《Environmental Research》：Novel insights into sulfide-enhanced nitritation with aerobic granular sludge
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硝化作用在硫化物抑制的连续流好氧颗粒污泥反应器中实现长期稳定，无需控制残留氨氮，硝酸盐积累效率（NAE）>85%，氨氧化速率（AOR）>1.46 kg N/(m3·d)。硫化物通过抑制硝酸盐氧化细菌（NOB）和富集硫化物氧化细菌（SOB），协同分层微生物结构维持高硝化效率。分层结构使AOB和SOB形成空间邻近，SOB快速氧化硫化物降低毒性，同时消耗氧气加剧颗粒内部缺氧，双重抑制NOB。硫化物波动浓度（20-80 mg S/L）下颗粒结构完整（SVI3<29 ml）。
许多雨·秦 | 明军·李 | 超文·谢 | 曾毅·李 | 蔡霞·王 | 建芳·王 | 费月·钱 | 文茹·刘
苏州科技大学环境科学与工程学院，中国苏州215000
摘要
硫化物抑制为废水处理中的亚硝化作用提供了一种潜在策略，然而其在连续流好氧颗粒污泥（AGS）系统中的长期可行性和与微生物分层的协同作用尚未得到研究。本研究通过实验表明，硫化物可以稳定AGS反应器中的亚硝化过程。在较高的硫化物负荷（20-80 mg S/L）下，实现了持续的高速率亚硝化，且无需控制残留氨浓度，亚硝化积累效率（NAE）>85%，氨氧化速率（AOR）>1.46 kg N/(m3·d)。这一结果挑战了“基于氨的抑制作用对颗粒中亚硝化细菌（NOB）的抑制是必需的”这一传统观点。硫化物似乎直接抑制了NOB，同时富集了硫化物氧化细菌（SOB，主要是Thiobacillus）。相应地，这些SOB的代谢可能加剧了氧气消耗，进一步限制了颗粒内部的氧气供应，从而抑制了NOB的生长。颗粒结构使得SOB和氨氧化细菌（AOB）在空间上更加接近，使SOB能够通过快速氧化硫化物来降低对AOB的毒性，从而起到生物屏蔽作用。微生物的暴露经历对这一反应有重要影响，因为之前的硫化物暴露通过选择代谢活跃的SOB群落并诱导生理适应，缩短了AOB的抑制滞后时间。尽管硫化物浓度波动（20-80 mg S/L），颗粒仍保持了结构完整性（3分钟污泥体积指数SVI?<29 ml）。
引言
与传统硝化/反硝化过程相比，新兴的生物氮去除工艺，特别是部分硝化-反硝化和部分硝化-厌氧氨氧化（anammox），因其较低的能耗和较小的环境影响而受到广泛关注（Rosso等人，2008年）。这些工艺仅将氨部分转化为亚硝盐，关键在于富集氨氧化细菌（AOB）并抑制亚硝化细菌（NOB）以实现稳定高效的亚硝化（Delgado Vela等人，2018年）。
在各种抑制策略中，硫化物因其选择性毒性而受到关注。在絮凝序批反应器（SBR）中，45-80 mg S/L的脉冲硫化物剂量可达到75%的亚硝化积累比率，但这种效果是暂时的，并且需要严格的pH控制（Erguder等人，2008年）。后续的动力学研究表明，硫化物对AOB的抑制作用比对NOB的抑制作用强一个数量级（K_I_AOB = 150 mg S/L，K_I_NOB = 10 mg S/L），证实了NOB受到优先抑制（Kouba等人，2017年）。然而，当硫化物浓度超过50 mg/L时，可能会抑制AOB，且长期稳定性难以实现。硫化物抑制的效果还取决于微生物群落组成，不同类型的污泥表现出不同的反应（Delgado Vela等人，2018年）。为了解决稳定性问题，研究采用了结合硫化物（150 mg S/L）、厌氧饥饿和游离氨（FA）冲击的回流污泥处理方法，但仅实现了47%的长期亚硝化积累比率峰值（Seuntjens等人，2018年）。最近，硫化物被用作SBR中的侧流污泥预处理（90 mg S/L，12小时），在低氨废水（约60 mg N/L）中实现了83.9%的稳定亚硝化积累比率（Zhuang等人，2024年）。尽管这种方法很有前景，但它需要专门的预处理单元和批处理操作。总体而言，这些研究证实硫化物可以在絮凝系统中选择性地抑制NOB，但长期稳定性通常需要复杂的操作策略或外部预处理装置。表1总结了不同污泥系统中硫化物介导的亚硝化研究的代表性成果，指出了本研究所要解决的科研空白。
与絮凝系统和生物膜系统相比，颗粒污泥在亚硝化过程中具有明显优势。与絮凝污泥不同，好氧颗粒污泥中的硝化菌群可以形成良好的分层结构。AOB通常位于富氧的外层，而NOB则局限于缺氧的内核（Poot等人，2016年；Soler-Jofra等人，2019年）。这种固有的空间组织在缺氧条件下有利于AOB的优势，使得无需外部载体即可实现稳定的亚硝化。此外，由于其优异的沉淀性能，基于好氧颗粒污泥的部分硝化过程可以实现极高的容积负荷率（Liu等人，2022年）。这种方法越来越多地应用于连续流结构中。然而，尽管有这些优势，但尚未研究基于好氧颗粒污泥的部分硝化过程在含有硝化细菌抑制剂（如硫化物）的废水中的可行性。在基于絮体的活性污泥过程中，人们通常认为硝化菌群分布均匀，AOB和NOB接触抑制物质的概率相同。但对于基于颗粒污泥的部分硝化过程，颗粒外层的AOB群将首先接触到抑制剂，这可能会对颗粒污泥的氨氧化活性和NOB的抑制产生不利影响（Zhao等人，2023年）。因此，基于好氧颗粒污泥的部分硝化过程用于处理含硫化物的废水的可行性仍有待验证。目前尚不清楚分层的颗粒结构是否能够与硫化物抑制作用协同作用，在没有残留氨的情况下实现稳定的亚硝化，而残留氨通常被认为是颗粒中抑制NOB所必需的（Poot等人，2016年）。
因此，为了解决这些知识空白，本研究考察了连续流AGS反应器在逐步增加硫化物浓度（20-80 mg S/L）条件下的长期性能。我们假设硫化物与好氧颗粒的分层微生物结构协同作用，从而实现持续的NOB抑制并保持高速率的亚硝化效果。本研究评估了：（i）硫化物介导的亚硝化在连续流颗粒反应器中的长期可行性；（ii）硫化物、残留氨和微生物分层对硝化菌活性的协同效应。
反应器设置与操作
实验采用了一种连续流空气提升内循环反应器（图S1），反应器配置在我们之前的研究中已有说明（Liu等人，2023年）。反应器的工作体积为2.5 L，上流与下流横截面积的比例约为1:1。反应器还包括一个沉淀区，其水横截面积为10.5 cm2。接种的硝化颗粒污泥来自另一个实验室反应器（16 L）。
在增加硫化物暴露下的稳定亚硝化
在第一阶段（第1-9天），反应器在无硫化物条件下运行（表2）。由于接种的颗粒污泥来自另一个具有良好亚硝化效果的实验室反应器，因此在本研究开始时即实现了有效的亚硝化，亚硝化积累效率（NAE）超过80%（图1B）。然而，五天后，出水中的硝酸盐浓度开始迅速上升。在第一阶段结束时（第9天），出水中的硝酸盐浓度进一步增加。
结论
本研究证明，在连续流好氧颗粒污泥系统中，通过硫化物抑制可以实现稳定的亚硝化。硫化物暴露（20-80 mg S/L）导致NOB数量减少，同时AOB数量增加，表明硝化菌群结构发生了变化。重要的是，即使在无残留氨的情况下，80 mg S/L的硫化物浓度下也能保持高速率的亚硝化，亚硝化积累效率（NAE）>85%，氨氧化速率（AOR）>1.46 kg N/(m3)
作者贡献声明
曾毅·李：方法学、概念设计。
超文·谢：方法学、概念设计。
明军·李：数据管理、概念设计。
许多雨·秦：初稿撰写、数据管理、概念设计。
文茹·刘：撰写、审稿与编辑、监督、概念设计。
费月·钱：撰写、审稿与编辑、监督。
建芳·王：撰写、审稿与编辑、监督。
蔡霞·王：方法学、实验研究。
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的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52470090）和江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX25_1878）的资助。
