硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制

E-mail:cjee@rcees.ac.cn

第13卷第6期2019年6月Vol.13,No.6Jun.2019(010)62941074

DOI10.12030/j.cjee.201810064中图分类号X703文献标识码A

autotrophicandheterotrophicmixednitritedenitrificationprocess[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2019,13(6):1366-1373.

长安大学环境科学与工程学院，西安710064

第一作者：刘双(1993—)，女，硕士研究生。研究方向：水污染与控制。E-mail：416430937@qq.com*通信作者：赵剑强(1963—)，男，博士，教授。研究方向：水污染与控制等。E-mail：626710287@qq.com摘

要

为研究亚硝酸盐型碳、氮、硫同步脱除系统的特性，采用SBBR，以亚硝酸盐、硫化物及乙酸钠为基质，探索

6种进水COD/N及5种进水S/N下碳、硫混合亚硝酸盐反硝化过程铵的生成机制。结果表明：在进水COD/N高于2、S/N高于1时，NO-2-N去除率高达99%；同时，当氧化还原电位(ORP)低于-400mV时，会出现铵浓度明显升高现象，在此条

物分析结果表明，该碳、氮、硫混合体系中同时存在硫自养反硝化、异养反硝化及亚硝酸盐异化还原为铵等过程，碳、硫混合亚硝酸盐反硝化过程铵的生成机制可能是低氧化还原电位和过量电子供体存在的情况下亚硝酸盐异化还原为铵的过程。关键词

混合反硝化；异化亚硝酸盐还原为铵；COD/N；S/N

随着化工、石油、制药、发酵等行业的迅速发展，含硫含氮有机废水越来越多，若处理不当会危其中，硫自养与异养反硝化相结合的一体式碳、氮、硫同步脱除工艺受到了广泛关注[1-2]。

一体式碳、氮、硫同步脱除工艺通常以硝酸盐为电子受体，具有成本低、无二次污染的优点，有良好的应用前景[3]。然而有研究表明，相较于硝酸盐型脱氮除硫反应，亚硝酸盐型脱氮除硫反应的除similatorynitratereductiontoammonia，DNRA)现象[5-6]，且该过程普遍存在于城市污水处理中[7-11]。通常

长期以来，反硝化过程被认为在脱氮领域占据主导地位，且硝酸盐转化为铵只能先反硝化为氮气，

认为DNRA过程分为2步，第1步是硝酸盐还原为亚硝酸盐；第2步是亚硝酸盐还原为铵[12-13]。

环再由生物固氮作用转化为铵。而DNRA过程的发现在一定程度上丰富了学术界对自然界中氮素循环途径的认知[14]。但目前国内几乎未见针对亚硝酸盐还原系统中自养与异养混合反硝化过程与异化亚硝酸盐还原为铵过程特性的研究报道。本研究采用SBBR，以亚硝酸钠、硫化钠及乙酸钠为反应底物，通过

收稿日期：2018-10-12；录用日期：2019-03-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51778057)

境氮速度更快，效率更高[4]。此外，有研究发现，在硫自养反硝化系统中存在异化硝酸盐还原为铵(dis⁃

工害生态环境及人体健康。因此，开发经济高效的含硫含氮有机废水处理工艺已成为国内外研究的热点。

程学件下，进水COD/N不变时，较高的S/N会促进铵的生成；控制进水S/N不变，COD/N为3时铵浓度升高最为明显。微生

报版刘双，赵剑强*，王莎，兰兰，李晓玲，芦昭霖

权硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制

所LIUShuang,ZHAOJianqiang,WANGSha,etal.Ammoniaproductionmechanisminasimultaneousoccurrenceofsulfur

刘双,赵剑强,王莎,等.硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制[J].环境工程学报,2019,13(6):1366-1373.

有文章栏目：水污染防治

第6期刘双等：硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制

1367研究不同COD/N及S/N对反硝化过程的影响，初步探讨了亚硝酸盐还原系统中实现异化亚硝酸盐还原为铵的环境条件与生成机制，以期为含硫含氮有机废水的处理提供借鉴和理论参考。

1.1实验装置

实验使用SBBR，该反应器在圆柱形玻璃容器内搭建而成，内径130mm，有效高度163mm，有效避光处理。采用加热磁力搅拌器进行搅拌及恒温控制，转速为500~600r·min-1，温度控制为(30±1)℃。1.2

废水水质特征

接种污泥取自西安市邓家村污水处理厂二沉池配水井。实验进水为人工模拟废水，反应器稳定运

1.3

0.4g·L-1NaHCO3、0.36g·L-1KH2PO4及0.1mL·L-1微量元素[15]。

实验方法

反应器周期运行，人工进水，排水比约为100%，进水

pH控制为7.5~8，水力停留时间为6h。连续运行60d，出水水质稳定，碳、氮、硫去除率均高于90%。在此稳定条具体方案如表1所示。

报版实验编号1234567810119

件下，通过改变COD/N、S/N(质量比)进行反硝化特征实验，

为尽量减少外在因素对实验结果的影响，每次过程曲

-1

权表1Table1

COD/18018018018018000120240300360行期间，进水主要成分及浓度为：0.3g·L-1NaNO2、0.228g·L-1CH3COONa、0.5g·L-1Na2S·9H2O、

sulfideindifferentprocesses

(mg·L-1)(mg·L-1)(mg·L-1)6060606060606060606060301201801206060606060600NO-2-N/

S2--S/

所容积2L。反应器内悬挂生物膜载体，采用聚酯纤维组合填料作为生物膜载体。反应器采用锡箔纸进行

不同COD、亚硝态氮及硫化物进水负荷实验方案

TestconditionsofCOD,nitrite,

COD∶N∶S3∶1∶0.53∶1∶13∶1∶23∶1∶30∶1∶10∶1∶22∶1∶14∶1∶15∶1∶16∶1∶13∶1∶0线测定开始前先把清水加热到30℃，曝氮气以吹脱清水中

另外，每组特征实验开始前要进行洗泥(向反应器中加2L次)，尽量减少微生物自身储存的反应底物对实验结果造成水1.95L。控制初始pH为7.5±0.5，将药剂用50mL清水溶解于小烧杯中，快速注入反应器。加药30s后，每隔一定时间进行取样以待测定。1.4

分析项目与方法

自来水，浸没生物膜、搅拌5min、静置、排水，重复3的影响。洗泥完成后，向反应器中加入30℃的低氧备用清

兰)测定；COD采用连华COD快速测定仪测定；溶解氧(DO)和pH分别采用HQ30d和HQ11d(HACH，美国)在线监测；微生物群落分析采用16SrRNA高通量基因测序分子生物学技术进行。

2000，美国)测定，进样前用0.22µm滤头预处理；溶解态N2O浓度采用N2O-100微电极(Unisense，荷

--2---S均采用国家标准方法[16]测定；SO2NH+4-N、NO2-N、NO3-N、S4-S采用离子色谱仪(DIONEXICS

2

2.1

结果与讨论

S/N对氮转化机制的影响

在进水COD为180mg·L-1、NO2--N浓度为60mg·L-1时，分别在进水S/N为0、0.5、1、2和3(分S/N对反硝化的影响

环2.1.1

别对应表1中第1、2、3、4、5组实验)的情况下进行系列实验。

图1表明，S/N对反硝化有明显影响。当初始S2--S投加量分别为0、30、60、120、180mg·L-1时，

-亚硝态氮去除率均高于98%，且进水S/N越高，NO-2-N去除速率越快，对应的NO2-N还原速率分别为

0.57、0.85、0.89、1.25、1.34mg·(L·min)-1。

境工程学的溶解氧(DO)得到低氧(DO<0.3mg·L)适温的清水备用。

有1材料与方法

1368环境工程学报第13卷

显的硫化物和有机物剩余。在S2--S投加量由60mg·L-1增加到180mg·L-1时，S2--S去除率由100%下化物投加量的增加，在反应后期，硫化物还会出现上升趋势。分析其原因，很可能是由于初始硫化物浓度过高导致有机物剩余，反应的中间产物过硫化物被剩余的COD还原为硫化物。这一现象说明，过多的硫化物会与异养菌竞争电子受体而抑制异养反硝化，这与BRUNET等[17]和JIN等[18]得出的结论一致。

2--1

在以上实验条件下，NO-2-N去除率均很高。当初始S-S浓度高于60mg·L时，系统内开始有明

环Fig.1

2.1.2

-1

渐升高。当S/N为1时，实验进行到90min时，NH+4-N浓度为35.46mg·L；当S/N为2时，反应到80

+的情况下，出现NH+4-N浓度升高现象。当S/N为1和2时，反应初期NH4-N浓度基本维持稳定，后期逐

图1(a)和(b)显示，初始S/N低于1的情况下，没有NH+4-N产生；由图1(c)、(d)和(e)可知，在初始S/N>1

境Changesinnitrogenouscomponent,sulfurcomponentandCODwithtimeatdifferentS/NandinitialCOD/Nof3

图1

S/N对异化亚硝酸盐还原为铵的影响

工不同进水S/N下含氮组分、含硫组分及COD浓度随时间的变化(初始COD/N为3)

程学报版权所有降到30.31%，而COD去除率由96.19%下降到33.14%，这说明系统中还原态物质过量。另外，随着硫

第6期刘双等：硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制

1369+

统内还原性的含硫化合物有富余，电子供体充足且还原性较强，能够将NO-2-N还原为NH4-N。

但S/N改变后产生的NH+4-N最大值几乎相同，这是由于当S/N高于1时，按照反硝化需硫量计算得到系

COD/N对氮转化的影响

在进水硫化物浓度为60mg·L-1、亚硝态氮浓度为60mg·L-1时，考察进水COD/N值分别为0、2、除效果以及对异化亚硝酸盐还原为铵的影响。2.2.1

COD/N对反硝化的影响

3、4、5和6(分别对应表1中第6、8、3、9、10、11组实验)的情况下，反应器对碳、氮、硫的同步脱

由图2可知，与不添加碳源的情况相比，添加碳源时反硝化效果更好。因为当给予碳源时，亚硝

环Fig.2

境Changesinnitrogenouscomponent,sulfurcomponentandCODwithtimeatdifferentS/NandinitialS/Nof1

图2

工不同进水COD/N下含氮组分、含硫组分及COD浓度随时间的变化(初始S/N为1)

程学报版权所2.2

有32.35mg·L-1。随着反应的进行，氧化态物质逐渐消耗殆尽，当OPR低于-400mV时，NH+4-N浓度呈现

-1+min时，NH+4-N浓度为34.91mg·L。当S/N提高到3时，铵快速生成，反应到4min时，NH4-N浓度为

逐渐升高趋势。同时，随着进水S/N的加大，异化亚硝酸盐还原为铵作用强度增大，铵产生速率加快。

1370环境工程学报第13卷

态氮不仅要氧化硫化物，还要充当有机物氧化的电子受体，因此，碳、氮、硫同步消耗，混合反硝化的效果要比硫自养亚硝酸盐反硝化效果好。改变碳氮比的实验均是在进水硫化物为60mg·L-1、亚硝

2-NO-2-N、S-S、COD去除率分别为99.85%、64.18%、75.36%。由图2(a)可知，不添加碳源的情况下，

物，甚至还原为硫化物。COD/N值为4、5、6时，COD去除率分别为53.79%、20.75%、34.04%。此

外，虽然在每次过程曲线测定之前均洗泥3次，但日常进水生成的过量硫酸根附着于生物膜上难以洗

-1-涤干净，导致初始SO24-S浓度均高于30mg·L。

+

同COD/N值下产生的最大NH+4-N浓度情况如图3(b)所示。NH4-N产生量先随着COD/N值增加而增加，

在COD/N值为3时达到最高值，随后呈逐渐降低趋势。这些现象表明，发生异化亚硝酸盐还原为铵作用的最佳COD/N值为3，并不是随着COD/N增加而增加的，这与ALGAR等[19]和STREMINSKA等[20]得出的高COD/N有利于DNRA过程的结论不同。推测的原因为：可能在同时存在硫化物和有机物的情况下，具有强还原能力的硫化物在形成低ORP条件方面起主要作用，因而不再依靠高COD/N来增加还原能力以降低ORP。随着反应进行，液相S/N也发生了变化，从而影响了反硝化过程与异化亚硝酸盐还原为铵过程的相互作用，当S/N达到某一值的时候NH+4-N含量就发生变化。

境2.3氧化还原电位(ORP)对异化亚硝酸盐还原为铵的指示作用

为了说明ORP对异化亚硝酸盐还原为铵的影响，将产生NH+4-N的3组实验列入图4。进水条件分别

环为COD∶N∶S为4∶1∶1、COD∶N∶S为3∶1∶1、COD∶N∶S为3∶1∶2(分别对应表1中第9、3、

+4组实验)，观测NH+4-N及OPR的变化情况以研究NH4-N的产生机理。由图4可知，ORP值均低于-400

mV，整个过程伴随着NH+4-N产生。这意味着较低的OPR有利于异化亚硝酸盐还原为铵。本研究中，只有当ORP持续稳定在-400mV以下时，才有明显产铵作用，在某种程度上可以采用ORP对异化还原为铵过程进行间接反映。异化亚硝酸盐还原为铵作用的发生除了需要充足的电子供体，还对氧化还原电

工Fig.3

程图3

EffectofCOD/NininfluentonNH+4-NproductionatinitialS/Nof1不同进水COD/N对NH+4-N生成量的影响(初始S/N为1)

学报版2、5、6时，NH+4-N含量没有出现明显上升趋势，只在反应后期的时候出现微弱上升后又趋于平缓。不

和4时，NH+4-N含量在反应后期迅速攀升，意味着异化亚硝酸盐还原为铵作用明显；当COD/N值为0、

从图3(a)可知，当COD/N值为3时，NH+4-N浓度升高最为明显。在6组实验组中，当COD/N值为3

权2.2.2COD/N对异化亚硝酸盐还原为铵的影响

所-33.46%，S2--S在完全去除后又有27mg·L-1生成，这是因为过量的COD将生成的SO24还原为过硫化

反应进行到120min，NO2--N还有35.77mg·L-1剩余。图2(b)显示，COD/N值为2时，COD去除率只有

有态氮为60mg·L-1(S/N值为1)的条件下进行的，碳、氮、硫去除效果在COD/N值为3时达到最佳，此时

第6期刘双等：硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制

1371位有一定要求。2.4

微生物结构

在实验过程中，取生物膜上的部分微生物进行

表2

Table2

报版门下细菌种类ProteobacteriaFirmicutesBacteroidetesSynergistetesChloroflexiPlanctomycetesActinobacteriaTenericutesArmatimonadetesAcidobacteriaIgnavibacteriaeVerrucomicrobiaChlamydiaeunclassified

权丰度/%91.685.921.340.220.210.210.190.060.040.040.030.030.020.020.01

Fig.4

图4

VariationsofNH4+-NandORPatdifferentCOD/N/Sratios

不同COD/N/S条件下NH4+-N和ORP变化曲线

在门和属的水平鉴定出的菌种及其丰度Abundanceofthedominantbacteria

属下细菌种类ThaueraAzoarcusTindalliaGeoalkalibacterSilanimonasErysipelothrixTissierellaAquimonasParacoccusPseudomonasRhodobacterPlanctomicrobiumCitrobacterThiobacillusThermoguttaEscherichiaDesulfomicrobium

丰度/%16.702.682.681.150.820.810.510.260.230.220.220.170.160.070.060.0667.58atphylumandgenuslevels

了菌种鉴定，按门和属分类的结果如表2所示。在

门的水平上Proteobacteria(变形菌门)丰度最大，占91.68%。其次为Firmicutes(硬壁菌门)，占5.92%。Bacteroidetes(拟杆菌门)和Planctomycetes(浮霉菌门)丰

度分别为1.34%和0.22%。从属来看:Thauera占

67.58%，是最丰富的属，其次为Azoarcus(16.70%)、nas(1.15%)，其余的均少于1%。

在检测到的菌属中，Thauera和Azoarcus是反硝化条件下降解复杂有机物的重要功能菌，能还原亚关[21]。Paracoccus、Thiobacillus和Rhodobacter都是常见的硫氧化细菌。Geoalkalibacter是一种化能自养fomicrobium(0.06%)均为硫酸盐还原细菌。MOHAN等发现功能基因nrfA(异化硝酸盐产铵酶)还存在于

[22]

程硝酸盐，与COD的去除及N2O、N2的释放密切相

学Tindallia(2.68%)、Geoalkalibacter(2.68%)、Silanimo⁃

Proteobacteria、Planctomycetes、Bacteroides和Firmicutes等多种菌属中。在本研究中，已知的Pseudomo⁃

+

功能基因能将NO-2-N还原为NH4-N。

3结论

环氮、硫的同步高效去除。在该自养与异养混合反硝化反应器中同时存在异化亚硝酸盐还原为铵作用。

1)在硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化反应器中，控制适当的进水COD/N及S/N，可以实现对碳、

控制进水S/N不变，进水COD/N为3时异化亚硝酸盐还原为铵作用最强，进水COD/N>4时异化亚硝酸

3)碳、氮、硫同步去除体系中ORP对异化亚硝酸盐还原为铵过程具有间接指示作用，当ORP持续

2)在产生铵的实验中，控制进水COD/N不变时，进水S/N越高，异化亚硝酸盐还原为铵作用越强；

盐还原为铵现象明显减弱。

境nas(0.23%)、Citrobacter(0.17%)、Planctomicrobium(0.22%)、Escherichia(0.06%)为DNRA功能菌[22]，携带的

工菌。脱硫杆菌Thermogutta(0.07%)和脱硫微菌Desul⁃

Gemmatimonadetes

所有1372稳定在-400mV以下时，有铵生成。

环境工程学报第13卷

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所有促进系统中碳、氮、硫3种物质的同步去除。

4)微生物种群结构表明本体系中存在自养与异养混合反硝化及DNRA过程多种氮转化途径，协同

第6期

ogy,2014,71(3):223-238.

刘双等：硫自养与异养混合亚硝酸盐反硝化过程铵生成机制

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（本文编辑：金曙光，曲娜，郑晓梅）

(mixotrophic)denitrificationprocesswasidentifiedinasequencingbatchbiofilmreactor(SBBR)fedwithnitrite,sulfideandsodiumacetatesupplementation,andsixdifferentCOD/NratiosandfivedifferentS/Nratioswerewaslowerthan-400mV,andhighS/NratiocouldenhancetheammoniaproductionwithaconstantCOD/Nratiowashigherthan2andS/Nratiowashigherthan1.TheincreaseofammoniaconcentrationoccurredwhenORPdesignedforthispurpose.Theresultshowedthatthenitriteremovalefficiencywasupto99%whenCOD/Nratio

AbstractInthisstudy,theammoniaproductionmechanismbyasimultaneousautotrophicandheterotrophic

Themicrobialanalysisshowedthatsulfurautotrophicdenitrification,heterotrophicdenitrificationaswellasammoniainthepresenceoflowredoxpotentialandexcesselectrondonor.Keywords

ininfluent.WhileatconstantS/NratioandCOD/Nratioof3,asignificantincreaseofammoniayieldoccurred.

dissimilatorynitritereductiontoammoniawerecoexistedinthiscarbon-nitrogen-sulfursynchronousmixing

mixotrophicdenitrification;dissimilatorynitritereductiontoammonia;COD/N;S/N

环境工程system,inwhichtheammoniaproductionmechanismmaybetheprocessofdissimilatorynitritereductionto

学报版SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China*Correspondingauthor,E-mail:626710287@qq.com

LIUShuang，ZHAOJianqiang*，WANGSha，LANLan，LIXiaoling，LUZhaolin

权Ammoniaproductionmechanisminasimultaneousoccurrenceofsulfurautotrophicandheterotrophicmixednitritedenitrificationprocess

所tiontoammonia:Ashortcircuitinthebiologicalnitrogencyclethatcompeteswithdenitrifcation[J].FEMSMicrobiology

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