在上升流覆盖过滤（UBF）反应器中，由硫硫酸盐和黄铁矿的区带供应驱动的氮去除过程

《Bioresource Technology》：Nitrogen removal driven by zonal supply of thiosulfate and pyrite in an up-flow blanket filter (UBF) reactor

创新性构建单阶段上流布滤器（UBF）三层轴向功能分区体系，通过硫代硫酸盐和黄铁矿梯度补充实现硫自养反硝化（SAD）与厌氨氧化（Anammox）协同增效，总氮（TN）浓度降至4.3±2.8 mg/L并实现pH自稳。

　　这项研究探讨了一种创新的单级上流式填料过滤器（UBF）反应器设计，旨在通过空间分层功能区实现高效的氮去除。传统上，厌氧氨氧化（Anammox）工艺因其无需曝气和有机碳输入而被认为是一种节能的氮去除方法，但其在实际应用中面临硝酸盐（NO??–N）积累的挑战，这可能导致出水氮浓度超过排放标准。为此，研究团队设计了一个具有三个轴向分层功能区的UBF反应器，并通过多点补充硫代硫酸盐（thiosulfate）和黄铁矿（pyrite）来优化反应过程。

在反应器稳定运行期间，高强度厌氧氨氧化层（L1）对总氮（TN）去除贡献了82.3%，并且该层通过生成碱性物质支持后续的硫自养脱氮（SAD）过程。SAD耦合厌氧氨氧化层（L2）有效地去除了积累的硝酸盐，将TN浓度从42.8?mg/L降至25.2?mg/L。最后，高级氮去除层（L3）进一步净化出水，使TN浓度稳定在4.3?±?2.8?mg/L，同时实现了pH值的自我调节，达到7.1?±?0.1。这一设计不仅提升了氮去除效率，还减少了对额外碳源的依赖，从而降低了运行成本和环境负担。

在实际应用中，厌氧氨氧化微生物对硫代硫酸盐的添加表现出抑制-恢复的响应机制。这意味着当硫代硫酸盐被引入时，微生物活动会受到一定程度的抑制，但随着时间推移，它们能够恢复并继续参与氮去除过程。黄铁矿则在该系统中发挥了多重作用：它不仅作为过滤介质，还通过促进电子传递来加速反应，并作为电子供体参与脱氮过程。黄铁矿的持续释放特性有助于缓解硫化物对微生物的抑制作用，同时提供协同的电子供体支持。

研究发现，黄铁矿在厌氧氨氧化系统中能够促进铁-氮-硫循环的耦合，这一过程通过上调血红素C（heme C）合成和铁氧还蛋白（ferredoxin）表达来增强氮去除效率。此外，黄铁矿的使用还能减少污泥产量和二次污染，使其成为一种环保且经济的材料。而硫代硫酸盐因其高生物可利用性和溶解性，被广泛用作硫源驱动SAD过程。通过优化硫代硫酸盐和黄铁矿的补充比例，可以实现不同功能层之间的协同作用，进而提高整体的氮去除能力。

在硫基自养脱氮过程中，硫化物矿物作为电子供体的使用通常受到固相与微生物之间的界面反应和质量传递限制。例如，黄铁矿的不同晶面表现出不同的反应速率，按照（111）>（110）>（100）的顺序排列。这种界面反应的差异可能影响反应器的整体效率，因此在设计时需要考虑如何优化这些界面特性以提高质量传递效率。此外，依赖于表面反应和扩散质量传递可能导致质量传递效率低下，进而影响脱氮效果，并需要较长的水力停留时间（HRT）来维持反应器的运行效率。

为了将材料的潜力转化为实际操作性能，必须合理组织微生物群落并保持反应器结构的稳定性。在上流式反应器中，可以通过利用其水力分层特性，根据反应器高度的异质性构建垂直功能分区。从微生物学角度来看，这种空间耦合系统的可行性取决于关键微生物功能群之间的协同效应。硫代硫酸盐驱动的脱氮过程不仅促进了硝酸盐的稳定积累，并为其后续的厌氧氨氧化提供了持续的底物，还消耗了厌氧氨氧化过程中产生的碱性物质。这种相互作用机制在两个过程之间建立了碱性平衡，克服了单一过程的局限性，为稳定的氮去除提供了新的途径。

尽管硫基自养脱氮（SAD）技术取得了显著进展，但现有的系统尚未充分利用反应器的空间异质性来组织由多种还原性硫底物驱动的功能微生物群落。不同功能层中硫源的定位尚未明确，而常见的硫电子供体（如S?O?2?、S2?、S?和黄铁矿）虽然能够驱动自养脱氮反应，但其氮去除效率存在差异，按照S?O?2? > S2? > S?的顺序排列。因此，研究团队提出，通过在UBF反应器中差异化分配黄铁矿和硫代硫酸盐，可以建立具有不同功能的分层结构。通过调节底物供应比例，实现底物的匹配供应和pH值的稳定，最终达成多层功能协同和定向微生物合作的目标，从而实现深度氮去除。

该研究提出了一种新的方法，即通过轴向固定硫代硫酸盐和黄铁矿来建立一个分区的协同系统，以实现SAD和厌氧氨氧化的高效耦合。这一方法的关键在于如何通过空间分层优化反应器内部的代谢路径，从而提高氮去除效率。通过合理的功能分区设计，可以有效利用反应器的垂直空间异质性，提升不同反应过程之间的协同作用。同时，该方法还为未来在废水处理中实现低碳、高效和可持续的氮去除提供了新的思路。

在实验过程中，UBF反应器的设计和操作条件被严格控制。反应器的反应高度为50?cm，内部直径为8?cm，工作体积为2.5 L。黄铁矿填充层的高度为15?cm，颗粒大小在2–5?mm之间，其孔隙率通过水位法测定为0.36，填充率为30?%（体积比），并位于反应区的顶部。整个实验过程中，反应器的运行温度被维持在35?±?2°C，以确保微生物活性和反应效率。通过这种设计，反应器能够在不同的功能层中实现更高效的物质传递和微生物协同作用。

在长期运行阶段，UBF反应器的性能被划分为三个阶段。第一阶段（第1–43天）为单一功能阶段，此时出水的TN浓度维持在38.7?±?3.7?mg/L，氮去除效率（NRE）为81.9?±?1.8?%。在这一阶段，由于硫自养脱氮尚未激活，大部分出水中的氮来自于厌氧氨氧化过程产生的硝酸盐（34.4?±?2.7?mg/L）。随着反应器进入第二阶段，硫自养脱氮被逐步激活，其与厌氧氨氧化的协同作用开始显现，进一步提升了氮去除效率。第三阶段则标志着反应器进入稳定运行状态，各功能层之间的协同效应达到最佳，出水氮浓度显著降低，同时实现了pH值的自我调节。

通过使用宏基因组分析，研究团队揭示了不同功能层中微生物群落的结构、协同关系及相互作用机制。结果显示，硫代硫酸盐的补充在各功能层中选择性地富集了某些特定的微生物，如*Thiobacillus*和*PFJX01*。这些微生物在反应器中的分布和丰度变化表明，它们在不同功能层中扮演着不同的角色，从而支持了各层之间的协同作用。此外，研究还发现，不同功能层中微生物的基因表达模式存在差异，这种差异源于局部微环境的变化，进而导致功能在基因层面的分化。

在微生物群落的协作方面，研究强调了不同功能层之间存在的共代谢模式。例如，厌氧氨氧化层和硫自养脱氮层中的微生物通过共享某些代谢途径，实现了氮去除效率的提升。这种共代谢机制不仅提高了反应器的整体性能，还增强了其对环境变化的适应能力。通过这种设计，反应器能够在不同条件下维持稳定的氮去除效果，同时减少对外部碳源的依赖，降低运行成本和环境影响。

此外，研究还探讨了硫源在反应器中的功能定位问题。不同的硫化合物在反应器中可能表现出不同的反应特性，因此需要根据其在不同功能层中的作用来优化其分配方式。例如，硫代硫酸盐因其高生物可利用性和溶解性，可能更适合用于驱动快速的脱氮反应，而黄铁矿则因其持续释放特性，更适合用于支持长期的氮去除过程。通过合理设计硫源的分配比例，可以实现反应器中不同功能层之间的协同作用，从而提高整体的氮去除效率。

研究团队还指出，该反应器设计的另一个重要优势是其对尾矿资源的利用。在废水处理过程中，尾矿往往含有大量的硫化物和金属矿物，这些物质可以作为有效的电子供体，参与脱氮反应。通过将黄铁矿等硫化物矿物引入反应器，不仅可以提高氮去除效率，还能实现尾矿的资源化利用，从而减少环境污染并提高资源回收率。这种多污染物去除的能力使得该反应器在实际应用中具有更高的经济性和环境友好性。

综上所述，这项研究提出了一种创新的单级UBF反应器设计，通过空间分层功能区实现了SAD和厌氧氨氧化的高效耦合。该设计不仅提升了氮去除效率，还优化了反应器的运行条件，减少了对外部碳源的依赖，并实现了尾矿的资源化利用。通过合理的功能分区和硫源分配，反应器能够在不同阶段中维持稳定的氮去除效果，同时适应不同的环境条件。这种新型反应器设计为未来在废水处理中实现低碳、高效和可持续的氮去除提供了重要的理论和技术支持。