微生物群落及代谢途径对全规模A/O/A/O系统处理焦化废水的性能起着关键作用

《Journal of Water Process Engineering》：Microbial community and metabolic pathways driving the performance of a full-scale A/O/A/O system for coking wastewater treatment

焦化废水A/O/A/O工艺处理效能及微生物代谢机制研究：通过多组学技术（16S rRNA测序、宏基因组学、代谢组学）解析发现，核心降解菌群包括Thauera（2.45%）、Azoarcus（1.09%）、Bacillus（1.13%）、Thiobacillus（1.65%）和Thioalkalivibrio（2.75%），实现COD去除77.5%、TN去除66.8%、苯酚去除99.6%及SCN?高效降解。研究揭示了CNO途径介导SCN?降解和meta-cleavage途径驱动苯酚分解的协同机制，证实前置厌氧段毒性缓解作用对系统稳定运行的关键贡献。

　　

刘一超|谭勇|毕新奇|党晨远|谢小曼|张欣|江金琦|王宗平|郭刚

中国华中科技大学环境科学与工程学院，长江流域多媒体污染协同控制湖北省重点实验室，武汉，430074

摘要

传统的生物处理工艺在处理焦化废水（CW）时常常面临性能不稳定以及难以降解有机物的问题。厌氧-好氧-厌氧-好氧（A/O/A/O）工艺是一种高效且有前景的生物处理方法。尽管一些研究已经探讨了全规模A/O/A/O工艺的污染物去除效果，但其具体的降解途径和背后的微生物机制仍有待阐明。本研究评估了全规模A/O/A/O系统的处理效果，并首次结合了16S rRNA测序、宏基因组学和代谢组学技术来解析微生物群落、功能基因及代谢途径。该系统实现了显著的污染物去除效果（COD去除率为77.5%，TN去除率为66.8%，苯酚去除率为99.6%，NH₄⁺-N去除率为90.0%，SCN^?去除率为89.1%），其中好氧阶段主要负责苯酚类和含氮杂环化合物的降解。然而，一些难降解的有机物（如酰胺、酸、酯和醇）仍然存在于生物反应器出水中，需要进一步的高级处理。16S rRNA和宏基因组学分析结果显示，Thauera（2.45%）、Azoarcus（1.09%）、Bacillus（1.13%）、Thiobacillus（1.65%）和Thioalkalivibrio（2.75%）是主要的污染物降解菌属，它们具有较高的耐毒性及降解能力，并且具有不同的生态位分布。宏基因组学证实了系统中存在完整的硫/氮代谢途径和苯酚/硫氰酸盐降解途径。具体而言，有毒的SCN^?通过CNO途径被降解，而苯酚则通过元裂解途径被降解。初始厌氧反应器中的解毒作用减轻了毒性，使得后续处理单元中的微生物能够协同作用。本研究全面揭示了A/O/A/O工艺的污染物去除机制和微生物功能，为优化全规模生物处理系统提供了宝贵见解。

引言

焦化废水（CW）是钢铁工业废水的主要组成部分，产生于煤炭高温碳化、气体净化及副产品回收和精炼过程中。中国每年产生约2.7亿立方米的焦化废水，占全国总废水排放量的3.6%以上[1]。这类工业废水不仅含有氮化物、氰化物（SCN^?）和氟化物等无机污染物，还含有高浓度的有机污染物，如酚类化合物、吡啶和多环芳烃（PAHs），对自然环境和生态系统构成严重威胁[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。因此，开发高效的处理技术已成为环境领域亟待解决的挑战，也是可持续工业发展的关键研究方向。

在焦化废水处理中，目前广泛使用以生物脱氮为中心的传统工艺，包括预处理、生物处理和高级处理三个阶段。常见的生物处理方法包括厌氧/好氧（A/O）[7]、[8]、厌氧-缺氧-好氧（A²/O）[9]、厌氧-好氧-厌氧-好氧（A/O/A/O）[10]、好氧-水解-好氧（OHO）[11]、[12]以及序批反应器[13]。这些生物处理技术操作和维护简便，运行成本低，能有效去除大量COD、NH₄⁺-N、硫化物和氰化物，从而减轻后续处理的压力和成本。然而，在传统的A/O工艺中，废水的毒性会抑制硝化菌的活性，导致硝化作用不稳定，NH₄⁺-N的去除率波动[7]；同样，A/A/O工艺中的厌氧单元也容易受到毒性抑制，从而限制了其处理能力[11]。A/O/A/O工艺通过多级缺氧-好氧空间配置实现了微生物功能的优化，显著提高了COD、NH₄⁺-N、硝酸盐氮和总氮（TN）的去除效率，并能有效降解难降解的有机化合物（如酚类化合物、吡啶衍生物和PAHs）。此外，该工艺具有优异的运行稳定性和抗冲击负荷能力[10]、[14]，因此在中国越来越多的污水处理厂得到应用，尤其是在上海、江苏和广东等地[10]。例如，范等人[15]研究了一种分阶段供料的厌氧/好氧/厌氧/好氧（SF-A/O/A/O）工艺，通过分阶段供料和双缺氧区优化了碳源分布，实现了85.8%的TN去除率，远高于传统A/O/O工艺（7.8%）。楚等人[10]研究了全规模的A/O/A/O工艺，实现了COD、氨、硝酸盐和TN的高去除率，并有效降解了难降解的有机化合物。虽然有一些研究探讨了全规模A/O/A/O工艺对常规污染物的去除效果，但很少有研究关注难降解污染物（如苯酚、含氮杂环化合物、醇、醛、酮、酸和酯）的去除效果。

微生物群落结构是决定焦化废水处理系统运行效率的关键因素。尽管已有研究探讨了A/O/A/O工艺中的微生物群落结构[15]、[16]，但这些群落的代谢功能尚未得到系统研究。虽然宏基因组学在基因水平上提供了关于微生物代谢的新见解，但现有研究主要集中在基础代谢和氮循环方面[10]、[14]，在特征污染物（如SCN^?和苯酚）的降解机制方面仍存在空白。因此，全面了解微生物生理功能和污染物代谢途径对于阐明去除机制、优化运行参数和提高系统性能至关重要。

本研究在中国宝武水务科技有限公司构建的全规模焦化废水处理系统中探讨了A/O/A/O生物处理工艺。系统运行参数（包括环境因素、污染物动态和去除效率）得到了系统监测。采用多组学方法（包括16S rRNA测序、宏基因组学和代谢组学）分析了不同处理单元中活性污泥的微生物群落结构、基因表达和代谢功能。本研究的主要目标是：i) 评估A/O/A/O工艺在焦化废水处理中的效果；ii) 识别降解污染物的功能细菌及其代谢基因，阐明生化机制；iii) 预测和重建生物处理过程中污染物的转化代谢途径。总体而言，本研究为系统优化提供了关键见解，并为工业废水处理技术的进步提供了宝贵参考。

部分内容摘录

全规模焦化废水处理系统运行情况

中国宝武水务科技有限公司的全规模焦化废水处理系统运行流量为150 m³/h，已连续运行超过15年。该系统包括生物处理系统、物理化学处理系统和污泥处理系统。图1展示了生物处理系统的示意图，其中A/O/A/O工艺为核心技术。该工艺分为初级好氧阶段（AO）和次级好氧阶段

常规污染物去除效果

全规模A/O/A/O系统处理的原始焦化废水中含有高浓度的碳（C）、氮（N）和硫（S）污染物。通过监测处理过程中COD、TOC、苯酚、TN、NH₄⁺-N、NO₂^?-N、SCN^?、S^2?、S₂O₃^2?和SO₄^2?的浓度变化，评估了A/O/A/O工艺的常规污染物去除效果（表1）。该系统有效去除了COD、TOC、苯酚、TN、NH₄⁺-N、SCN^?、S^2?和S₂O₃^2?，平均去除率分别为77.5%、91.0%、99.6%

意义

本研究的结果为焦化废水生物处理的理论理解和工程实践提供了重要见解。通过多组学方法，系统阐明了A/O/A/O工艺高效运行的微生物机制。从理论上讲，关键功能微生物群的鉴定和主要代谢途径的阐明为理解碳、氮等元素的协同去除机制提供了基础

结论

本研究考察了全规模A/O/A/O系统在焦化废水处理中的性能、微生物群落和代谢情况。结果表明，A/O/A/O系统有效去除了废水中的碳（C）、氮（N）和硫（S）污染物，其中初级好氧阶段（A₁和O₁）的去除效果最佳。16S rRNA和宏基因组学分析显示，Thauera（2.45%）、Azoarcus（1.09%）、Bacillus（1.13%）、Thiobacillus（1.65%）和Thioalkalivibrio（2.75%）是主要的污染物降解菌属

CRediT作者贡献声明

刘一超：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写，方法学设计，实验研究，数据分析，概念构建。谭勇：实验研究，数据整理。毕新奇：实验研究，数据整理。党晨远：撰写 – 审稿与编辑，实验设计。谢小曼：撰写 – 审稿与编辑，实验指导，方法学设计。张欣：实验研究。江金琦：数据整理。王宗平：资源协调。郭刚：撰写 – 审稿与编辑，实验指导，项目管理，资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3207203）和国家自然科学基金（52470035）的支持。