中国环境科学 2020,40(5)：2081~2086 China Environmental Science 硫代硫酸钠联合硫铁矿自养反硝化脱氮性能
周娅1，买文宁1*，代吉华2，孙培彬2，曾令斌3，唐启2(1.郑州大学水利科学与工程学院，生态与环境学院，河南郑州450001；2.河南君和环保科技有限公司，河南郑州 450001；3.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430001)
摘要：为了实现低C/N实际废水的快速、经济、高效脱氮，采用硫代硫酸钠联合硫铁矿处理生产抗生素的生化尾水，探讨该系统的脱氮性能及处理实际废水的可行性和稳定性，并采用高通量测序揭示系统内微生物落.本文利用了3个完全相同的反硝化滤柱反应器，分别按照硫代硫酸钠投加量为理论计算量的1倍、0.75倍、0.5倍，对应填充200、400、400m L的硫铁矿.结果表明:HRT为0.75h时，前2个反应器对NO3--N的去除率依然保持在72%以上，而第3个反应器脱氮性能较差;3个反应器出水pH值基本在6.8 ~ 8.0之间，适宜硫自养微生物生存，无需额外补充碱度；硫代硫酸钠相比于硫磺，既可随时补充，又避免浪费，同时能改善微生物与电子供体之间的传质并减缓系统堵塞现象;3个反应器的功能菌属是Sulfurimonas 和Thiobacillus，两者之和在3个系统中所占比例分别为27.32%、25.37%、18.4%.
关键词：硫代硫酸钠；硫铁矿；自养反硝化；脱氮；抗生素生产废水；生化尾水
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2020)05-2081-06
Study on autotrophic denitrification performance of sodium thiosulfate combined with pyrite system. ZHOU Ya1, MAI Wen-ning1*, DAI Ji-hua2, SUN Pei-bin2, ZENG Ling-bin3, TANG Qi2 (1.College of Hydraulic Science and Engineering, College of Ecology and Environmental Engineering Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China；2.Henan Junhe Environmental Protection Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China；3.Central China municipal engineering design research institute Co., Ltd, Wuhan 430001, China). China Environmental Science, 2020,40(5)：2081~2086
Abstract：In order to achieve the rapid, economical and efficient denitrification of actual low C/N wastewater, sodium thiosulfate and pyrite was used to treat the biochemical tail water for antibiotic production. The denitrification performance, the feasibility and stability of this practical wastewater treatment system were explored, and the microbial community was revealed by high-throughput sequencing. In this paper, three identical denitrification filter column reactors were used to fill 200, 400 and 400mL of pyrite with sodium thiosulfate dosage of 1、0.75、0.5times of the theoretical amount. The results showed that the removal rate of NO3--N in the first two reactors remained above 72%, while the denitrification performance of the third reactor was poor. The effluent pH value of the three reactors was basically between 6.8 and 8.0, which was suitable for the survival of sulfur autotrophic microorganisms without additional alkalinity. Compared with sulfur, sodium thiosulfate not only can be r
eplenished at any time and avoid waste, but also can improve mass transfer between microorganism and electron donors, and slow down the blocking phenomenon of the system; The functional bacteria in the three reactors were Sulfurimonas and Thiobacillus, accounting for 27.32%, 25.37% and 18.4% respectively.
Key words：sodium thiosulfate；pyrite；autotrophic denitrification；denitrification；antibiotic wastewater；biotreated effluent
近年来城市污水和工业废水的不达标排放，导致地下水NO3--N污染日趋严重[1-2].普遍存在的NO3--N污染[6]，极大的威胁着人们的健康[7-8].目前对于这些高硝态氮低碳废水[9]，大多使用自养反硝化和异养反硝化进行生物脱氮.自养反硝化与异养反硝化相比，具有可利用无机碳源，细胞产量少，产生温室气体N2O少等优点而受到了学术界的青睐[10-12]，硫自养反硝化是硫自养菌以硫单质或硫的还原态化合物为电子供体，将NO3--N还原为N2的过程.有研究表明，单独利用硫铁矿作为电子供体，系统启动慢，脱氮效率低[13-14]；利用硫化钠作为电子供体，系统不稳定，出水水质波动较大[15]；单独利用硫代硫酸钠作为电子供体而无载体絮凝的系统成本高且脱氮效率低[16]；而根据课题组前期研究[17]，利用硫磺/硫铁矿进行组合脱氮，系统传质效果不好，而且微生物对固状硫的利用劣于微生物对液态硫的利用；故考虑用硫代硫酸钠联合硫铁矿作为电子供体的自养反硝化系统，既可解决了硫代硫酸钠单独作为收稿日期：2019-10-08
基金项目：国家“十三五”水体污染控制重大专项沙颍河重点污染源控制关键技术集成验证及推广应用课题(2017ZX07602-001)
* 责任作者, 教授, 138********@126
2082 中 国 环 境 科 学 40卷
硫源需要载体的问题，又弥补了硫铁矿单独作为硫源启动慢的缺点.目前，硫自养反硝化脱氮常用于地下水和市政污水尾水中NO 3-
-N 的去除[14]，用于处
理抗生素生产废水生化尾水的研究很少，利用硫代硫酸钠联合硫铁矿处理抗生素生产废水更是鲜有报道.
本研究选用硫代硫酸钠和硫铁矿组合，处理抗生素生产废水生化尾水，考察硫代硫酸钠联合硫铁矿自养反硝化的脱氮性能及基质波动下的稳定性，为未来硫自养脱氮工艺的实际应用奠定基础. 1 材料与方法 1.1 试验装置
如图1所示，本研究共设3组相同的反应器，从左向右依次为1、2、3号反应器，材质为圆柱形有机玻璃，总高度57cm，有效高度55cm，内径4cm，有效容积690mL.运行方式采用升流式
.
图1 硫自养反硝化试验装置示意
Fig.1 Experimental device for the process of sulfur -based
autotrophic denitrification
1.2 试验进水
本试验进水为河南省焦作市某抗生素生产废水的生化尾水，水质如表1所示.
表1 试验水质指标
Table 1 Water quality indicators of the test
项目
数值(mg·L -
1)
项目
数值(mg·L -
1)
COD 35~70 NO 3－
-
N 26~45 TN 38~56 NH 4+-N 0~25 pH 7.3~8.1 NO 2－
-N 0~0.5
1.3 试验方法
3组反应器，按硫代硫酸钠脱氮理论计算量的1倍,0.75倍,0.5倍添加硫代硫酸钠分别为1、2、3号反应器,1、2、3号反应器填充的硫铁矿体积分别为200、400、400mL，填充的硫铁矿粒径为2~4mm.试验接种污泥取自河南省郑州市某市政污水处理厂浓缩池的絮体泥，污泥浓度约10000mg/L，各接种100mL.装柱完成后，保持污染物停留时间1.5h，对反应器进行连续动态挂膜驯化.若观察到硫铁矿表面有一层棕黄的生物膜，且NO 3-
-N 的去除率达到80%以上，则认为反应器挂膜启动成功.整个试验在室内进行，试验进水温度16~20℃.反应器启动成功后，通过缩减污染物的停留时间逐步提升反应器容积负荷，观察分析反应器各项运行指标，考察反应器的脱氮效能. 1.4 检测项目与方法
试验分析需测定指标及方法如下:pH 值测定采用便携式智能酸度计(GB 6920-86)[18];NO 2--N 测定
采用紫外分光光度法(HJ/T 346-2007)[19]，结果用浓度(mg/L)表示;NO 2-
-N 测定采用N -(1-萘基)-乙二胺分光光度法(GB 7493-87)[20]，结果以浓度(mg/L)表示.
2 结果与分析
2.1 系统出水pH 值的稳定性
试验研究表明，适合硫自养微生物繁殖和维持活性的pH 值范围为6.0~8.0，若pH 值低于5.5，则会
对硫自养反硝化过程产生极大的限制[21-
22].此试验
运行期间,1、2、3号反应器的出水pH 范围基本稳定在6.8~8.0之间，如图2所示.可能是由于硫自养反硝化是一个产酸过程，理论方程如下:
0.844S 2O 32-+NO 3-
+0.347CO 2+0.434H 2O+
0.086HCO 3-
+0.086NH 4+→0.086C 5H 7O 2N+
0.5N 2+1.689SO 42-+0.697H +
(1) 2FeS 2+6NO 3-+4H 2O→6N 2+4SO 42-
+2H ++2Fe(OH)3
(2)
而异养反硝化是一个消耗酸产生碱的过程，生
物反应式如下:
0.625CH 3COO -+NO 3-+0.375H +→1.25HCO 3-
+
0.5N 2+0.5H 2O (3)
故与目前研究相比[23]，可能是由于进水中的少量
5期 周 娅等：硫代硫酸钠联合硫铁矿自养反硝化脱氮性能 2083
有机物被异养反硝化菌利用，进行异养反硝化产生部分碱和硫自养反硝化产生的酸实现酸碱互补[24].而
且在高通量测序结果中检测到了Thauera 菌属,Thauera 是一种重要的异养反硝化菌，在厌氧条件下，可以利用水中少量有机物作为电子供体进行反硝化[32,39-40]
，也
为系统内部存在酸碱互补现象提供了依据.
0 5 10 15 20 25 3035 40 45 50 55 6065
6.5
7.0reactor 性能
7.5
8.0 8.5
p H 值
时间(d)
进水
1号反应器 2号反应器
3号反应器
图2 系统出水pH 值
Fig.2 The pH value of the system water
2.2 硫代硫酸钠加入量对脱氮系统的影响
硫自养反硝化实质是硫自养微生物利用含硫物质作为电子供体，将NO 3-
-N 还原为N 2的过程.有研究表明，固态电子供体在水中的溶解度极低，微生物利用速度慢，且长时间运行，生物膜在固体表面的覆盖会阻碍微生物与含硫物质的接触，而溶解性的硫代硫酸盐为离子态，易于传递[25-26]，故硫代硫酸钠
的投加量对硫自养反硝化进程有着显著的影响.该研究将2号和3号反应器作对比,2个系统硫铁矿填充体积相同，但是2号硫代硫酸钠投加量大于3号，系统脱氮效率如图3所示,2号反应器的NO 3-
-N 去除效果大于3号反应器，但是初期阶段，水温只有13℃左右，导致微生物代谢速度慢，故2号和3号
反应器脱氮效果相差较小.后期在正常运行第46d 时，向3号反应器进水中补充少量硫代硫酸钠，反应器脱氮效率小幅度上升，从平均43.82%恢复到平均56.13%，可能是由于后期,3号反应器中硫自养微生物数量增多，可供利用的硫代硫酸钠的量不足.与课题组前期研究相比[17]，用液态硫代硫酸钠取代硫磺，不但增加了微生物对电子供体的利用程度，改善了传质效果，减缓反应器因堵塞而出现的短流现象；而且当电子供体不足时还可随时补充，操作方便，也不会造成过
多电子供体浪费，节约成本.
0204060801000
10
20
30 40 50 60010203040N O 3
-
-N 去除率(%)
时间(d)
N O 3
-
-N 浓度(m g /L ) 2号反应器 号反应器
2号出水
3号出水
进水
图3 硫代硫酸钠的加入量对系统脱氮的影响
Fig.3 Influence of the amount of sodium thiosulfate added on
denitrification performance of system
2.3 HRT 对脱氮系统的影响
HRT 是核算工艺运行成本和系统去除污染物能力的重要指标.不同 HRT 条件下NO 3-
-
N 去除率呈现明显差异，如图4所示，随着HRT 的减小，各个系统的脱氮效率也逐步降低.反应器启动成功后，运行过程可大致分为4个阶段.第一阶段(1~27d,HRT 1.5h):1、2、3号反应器的NO 3--N 平均去除率分别为96.76%、92.15%、85.46%，进水NO 3--N 负荷为0.64k g/(m 3·d).运行期间3个系统中NO 2--N 均出现
明显累积，由于进水携带的溶解氧、NO 3-
和短程硝化产生NO 2-
会对亚硝酸盐还原酶产生抑制作用，导致硝酸盐还原速率大于亚硝酸盐还原速率；第二阶段(28~39d,HRT 1h):HRT
从 1.5h 缩短至1h，进水
NO 3--N 负荷从0.64增加至0.96kg/(m 3·d),1、2、3号反应器的NO 3--N 去除率分别降至86.28%、85.18%、67.34%.可见该阶段运行稳定后,1号和2号反应器NO 3-
-N 去除率相差不大，可能是因为第一阶段，硫代硫酸钠为主要电子供体，而时间久了，微生物会慢慢附着在硫铁矿表面增殖和生长,NO 3--N 由溶液主体透过生物膜向硫铁矿颗粒表面的扩散成为主要限制性因素[27]，致使硫自养微生物利用硫铁矿进行自养反硝化的比率增加.3号反应器脱氮性能变化较大,NO 3--
N 去除率由85.46%降至67.34%，可能是由于系统内的微生物抗污染负荷冲击能力差；第三阶段(40~54d,HRT 0.75h):1、2、3号反应器的NO 3--N 去除率分别由86.28%、85.18%、67.34%降
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中 国 环 境 科 学 40卷
至75.83%、72.98%、56.34%，进水NO 3-
-N 负荷约1.28 k g/(m 3·d).3号反应器运行初期出现了NO 2-
-N
积累，运行几天后，积累现象消失，可能是由于该阶段运行初期突然提升负荷，系统中微生物不能够适
应环境；第四阶段(55~63d,HRT 0.5h)：反应器脱氮性能骤然变差,NO 3-
-N 去除率分别跌至41.45%、39.76%、22.52%，可能是由于污染物负荷高，进水流速大，不仅减弱生物膜在硫铁矿表面的附着能力，造成硫自养微生物流失，还使未被微生物充分利用的硫代硫酸钠和细小的硫铁矿颗粒随出水流出反应器[17].与此同时，由于HRT 过短，停留时间不足以使硝态氮有效渗透入微生物菌团内部，微生物无法充分利用底物，造成各个系统中NO 2--N 积累，但过高的NO 2--N 浓度会对硫自养菌产生抑制作用，更不利于系统脱氮.
0 5 10 15 20 25 0
5 10 15 20 25 30 35 40 30 35 4045 50 55 60 65
0 2 4 6 8 10 12 14 0
102030405060708090
100N O 3
--N 去除率(%) N O 3
--N 浓度(m g /L )
时间(d) 进水
1号出水2号出水3号出水
N O 2--N 浓度(m g /L )
进水
1号出水NO 2--N 浓度 2号出水NO 2--N 浓度 3号出水NO 2--N 浓度 1号反应器NO 3--N 去除率 2号反应器NO 3--N 去除率 3号反应器NO 3--N 去除率
图4 HRT 对系统脱氮的影响
Fig.4 Influence of HRT on denitrification performance of
system
试验结果说明,HRT 对反应器脱氮效果影响较大.在不同HRT 条件下,1号和2号反应器脱氮性能较好且相差不大,3号反应器脱氮性能较差，抗负荷冲击能力弱.在本次试验中,1号和2号反应器的最佳HRT 为0.75h,1号和2号反应器的NO 3-
-
N 去除率可高达75.83%、72.98%.3号反应器最佳HRT 为1h,NO 3--N 去除率为67.34%.
2.4 微生物菌分析
为了研究各个系统的微生物种类及相对丰度，统一采集反应器底部的样品，采用HiSeq 高通量测序平台对样品进行分类学分析.
ZY1
ZY2ZY3
0.200.400.600.801.00相关丰度
物种
ZY1
ZY2 ZY30
0.200.40
0.600.80
1.00
相关丰度
Sulfurimonas
Thiobacillus Thermomonas
Treponemas Thauera
Nitrospira Geobacter
Geothrix Bacillus
Rhodanobacter Malikia
Desulfovibrio Gemmatimonas
Piscinibacter Zoogloea
Flavobacterium Sulfurisoma
Bdellovibrio Terrimonas
Leptonema Azospira
Gp4 Pseudoxanthomonas
Arenimonas Desulfoprunum
Simplicispira Melioribacter
Luteibacter Paludibaculum
others (b)属水平
图5 微生物在门和属水平的相对丰度
Fig.5 Relative abundance of microorganisms at phylum and
genus levels
如图5(a)所示，从门类分级水平对3个系统微生物进行检测分析，识别出9种细菌门类,3个系统中占比最大的均是Proteobacteria 菌门，与前人研究的一些硫自养反硝化系统生物落相一致[28-
29]，其相对
丰度分别为57.02%、56.66%、54.98%，有研究表明Proteobacteria 菌门中大部分微生物可以利用氢、
5期 周 娅等：硫代硫酸钠联合硫铁矿自养反硝化脱氮性能 2085
氨、甲烷和挥发性脂肪酸等有机物进行反硝化脱氮过程[30-
32]；系统中第二大优势菌门Bacteroidetes 主
要存在于缺氧环境，在3个系统中所占比例分别为9.65%、8.37%和8.22%，且有研究表明Bacteroidetes 和Chlorobi 组合出现[23].Chloroflexi 菌门下的某些菌属被发现有异养特性，可将NO 3-转化为NO 2-
的能力[33]，且利用的碳源为系统中溶解性微生物产物[34];
Firmicute 菌门可能与污泥反硝化脱氮有关[32,35]，其菌属大多数为球状或杆状的革兰阳性细菌，相对丰度分别占1.34%、1.17%和3.11%.
如图5(b)和表2所示,Sulfurimonas 和Thiobacillus 被大量研究表明具有自养反硝化功能，在该研究中Sulfurimonas 和Thiobacillus 也均是3个系统的主要占优菌属,3个系统中两者所占比例分别为27.32%、2
5.37%、18.4%，可见1号和2号反应器主要功能微生物比例相差较小，而两者硫自养功能菌属所占比例远大于3号反应器，推测是由于微生物利用液态硫代硫酸钠比固态硫铁矿容易，故更易富集核心功能微生物;Thiobacillus 一般为专性化能自养型微生物，在厌氧条件下，以反硝化反应的方式同时参与硫、氮循环，以NO 3-
-N 中的氧来氧化硫化物
[36]
;Thermomonas 为反硝
化热单孢菌属[37]; Thauera 是陶厄氏菌属，某些菌株能够利用硝酸盐作为电子受体同步氧化硫化物，从而达到脱氮的目的
[38]
；除此之外，也有研究表明,Thauera 菌
属是一种重要的异养反硝化菌，在厌氧条件下，可以利用水中少量有机物作为电子供体进行反硝化[32,39-
40]；动胶菌属Zoogloea 属于β-Proteobacteria ，也被证实具有反硝化能力
[28]
.
表2 优势菌属的丰度
Table 2 Abundance of the dominant genus
反应器
菌属 1# 2# 3#
Sulfurimonas 0.1632 0.1280 0.0995 Thiobacillus 0.1100 0.1257 0.0845 Thermomonas 0.0879 0.0627 0.0398 Treponemas 0.0359 0.0675 0.0102 Thauera
0.0253 0.0130 0.0267
3 结论
3.1 1、2、3号反应器出水pH 值相对稳定，基本在6.8~8.0之间浮动，不用额外添加碱度.
3.2 在其它条件相同时，硫代硫酸钠投加量为理论计算量0.75倍的系统脱氮效果大于0.5倍的系统.此外，用硫代硫酸钠取代硫磺不仅可在系统硫源不足时随时补充，提高系统的脱氮性能，也可避免因加入过多而造成浪费，节约成本.
3.3 各个反应器的脱氮性能均随着HRT 的减少而减弱.HRT 为0.75h 时，前2个反应器的NO 3-
-N 去除率保持在72%以上，而3号反应器脱氮性能较差，抗负荷冲击能力差.在保证脱氮性能又节约成本的基础上，优选2号反应器.
3.4 3个反应器内硫自养反硝化菌是Sulfurimonas 和Thiobacillus ，在3个系统中所占比例分别为27.32%、25.37%、18.4%.
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