减轻水体中的氮污染已成为一个紧迫的全球性科学挑战，对保障水资源安全和维持生态稳定至关重要。过量的氮是导致富营养化的主要因素，对水质和安全构成严重威胁（Wang等人，2024年）。农业施肥和废水排放向水体中引入了过量氮，其中硝酸盐氮（NO3--N）是主要的氮污染形式（Abascal等人，2022年；Huang等人，2011年）。通过饮用水摄入过量的NO3--N可能在体内形成高致癌性的N-亚硝基化合物，长期暴露于高浓度NO3--N会增加婴儿患高铁血红蛋白血症的风险（Van Breda等人，2019年；Ward等人，2018年）。目前，生物氮去除被认为是去除水体中NO3--N最经济有效的方法。在这些方法中，异养反硝化（HD）是主要途径，具有较高的氮去除效率和广泛的应用性（Fu等人，2022年）。然而，HD依赖外部有机碳处理低碳氮比（C/N）废水，可能导致二次有机污染和二氧化碳（CO2）排放增加，这与碳中和战略目标相矛盾（Du等人，2023年）。因此，迫切需要能够有效去除水体中NO3--N的水处理技术。
近年来，自养反硝化（AD）作为一种有前景的替代方法出现，在处理低C/N比硝酸盐富集的废水中表现出明显优势。硫驱动的自养反硝化（SAD）利用还原态硫化合物（如硫化物或单质硫）作为电子供体，微生物氧化作用将这些电子和能量用于将NO3--N还原为N2，而在缺氧条件下无机碳作为碳源（Shao等人，2023年；Wang等人，2020年）。硫基电子供体（SEDs）在自然界中大量存在，具有多种氧化还原状态（从-2到+5），使SAD工艺成为一种高效且经济可行的氮去除方法（Hao等人，2014年）。与传统HD相比，SAD工艺无需外部有机碳，氮去除效率超过90%，运营成本降低20%-60%，污泥产量减少60%以上，因此受到了广泛关注和应用（Wang等人，2021年；Wu等人，2016年）。与其他AD工艺相比，SAD具有低成本硫源、强抗水质波动能力和与低碳目标兼容性等优势（Hao等人，2014年；Yang等人，2017年）。该工艺已在工业废水、市政污水和地下水处理中得到研究与应用，通过优化滤床和耦合工艺提高了效率（Chen等人，2022a；Jian等人，2023年；Kong等人，2016年）。然而，硫的质量传递限制和硫酸盐（SO42-）副产物的积累等挑战阻碍了其大规模应用，需要针对这些问题制定解决方案。
与HD相比，SAD的缺点包括反硝化速率较低和启动时间较长（Hu等人，2020年；Zhou和Wang，2024年）。因此，SAD主要用于处理NO3--N负荷较低的水体，如二次出水（Gao等人，2018年；Li等人，2020b）、地下水（Sierra-Alvarez等人，2007年；Xu等人，2019年）和微污染水（Xu等人，2016b），这大大限制了其应用范围。近年来，人们越来越关注将SAD与电化学（Liang等人，2024年）、厌氧氨氧化（Deng等人，2019年；Zeng等人，2021年）和HD工艺（Li等人，2022b；Pang等人，2022年）结合使用，以显著提高反硝化速率并有效处理硝酸盐残留。除了上述优势外，SAD还有潜力减少温室气体排放并实现双重碳减排，研究表明其产生的N2O较少（Yang等人，2016b；Zhang等人，2015年）。然而，反应器类型、S/N比和操作条件可能影响SAD系统中N2-的积累和N2O的产生（Dolejs等人，2015年；Liu等人，2016年；Yang等人，2016b）。评估和研究SAD工艺中的N2O排放特征和模式对于有效控制和减少其排放至关重要。
SAD工艺消除了对外部碳源的需求，但硫基材料的提取、纯化和制备过程仍较为复杂。此外，SAD工艺面临三个主要挑战：碱度消耗、需要定期更换滤料以及硫酸盐生成带来的环境问题。有必要全面分析SAD工艺在硫基电子供体类型、反硝化速率、成本效益、环境效益和N2O排放方面的优缺点。
本文旨在全面概述SAD工艺的研究和应用，重点关注以下关键方面：（1）比较不同SEDs的反硝化速率和成本效益，对其氮去除性能进行综合评估。（2）影响SAD性能的关键因素。（3）比较硫基SAD和HD工艺的N2O排放模式，重点关注与N2O转化相关的功能基因动态，以阐明SAD中观察到的减排机制。（4）简要总结SAD反应器中使用的滤料研究进展。这项工作有助于研究人员深入了解SAD工艺，并制定应对挑战的策略，从而促进其在实际工程中的应用。
