硫化物驱动自养反硝化系统处理高硝酸盐废水的效能比较与微生物机制解析

针对高硝酸盐工业废水处理中碳源依赖和污泥产量大的难题，中国研究人员对比研究了活性污泥(AS)与潮间带沉积物(IS)接种的硫化物驱动自养反硝化(SAD)系统。发现IS系统在190-228 mg/L S2? 胁迫下仍保持部分脱氮能力，其生物膜中反硝化基因(0.11-0.17%)和硫氧化基因(0.08-0.12%)丰度显著高于AS系统，关键菌属硫杆菌(Thiobacillus)占比超30%。该研究为高硫高氮工业废水处理提供了新策略。

　　

随着工业废水排放量激增，高浓度硝酸盐(NO₃
^?
-N)引发的富营养化问题日益严峻。传统异养反硝化需投加有机碳源，不仅增加处理成本，还会产生大量剩余污泥，与碳中和目标背道而驰。硫化物驱动自养反硝化(Sulfide-driven Autotrophic Denitrification, SAD)技术利用硫化物(S^2?
)作为电子供体，可同步去除氮硫污染物，但现有研究多集中于低氮浓度(20-50 mg N/L)废水，对高硝酸盐(100 mg N/L)工业废水的处理效能及硫胁迫响应机制尚不明确。

为攻克这一难题，来自中国的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表重要成果。研究创新性地对比了活性污泥(Activated Sludge, AS)与潮间带沉积物(Intertidal Sediment, IS)两种接种源构建的SAD系统，通过连续流反应器实验结合宏基因组分析，揭示了不同硫胁迫下微生物功能基因的动态变化规律。

研究采用连续流反应器实验、高通量测序和功能基因定量分析等关键技术。AS和IS分别取自舟山市污水处理厂和东海潮间带，反应器运行期间硫浓度梯度设置为142.5-285 mg/L S^2?
，对应S/N摩尔比5/4-5/7。通过监测NO₃
^?
-N去除率、分析生物膜微生物群落结构及功能基因分布，系统评估了两种接种源的性能差异。

性能对比
在142.5-162.9 mg/L S^2?
条件下，AS和IS系统均实现>90%的脱氮效率；但当硫浓度升至285 mg/L时，两者效率骤降至<10%。值得注意的是，在190-228 mg/L的中高硫胁迫区间，IS系统表现出显著优势，其NO₃
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-N去除率比AS系统高15-20%。

微生物机制
宏基因组分析显示，IS生物膜中反硝化基因(nar/nir/nor)和硫氧化基因(sox/sqr)的丰度(0.11-0.17%和0.08-0.12%)始终高于AS系统(0.08-0.12%和0.04-0.10%)。关键功能菌Thiobacillus在硫浓度回调至162.9 mg/L时占比超30%，证实其对系统功能恢复的核心作用。

讨论与意义
该研究首次阐明潮间带沉积物作为接种源的独特优势：其原生微生物长期适应潮汐变化带来的硫波动环境，进化出更强的硫代谢与脱氮功能基因库。IS系统在190-228 mg/L硫浓度下仍保持活性的发现，为处理硫浓度波动大的工业废水提供了理论依据。研究提出的硫阈值控制策略(≤162.9 mg/L)和菌群调控方案，对实现高氮废水处理的稳定运行具有重要指导价值。中国石化河南炼化公司的资助进一步凸显了该技术在石化废水处理中的应用前景。