自养反硝化技术具有无需外加碳源、污泥产量低以及成本低等优势，是双碳背景下最具前景的低C/N废水的深度脱氮处理技术之一，而无机电子供体的选择是该技术能否广泛实际应用的关键。
根据反硝化原理，硫基自养反硝化易产酸并会产生硫酸盐，铁基反硝化耗酸且会有亚硝酸盐积累，而硫-铁基耦合自养反硝化可以结合两者的特点，维持反应pH稳定，减少二次污染。
基于以上分析了硫基、铁基以及硫-铁基作为电子供体的自养反硝化基本作用原理及特性，并阐述了基于各电子供体进行反硝化时的优势菌属，以期为硫基、铁基及硫-铁基耦合自养反硝化技术在提高脱氮效率并减少二次污染方面的研究提供参考。
含氮污染物仍然是目前主要的水环境生态问题之一，目前，针对水体存在的氮污染已有多种处理方法，主要分为物化法和生物法。其中物化法包括电渗析法、离子膜电解法和汽提法等，但这些处理方法存在一些不足，如运行成本高、难以维护、易产生二次污染等。生物法脱氮是废水脱氮的重要手段，其中反硝化是生物脱氮的重要一环。但传统异养反硝化脱氮法中的异养反硝化菌生长代谢依赖于有机碳，而外加有机碳源不仅会导致运行成本高，还会产生二次污染。在如今追求低碳技术的背景下，无需外加碳源的自养反硝化脱氮技术在水体污染控制中的作用日益重要。文章总结对比了国内外学者对硫基、铁基及硫-铁基耦合自养反硝化的研究及不同电子供体类型的脱氮性能，以期为自养反硝化脱氮工艺的进一步优化提供参考。
（1）介绍了硫基自养反硝化（SAD）的原理及研究进展。SAD是指在缺氧或厌氧条件下，脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrifications等）利用还原态硫（S
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、S
2-
、SO
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2-
、S
2
O
3
2-
等）作为电子供体，以NO
3
-
-N或NO
2
-
-N为电子受体，同时通过还原态硫的氧化过程获取能量，将NO
3
-
-N还原为N
2
的过程。SAD工艺的优点包括无需外加碳源和低污泥产量，且在处理含NO
3
-
-N的无机废水中具有低成本的优势。
此外，SAD反应过程中会产生H
+
，导致pH降低。自然界中，硫的来源广泛，种类繁多。
SAD电子供体有单质硫、硫化物、硫代硫酸盐和含硫矿物。不同电子供体驱动下的自养反硝化作用的主要产物存在差异，文章就此对不同电子供体驱动下的自养反硝化技术的研究进展展开了论述。
（2）介绍了铁基自养反硝化（AIDD）的原理及研究进展。AIDD是在厌氧条件下，AIDD脱氮菌利用零价铁（ZVI）或二价铁为电子供体，以NO
3
-
-N或NO
2
-
-N作为电子受体进行反硝化反应的过程。目前，对于铁基反硝化生物反应机理尚不明确，有学者提出了Fe（Ⅱ）氧化还原酶型、硝酸盐还原酶型、bc1-Fe（Ⅱ）氧化还原酶型和电子结余型4种预测机理模型，但均未得到确切证实。文章中作者重点就AIDD中不同含铁物质作电子供体时的反硝化效果进行了阐述。
（3）介绍了SAD-AIDD耦合工艺的研究进展。AIDD与SAD在实际应用中存在着不足，SAD过程消耗碱度，AIDD产生碱度，而SAD-AIDD可结合二者特点维持反应pH稳定，从而受到了广泛的关注。SAD-AIDD常见的电子供体为天然硫化铁矿物，其种类繁多，相对易获取，以天然硫化铁为电子供体的反硝化作用是地下水脱硝的主要途径之一。SAD-AIDD工艺主要电子供体类型有硫化铁、含硫铁污泥以及混合硫铁填料，文章以此分类对耦合工艺研究进展进行了阐述。
（4）总结了不同电子供体的体系种的优势菌群，并对相关的功能基因进行了描述，并给出了不同还原酶介导下的硝酸盐还原路径，指出当电子供给速率较慢时，不同还原酶之间会存在一定的竞争关系。
文章总结对比了国内外学者对硫基、铁基及硫-铁基耦合自养反硝化的研究及不同电子供体类型的脱氮性能，指出硫-铁基自养反硝化技术因其可提供多种电子供体，理论上可以克服pH波动大和SO
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2-
产生量大的缺点，更具应用潜力。但目前硫基、铁基及硫-铁基耦合自养反硝化技术均还有许多问题亟需解决，未来可从以下3个方面进行深入研究，以解决该领域的现存问题：
1）SAD有SO
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2-
及NO
2
-
的积累，且反硝化过程产酸，导致脱氮性能降低。因此，可进一步探索硫基反硝化工艺与其他技术的耦合对上述问题进行相应改善。
2）AIDD过程耗酸，具有pH升高、产生NO
2
-积累且铁易氧化板结等问题。可通过将该技术与IC-ME、异养反硝化、氢基自养反硝化或SAD形成耦合体系，维持反应pH稳定，减少板结，提高脱氮效率。此外，未来还需进一步探索自养反硝化菌与污染物可能存在的相互作用，为该技术的实际应用提供理论支撑。
3）硫-铁基耦合自养反硝化结合了硫基自养与铁基自养，可维持反应pH稳定，减少出水SO
4
2-
。但该领域研究较少，技术不够成熟，仍需进一步探索，尤其开发脱氮性能高、板结概率低的填料至关重要。
第一作者
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王婧，北京石油化工学院韩严和课题组硕士研究生，主要从事硫自养反硝化的应用研究。E-mail：[email protected]。
通讯作者：
韩严和，教授，北京石油化工学院，长期从事工业污水处理及回用工程设计和技术研发、水质检测原理与技术、难降解工业污水处理设备与技术研发、环境评价与工业安全等方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金委员会-北京市教育委员会联合资助项目、北京市拔尖人才项目、北京市委组织部优秀人才资助项目等科研项目20余项；发表论文近100篇，其中EI检索10余篇，SCI检索40余篇。申请或授权国家发明专利近20项。首批北京市属高等学校“青年拔尖人才培育计划”人选。E-mail：[email protected]。
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来源
：《工业水处理
》
2024年第6期
）
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