《Environmental Research》：Mechanistic insights into sulfate-driven performance adaptation and membrane fouling in a UASB-SBR-AXMBR system: metabolic network reconstruction and microbial community succession
编辑推荐：
硫酸盐胁迫下UASB-SBR-AXMBR耦合工艺的长期运行研究表明，系统通过部分硝化-厌氨氧化（PN/A）和硫自养反硝化（SAD）协同作用实现高效碳氮去除（COD>90.3%，TN>85.5%），但高硫酸盐负荷（2000 mg/L）显著加剧膜污染，主要因S0-胞外聚合物共沉积。微生物群落呈现适应性分化，SBR中Bacteroidota富集，AXMBR中Anammoxoglobus占比增至51.2%，SRB竞争优势凸显，重构碳硫氮代谢网络。
吴正旺|段安东|刘阳凯|陈瑞辉|莫哈末·法迪尔·丁|埃利·亨德里克·桑贾亚|埃尔赛义德·阿里·埃尔赛义德·阿里|阿卜杜勒加瓦德·萨阿德|刘志华|陈红
长沙理工大学水利与海洋工程学院，中国长沙，410114
摘要
富含硫酸盐的废水对生物处理系统的运行稳定性构成了重大挑战。本研究考察了UASB-SBR-AXMBR组合工艺在硫酸盐浓度从100毫克/升逐步增加到2000毫克/升时的长期（294天）响应情况。在该工艺中，系统在硫酸盐压力下保持了稳定的碳和氮去除性能，COD去除率超过90.3%，总氮去除率通过部分亚硝化-反硝化（PN/A）途径稳定在85.5%。然而，高硫酸盐负荷显著加剧了膜污染，其主要驱动因素可能是元素硫（S0）和可溶性细胞外聚合物物质（S-EPS）的共同沉积。微生物分析显示，在SBR中Bacteroidota和Proteobacteria类群持续富集，而在厌氧氨氧化膜生物反应器（AXMBR）中Anammoxoglobus的数量显著增加（从17.1%增加到51.2%），这为系统的韧性提供了基础。宏基因组分析进一步表明关键氮循环基因（hao、amoA）和硫代谢途径发生了适应性变化。值得注意的是，硫酸盐还原菌（SRB）在竞争中胜过了产甲烷菌，将碳流从产甲烷过程重新导向了硫还原过程，同时AXMBR中的生态位多样化扩展了氮去除途径。这些发现为理解集成生物工艺在硫酸盐压力下的适应性响应提供了新的机制见解，并为处理高硫酸盐含量的工业废水（如味精废水）提供了实际指导。
引言
味精行业排放的废水含有高浓度的氨氮、COD和硫酸盐（Ajit等人，2024年）。有效处理这些废水对于实现可持续发展目标6（SDG 6）至关重要，但目前的水污染控制工作仍面临重大挑战。此外，在厌氧条件下，废水中的硫酸盐容易还原为硫化物，这对微生物群落产生多种压力作用，包括与产甲烷古菌的基质竞争（Hu等人，2015年）、对功能性微生物的直接毒性（Chen等人，2019年）以及导致生物反应器严重膜污染。因此，硫酸盐压力已成为实现低碳高效处理含硫废水的关键限制因素。
现有的处理技术存在显著局限性（Runtti等人，2018年）。传统的硝化-反硝化过程受到高碳消耗和能源需求的限制（Cao等人，2017年）。虽然厌氧消化技术能够回收能源，但其效率会因废水中的高硫酸盐浓度而降低（Kong等人，2021年；Robles等人，2018年）。近年来，研究人员尝试通过调节硫代谢途径来改进处理工艺，但仍存在许多挑战。例如，张等人开发的硫自养反硝化过程虽然实现了高效的氮去除，但未能解决硫化物积累对微生物活性的抑制问题（Zhang等人，2021年）。赵等人利用硫化物抑制亚硝酸盐氧化菌，实现了硝化与厌氧氨氧化的部分耦合，但该系统在高硫酸盐压力下的长期运行稳定性不足（Zhao等人，2023年）。邓等人提出了一种硫化物驱动的部分反硝化与反硝化耦合工艺，在实验室规模上表现良好；然而，其在实际废水处理中的适应性和稳健性仍有待验证（Deng等人，2021年）。为应对这些挑战，人们探索了厌氧膜生物反应器（AnMBR）和硫驱动膜生物反应器（SrDMBR）等替代集成配置用于处理富含硫酸盐的废水（Franci Gon?alves等人，2026年；C.-K. Jiang等人，2025年）。然而，这些系统也存在各自的局限性。许多挑战的核心在于硫酸盐还原菌（SRB）的活性，它们在富含硫酸盐的废水处理中具有双重作用：既是硫代谢的关键驱动者，又通过产生硫化物抑制工艺进程——这种功能二元性在生物电化学系统和污染物生物修复中越来越受到重视（Chen等人，2025年；Zhong等人，2025年）。尽管单独的技术（UASB、SBR、AXMBR）在特定情况下已被证明有效，但它们在硫酸盐压力下的集成应用仍需进一步研究。废水中硫酸盐的存在带来了三重挑战：（i）SRB与产甲烷菌之间的基质竞争，（ii）硫化物对AOB的毒性，以及（iii）硫引起的膜污染。这些问题由碳、硫和氮循环之间的复杂相互作用驱动，强调了需要采取全面的系统级策略来解决它们。
因此，本研究开发了一个三阶段耦合工艺——UASB、SBR和AXMBR——以协同实现有机物的去除、能源回收和高效氮去除。UASB阶段负责有机物的降解和甲烷的回收（Li等人，2015年），在此阶段，SRB通过竞争有机基质抑制产甲烷菌，并为后续的自养过程提供电子供体。SRB阶段促进部分硝化，为反硝化创造有利条件，并使硫化物部分氧化为元素硫（S0），从而降低对下游反硝化细菌的毒性。AXMBR系统将厌氧氨氧化与硫酸盐自养反硝化（SAD）相结合，建立了双重反硝化途径，增强了系统在硫酸盐负荷波动下的稳定性。这种三阶段配置相比简单系统具有明显优势。通过将硫酸盐还原（UASB）与反硝化富集（AXMBR）分离，系统保护了反硝化细菌免受硫化物的毒性影响，而SBR中的部分硝化优化了亚硝酸盐的供应。这种集成方法为同时去除污染物和回收资源提供了有前景的解决方案，适用于处理氨氮和硫酸盐浓度较高的有机废水（Bu等人，2017年；Zhen等人，2019年）。
然而，废水中高浓度的硫酸盐仍然是该工艺稳定运行的潜在限制因素。硫酸盐还原菌（SRB）与产甲烷古菌（MPA）之间的基质竞争可能抑制产甲烷过程（Hu等人，2015年），改变系统内的代谢途径（Chen等人，2019年；Menon和Voordouw，2018年）；积累的硫化物会对功能性微生物产生毒性压力（Chen等人，2019年）；硫化物及其衍生物可能引起膜污染，所有这些都会影响AXMBR的长期稳定运行。尽管关于UASB厌氧消化、部分硝化和AXMBR膜生物反应器等单个工艺已有大量研究，但对复合工艺在硫酸盐压力下的整体性能、微生物群落演变和膜污染行为的系统理解仍不充分。
为此，本研究使用味精（MSG）模拟废水，并逐步增加UASB-SBR-AXMBR系统中的硫酸盐浓度。目的是全面评估在不同硫酸盐负荷条件下的氮和碳去除性能、膜污染动态、微生物群落变化以及代谢途径的变化。具体而言，研究考察了：（i）硫酸盐的竞争性抑制如何改变COD去除途径；（ii）微生物群落如何通过结构和功能演变维持反硝化稳定性；以及（iii）S0-EPS相互作用在膜污染中的作用。通过阐明核心的适应机制，包括碳流的变化、氮去除途径的多样化以及膜污染的触发因素，本研究为制定有针对性的控制策略提供了理论基础。这些策略旨在提高含硫工业废水低碳处理系统的稳定性和效率。
反应器设置和操作
每个阶段的操作条件列在表1中。反应器设置和设备详细描述见补充材料。为了评估硫酸盐对UASB-SBR-AXMBR组合工艺的压力效应，硫酸盐进水浓度在五个阶段进行了调节：100毫克/升（阶段Ⅰ）、500毫克/升（阶段Ⅱ）、1000毫克/升（阶段Ⅲ）、1500毫克/升（阶段Ⅳ）和2000毫克/升（阶段Ⅴ）。本研究旨在探讨污染物去除效率、膜污染情况
氮和COD去除性能
在294天的运行过程中，UASB-SBR-AXMBR系统的整体COD去除性能受到硫酸盐浓度的显著限制（表2）。在初始阶段（阶段I-II），系统表现出高效的COD去除效率，COD去除率（CRE）超过98.0%，出水COD（COD-eff）低于46毫克/升。然而，随着硫酸盐压力的增加（阶段III-V，SO42- = 1000-2000毫克/升），COD去除性能明显下降。
结论
在持续的硫酸盐压力（100–2000毫克/升）下，UASB-SBR-AXMBR系统通过生态代谢重构展现了显著的功能韧性。硫酸盐压力使碳代谢从产甲烷过程转向了与硫相关的过程。氮去除演变为一个协同网络，包括PN/A、硫自养反硝化和异养反硝化，这表现为Anammoxoglobus的数量显著增加（从17.1%增加到51.1%）。硫转化为了
CRediT作者贡献声明
莫哈末·法迪尔·丁：写作 – 审稿与编辑，研究。埃利·亨德里克·桑贾亚：写作 – 审稿与编辑，验证。埃尔赛义德·阿里·埃尔赛义德·阿里：研究。阿卜杜勒加瓦德·萨阿德：验证。吴正旺：写作 – 原稿撰写，方法学设计，研究，数据管理。段安东：写作 – 审稿与编辑，方法学设计，研究，数据管理。刘阳凯：写作 – 审稿与编辑，方法学设计。陈瑞辉：写作 – 审稿与编辑，研究。刘志华：写作 – 审稿
未引用参考文献
Chen等人，2023年；Jiang等人，2025年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了DeepSeek（由中国北京DeepSeek公司开发）进行语言润色。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
所有作者声明我们与其他个人或组织之间没有可能不当影响我们工作的财务和个人关系。我们确认该手稿尚未在其他地方发表，也未曾提交给Environmental Research。所有作者均已批准该手稿的提交，并同意将其提交给Environmental Research。所有作者都直接参与了本研究的规划、执行和分析。
致谢
本工作得到了湖南省科技厅（2022SK2091，2023NK2031）和湖南省自然科学基金（编号：2023JJ40031）的支持。
