硫协同污水高效生物处理理论与技术研究

城市污水和工业废水生物处理主要利用异养微生物的好氧和缺氧代谢过程去除污水中有机物和氮、磷等污染物。但是，异养微生物代谢机制（碳代谢）使得约2/3的有机物电子（COD）流向了剩余污泥，造成低效的电子流和能量流，令好氧活性污泥工艺能耗物耗高、剩余污泥产量大，并常因反硝化碳源不足而限制其脱氮效率。中山大学吕慧教授团队针对上述污水处理行业问题，围绕着硫素物质（电子载体）转化的微生物调控机理、硫自养反硝化电子传递与竞争机制等关键科学问题开展长期研究，构建了以硫素物质微生物代谢为核心的碳、氮、磷等多种污染物协同去除的硫协同污染物生物降解与转化新方法；阐明了硫自养反硝化过程硫、氮素物质微生物代谢、电子传递与竞争机制，构建了高氨氮废水自养深度脱氮系统并应用于垃圾渗滤液深度脱氮处理。

硫协同污染物生物降解与转化新方法

具有多种氧化还原形态的硫素物质广泛存在于生活污水和工业废水中。吕慧教授团队在充分认识硫形态变化与不同介质（水、微生物、EPS等）之间作用机制基础上，通过调控微生物污水中硫素物质代谢，充分利用硫素物质的电子载体功能，构建了电子流、能量流高效利用途径，建立了操作条件、污染物迁移转化与功能微生物之间的关联，形成了以硫素物质的微生物调控为核心的硫协同污染物生物降解与转化新方法，有效降低了污水处理能耗物耗和污泥产量，摆脱了反硝化过程对于碳源的依赖，提高了脱氮效率。成功培养了硫协同反硝化聚磷菌，阐明了硫协同反硝化除磷主要功能微生物、关键基因和代谢通路。基于生物化学反应和微生物代谢动力学，探明硫介导下污染物电子定向转移途径，揭示了硫协同污染物生物转化途径；基于电子及元素质量平衡、碳酸盐碱度及硫化物弱酸碱平衡等，构建了硫协同污水生物处理系统稳态模型、硫酸盐还原菌厌氧水解动力学模型等，并基于数学模型优化了反应条件、工艺设计和调控机制，为硫协同污水生物处理技术的工程应用提供了重要的科学依据和技术支持。

图1. 硫协同反硝化除磷功能菌及其代谢通路

高氨氮废水的硫自养深度脱氮

生活污水、工业废水往往C/N低，而外加碳源又意味着高物耗、高成本。自养反硝化脱氮（SdAD）技术可为上述问题提供解决途径。吕慧教授团队针对 SdAD 关键影响因子及物质代谢机制开展了深入研究，探明了不同氧化还原态硫介体对于自养脱氮过程微生物代谢途径、生化反应动力学等的影响，揭示了微生物间的电子竞争及污染物强化去除的分子生物学机制，探明自养脱氮过程N₂O还原与减排的调控机制；针对硫自养反硝化菌（SOB）生长缓慢，反应器负荷低、无法处理高浓度工业废水等实际工程技术问题，开发了SOB颗粒污泥反应器。深入研究了SOB颗粒污泥的形成过程、颗粒污泥微观结构、物理化学特性及微生物菌群分布特征等，揭示了SOB 颗粒污泥的形成机制及关键工艺条件，明确了胞外聚合物对SOB颗粒污泥成熟与稳定的关键作用，建立了基于上升流速、水力剪切、流态控制等操作条件的快速颗粒化调控机制；借助污泥颗粒切片、微型传感器探测、荧光原位杂交及高通量测序等分子生物学技术手段，揭示了生物聚集体内部结构对于硫、氮素物质迁移、转化的影响机制。

图2. 硫自养反硝化电子传递及硫、氮素物质转化机制

上述工作为高氨氮废水硫自养深度脱氮系统的工程设计和操作运行提供了理论和实验支撑，同时大幅提高了自养反应单元处理负荷、反硝化脱氮效率和抗冲击负荷能力，使得SdAD技术从低浓度生活污水处理进一步拓展到高浓度工业废水处理。基于上述研究成果，吕慧团队开发了高氨氮废水自养深度脱氮工艺系统，并开展技术集成及应用示范。

图3. 高氨氮废水SdAD深度脱氮工程应用

总结及展望

除了上述研究，硫介导的微生物代谢过程对于某些难降解有机污染物也具有较好的生物转化能力，而且外加电场会显著提高污染物降解效率。在工业废水（如石化废水、制药废水、精细化工废水等）中大量存在含硫化合物，以硫素物质的微生物代谢为核心的复合污染物协同去除新方法将为此类废水生物强化处理提供新的解决途径。

相关文献：

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本文作者为中山大学吕慧教授，他凭借项目《硫协同污水高效生物处理理论与技术研究》获得2020年度“首创水星奖”产业创新类金奖。吕慧教授团队在上述研究领域发表学术论文60余篇，获得授权发明专利10余项；曾获得中国环境科学学会青年科学家奖、广东省生态环境青年科技奖、国际水协项目创新奖、德国“FUTURE WATER”HUBER科技奖、中国环保产业协会环境技术进步二等奖、广东省环境技术进步一等奖等。

“首创水星奖”由国际水协会中国青年委员会（IWA YWP China Chapter）与北京首创股份有限公司联合创立，旨在推进中国水与环境领域青年科技人才开展创新基础研究、核心技术开发与产学研融合，推动并引领水与环境产业技术进步和跨越升级。

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