摘要：采用SBBR反应器，以硝酸盐和硫化钠为基质，探索了4种进水S/N对自养硝酸盐异化还原成铵过程的影响。结果表明:在n(S)/n(N)≤1.3时，系统主要进行硫自养反硝化过程；n(S)/n(N)≥1.5时，系统内同时存在硫自养反硝化过程和硝酸盐异化还原成铵过程，在n(S)/n(N)=1.5∶1时产铵最高；ORP对系统内的反应进程和反应类型有一定的指示作用。当发生完整的硫自养反硝化过程时，ORP会出现硝酸盐膝点和亚硝酸盐膝点。同时存在硫自养反硝化过程和硝酸盐异化还原成铵过程时，硝酸盐膝点和亚硝酸盐膝点重合。出现硝酸盐异化还原成铵过程的原因可能是硫化物浓度的增加，抑制反硝化作用，从而驱动部分电子从S2-到
硝酸盐
和铵
会对水体环境产生重大影响[1]。水生生态系统中过量的无机氮会导致富营养化，使有害藻类大量繁殖[2,3]。硫化物是一种有毒、腐蚀性和高化学需氧量(COD)的化合物，浓度低至10 mg/L时仍对人体健康有害[4,5]。
硫自养反硝化使用还原性的硫化合物
作为电子供体，来还原
或其他氧化态的氮化合物[6,7]。硫自养反硝化过程有3个主要优点：不需要外加碳源，污泥产量低，在一个过程中可同时去除硫化物和
然而在浓度有限，硫化物浓度较高的条件下，会出现硝酸盐异化还原成铵(DNRA)的现象[9,10]。高浓度的硫化物会抑制反硝化，并作为额外的电子供体来刺激DNRA[11]。DNRA过程可分为2个步骤[12,13]：第1步是还原为
第2步是
还原成
在这个过程中，和绕过反硝化和N2固定直接转化为
因此，DNRA也被称为“生物氮循环中的短路”[14,15]。而且,DNRA过程也普遍存在于活性污泥系统和其他生物脱氮系统中[16,17]。越来越多的研究表明，DNRA是一种不可忽视的氮循环途径。
本研究采用SBBR反应器，以和硫化物为底物，研究不同硫化物浓度对自养反硝化产物的影响，初步探讨了自养反硝化系统中DNRA的形成机制与环境条件，为硫自养反硝化的实际应用提供参考。
实验使用SBBR反应器，用2 L玻璃烧杯搭建而成，烧杯内悬挂生物膜载体。生物膜载体使用单元直径为150 mm的聚酯纤维组合填料。在实验期间，反应器用锡箔纸进行避光处理，以防止光合细菌和藻类的繁殖[7]。使用恒温磁力搅拌器进行搅拌和温度控制，转速控制在350～450 r/min，温度控制在(25±1)℃。
接种污泥取自西安市邓家村污水处理厂二沉池配水井。实验采用人工进水，排水比约为100%，水力停留时间为12 h。实验进水为人工模拟废水，进水主要成分为NaNO3 180 mg/L、KH2PO4 350 mg/L、NaHCO3 400 mg/L、微量元素1 mL/L。不同S/N实验方案如表1所示。
表1 不同S/N实验方案
Table 1 Experimental scheme with different S/N
n(S)/n(N)1∶11.3∶11.5∶11.7∶1ρ(Na2S·9H2O)/(mg·L-1)515671775877
反应器连续运行2个月后，
去除率均可到达98%以上，在此稳定条件下，通过改变硫化物浓度进行自养反硝化产物研究。
过程曲线测定开始前先曝N2以吹脱清水中的溶解氧(DO)，以得到低氧(ρ(DO)<0.3 mg/L)环境，同时将清水加热到25 ℃。为了减少生物膜自身储存物质以及上一周期反应剩余物质的影响，在每组实验开始前，先进行洗泥。向烧杯中加入2 L清水，完全浸没生物膜，搅拌5 min，然后静置10 min，最后将水全部排出烧杯，重复3次。然后向反应器中加入1.95 L、25 ℃的低氧温水。把药剂用低氧温水溶解于50 mL的烧杯中，快速加入反应器，轻轻搅拌均匀，然后放入生物膜。每隔一段时间进行取样待测。所有样品均使用0.45 μm滤膜进行预处理。
和S2--S的测定均采用国家标准方法[18]测定，
测定使用SulfaVer 4试剂粉枕包法[19](HACH，美国)，pH和DO使用德国Multi 3630 IDS数字化便携多参数水质分析仪监测，氧化还原电位(ORP)使用雷磁PHSJ-3F实验室ORP计监测。
不同S/N下各组分浓度随时间的变化情况如图1所示。n(S)/n(N)=1∶1时(图1a)，12 h内
可以完全反应，但是
有积累，说明此时电子供体(硫化物)不足。增大n(S)/n(N)，如图1b、1c、1d所示，系统反应周期缩短，无的积累。随着n(S)/n(N)的增加，的去除速率越来越快，的还原速率分别为
还原所需的时间也越来越短。
图1 不同S/N下各组分浓度随时间的变化情况
Fig.1 The variation of concentration of each component under different S/N with time
在n(S)/n(N)=1∶1、n(S)/n(N)=1.3∶1和n(S)/n(N)=1.5∶1的条件下，S2--S在1 h内耗尽，但的产生和以及的消耗持续进行，超过1 h。表明这个过程有2个步骤[20]：1)硫化物先氧化成元素硫或者硫的其他形态；2)再将其氧化成硫酸盐。4个条件下消耗的S2--S浓度均高于整个反应期间产生的的浓度，这可能是由于硫的其他中间化合物的形成[21，22]。实验开始时就可以检测到
这是因为实验前的洗泥，也很难将积累完全清洗干净。在n(S)/n(N)=1.5∶1时，观察到反应器表面有一层白色胶状薄膜。在n(S)/n(N)=1.7∶1时，
的产生在
以及
反应完时也几乎停止，生物膜菌丝上出现了白色颗粒物质附着的现象，导致部分菌丝变白。很有可能是单质硫的产生，有研究也发现了类似的现象[21，22]。
n(S)/n(N)=1.5∶1和n(S)/n(N)=1.7∶1时，反应后期系统内又出现了S2--S。很可能是因为S/N过高，而电子受体不足，加上系统的ORP很低，使部分硫的其他形态又还原为S2--S。
不同S/N下系统
随时间变化的情况如图2所示。实验开始时就可以测到高浓度的
这是因为高浓度的S2--S会影响
的测定。S2--S与纳氏试剂反应产生黄色产物，在420 nm波长下也有较强的吸收。当ρ(S2--S)<0.80 mg/L对测定结果影响不大[23]。
—n(S)/n(N)=1∶1；
—n(S)/n(N)=1.3∶1；
—n(S)/n(N)=1.5∶1；
—n(S)/n(N)=1.7∶1。
图2 不同S/N下系统
随时间变化的情况
Fig.2 The variation of with time under different S/N
在n(S)/n(N)=1∶1和n(S)/n(N)=1.3∶1时，出水可以监测到
的产生但浓度均较小，分别为(0.51±0.45)，(2.51±1.08)mg/L。产生可能有2个原因：1)部分去除的通过DNRA转化为
自养环境引起的内源性衰变，污泥(主要是异养污泥)正在适应[21]。
n(S)/n(N)=1.5∶1时，系统不仅进行了自养反硝化，还出现了DNRA现象。的浓度明显增多，系统内
最高可达(10.87±3.44)mg/L。硫化物浓度的增加，会抑制反硝化作用，从而驱动部分电子从S2-转移到NH4+[11]，通过DNRA过程产生铵。n(S)/n(N)=1.7∶1时，130 min的
为(7.39±2.12)mg/L，并没有随S/N的增加而进一步上升。在n(S)/n(N)=1.5∶1和n(S)/n(N)=1.7∶1时，反应后期又检测到的上升，这是由于系统中又出现了S2--S，对浓度的测定产生影响。
DNRA过程的出现不利于系统脱氮效率的提升。n(S)/n(N)=1∶1时，积累，TN去除率仅为83%。n(S)/n(N)=1.3∶1时，发生完整的硫自养反硝化过程，TN去除率为94.8%。n(S)/n(N)=1.5∶1时，出现DNRA现象，产生了
去除率下降为79.7%。n(S)/n(N)=1.7∶1时，DNRA现象相对减弱，此时TN去除率又上升为85%。
不同S/N下系统各组分浓度与ORP随时间的变化情况如图3所示。ORP与系统中氧化还原物质的种类、浓度以及发生的氧化还原反应的类型有关，因此，在污水处理工艺中可以利用ORP来观察和控制反应进程[24，25]。在n(S)/n(N)=1∶1时，电子供体不足，系统中有积累，此时ORP保持一直上升的趋势。而在n(S)/n(N)=1.3∶1时，120 min时反应完全，此时ORP对应图3的A点，出现一个拐点，称其为膝点。随后ORP保持一个平台期，系统中继续反应，在300 min反应完全，ORP又出现一个拐点，如图3的B点，称其为膝点。至此，系统整个硫自养反硝化反应完毕，ORP开始下降。
—n(S)/n(N)=1∶1；
—n(S)/n(N)=1.3∶1；
—n(S)/n(N)=1.5∶1；—n(S)/n(N)=1.7∶1。
图3 不同S/N下系统ORP随时间的变化情况
Fig.3 The variation of ORP in the system under different S/N
继续增加S/N，在n(S)/n(N)=1.5∶1时，整个反应过程持续时间
膝点A和膝点B重合为一点，如图3中的C点，此时系统内和同时反应完全，随后ORP开始下降。在n(S)/n(N)=1.7∶1时，整个反应过程持续时间<100 min，膝点D的ORP更低，低于-380 mV。在n(S)/n(N)=1.5∶1和n(S)/n(N)=1.7∶1时，系统同时存在硫自养反硝化和DNRA 2个反应过程，而ORP只有1个膝点。因此，ORP既可以间接指示系统内反应的进程，也可以间接指示反应的类型。
有研究指出，在硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程中，ORP持续稳定在-400 mV以下时，也会出现DNRA现象[26]。在自养系统中，出现DNRA现象时ORP没有持续保持在-400 mV以下，但也保持在较低水平。DNRA过程每还原1 mol 转移8 mol电子，而反硝化转移5 mol电子[27]，因此在硝酸盐受限和强还原条件下，DNRA过程比反硝化更具有优势[11,28]。
1)在硫自养硝酸盐反硝化反应器中，控制适当的S/N可以实现硝酸盐和硫化物的同步高效去除。
2)S/N过高时，硫自养硝酸盐反硝化反应器中会出现DNRA的现象。在n(S)/n(N)=1.5∶1时，DNRA现象最明显。
3)ORP对系统的反应进程和反应类型均有一定的指示作用。在发生完整的硫自养反硝化反应时，会分别出现膝点和膝点。而增大S/N时，系统同时存在硫自养反硝化和DNRA过程时，膝点和膝点重合。
4)在自养系统中处理高S/N废水时，进入生化池前，建议先对废水进行预处理，以去除一部分硫化物，防止DNRA过程的出现，保证脱氮效率。
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Abstract: In this study, SBBR reactor was used to investigate the effects of four influent S/N on the process of autotrophic dissimilatory nitrate reduction to ammonium by using nitrate and sodium sulfide as the substrates.The results showed that when n(S)/n(N)≤1.3, the system mainly carried out the sulfur autotrophic denitrification process; when n(S)/n(N)≥1.5, there were both sulfur autotrophic denitrification process and nitrate dissimilation to ammonium process in the system, and the highest yield of ammonium was obtained when n(S)/n(N)=1.5∶1; ORP had a certain indication of the reaction process and type of reaction in the system.When a complete sulfur autotrophic denitrification process occured, the ORP would have a nitrate knee and a nitrite knee.The knee points of nitrate and nitrite coincided when the process of sulfur autotrophic denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium existed simultaneously.The reason for the dissimilatory nitrate reduction to ammonium process might be due to an increase in sulfide concentration, which would inhibit denitrification and drive some electrons from S2- to 