在全球倡导高效、低耗、可持续脱氮要求的背景下，针对含氨氮(NH4+-N)、硝酸盐(NO3--N)工业废水(光伏、化肥废水)的脱氮处理受到人们的关注。目前，含氮废水普遍采用传统硝化反硝化技术，但其具有高能耗和温室气体排放等问题，背离了可持续发展的目标。厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，Anammox)技术因其低能耗、高效率的特点被视为目前最具潜力的生物脱氮技术。Anammox以NH4+-N和亚硝酸盐(NO2−-N)作为底物，在厌氧条件下生成N2和少量NO3--N。然而，将Anammox应用于处理含NH4+-N和NO3--N工业废水时仍受到限制。一方面，在自然条件下NO2−-N含量较低，而NO2−-N作为Anammox的必要底物之一，通常需要通过其他方式提供足够的NO2−-N以保证Anammox转化的需求。另一方面，由于Anammox会产生一部分NO3--N，总氮去除率最高为89%，且废水中NH4+-N浓度越高，Anammox中出水NO3--N浓度也随之升高。
目前，普遍采用部分反硝化(partialdenitrification,PD)与Anammox耦合处理含NH4+-N和NO3--N的废水。WANG等研究表明，硫自养反硝化(sulfurautotrophicdenitrification，SADN)过程具有与Anammox耦合应用的优势。相较于其他形态的硫(S2−和SO32−)，单质硫(S0)作为SADN电子供体，具有对微生物没有毒性、价格低廉、易于获取等优势。SUN等研究表明，在NO3--N和NO2−-N共存环境中，S0倾向于选择NO3--N作为电子受体，极易发生NO2−-N积累，为Anammox提供充足的底物，有利于SADN和Anammox耦合。CHEN等以序批模式运行S0ADN-Anammox厌氧发酵罐，总氮去除率高达97%~98%。HUO等以UASB反应器运行S0ADN-Anammox耦合系统，总氮去除率维持在90%。S0ADN前半程、S0ADN后半程、S0ADN全程反应过程如式(1)~(3)所示。
由于S0溶解性较差，目前以S0为电子供体的研究中均采用较大的S0与进水硝态氮的质量比(S/N)运行，例如CHEN等以S/N=2.1投加S0，HUO等和ZHANG等的研究中采用S/N=8~10。而在S0ADN-Anammox耦合系统中，理论上S/N仅需0.762(式(1))，即可实现S0ADN前半程的发生，可为Anammox提供充足的NO2−-N底物，远小于现有研究中的S/N。由此可见，现有研究均以较高S/N投加S0，造成严重的S0浪费。另一方面，CUI等和CHEN等在研究以S0作为电子供体的S0ADN过程中发现，S0对NO3--N的亲和力大于NO2−-N，NO2−-N转化仅在NO3--N不存在的情况下发生。由于S0ADN前半程反应速率较快，NO3--N全部转化为NO2−-N，导致NH4+-N和NO2−-N共存，此时是否会存在S0ADN后半程与Anammox对底物NO2−-N的竞争关系，若存在，对耦合系统具有何种影响尚不明确。因此适宜的S/N对于S0ADN-Anammox耦合系统的稳定运行至关重要，目前针对此方向的研究很少。
本研究通过批次实验，首先探讨了S/N对S0ADN-Anammox耦合系统脱氮性能的影响，优化了S0ADN-Anammox耦合系统适宜的S/N；其次，模拟了在NO3--N完全转化为NO2−-N以及不同S0投加量的条件下，S0ADN后半程与Anammox对NO2−-N的竞争能力。
1、材料及方法
1.1 实验装置
将污泥和进水放置于封口瓶中，封口瓶选择液面高度与瓶口距离为3cm型号，尽可能减少测样时空气进入，避免对实验造成影响，并置于恒温振荡器(THZ320-JINGHONG-CHN)保温振荡，控制内部完全混合状态。
1.2 实验方法
本实验采用批次实验方法。接种污泥取自实验室长期培养一步式连续流S0ADN-Anammox反应器不同运行阶段的污泥，控制封口瓶内污泥质量浓度(mixedliquorsuspendedsolids，MLSS)。其中含有活性良好厌氧氨氧化菌(anaerobicammoniaoxidationbacteria，AnAOB)和硫自养反硝化菌(sulfureoxidizingbacteria，SOB)，视实验情况采取清水清洗污泥5遍的预处理方式，批次实验接种污泥情况和连续流反应器中对应的进出水水质如表1和表2所示。进水中投加不同底物及质量浓度，同时添加营养物质和微量元素以维持微生物生长，控制不同S/N，控制温度为35℃及初始pH为8.5±0.2。定时取样检测，观察S0ADN和Anammox反应情况。
1.3 批次实验条件
本实验共设置4次批次实验，采用1000mL规格封口瓶。设置摇床仓内温度为35℃、转速180r·min−1。营养液包括27mg·L−1KH2PO4、10mg·L−1MgCl2、10mg·L−1CaCl2、250mg·L−1NaHCO3，225mg·L−1微量元素A、337.5mg·L−1微量元素B。以5mol·L−1NaOH和1mol·L−1HCl调节初始pH为8.5±0.2，每组批次实验设置3组平行样，各批次实验具体条件如表3所示。底物中NH4+-N、NO2−-N、NO3--N分别采用NH3Cl、NaNO2、NaNO3配制，底物质量浓度均为实际测量值，微量元素配方包括微量元素A和微量元素B，微量元素A包括5g·L−1EDTA·2Na，5g·L−1FeSO4·7H2O；微量元素B包括15g·L−1EDTA·2Na、0.43g·L−1ZnSO4·7H2O、0.24g·L−1CoCl2·6H2O、0.99g·L−1MnCl2·4H2O、0.25g·L−1CuSO4·5H2O、0.22g·L−1Na2MoO4·2H2O、0.19g·L−1NiCl2·6H2O、0.014g·L−1H3BO3。
1.4 测定方法
常规分析项目。每隔12h将封口瓶静置2min，用胶头滴管吸取上清液5mL，经过中速定性滤纸过滤后检测NH4+-N、NO3--N、NO2−-N、SO42−等指标。NH4+-N、NO2−-N、NO3--N均采用标准方法测定；SO42-经过0.22μm聚醚砜注射器过滤头(TheromScientificTM)过滤，采用电导检测器(IC-900，DIONEX，USA)离子色谱法测定；pH采用pH计(PHS-3E，SINCE，CHN)监测；MLSS采用污泥浓度计(TSSPORTABLE，HACH，USA)监测，并用标准方法辅助校准。
1.5 计算方法
NO3--N、NO2−-N、NH4+-N去除速率根据式(4)进行计算；Anammox在NO2−-N去除过程中贡献比根据式(5)进行计算；SADN后半程在NO2−-N去除过程中贡献比根据式(6)计算；S0ADN前半程SO42−产生浓度根据式(7)计算；S0ADN后半程SO42−产生浓度根据式(8)计算；S0ADN全程SO42−产生浓度根据式(9)计算；Anammox去除NH4+-N需要的NO2−-N浓度根据式(10)计算。
式中：R为污染物去除速率，kg·(m³·d)−1；∆C表示氮素转化量，mg·L−1；∆T表示反应时间，d。
式中：PA表示Anammox在NO2−-N去除过程中贡献比，%；∆表示NH4+-N转化量，mg·L−1；∆表示NO2−-N转化量，mg·L−1；∆表示NO3--N转化量，mg·L−1。
式中：PS2表示SADN后半程在NO2−-N去除过程中贡献比，%。
式中：CS1表示S0ADN前半程SO42−产生浓度，mg·L−1。
式中：CS2表示S0ADN后半程SO42−产生浓度，mg·L−1。
式中：CS表示S0ADN全程SO42−产生浓度，mg·L−1。
式中：2−N表示Anammox去除NH4+-N需要的NO2−-N浓度，mg·L−1。
2、结果与讨论
2.1 S/N对S0ADN-Anammox耦合的影响分析
NH4+-N、NO3--N去除和NO2−-N与SO42−的生成情况如图1所示。在S0ADN-Anammox系统中，NH4+-N并未被快速去除，随着NO2−-N的逐渐累积，NH4+-N去除率显著提升；而在运行初期，NO3--N发生了明显转化。当S/N=0.8时(图1(a))，NH4+-N和NO3--N质量浓度均呈下降趋势，72h后分别剩余22mg·L−1和10mg·L−1，NH4+-N和NO3--N最高去除速率分别为0.023kg·(m³·d)−1和0.026kg·(m³·d)−1，在此过程中NO2−-N累积最高达9mg·L−1，SO42−增加至50mg·L−1。当S/N=1时(图1(b))，NH4+-N和NO3--N均被显著去除，72h后NH4+-N剩余14mg·L−1，而NO3--N在48h后被完全去除，NH4+-N和NO3--N去除速率最高达0.042kg·(m³·d)−1和0.045kg·(m³·d)−1，NO2−-N累积最高达22mg·L−1，SO42−共增加60mg·L−1。当S/N=2时(图1(c))，NO3--N明显去除，而NH4+-N去除效果不佳，72h后NH4+-N仍剩余31mg·L−1，NO3--N则在36h完全去除，NO3--N去除速率最高达0.049kg·(m³·d)−1，NH4+-N去除速率最高仅为0.019kg·(m³·d)−1，NO2−-N累积情况与S/N=1时类似，最高为24mg·L−1，SO42−共增加约97mg·L−1。
上述实验结果表明，当S/N为1时，Anammox充分反应，耦合系统脱氮性能较好；而在S/N不足时，S0ADN前半程无法提供充足NO2−-N底物，导致Anammox无法充分反应；S/N过高，S0ADN前半程快速将NO3--N转化为NO2−-N，但Anammox反应受到抑制。
批次实验1以NH4+-N和NO3--N作为底物，在S0ADN-Anammox条件下探究适宜的S/N。当S/N充足时，S0ADN前半程会快速提供足量的NO2−-N底物，S0ADN前半程没有完成时，Anammox反应仍具备一定NO2−-N竞争能力。这与ZHOU等研究结果一致，他们发现，当存在NO3--N时，S0往往优先与NO3--N反应生成NO2−-N，S0ADN后半程速率很低。故S0ADNAnammox系统耦合情况可以根据S0ADN前半程产生的NO2−-N分别通过Anammox和S0ADN后半程去除的占比情况进行判断，根据式(5)和式(6)计算可得，系统中通过Anammox和S0ADN后半程去除的NO2−-N占比情况如图2所示。
由图2可以看出，当S/N由0.8增加至2，PS2由1%升至44%，而PA由99%下降至56%，总氮去除率在S/N=1时最高，可达89%，而S/N为0.8和2时，总氮去除率仅为72%和76%。根据式(7)~(9)计算可得，批次实验1中在S/N分别为0.8、1.0、2.0的实验组中，理论上用于将Anammox产生的NO3--N转化为NO2−-N所需的SO42−和通过S0ADN后半程去除NO2−-N所产生的SO42−质量浓度总和分别为50、56和86mg·L−1，与实际测量值近似，这可验证上述结果的准确性。数据分析结果表明，当S/N=1时，Anammox反应充分，系统总氮去除率较高，当S/N较低时，S0溶解产生可被微生物利用的多硫化物速率较慢，限制S0ADN前半程反应速率，即NO2−-N生成速率降低，故Anammox虽然可以获得系统中大部分NO2−-N进行反应，但NO2−-N质量浓度不足以将NH4+-N完全去除，NO3--N和NH4+-N均未完全去除，导致系统总氮去除率较低。S/N过高则会导致大量NO2−-N通过SADN后半程去除，Anammox反应占比下降，最终导致系统总氮去除率降低。
综上所述，在批次实验中，S/N=1更有利于S0ADN-Anammox系统的高效运行，由于S0参与反应需要溶解的过程，系统中需要保存一定量固态S0以确保具有生物有效性的多硫化物供微生物进行S0ADN前半程反应，因此，该S/N控制值略高于理论值；而S/N过高则会导致Anammox反应受到抑制，进而不利于NH4+-N的去除。
在HUO等的研究中，UASB反应器内部完全依靠水流作用进行泥水混合，系统内会因重力不均出现分层现象，较重的S0颗粒大部分沉在反应器底部形成沉淀，无法与微生物充分接触并参与反应。LI等在连续流厌氧发酵罐中以S/N为2.1启动S0ADN-Anammox系统，当NO3--N完全转化后，仍剩余S/N约为1.34，由于实验装置没有泥水分离装置，发酵罐内污泥携带S0随出水持续排出，经外接沉淀池沉淀后，再用蠕动泵将污泥送回发酵罐，此时部分S0以溶解态存在于上清液或小颗粒态漂浮在表面没有被抽入发酵罐，因此实际重返发酵罐的S0远低于1.34。这些研究中虽然投入大量S0，但实际只有小部分参与反应，因此没有表现出S/N过高对Anammox反应的抑制现象。
2.2 S0对S0ADN后半程与Anammox反应的底物竞争影响分析
在S0ADN-Anammox耦合系统中，当系统中NO3--N被S0ADN前半程转化后，Anammox反应与S0ADN后半程竞争共同底物NO2−-N。为考察S0的含量对这一竞争过程的影响，进行了3次批次实验。批次实验2和3的进水中仅含NH4+-N和NO2−-N，接种污泥分别取自同一连续流S0ADN-Anammox反应器的不同运行阶段，中间间隔9d，批次实验2的污泥中S0含量远高于批次实验3。2次实验中NH4+-N、NO2−-N和NO3--N的转化情况如图3所示。
当S0含量较高时(图3(a))，反应初期，NO2−-N质量浓度显著下降，48h后NO2−-N被完全去除；NO2−-N去除速率在前24h升至0.050kg·(m³·d)−1，之后开始逐渐下降，至48h仅为0.002kg·(m³·d)−1。而NH4+-N质量浓度始终保持在45mg·L−1左右，几乎没有发生转化，NH4+-N去除速率始终处于0.004kg·(m³·d)−1以下。在这过程中始终未检测到NO3--N。
当S0含量较低时(图3(b))，在反应48h后，NH4+-N下降至15mg·L−1，其去除速率上升至0.021kg·(m³·d)−1，而后逐渐下降至0.003kg·(m³·d)−1。NO2−-N经过36h后被完全去除，其转化速率在24h升高至0.038kg·(m³·d)−1。随着反应进行，NO3--N质量浓度在前24h逐渐升高至2.7mg·L−1，36h后又降为0mg·L−1。在整个实验过程中，NO2−-N、NH4+-N分别去除了48mg·L−1和32mg·L−1。
上述实验结果表明，在高S0含量的条件下，仅有S0ADN后半程反应发生，而无Anammox反应发生；而在低S0含量条件下，Anammox反应在NO2−-N、NH4+-N的去除过程中表现明显的主导作用。这可能是S0对S0ADN后半程和Anammox的底物竞争产生了明显的影响。
为进一步明确不同S0含量对上述2个反应过程的影响程度，进行了批次实验4。将连续流反应器中取出的污泥用清水清洗5遍，以去除污泥中存留的S0。将等量的污泥加入4个封口瓶中，并投加不同的S0(S/N分别为0、0.5、1.1和4)，NH4+-N和NO2−-N的初始质量浓度均分别控制在60mg·L−1和66mg·L−1左右。实验中NO2−-N、NH4+-N去除和NO3--N与SO42−的生成转化情况如图4所示。如图4(a)所示，当S/N=0时，NH4+-N和NO2−-N被明显去除，在反应的前36h，NH4+-N和NO2−-N去除速率持续上升至0.031kg·(m³·d)−1和0.037kg·(m³·d)−1，反应过程中发现NO3--N生成，24~48hNO3--N质量浓度维持在1~2mg·L−1，SO42−在整个过程增加了11mg·L−1，NH4+-N和NO2−-N分别去除了55mg·L−1和68mg·L−1。如图4(b)所示，当S/N增至0.5时，NO2−-N去除情况不变，NH4+-N在72h后仍剩余32mg·L−1，NH4+-N去除速率略微下降至0.022kg·(m³·d)−1。过程中并未检测出NO3--N，SO42−在整个批次实验中增加了39mg·L−1，NH4+-N、NO2−-N分别去除了31mg·L−1和70mg·L−1。如图4(c)所示，继续增加S/N至1.1时，NO2−-N去除效果良好，而NH4+-N质量浓度下降缓慢，72h后仍剩余50mg·L−1，NH4+-N去除速率低于0.008kg·(m³·d)−1，过程中并未检测出NO3--N。SO42−在反应过程中增加了72mg·L−1，NH4+-N和NO2−-N分别去除12mg·L−1和67mg·L−1。如图4(d)所示，当S/N继续增加至4时，72h后NH4+仅去除了5mg·L−1，NO2−-N被完全去除且去除速率最高达0.049kg·(m³·d)−1。过程中同样未检测出NO3--N，SO42−共增加了87mg·L−1。
批次实验4结果表明，当耦合系统中S0ADN前半程将NO3--N转化后，S/N极低情况下，Anammox可以在NO2−-N和NH4+-N的去除中占据主导地位，随着S/N增加，Anammox反应情况逐渐恶化，当S/N为0.5、1.1时，NH4+-N去除量分别减少了24mg·L−1和43mg·L−1，当S/N为4时，主要发生S0ADN后半程反应，Anammox已无法正常进行。
批次实验2和3中的底物转化情况表明，实验中NH4+-N和NO2−-N不同的转化情况，不是由于2次实验接种污泥中Anammox数量不同所致，而是由于不同S0含量对Anammox的转化作用所致。
通过批次实验4，探究不同S0含量对S0ADN后半程与Anammox竞争的影响。结果表明，当耦合系统中S0ADN前半程将NO3--N转化完成，随着S/N增加，更多NO2−-N会通过S0ADN后半程去除，而并没有通过Anammox途径去除，导致NH4+-N去除效果恶化。根据式(5)和式(6)计算可得批次实验4中PS2和PA的分布情况，结果如图5所示。
由图5可以看出，随着系统中S/N由0增加至4，PS2逐渐由9%升至96%，而PA从91%下降至4%，根据式(7)~(9)计算可得，在批次实验4中，当S/N分别为0.0、0.5、1.1、4.0的实验组中，理论上产生的SO42−质量浓度总和分别为26、37、62和77mg·L−1，与实际测量值近乎一致，可验证上述结果的准确性。
结果表明，当S0ADN-Anammox系统中NO3--N通过S0ADN前半程快速转化后，仅存在NO2−-N和NH4+-N时，S0的存在会加快S0ADN后半程对NO2−-N的利用速率，从而对Anammox过程产生抑制作用，且S/N越高，S0ADN后半程获得的NO2−-N越多，Anammox越难发挥作用。FU等在USAB反应器中启动S0ADN-Anammox系统，将进水中NO3--N换为NO2−-N，过量投加S0，NO2−-N去除率为100%，NH4+-N去除率仅为50%，将近50%NO2−-N通过S0ADN后半程去除，说明当S0存在时，确实会导致SADN后半程竞争更多的NO2−-N底物。
3、结论
1)采用略高于理论值的S/N，使系统中固态S0存量满足多硫化物溶解的需求，即可保证S0ADNAnammox耦合系统有良好的性能。批次实验的结果表明，S/N为1时，系统的总氮去除率可达89%，其中NH4+-N去除率为77%，NO3--N去除率为100%。
2)在进水含NO2−-N和NH4+-N的实验结果表明，S0含量会明显增强S0ADN后半程对NO2−的竞争能力。因而S/N过高会抑制S0ADN-Anammox耦合系统中Anammox过程对底物的竞争能力，降低NH4+-N去除效果。（来源：苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州科技大学环境生物研究所）
