火山岩增强型硫自养生物滤器中硫自养生物过滤过程的微生物空间差异及机制：硫自养生物过滤过程中的短路径反硝化作用与厌氧氨氧化（SSDA）耦合

《Environmental Research》：The microbial spatial differences and mechanism of volcanic rock-enhanced sulfur autotrophic short-cut denitrification coupled with anammox (SSDA) in sulfur autotrophic biofilter

硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化（SSDA）系统在常规S0颗粒滤器和火山岩改性复合滤器中的性能对比研究表明，火山岩的引入显著提升了系统在高氮负荷（TNRR 0.8-1.0 kg·m-3·d-1）和强反冲洗（气洗16 L·m-2·s-1，水洗8.5 L·m-2·s-1）条件下的稳定性，使总氮去除率（TNRR）稳定在1 kg·m-3·d-1，同时Thiobacillus和Candidatus_Kuenenia丰度分别增至16.15%和3.4%。火山岩的孔隙结构为AnAOB提供了稳定附着空间，并通过富集Ca、Mg、Fe等微量元素促进EPS分泌和生物膜形成。

　　

周云强|陈伟|周灿辉|李翔|王成刚|刘晨|袁岩

中国苏州科技大学环境科学与技术学院，苏州215009

摘要

在硫自养反硝化生物滤池中，实现硫自养 shortcut 反硝化与厌氧氨氧化（SSDA）的耦合可以同时去除 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N，从而降低废水处理成本。本研究比较和分析了火山岩存在与否对 SSDA 系统反应器性能的影响以及硫自养生物滤池中微生物的空间分布差异。结果表明，使用 S⁰ 颗粒作为滤床时，SSDA 系统能够实现 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的同步去除。然而，在高氮负荷和强反冲洗强度（空气冲洗：16 L·m^-2·s^-1，水冲洗：8.5 L·m^-2·s^-1）条件下，总氮去除率（TNRR）从 1.1 kg·m^-3·d^-1 显著下降至 0.8 kg·m^-3·d^-1。S⁰ 颗粒表面的 Thiobacillus 丰度保持在 14.21%，而 Candidatus_Kuenenia 的丰度从 4.09% 下降至 2.85%。此外，在相同的氮负荷和反冲洗强度下，添加火山岩的复合生物滤池稳定达到了 1 kg·m^-3·d^-1 的 TNRR。滤料表面的 Thiobacillus 和 Candidatus_Kuenenia 丰度分别增加到 16.15% 和 3.4%。火山岩的引入为厌氧氨氧化菌（AnAOB）提供了附着和庇护空间，促进了功能微生物的生态位平衡。

引言

随着工业化进程的加速，来自电镀、光伏、冶金和化工等行业的高 C/N 比废水排放量逐渐增加，废水中通常同时存在 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N（Shih 等，2024；Yan 等，2024）。在传统的生物氮去除过程中，首先将 NH₄⁺-N 氧化为 NO₃^--N，然后在缺氧条件下加入有机物作为电子供体将 NO₃^--N 转化为 N₂。这一过程不仅需要大量的曝气，还需要添加大量的化学药剂，从而增加了处理成本。近年来，shortcut 反硝化技术的引入不仅减少了电子供体的需求，还促进了其与厌氧氨氧化（anammox）的耦合，即在缺氧条件下实现 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的同步去除（Wang 等，2024）。然而，当有机物作为电子供体时，由于实际 NO₃^--N 浓度的波动，精确控制剂量具有挑战性，并且会产生大量的活性污泥。当与自养 anammox 耦合时，难以维持污泥中自养微生物的高丰度。因此，开发自养 shortcut 反硝化与 anammox 的耦合是一个值得探索的方向（Xu 等，2024b）。

硫自养反硝化（SAD）作为一种自养氮去除技术，可以利用还原态无机硫（S^2-、S⁰、S₂O₃^2- 等）通过 NO₂^--N 到 N₂ 的途径去除 NO₃^--N。目前，利用不同氧化还原状态的硫作为反硝化电子供体以实现 NO₂^--N 的稳定积累引起了众多学者的关注（Wang 等，2023a）。然而，考虑到运输和经济问题，使用 S⁰ 进行反硝化受到了更多关注。此外，硫自养 shortcut 反硝化与 anammox（SSDA）的耦合可以实现 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的同步降解，具有以下优势：（1）使用 S⁰ 作为电子供体产生的酸可以中和 anammox 产生的碱；（2）反应过程中剩余的 S⁰ 可以留在反应器中，减少化学药剂的使用；（3）完全自养的生物氮去除系统可以实现功能微生物的生态位平衡。目前，关于 SSDA 过程的大多数研究集中在完全混合反应器上，如移动床生物膜反应器（MBBRs）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、上流式厌氧污泥床（UASB）等（Jiang 等，2025；Li 等，2023；Liu 等，2025）。尽管如此，这些反应器在实际运行中仍面临一系列瓶颈：（1）在常温下，S⁰ 在水中的溶解度相对较低，容易损失和沉积，导致管道堵塞；（2）S⁰ 在反应器内难以充分混合，限制了硫自养反硝化细菌（SOB）的利用，从而影响反应速率。为了解决这些问题，将 S⁰ 制备成颗粒滤料，并将其应用于生物滤池已成为一种趋势（Wang 等，2025b）。然而，在以 S⁰ 为基质的生物滤池中，SOB 更倾向于在颗粒表面定殖并逐渐消耗 S⁰ 颗粒，导致厌氧氨氧化菌（AnAOB）缺乏长期有效的附着空间。同时，AnAOB 生长缓慢（倍增时间为 11–13 天），并且在空气/水反冲洗干扰下容易从 S⁰ 颗粒表面脱落并被冲出系统，难以增加 AnAOB 的丰度（Guo 等，2017；Zheng 等，2025b）。因此，开发一种新的复合滤床配置，为 AnAOB 提供稳定的附着空间，并实现 S⁰ 驱动的 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的同步降解，是实现复合生物滤池中 SSDA 过程高效稳定氮去除的关键。火山岩作为一种天然多孔矿物材料，不仅具有优良的物理强度和化学稳定性，其多孔结构还可以为微生物提供附着场所。此外，火山岩富含钙（Ca）、镁（Mg）和铁（Fe）等微量元素，这些元素可以作为 AnAOB 代谢酶的关键辅因子，促进胞外聚合物（EPS）的分泌和生物膜的形成（He 等，2025；Zhao 等，2025）。

为了解决上述问题，本研究采用火山岩和 S⁰ 颗粒的混合物作为生物滤料。主要研究目标是：（1）分析传统 S⁰ 颗粒生物滤池和火山岩改性复合生物滤池对 SSDA 氮去除性能的影响；（2）揭示火山岩对生物滤池内功能微生物空间分布差异和微生物群落动态变化的影响；（3）评估火山岩影响硫自养生物滤池氮去除性能的机制。本研究为基于 SSDA 系统的生物滤池高效自养氮去除提供了理论基础和实践指导。

实验设置和控制条件

SSDA 系统采用一个 3 L 的下流式生物滤池。顶部安装了进水分配管，底部安装了曝气板。使用蠕动泵（BT100-2J，Longer）来调节进水流量。在反应器外部放置了加热装置，以保持系统温度在 24±2°C（图 1）。接种污泥来自长期实验室操作的 anammox（2000 mg MLSS·L^-1，300 mL）和反硝化污泥来自废水

在没有添加火山岩的 SSDA 系统中氮和硫的转化

在第一阶段的初期（第 1-5 天），HRT 设定为 30 小时。为了确保接种污泥有效附着在滤料上，未进行反冲洗。出水 NH₄⁺-N 浓度保持在 57 mg·L^-1，而 NO₂^--N 和 NO₃^--N 均未被检测到；TNRR 保持在 0.1 kg·m^-3·d^-1。出水 SO₄^2--S 浓度为 112 mg·L^-1，比 SSD 理论产生的 SO₄^2--S 浓度高 55 mg·L^-1。基于氮和硫的转化

结论

在传统的硫自养生物滤池中，由于反冲洗过程中 S⁰ 颗粒之间的摩擦作用，仅依靠微生物分泌的 EPS 进行表面附着，使得在高负荷条件下难以长期稳定运行以实现 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的去除。火山岩的多孔结构为自由生长的 AnAOB 提供了附着位点和庇护所，帮助它们克服了在传统 S⁰ 生物滤池中的空间竞争劣势，从而优化了

CRediT 作者贡献声明

陈伟：监督，正式分析。王成刚：监督，正式分析。周灿辉：数据管理，概念构思。李翔：写作 - 审稿与编辑，资源管理，项目管理，方法论，资金获取。周云强：写作 - 初稿撰写，可视化，验证，数据管理。刘晨：监督，资金获取，概念构思。袁岩：写作 - 审稿与编辑，资源管理，方法论，概念构思

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。

致谢

本工作得到了 国家重点研发计划（编号：2023YFC3206903）和 吉林省科技厅（编号：20240304089SF）的支持。