硫酸盐还原产物对EBPR系统影响的研究进展

高春娣，侯春艳，李 悦，王传德，韩颖璐，程丽阳，杨箫阳

(北京工业大学环境与能源工程学院城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京 100124)

1 硫化物对CEBPR系统的影响及作用机理

传统强化生物除磷工艺广泛应用于污水处理厂，主要通过聚磷菌(polyphosphate accumulating organisms, PAO)在厌氧阶段释放磷酸盐、好氧阶段过量吸收磷酸盐并形成多聚磷酸盐(polyphosphate, poly-P)，然后通过排放剩余污泥以实现高效除磷[9].最常见的PAO属于β-变形菌(Betaproteo-bacterial)纲的红环菌(Rhodocyclaceae)科，被命名为CandidatusAccumulibacter[10]，常与聚糖菌(glycogen accumulating organisms, GAO)竞争碳源，对较高水温(>20 ℃)和硫酸盐还原作用敏感[11-13].

1.1 硫化物对CEBPR系统营养物去除和沉降性能的影响及作用机理

尽管CEBPR系统的前置厌氧段具有厌氧选择器的作用，其富集的PAO也容易形成密实的菌胶团结构[14-15]，但是文献多次报道，硫化物引起Eikelboom type 021N、Thiothrixsp.和Beggiatoasp.等丝状硫细菌在该系统内过度增殖，导致其沉降性能及营养物去除效果下降[14,16-20].与之对应的是，Rubio-Rincón等[21]通过调整水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)以及延长污泥龄(sludge retention time, SRT)等方法，使得CEBPR系统在进水硫化物质量浓度(文中均以H2S-S计)为100 mg/L时实现了近100%的生物除磷效率,并且该系统的进水磷酸盐浓度(均以P计)可高达20～30 mg/L.虽然上述反应器污泥沉降性能也受到负面影响，但是研究表明，当CEBPR系统长期维持污泥丝状菌微膨胀状态(污泥体积指数为150～200 mL/g、污泥絮体直径≥400 μm)，不仅泥水能够正常分离，COD、P和SS的去除效率也均会增加[22].

1.2 硫化物对PAO的影响及作用机理

研究表明，H2S分子可透过细胞膜，降低胞内pH，对PAO具有直接抑制作用[33]，同时发生解离导致胞内阴离子积累，对PAO吸收和转化乙酸盐的酶产生抑制[35-37].此外，硫化物与微量元素(如铜、钴、铁等)也可能形成金属硫化物沉淀，从而降低PAO的生物活性[38-39].但是当一定浓度硫化物存在时，PAO能够通过厌氧释磷量的增加，再次平衡胞内降低的pH，恢复细胞膜的pH梯度，并满足细胞因维持及解毒作用增加的能量需求，同时也能通过糖原(glycogen)水解提供部分能量[28].此外，部分硫氧化菌(sulfur-oxidizing bacteria，SOB)的存在可能减轻硫化物毒性对PAO的抑制作用[26, 40]，如Thiothrixcaldifontis能够在CEBPR系统的好氧初始阶段将硫化物迅速氧化，而Accumulibacter phosphatis Clade IA的数量也会随着硫化物浓度的增加而相对增加，并且系统除磷效果也得到有效保证[21].因此，硫化物的存在不一定完全抑制PAO的活性，也可能筛选出耐硫化物毒性的微生物，进而保证CEBPR系统的除磷效果.

2 S-EBPR系统的创建及特征

S-EBPR系统可能主要通过硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria, SRB)和SOB对C、N、P、S等物质进行协同生物转化[25-26,41]，因此能够高效去除含硫酸盐污水中的C、N、P，并且具有能够适应较高水温以及产生的污泥量较少的优点[7-8,26].

2.1 S-EBPR系统的创建及生物转化过程

尽管硫酸盐还原产生的硫化物会抑制PAO的活性，但是研究发现智利等沿海地区存在的大型硫细菌，例如Thiomargarita，Thioploca和Beggiatoa能以硫化物作能源为形成poly-P提供能量，对磷灰岩的形成具有重要作用[42-44].为了高效去除含硫酸盐废水中的磷酸盐并探究硫循环和生物除磷的关系，Wu等[45]初次尝试以硫酸盐作缺氧段的电子受体，以厌氧-缺氧模式运行序批式反应器(sequencing batch reactor, SBR)，但并未观察到明显的磷酸盐释放和吸收过程；后来通过在进水中投加硫酸盐、保持碳硫比为1.1∶1.0等方式，使得以厌氧-微好氧模式运行的SBR在不含有PAO的情况下，实现了较高的生物除磷效率，即成功构建了以氧气为电子受体的硫循环参与的EBPR(limited-oxygen sulfur cycle-associated EBPR, LOS-EBPR)反应器系统[8]；而后又进一步构建了容积负荷更高、运行时间更短的以硝酸盐为电子受体的硫循环协同反硝化生物除磷(denitrifying sulfur conversion-associated EBPR, DS-EBPR)系统[7].目前Guo等[46]也已在低有机负荷的升流式反应器中实现DS-EBPR污泥颗粒化.

2.2 S-EBPR系统的优势功能菌

目前通过运用FISH、基于16S rRNA的PCR扩增测序和宏基因组测序等分子生物学技术，基本确定S-EBPR系统中不存在PAO，主要优势微生物是SRB和SOB，而干扰微生物仍是GAO[7,25,40,49]，但具体对于哪种菌属能够同时进行P、S代谢还存在争议.

不过最近一项基于宏基因组测序技术的研究提出[40]，SOB主要进行硫化物的氧化，而部分SRB能够直接参与PHA和poly-P的代谢，并且认为Desulfobacteraceae可能就是其中的一种S-PAO[40,54].此外，尽管目前关于Thauera(反硝化细菌)除磷功能的报道较少，并且该菌也可能缺乏参与硫转化及代谢所需的功能基因dsrAB[40]，也有观点认为Thauera能够进行生物除磷，且能以CO2为电子受体氧化硫化物为poly-S[41].

综上所述，目前针对S-EBPR系统优势功能菌的研究并没有得出一致的结论，而且多是通过菌种丰度与系统除磷性能变化的相关性间接判定能够同时进行P、S代谢的菌属，但并未提供微生物同时进行P、S生物转化的直接依据.

2.3 S-EBPR系统除磷效果的影响因素

3 poly-S在S-EBPR系统中的功能作用

3.1 S-EBPR系统中poly-S的组成与产生

3.2 poly-S在S-EBPR系统中的功能作用

并且有研究表明，在硫循环参与的生物除磷系统中，硫化物只有被氧化为poly-S后，吸收磷酸盐以及形成poly-P的生物转化过程才开始[21,25].重复试验结果也显示，在DS-EBPR系统的缺氧段投加一定量的硫化物，能够使得该系统已经降低的除磷效果得到有效恢复[25].Zhang等[41]还通过Spearman相关性分析发现，DS-EBPR系统的除磷效率和硫化物的氧化程度显著正相关.可见，在S-EBPR系统中相对较少出现的硫化物对其除磷效果也具有强化作用，但可能主要和poly-S的形成与消耗有关.

4 结论及展望

2)S-EBPR系统中C、N、P的生物转化趋势同CEBPR系统基本一致，最大的不同是，硫元素作为电子和能量载体参与生物除磷过程.S-EBPR系统中不含有PAO，主要优势菌是SRB和SOB，除磷性能对运行条件和环境因素的变化也更为敏感.目前关于哪种菌属能够同时进行P、S代谢的研究并未得出一致结论，其具体的代谢途径以及优势菌间的合作竞争机制也需要进一步研究.为了实现S-EBPR系统的高效稳定运行，未来还需要通过宏转录组测序、宏蛋白质组测序及主要功能微生物的富集与分离等技术，继续探究并验证S-EBPR系统的性能优化条件及具体代谢机制.