元素硫通过微生物协同作用和电子传递优化，增强了碳缺乏废水中的自养反硝化磷去除效率

《Water Research》：Elemental sulfur enhances autotrophic denitrifying phosphorus removal from carbon-deficient wastewater through microbial synergy and electron transfer optimization

硫补充提升低碳废水生物脱氮除磷效率及机制研究。

　　在当前城市污水处理领域，营养物质（氮和磷）的去除逐渐成为主要关注点，尤其是在南方地区，由于进水中的有机碳源含量普遍较低，传统的以有机碳去除为核心的工艺已无法满足日益严格的排放标准。这种转变对污水处理技术提出了新的挑战，特别是在如何高效去除磷方面。由于有机碳源的不足，常规的生物除磷工艺常常面临效率下降的问题，因此寻找经济、高效且环境友好的替代方案显得尤为重要。

近年来，硫基营养物质去除技术因其成本低廉、环境友好以及能够有效替代部分有机碳源而受到广泛关注。特别是元素硫（S?）作为一种零价硫的中间体，其在硫氧化细菌（SOB）与反硝化细菌之间的协同作用已被证实可以显著提升氮和磷的去除效率。S?不仅能够作为稳定的电子供体支持反硝化过程，还能促进聚磷菌（PAOs）的代谢活动，从而增强生物除磷的效果。然而，尽管已有部分研究探讨了硫基物质在污水处理中的应用，但关于其在低有机碳环境下的生物除磷（DPR）过程中的具体作用机制仍缺乏深入理解，尤其是在长期运行条件下的影响尚不明确。

本研究聚焦于低有机碳废水处理系统（COD < 200 mg/L）中S?的补充作用，探讨其对生物反硝化除磷效率的提升效果。通过构建一个长期运行的S?辅助DPR反应器，并进行一系列实验和分析，研究团队希望揭示S?如何影响微生物群落结构、代谢网络稳定性以及电子传递系统的活性。实验结果表明，在低碳条件下（150 mg COD/L + 67.5 mg/L S?），S?的补充能够显著提高磷的去除效率，从93.3%提升至95.1%。这一发现不仅证明了S?在低碳环境下的可行性，还为污水处理领域提供了新的思路。

在实验过程中，研究团队采用了序批式反应器（SBR）作为主要设备，该反应器的体积为4.0升，内径为14厘米，高度为26厘米。为了确保实验的稳定性，反应器内的温度被维持在21-25°C之间，pH值和氧化还原电位（ORP）也通过在线监测系统进行实时调控。污泥浓度（MLVSS）被控制在1.9-2.9克/升，MLVSS/MLSS比值约为0.76，以确保微生物的活性和反应器的运行效率。同时，污泥停留时间（SRT）被设定为约25天，通过定期排泥的方式保持系统的平衡。

为了全面评估S?对污水处理系统的影响，研究团队设计了一系列实验方案。首先，通过长期运行的S?辅助DPR系统，观察硫基物质在不同碳源条件下的表现。随后，进行典型的周期性测试，以分析关键代谢物的动态变化。最后，对微生物群落的演替、代谢网络、电子传递系统以及关键功能基因进行了系统性的研究。这些实验不仅揭示了S?在生物除磷中的作用机制，还为未来污水处理技术的优化提供了理论依据。

微生物群落的分析结果显示，S?的补充显著提高了群落的丰富度和多样性。具体而言，S?的加入使Ace指数增加了1.14%，Shannon指数提升了2.0%。这表明，S?的引入不仅促进了微生物的生长，还增强了群落的适应能力。此外，分子生态网络分析进一步揭示了S?对微生物网络复杂性和稳定性的影响。在S?辅助的系统中，网络的连通性（connectance）提高了100%，而网络的稳健性（robustness）则增加了100-260%。这一结果表明，S?的补充能够有效增强微生物网络的结构稳定性，使其在低碳条件下依然保持良好的功能表现。

在功能基因层面，随机森林分析表明，S?的引入显著上调了多个关键功能基因的表达，包括磷代谢相关基因（ppk、ppx）、硫氧化相关基因（soxB、dsrA）以及电子传递相关基因（nuoF、coxA、cytc）。这些基因的上调意味着S?不仅能够提供额外的电子供体，还能通过促进特定代谢途径的活性，优化电子流动和ATP合成，从而满足微生物的代谢需求。这种基因表达的变化进一步支持了S?在生物除磷过程中的积极作用。

从微生物的协同作用来看，S?的补充增强了聚磷菌（PAOs）与硫驱动反硝化菌（如Terrimonas、Arenimonas）之间的相互作用。这种协同效应不仅提高了磷的去除效率，还增强了整个系统的稳定性。在低碳条件下，PAOs和反硝化菌的协同作用使得系统能够在更宽泛的运行条件下保持高效的磷和氮去除能力，这为污水处理工艺的优化提供了重要的参考。

值得注意的是，尽管S?在生物除磷中的作用已被初步证实，但其在实际应用中的潜力仍需进一步验证。目前，S?作为一种低成本、高效率的电子供体，已被证明能够有效替代部分有机碳源，从而降低污水处理的运行成本。然而，如何在不同类型的污水处理系统中合理应用S?，以及如何优化其与现有微生物群落的相互作用，仍是未来研究的重要方向。

此外，工业活动产生的含硫废水为S?的获取提供了潜在的来源。例如，造纸、硫化工艺、采矿和燃煤发电等行业在生产过程中会产生大量含硫尾水。这些废水中的硫元素不仅可以作为S?的来源，还能在一定程度上减少对传统碳源的依赖。通过合理利用这些工业副产物，不仅可以降低污水处理的成本，还能实现资源的循环利用，符合可持续发展的理念。

在实际工程应用中，S?辅助的DPR系统具有广阔的应用前景。首先，其成本低廉，相较于传统的碳源（如甲醇），S?的使用成本仅为三分之一，这在大规模污水处理过程中具有显著的经济优势。其次，S?的使用不会产生额外的碳排放，符合中国“双碳”目标（碳达峰和碳中和）的要求。因此，S?辅助的DPR系统不仅能够提高污水处理的效率，还能减少环境负担，为实现绿色、低碳的污水处理技术提供可行的路径。

然而，尽管S?在污水处理中的应用前景广阔，但其在实际操作中仍面临一些挑战。例如，S?的溶解性和反应活性可能受到环境因素的影响，如pH值、温度和溶解氧水平。因此，在设计和运行S?辅助的DPR系统时，需要充分考虑这些因素，并采取相应的调控措施，以确保S?的有效利用。此外，S?的长期使用可能会对微生物群落产生一定的影响，需要进一步研究其对微生物多样性和功能的影响，以确保系统的可持续运行。

综上所述，本研究通过长期实验和多维度分析，揭示了S?在低碳条件下对生物反硝化除磷的促进作用。实验结果表明，S?不仅能够替代部分碳源，还能通过增强微生物群落的丰富度、多样性以及功能基因的表达，提高系统的整体性能。这些发现为未来污水处理技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导，同时也为实现低能耗、低成本、高效率的污水处理方案奠定了基础。随着对S?作用机制的进一步研究，其在污水处理领域的应用将更加广泛，为全球范围内的水资源保护和可持续发展贡献力量。