CREST | 苏州科技大学黄勇团队：硫自养反硝化强化厌氧氨氧化深度脱氮的最新进展和挑战

导读

苏州科技大学黄勇团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“硫自养反硝化强化厌氧氨氧化深度脱氮的最新进展和挑战（Progresses and challenges in sulfur autotrophic denitrification-enhanced Anammox for lowcarbon and efficient nitrogen removal; DOI: 10.1080/10643389.2022.2037967;Published online: 12 Feb 2022）”的综述。厌氧氨氧化（Anammox）作为一种低有机碳需求、高效自养生物脱氮工艺在诸多类型的高氨废水中获得应用。然而其自身及前预处理工艺会产生NO₃^-，限制总氮的达标排放。为此，耦合硫自养反硝化（SADN）实现Anammox中NO₃^-深度处理，形成一套完全不依赖有机物的全程自养生物脱氮工艺成为低碳背景下污水处理的研究热点。为降低SADN过程SO₄^2-，开创了将NO₃^-还原控制在NO₂^-阶段的短程SADN工艺（SSADN）。该方法也为同时含NH₄⁺和NO₃^-废水的处理提供了一种新型、高效的厌氧自养同步生物脱氮工艺。本文首次对实现SSADN工艺的控制参数、及与Anammox耦合形式进行综述，对其耦合过程氮素、硫素的定向转化，底物复杂竞争关系进行分析，评析其限制工业化的应用瓶颈和所需的进一步发展。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

重新认识SADN过程NO₂^-累积的重要性和可行性。SADN作为一种古老的自养反硝化反应已经获得广泛的研究和应用，中间产物NO₂^-具有毒性，且为非目标产物，因此NO₂^-累积控制的参数和功能微生物研究未深入开展。随着Anammox理论及工艺的逐步兴起，NO₂^-的获取途径及稳定性才受到极大地重视（图2和图3）。通过现有文献综述表明，不同还原态的硫均可实现SSADN过程NO₂^-的累积。但是因还原态硫（S^2-、S⁰、S₂O₃^2-）理化特性的差异，硫氧化和氮还原过程的复杂性（图2和图3），导致NO₂^-累积率和累积速率受到不同程度的影响。另外，还会受到其他诸多物质（NH₃、HNO₂及DO等）的毒性影响。因此对SSADN全面而深入的研究还需持续。

图2 SADN与Anammox耦合工艺的物质转化途径

图3 SADN中氮和硫化合物的转化途径

SSADN与Anammox工艺耦合的多样性及存在的竞争性。Anammox需要NO₂^-作为电子受体，因此需要将部分亚硝化（PN）和Anammox耦合才能实现脱氨。此外SADN与Anammox的功能微生物具有诸多生态位相似，导致当前SSADN与Anammox（或PN-Anammox）的耦合模式出现多样性（图4）。通过现有现象报道及理论发现可以发现，这些耦合中存在SSADN与Anammox争夺NO₂^-的矛盾；SSADN过程NO₂^-与NO₃^-争夺还原态硫的矛盾；PN和硫氧化过程对溶解氧的争夺。并且发现随着耦合模式趋向于简单化，其内部转化关系越复杂（图4）。无论何种耦合模式，其仍具有显著的脱氮优势和重要的意义：1）将减少Anammox反应过程NO₃^-的产生，提高总氮去除率；2）可为Anammox过程提供更多的NO₂^-，减少PN过程的供氧量；3）更尤为重要的是减少传统SADN过程硫的需求量和SO₄^2-的产生量；4）减少脱氮过程NOx的排放。

图4 SSADN与不同PN-Anammox的耦合模式及氮硫转化关系

SSADN与Anammox工艺耦合的实用性。当前SSADN与Anammox耦合工艺的研究已经从理论进入到工业废水的小试阶段，并且取得很好的脱氮效果，但是以S⁰为电子供体的SO₄^2-副产物仍是一个不可忽视的问题，需要协同Ga²⁺去除。虽然可用S^2-作为电子供体，并将还原控制在S⁰，但是与污泥高效分离和收集的技术仍需有待开发。

总结与展望

Anammox在无机高氨废水脱氮处理方面显示出巨大的优越性，但其高NO₃^-的处理也是势在必行。这是有关实现SSADN过程NO₂^-累积控制及与Anammox耦合强化脱氮的首篇综述。对当前SSADN的复杂体系中不同还原态硫作为电子供体实现NO₂^-累积的物质转化关系、环境因子影响，以及与Anammox系统构建进行了系统地评述，对其未来的发展及应用面临的问题进行了展望。这为废水深度脱氮处理提出了一条崭新的途径，尤其将其应用于含NH₄⁺和NO₃^-废水的同步脱氮，具有显著的创新价值，为未来废水处理带来了新的脱氮工艺。

作者简介

第一兼通讯作者简介：

李祥，高级实验师，硕士生导师，苏州科技大学环境科学与工程学院，主要从事废水生物脱氮处理、污泥减量化和资源化处理理论与工艺研究，主持及参与国家自然基金、国家自然基金重点项目，重点研发计划子课题等项目10余项，以第一作者或通讯作者发表科研论文60余篇，授权专利10余项，获上海市科技发明一等奖，江苏省高等学校科学技术研究成果发明奖三等奖，华夏建设科学技术二等奖等科研成果奖。

团队负责人简介：

黄勇，教授，博士生导师，苏州科技大学环境科学与工程学院，从事废水生物处理与资源化、地表水修复理论与工艺研究，主持国家自然基金重点项目，国家自然基金面上项目、重点研发计划子课题、“十一五”国家科技重大专项子课题等国家级项目，发表科研论文100余篇，授权专利30余项，获得上海市科技发明一等奖，江苏省科学技术进步三等奖，江苏省环境环护科学技术奖一等奖，江苏省高等学校科学技术研究成果（发明奖）三等奖，华夏建设科学技术二等奖，荣获建设部“有突出贡献的中青年专家”和“十五全国建设科技进步先进个人”，江苏省“333”学术技术带头人。

|供稿：苏州科技大学黄勇团队

|编排：曾镜羽

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