基于硫化物的船舶废水脱氮工艺：在不同亚硫酸盐负荷下的核心菌群演替与代谢机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sulfide-based denitrification of ship wastewater: Core bacteria succession and metabolic mechanism with different sulfite loadings

亚硫酸盐和硝酸盐协同去除过程中，高浓度亚硫酸盐（550 mgS/L）显著改变硫还原菌和硫自养反硝化菌群落结构，导致硫氧化基因（fccAB）和反硝化相关基因（napAB, narGHIJ, nirS, norBC, nosZ）丰度下降，影响硫酸盐还原和有机物代谢通路，反应动力学模型显示亚硫酸盐降解符合伪一级动力学，系统pH和毒性效应协同抑制微生物活性。

　　

赵帅|李伟|辛若楠|周思妮|王建华|吕凌霄|刘茵|李楠|郭平

大连海事大学环境科学与工程学院，中国大连，116026

摘要

通过兼性脱硫-反硝化过程（FDSN），船舶废水中的亚硫酸盐和硝酸盐得到了转化和去除。然而，亚硫酸盐具有微生物毒性，其对FDSN系统性能和代谢机制的影响仍不明确。实验结果显示，亚硫酸盐、硝酸盐和总有机碳的去除效率分别达到了100%、100%和97%。450 mg/L亚硫酸盐的降解过程更符合伪一级反应动力学模型，其主要中间产物包括硫代硫酸盐、三硫代硫酸盐和硫化物。550 mg/L亚硫酸盐的存在促进了核心硫酸盐还原菌（如Thermovirga、Desulfobacter和Dethiosulfatibacter）向Desulfoplanes的演替，以及核心硫自养反硝化菌（如Sedimenticola和Sulfurimonas）向Sulfurovum的演替。硫氧化基因（fccAB）和反硝化基因（napAB、narGHIJ、nirS、norBC和nosZ）的相对丰度显著下降，表明高浓度亚硫酸盐严重阻碍了硫化物向元素硫的氧化和硝酸盐向氮气的还原。550 mg/L亚硫酸盐影响了细胞质和胞外液中亚硫酸盐和硝酸盐的转化途径。本研究为优化复杂污染废水的处理过程提供了理论基础。

引言

海洋船舶具有载重能力强、安全性高和成本低等优点，承担了超过90%的国际贸易运输[22]。目前，大多数船舶使用重油作为柴油发动机的燃料，导致废气中硫氧化物和氮氧化物的浓度较高。湿法洗涤处理船舶废气会产生大量含有高浓度亚硫酸盐（SO₃^2-）和硝酸盐（NO₃^-）的废水。如果这些物质未得到充分处理而进入环境，将严重威胁水质和生态安全[40]。此外，远洋船舶还会产生大量含有高浓度有机物的生活污水。如果直接排放到海洋环境中，会导致水体富营养化并降低水生生物的溶解氧含量[13]。因此，协同高效地处理SO₃^2-、NO₃^-和有机物对于处理多组分船舶废水至关重要。在硫酸盐还原兼性脱硫-反硝化过程（FDSN）中，硫酸盐（SO₄^2-）/亚硫酸盐（SO₃^2-）被还原为硫化物（S^2-），随后S^2-和NO₃^-/硝酸盐（NO₂^-分别作为电子供体和受体，最终转化为元素硫（S⁰）和氮气（N₂）。同时，有机物在厌氧发酵、硫酸盐还原和异养反硝化过程中被作为底物代谢。所使用的套管生物反应器采用了内外层嵌套的设计，通过物理方式实现了内外层的分离。根据进水模式和不同的营养条件，这种结构有助于实现硫酸盐还原菌（SRB）和基于硫化物的反硝化菌（SAD）的空间分化。该结构有效防止了S^2-的过度积累和NO₂^-进入外部套管，从而抑制了SRB的代谢功能。其独特的结构减弱了S^2-和NO₂^-的毒性，并有效积累了S⁰，使其成为FDSN过程的理想操作载体。

亚硫酸盐（SO₃^2-）和亚硫酸氢盐（HSO₃^-）比硫酸盐（SO₄^2-）更具活性，因为它们不需要腺苷三磷酸（ATP）的激活[69]。从理论上看，SO₃^2-的还原C/S比（0.56）低于硫酸盐（SO₄^2-的还原C/S比（0.75）[25]，因此SO₃^2-的还原反应路径更短，所需的能量和电子更少，从而消耗的有机物也较少[36]。在相同条件下，SO₃^2-的还原速率更快。然而，硫酸盐（SO₄^2-的还原过程会产生酸，降低系统pH值，从而显著增强高浓度SO₃^2-的杀菌作用，抑制蛋白质活性并导致细胞裂解[64]。

先前的研究表明，水力负荷的快速变化促进了套管反应器中核心功能菌的空间迁移和时空演替。反应器结构特性和操作条件驱动了微生物群落的迁移和演替。然而，当还原过程的电子受体从硫酸盐（SO₄^2-变为亚硫酸盐（SO₃^2-时，群落结构和代谢途径会如何响应？底物条件的变化是否也会导致核心功能菌的生存策略发生显著变化，例如空间分化和优势菌种的替代？作为杀菌化合物，亚硫酸盐（SO₃^2-可能是群落演替的关键驱动因素。因此，阐明亚硫酸盐（SO₃^2-影响微生物群落生态功能的机制至关重要。关于亚硫酸盐毒性的研究：秦等人发现，亚硫酸盐（SO₃^2-促进了污泥（WAS）的分解并释放了可溶性蛋白质，显著改善了污泥的脱水性能。当亚硫酸盐（SO₃^2-浓度升至500 mg/L时，大肠杆菌的死亡率增加了46%，且对亚硫酸盐（SO₃^2-敏感的细胞壁受到了不可逆的损伤[45]。Zan等人[66]发现，800 mg/L的亚硫酸盐（SO₃^2-降低了污泥絮凝结构的稳定性，使污泥分解和溶解增加了1.71倍。革兰氏阳性细菌的细胞壁被破坏后发生细胞裂解，存活细胞数量减少了24%。同时，Geng等人[17]发现，亚硫酸盐（SO₃^2-显著影响了厌氧铵氧化系统，降低了微生物的多样性、丰富度和代谢水平，并反复引发群落演替，使硫酸盐还原菌的丰度从46.2%降至7.1%，显著抑制了硫代硫酸盐的还原活性[43]。现有研究主要集中在亚硫酸盐（SO₃^2-对细菌的失活作用及其对污泥结构破坏的机制上。然而，亚硫酸盐（SO?2^-浓度对FDSN系统中功能微生物群落的影响仍缺乏系统研究。因此，探讨优势菌种的生理和生态特性及其对亚硫酸盐（SO?2^-压力的响应机制至关重要。这有助于深入了解微生物群落的调控机制和系统优化。

本研究通过将套管生物反应器与FDSN结合，开发了一种新型的脱硫和反硝化工艺。系统评估了在不同亚硫酸盐（SO₃^2-浓度下的FDSN性能，定量分析了降解产物，并阐明了硫的转化途径。此外，还揭示了核心功能菌的演替及其在亚硫酸盐（SO₃^2-诱导压力下的代谢适应机制。这项工作为通过FDSN实现复杂船舶废水的稳定高效处理奠定了理论和实证基础。

生物反应器和操作

采用了一种套管式厌氧生物反应器，如图S1所示。反应器主体为内外层嵌套的丙烯酸圆柱体，实际工作体积为15 L。在反应器中部插入了温度测量探头，并在外层缠绕了电加热带，连接至温度控制器以控制温度在30±0.1℃。研究结果表明，硫酸盐还原菌（SRB）和基于硫化物的反硝化菌（SAD）既适合在生物膜中生长，也适合在悬浮污泥中生长。

碳、氮和硫的协同去除特性

不同阶段各污染物的去除情况如图1(a-c)所示。亚硫酸盐（SO₃^2-作为代谢底物促进了硫酸盐还原菌（SRB）的生长；然而，高浓度的亚硫酸盐（SO₃^2-会对微生物产生抑制作用，导致细胞破裂[51]。第一阶段的亚硫酸盐（SO₃^2-浓度相对较低，其对微生物的抑制作用较弱，其促进作用占主导。外部套层的硫酸盐还原效果较为稳定。

结论

本研究通过套管生物反应器构建了FDSN系统，实现了亚硫酸盐（SO₃^2-和硝酸盐（NO₃^-的有效协同去除。阐明了高浓度亚硫酸盐（SO₃^2-对FDSN中复杂污染物代谢途径的影响机制。主要研究结果如下：亚硫酸盐（SO₃^2-和硝酸盐（NO₃^-的去除效率接近100%，元素硫（S⁰）的生成量（TG（S⁰）达到了60%）。硫酸盐还原和厌氧发酵过程主要参与了复杂有机物的转化。

CRediT作者贡献声明

辛若楠：撰写初稿、数据处理、软件应用。 赵帅：撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法学设计、数据分析、概念框架构建。 李伟：审稿与编辑、撰写初稿、项目监督、资源获取、方法学设计、概念框架构建。 李楠：实验研究。 郭平：概念框架构建。 吕凌霄：数据可视化、方法学设计。 刘茵：实验研究。 周思妮：方法学设计、实验研究。 王建华：方法学设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。