在基于硫化物的自养反硝化过程中，通过生物来源的硫作为电子受体，并以亚硝酸盐作为电子受体，实现了自维持的反硝化作用

《Process Safety and Environmental Protection》：Self-sustained Denitrification in a Sulfide-based Autotrophic Denitrification Driven by Biologically Derived Sulfur with Nitrite as Electron Acceptor

　　

孙静豪|马哈茂德·凯撒|徐芳健|张鑫|李金叶|蔡静

中国浙江省工商大学环境科学与工程学院固体废物污染控制与资源化利用重点实验室，杭州 310018

摘要

本研究探讨了低碳氮比废水中氮的去除方法，提出了一种利用内源性生物硫并进行自养部分反硝化的过程，其中亚硝酸盐作为电子受体。在亚硝酸盐浓度为35至140 mg/L的条件下，通过间歇性添加硫化物来研究反硝化特性和硫转化途径。研究结果表明，在硫驱动的自养反硝化过程中，污泥中的元素硫同时充当底物和产物。在初次停止硫化物供应后，低浓度和中浓度反应器在最初的20天内分别实现了72.53%和46.37%的反硝化效率。经过多次硫化物添加后，中浓度反应器在70 mg/L的亚硝酸盐负荷下20天内实现了76.94 ± 1.66%的亚硝酸盐去除效率，相比第一阶段提高了15%。连续添加硫化物20天后，液相元素硫的浓度达到了65.53 ± 4.68 mg/L。第二次停止硫化物添加后，中浓度反应器的亚硝酸盐去除效率为74.55 ± 0.35%，表明该过程的稳定性良好。定量模型建立了污泥相元素硫的转化速率与反硝化过程中亚硝酸盐去除性能之间的显著正相关关系（P < 0.05）。通过动力学实验研究了硫化物添加和停止阶段氮和硫的转化途径。本研究通过间歇性添加硫化物并利用内源性硫作为底物和产物的方法，展示了高效的工艺性能，为减少废水处理中的能源消耗和过量硫酸盐排放提供了一种新策略。

引言

工业和农业废水中氮的过量排放已成为公众关注的焦点，因此迫切需要减轻氮污染。传统的硝化-反硝化工艺已经很成熟；然而，这些工艺需要将氨氧化为硝酸盐，然后再将其还原为氮气，这一过程“耗氧量大且碳消耗高”，这与实现碳达峰和碳中和的目标相矛盾。部分硝化（PN）过程可以将氨转化为亚硝酸盐，从而从根本上解决问题（Ma et al., 2020）。

与部分硝化兼容的反硝化途径包括异养反硝化、厌氧氨氧化（anammox）和硫自养反硝化。在处理低碳氮比的废水时，异养反硝化需要外部碳源；anammox虽然不需要碳源，但存在启动时间较长和总氮去除不足的局限性。硫自养反硝化利用还原态硫化合物（S?、S2?）作为电子供体，将NO??/NO??转化为N?。在硫自养反硝化过程中，硫化物氧化的总体生化反应可表示为（1）、（2）。当S/N摩尔比为1.5时，反应更倾向于生成元素硫而非硫酸盐（Zhang et al., 2025a）。3HS? + 8NO?? + 5H? → 3SO?2? + 4N? + 4H?O △G?? = -2944 KJ/mol3HS? + 2NO?? + 5H? → 3S? + N? + 4H?O △G?? = -917 KJ/mol

先前的研究表明，在基于亚硝酸盐的硫氧化自养反硝化过程中，硫化物和NO??同时影响N?O还原酶的活性，导致N?O的还原受到显著抑制（Lan et al., 2019）。因此，S/N比例显著影响N?O的积累。当S/N比为1时，N?O的还原受到明显抑制，最大积累量达到转化氮的67%。随着S/N比的增加，N?O几乎完全转化为N?。然而，过高的硫化物浓度会导致资源浪费，不利于硫的回收。另一项研究（Yang et al., 2016）表明，硫化物的添加状态会影响N?O的产生，溶解的硫化物会促进N?O的进一步还原。

近年来，高效低碳特性成为研究的重点，旨在提高氮的去除效率（Cai et al., 2023, Cai et al., 2017, Zhang et al., 2025c）。此外，在处理富亚硝酸盐的废水时，硫自养系统表现出显著的底物耐受性、较高的反硝化能力和快速的反应动力学。在水力停留时间（HRT）为1小时的情况下，亚硝酸盐的去除能力可达1.95 kg N/(m3·d)。该方法已广泛应用于各种实际废水的处理，包括畜牧业和石油精炼产生的废水（Wang et al., 2022）。

在基于硫的自养反硝化过程中，元素硫（S?）是一种已知的副产物。部分生物硫会残留在反应液中并随出水排出，另一部分则牢固地附着在污泥表面或以硫颗粒的形式被污泥吸收（Li et al., 2023）。XRD数据表明，这些硫晶体具有正交结构，其表面存在长链聚合物（如蛋白质）赋予了亲水性。在一项比较研究中，使用生物元素硫和化学元素硫作为填充剂处理含氮废水时，生物硫的反硝化速率为350.4 mg N/(L·d)，是化学硫的3.5倍（Zhu et al., 2025）。受此启发，我们设计了一种间歇性添加硫化物的策略，以测试系统在停止外部硫化物供应时是否仍能维持反硝化。因此，我们将“自维持反硝化”定义为系统通过利用污泥上或内部的元素硫（S?）作为内部电子供体来维持稳定氮去除的能力。如果这一假设得到验证，意味着有可能减少硫化物的添加量，甚至在短期内无需额外添加硫化物即可维持反硝化。这些问题尚未得到解答，需要进一步研究。

本研究采用间歇性添加硫化物的技术，探讨了不同氮浓度下硫自养反硝化过程的氮去除效率和硫转化效果。通过批处理实验阐明了硫化物停止后氮去除的机制和趋势。此外，还利用宏基因组分析揭示了关键的功能微生物属和氮硫代谢途径。研究结果旨在为通过调节内源性硫储存来处理低碳含氮废水提供科学基础。

精彩摘录

模拟废水和反应器

接种污泥样本来自一个长期运行的实验室规模的硫自养反硝化反应器。污泥参数如下：MLSS = 3962.33 ± 374.33 mg/L，MLVSS = 1683.8 ± 143.6 mg/L，MLVSS/MLSS = 0.43 ± 0.09。在自养条件下，接种物中添加了硫化物和亚硝酸盐作为底物，表现出良好的氮和硫去除性能。

实验装置由连续搅拌罐反应器（CSTR）组成

间歇性添加硫化物的硫自养反硝化过程的氮去除性能

当进水亚硝酸盐浓度为35 mg/L，并添加120 mg/L的硫化物（R1，第一阶段）时，出水亚硝酸盐浓度为7.91 ± 0.34 mg/L，去除效率为76.77 ± 0.93%。出水中未检测到显著的硝酸盐积累（0.18 ± 0.03 mg/L），同时氨氮含量降低，表明根据氮平衡计算，氮气是反硝化的主要产物。

在停止添加硫化物后

结论

本研究通过间歇性添加硫化物成功建立了一个硫自养反硝化系统，在硫化物停止期间利用生物硫。本研究首次证明，污泥相中的元素硫是系统自维持运行的主要能量储存成分。转化速率受亚硝酸盐负荷的影响，并可通过间歇性适应显著提高。这一发现

CRediT作者贡献声明

马哈茂德·凯撒：撰写 – 审稿与编辑，可视化。徐芳健：调查，数据整理。张鑫：调查，数据整理。李金叶：撰写 – 审稿与编辑。蔡静：撰写 – 审稿与编辑，资金争取，概念构思。孙静豪：撰写 – 初稿，方法论，调查，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会对本文报道的工作产生影响的竞争性财务利益或个人关系。