耦合硫自养反硝化与硫酸盐还原系统：氮硫去除效率提升及微生物群落分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Coupled sulfur autotrophic denitrification and sulfate reduction system: Enhanced nitrogen and sulfur removal efficiency and microbial community analysis

　　

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  构建了一个串联的S⁰AD-SR系统，用于低碳氮比废水的反硝化处理。
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  该串联系统增强了反硝化性能，并降低了出水中的硫酸盐浓度。
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  串联系统中的回流改变了微生物群落结构。
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  AOB与SRB之间增强的协同代谢活性支撑了系统的整体性能提升。

引言

在城市污水处理中，高效且节能地去除硝酸盐氮（NO??–N）仍是市政污水处理厂（WWTPs）面临的重要挑战[1]。目前，异养反硝化技术已得到广泛应用[2]。然而，该方法在处理低碳氮比废水时通常需要投加外源有机碳源，从而增加了运行成本，并存在二次污染的风险[3]。因此，探索不依赖补充碳源的自养反硝化途径已成为研究的热点方向[4]。氢自养反硝化以氢气（H?）作为电子供体，将硝酸盐（NO??）还原为N?。然而，H?的高易燃易爆特性要求配置严格的防爆设施和连续监测系统[5]，从而增加了资本投入和运行负担。基于铁的自养反硝化利用零价铁（Fe⁰）或亚铁离子（Fe2?）作为电子供体，将硝酸盐（NO??）还原为N?。该过程的一个主要局限性是产生大量铁基污泥，可能导致滤池堵塞，需要频繁反冲洗，并带来显著的污泥处置难题[6]。相比之下，单质硫自养反硝化（S⁰AD）利用S⁰作为电子供体将NO??还原为N?[7]。该方法具有固有的安全性优势，展现出良好的实际应用潜力[8]。然而，该过程的一个主要局限是会产生SO?2?作为副产物。出水中升高的SO?2?浓度若不加妥善处理，会降低水质[9]。

近年来，硫酸盐还原（SR）与硫化物驱动反硝化的生物耦合作为一种通过循环利用硫副产物来缓解上述问题的途径，受到了广泛关注。例如，Li等人开发了一种由缓释功能性碳材料驱动的SR-S⁰AD工艺，以提供持续的电子供应[10]。另一种方法中，另一个研究团队（同为Li等）尝试在单级一体化套筒生物反应器中进行空间耦合，以物理分离硫酸盐还原区和硫化物氧化区[11]。然而，尽管在材料集成和空间设计方面取得了概念性进展，但仍存在一个关键的工程局限：缺乏独立且可控的出水回流通路。在没有动态回流系统的情况下，精确调控SR区和S⁰AD区之间的电子传递比和硫质量流量极为困难。因此，完全防止硫酸盐在最终出水中的积累仍是一个重大挑战，这意味着以往的方法尚未实现闭环硫循环，也未能将产生的硫酸盐成功回用于进一步生物还原。

为克服这些瓶颈，本研究引入了一台SR反应器，并通过可控回流通路与上游S⁰AD系统进行串联。在该构型中，硫酸盐还原菌（SRB）将SO?2?转化为硫化氢（H?S），从而降低出水中的硫酸盐浓度[12]。生成的H?S随后可作为S⁰AD工艺的替代硫源，支持内部资源循环利用并减少对外部投入的依赖[13]。先前的研究表明，除了硫氧化菌（SOB）外，SRB也以较低丰度存在于S⁰AD系统中[14]。在缺氧条件下，SOB和SRB可能协同作用以增强硫循环[15]。此外，溶解性硫化物（如H?S、HS?、S2?）的存在已被证明可以缓解SOB中关键反硝化还原酶之间的电子竞争[13]，从而提高整体电子传递效率。SRB产生的硫化物还可能作为辅助电子供体，进一步促进NO??的还原[16]。然而，过高的H?S浓度会抑制微生物活性[17]，这凸显了维持SR反应器向S⁰AD反应器回流比适当的重要性，以确保系统稳定运行。

本研究构建了一个S⁰AD反应器串联SR反应器的耦合系统，以评估不同回流比（0%、43%、233%）对脱氮和脱硫性能的影响。研究目标包括：(i) 评估耦合系统的运行稳定性和可行性；(ii) 确定最大NO??–N和SO?2?去除率的最佳回流比；(iii) 阐明耦合系统中微生物群落结构和功能菌属的变化，揭示性能变化的生物学机制。本研究为S⁰AD系统的应用提供了机制性认识和实践工程指导，突出了其在低碳氮比废水中实现节能、可持续脱氮除硫方面的潜力。

章节摘要

硫自养反硝化菌和硫酸盐还原菌的富集

为富集硫自养反硝化菌（S⁰ADB），采集了中国马鞍山王家山污水处理厂的厌氧池活性污泥。经静置过夜并弃去上清液后，将剩余污泥按每升培养基250 mL污泥的体积比接种至液体富集培养基中。富集培养基的详细组成列于表S1中。为降低溶解氧（DO）浓度，

结果与讨论

为系统评估S⁰AD-SR集成工艺的性能及内在机制，本研究采用了一种逐步递进的研究方法。首先，在不同水力停留时间（HRT）下分别评估了单独运行的S⁰AD反应器和SR反应器，以建立最优稳态基线。在此基础上，进一步研究了耦合系统的宏观性能，特别关注不同出水

结论

定制的S⁰AD反应器和SR反应器的串联连接建立了一个高效的耦合工艺。回流通过向上游反硝化反应器提供额外的电子供体，显著影响了系统性能。最佳性能在43%的回流比时达到峰值，此时氮去除率最高达97.7%，相应的硫酸盐去除率为43.9%，有效缓解了硫酸盐的二次积累。

该耦合构型

CRediT作者贡献声明

刘宝和：方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念设计。杨洋洋：资源提供、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念设计。洪陈：可视化、方法论、调查研究。张勤：调查研究、形式分析。黄渊：撰写—原稿、可视化、验证、调查研究、形式分析、数据管理、概念设计。孟光华：调查研究、形式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到教育部生物膜净化与利用技术工程研究中心（项目编号：BWPU2025ZR01）的资助。

黄渊|孟光华|刘宝和|杨洋洋|洪陈|张勤