DNRA现象出现。同时，在n(C)/n(S)=2∶3条件下，可达到4.9 mg/L，DNRA现象最显著。

参考文献

[1] 郭磊, 王爱杰, 刘春爽, 等.碳氮比对碳氮硫同步脱除的影响[J].给水排水, 2008, 34(增刊1):224-227.

[2] Moraes B S,Foresti E.Determination of the intrinsic kinetic parameters of sulfide-oxidizing autotrophic denitrification in differential reactors containing immobilized biomass[J].Bioresource Technology, 2012, 104:250-256.

[3] Vitousek P M, Tilman D G.Technical report: human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences[J].Ecological Applications, 1997, 7(3): 737-750.

[4] Giblin A E, Tobias C R, Song B, et al.The importance of dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA)in the nitrogen cycle of coastal ecosystems [J].Oceanography, 2013, 26(3):124-131.

[5] 国家环境保护总局，水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京: 中国环境科学出版社, 2002.

[6] 刘春爽, 李甲国, 闫来洪, 等.废水中硫化物、硝酸盐和氨氮生物同步去除及其机理[J].化工学报, 2014, 66(2)：300-305.

[7] Xu X J, Chen C, Wang A J, et al.Simultaneous removal of sulfide, nitrate and acetate under denitrifying sulfide removal condition: Modeling and experimental validation[J].Journal of Hazardous Materials, 2014, 264:16-24.

[8] Xu X J, Chen C, Lee D J, et al.Sulfate-reduction, sulfide-oxidation and elemental sulfur bioreduction process: modeling and experimental validation[J].Bioresource Technology, 2013, 147(11):202-211.

[9] 刘双，赵剑强，王莎，等.硫自养与异养混合反硝化过程铵生成机制[J].环境工程学报,2019,13(6).

[10] Dolejs P, LadislavPaclík, Maca J, et al.Effect of S/N ratio on sulfide removal by autotrophic denitrification[J].Applied Microbiology and Biotechnology, 2015, 99(5):2383-2392.

[11] Eveline M，van den Berg.Enrichment of DNRA bacteria in a continuous culture[J].The ISME Journal,2015,9(10):2153-2161.

[12] 张新艳, 彭党聪, 万琼, 等.活性污泥中异化还原成铵(DNRA)过程及其影响因素[J].环境保护前沿, 2018, 8(2): 95-105.

EFFECT OF C/S ON BIOLOGICAL NITROGEN REMOVAL

ZHANG Yu-hao1, LI Xiao-ling2, CHEN Ying1, ZHAO Tai-qi3

(1.School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China; 2.Key Laboratory of Water Supply & Sewage Engineering, Ministry of Housing and Urban-Rural Development, School of Architecture and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China; 3.School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Electron donors are an essential element of biological nitrogen removal, and the types of electron donors have an impact on the biological nitrogen transfer pathway.In this experiment, acetate and sodium sulfide were simultaneously used as the electron donors, and was used as an electron acceptor to improve the activity of heterotrophic and autotrophic denitrifying bacteria by continuously reducing C/S.In the proportion of nitrogen transfer, the effects of electron donor species on biological nitrogen removal under heterotrophic denitrification and autotrophic denitrification were studied.When n(C)/n(S)=4∶1, n(C)/n(S)=2∶3, a small amount of was produced.When n(C)/n(S)=4∶1, the S2- removal rate could reach 98.58%.At the same time, as the electron donor increased, the sulfur in the state of white suspension gradually increased.The pH and redox potential (ORP)could determine the approximate forms of the remaining materials in the system, so the pH and ORP in the system could provide an indication basis for the biological nitrogen removal pathway.The study found that excess electron donors in the system had better effects on biological nitrogen removal.At the same time, in the case of limited electron acceptors high electron donors might cause dissimilatory nitrate reducation to ammonium.

Keywords: electrondonor; heterotrophic denitrification; autotrophic denitrification; SBBR; C/S

DOI:10.13205/j.hjgc.201912002

*国家青年科学基金项目(51808045)；陕西省自然科学基础研究项目(2019JQ-686)。

收稿日期：2019-06-29

第一作者：张宇浩(1994-)，男，硕士，主要研究方向为污水生物脱氮除磷。934027208@qq.com

通信作者：李晓玲(1986-)，博士，讲师，主要研究方向为污泥资源化及污水生物处理技术。lixiaoling20030327@126.com