硫基生物技術在污水處理中的應用與前景

徐葉凈

(北京綠長城環保科技有限責任公司，北京 102200)

0 引言

單質硫(常寫為S0、S8)是地殼中硫的主要形態(硫化物、S0、硫酸鹽)之一，是地球化學硫循環的中間體[1].例如，S0是硫化物生物氧化生成硫酸鹽過程中的關鍵中間體[2].S0也可以是光營養細菌[3]或以O2、硝酸鹽或鐵離子為電子受體的硫化物氧化細菌(SOB)的最終產物[4].也就是說，在生物反應中，S0既可以作為電子受體(S0還原)，也可以作為電子供體(S0氧化).這表明S0可能在水和污水處理工藝中有廣泛的應用.

近幾十年來，生物S0還原或氧化在水和污水處理中的應用受到越來越多的關注.各種基于S0的生物技術已經被開發出來，如污泥減量、反硝化和含金屬污水處理等.這些技術可以以更經濟有效的方法解決當前污水處理過程中出現的復雜環境問題[5-7].然而，對于新興的S0生物技術的關鍵進展仍缺乏全面的總結和討論，尤其是在S0生物工藝的關鍵功能菌群(如S0還原菌、S0氧化菌)、基本機制(如S0還原、S0氧化)和使用場景(如生活污水、工業污水、農業污水、冶金污水)等方面.因此，有必要對各種基于S0生物技術的原理有一個清晰的了解.

雖然關于硫氧化代謝的研究也有一些綜述(例如，硫化物，S0，亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽)[8-10]，但是硫代謝特別是S0代謝，并沒有被用來解釋和指導工藝設計和優化.已知S0的水溶性極低(25℃時為5 μg/L)，限制了S0的生物可及性，這可能是其規模擴大和廣泛應用于污水處理的瓶頸.因此，系統評估微生物對S0的可及性及其代謝，有助于制定可行的策略，提高S0的生物利用效率，從而大幅提高工藝性能.

本文綜述了與S0相關的微生物學，以及吸硫細菌接觸和代謝幾乎不溶性硫的機制，綜述了S0生物技術在污水處理中的應用現狀，具體場景中涉及的化學和生化機制及其工藝優化.本綜述旨在豐富新興的以S0為基礎的污水處理生物技術的知識，并為其潛在的工程應用提供技術指導.

1 基于S0的生物技術原理和S0呼吸菌

1.1 S0還原

S0還原菌(S0reducing bacteria, S0RB)以S0為電子受體，以硫化物為副產物氧化有機物(以醋酸鹽為例，式(1)).因此，S0還原可用于污水的有機物去除.生物硫化物可通過形成不溶性金屬硫化物來沉淀金屬，表明其在含金屬污水處理中的可行性.這種多功能性使它們能夠參與各種環境中的污水處理.

CH3COO-+ 4S0+ 2H2O→
2CO2+ 4HS-+ 3H+
ΔG0= - 39 kJ/mol

(1)

S0RB利用廣泛的有機物，如醋酸鹽、甲酸鹽、糖、乳酸鹽、丙酸鹽、乙醇和酵母提取物[11]. 此外，一些S0RB可以利用其他電子受體，如亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽、氧、鐵、硝酸鹽和亞硝酸鹽.值得注意的是，一小部分硫酸鹽還原菌(Sulfur reducing bacteria, SRB)也能還原S0.

1.2 S0氧化

S0氧化細菌(S0oxidizing bacteria, S0OB)以S0為電子供體，以硫酸鹽為副產物(以硝酸鹽為例，式(2))還原氧化物質(硝酸鹽、亞硝酸鹽、鐵離子等).原則上，S0氧化可用于去除水中和污水中的硝酸鹽、高氯酸鹽和氧化金屬.光養硫化物氧化細菌可以氧化S0，但在特定的污水處理環境生物技術中，光養硫化物氧化細菌只用于硫化物氧化而非S0氧化[12].

S0+ 1.2NO3-+ 0.4H2O→
SO42-+ 0.6N2+ 0.8H+
ΔG0= - 547.6 kJ/mol

(2)

大部分化養性S0OB屬于變形菌門，主要分布在γ-變形菌綱.除了嗜中性，它們的居住環境還包括嗜冷和嗜熱條件[13-14].因此，基于S0OB的環境技術的應用并不局限于中性條件，還包括酸性條件下重金屬的生物浸出[15]等.

2 基于S0的污水處理技術

在過去的幾十年里，以S0還原/氧化為驅動的生物技術在污水處理方面得到了卓有成效的發展.這些生物處理技術大致可以分為3類：①S0作為電子受體進行有機去除；②S0作為電子供體去除硝酸鹽、高氯酸鹽和氧化金屬；③S0生成硫化物，用于重金屬沉淀.

2.1 高效去除有機碳并實現污泥減量

剩余活性污泥的處理和處置一直是污水處理廠面臨的難題.減少厭氧污水處理過程中產生的污泥是一種有前途的方法[16].S0還原工藝是一種高效的厭氧污水處理工藝，去除率達1.71 kg COD/m3(chemical oxygen demand, COD：化學需氧量)，水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)為3 h[7].污泥產率為0.16 kg VSS/kg COD，遠低于常規活性污泥法的0.35-0.47 kg VSS/kg COD[17].獲得的高速率性能歸因于涉及多硫化物的間接S0還原[18].產生的硫化物可進一步作為自養反硝化的電子供體，特別適合處理低C/N比的污水[19-20].然而，S0衍生化合物(硫酸鹽)仍殘留在污水中，可能造成二次硫酸鹽污染.一個有希望的解決方案是通過控制硝酸鹽/硫化物(N/S)的摩爾比在最佳水平(即≤0.4)終止硫化物氧化[3].生物硫化物也可以通過微曝氣回收.Zhang Y等[21]開發了一個內部硫循環(internal sulfur cycle, ISC)系統，由S0還原反應堆和硫化反應堆恢復S0構成(圖1).

圖1 內部硫循環系統原理圖和流程圖

實驗室規模的ISC系統穩定運行了200天，去除了94%的COD(約300 mg/L),并且沒產生剩余污泥，76%的硫化物被選擇性氧化為S0.在微好氧條件下，梭狀芽胞桿菌(Clostridium)對S0的還原起重要作用，而硫桿菌(Halothiobacillus)和硫單胞菌(Thiomonas)對硫化物氧化至S0起重要作用.

2.2 低碳氮比污水中硝酸鹽的經濟有效去除

還原硫物種(即硫化物、S0和硫代硫酸鹽)經常被報道作為電子供體參與化能富營養化反硝化[22].3種電子給體的反硝化速率依次為硫代硫酸鹽>硫化物> S0.考慮到運行成本和硫酸鹽產量，S0自養反硝化(sulfur-based autotrophic denitrification，SADN)比硫代硫酸鹽或硫化物驅動的自養反硝化具有競爭優勢.

2.2.1 全程反硝化

SADN是一種從飲用水、雨水徑流、地下水和低碳氮比污水中除氮的具有吸引力的低成本工藝(式(2))[23-25].同樣重要的是，與異養反硝化相比，SADN產生較少或相似的N2O(氮負荷的0.01%-0.6% vs 0.005%-1.2%)[26-27].硫桿菌和硫單胞菌常作為SADN系統中兩種占優勢的自養反硝化菌.值得注意的是，SADN去除1 g硝酸鹽會消耗4.57 g堿度[22]，因此會降低了系統的pH，并可能影響反應器的脫氮效率.為解決這一問題,崔等人通過添加在S0-填料床反應器中添加石灰石構建了S0-石灰石自養反硝化(S0-limestone autotrophic denitrification，SLAD)系統，在該系統中石灰石作為中和劑起到平衡pH值和無機碳的作用.固體S0和石灰石也可作為支撐生物膜發育的載體，有利于生物質的保留和硝酸鹽去除性能的提高.在實際運行中也可以使用其他固相緩沖劑(方解石、粉碎牡蠣殼等).此外，帶有碳酸氫鹽的膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)實現了高生物量的保留和出水質量的提高[5,28-29].目前，SADN過程已被應用于處理污水的中試和全規模系統[30].

硫酸鹽的生成是SADN過程中的主要問題.雖然當前我國污水排放標準中并沒有限制硫酸鹽的排放，但高濃度的硫酸鹽會導致明顯的味道(400 mg/L)，甚至腹瀉(1 000-1 200 mg/L)[31].一種折衷的方法是將基于S0的自養反硝化和異養反硝化結合起來形成混養反硝化，因為異養反硝化產生堿度并降低硫酸鹽產量.

將SADN與鐵基自養反硝化結合是另一種更具競爭優勢的解決方案.研究發現添加菱鐵礦(FeCO3)的SADN系統不僅降低了硫酸鹽產量，而且顯著提高了硝酸鹽去除率[32].這是由于S0和FeCO3對反硝化的協同作用.該過程也在一個中試規模的系統中被發現[33].與菱鐵礦類似，硫化鐵(如磁黃鐵礦，式(4))也可用于SADN系統中減少硫酸鹽產量和提高硝酸鹽的去除[34-35].值得注意的是，生成的Fe(III)可以通過吸附過程進一步去除磷酸鹽[36-37].

FeCO3+ 0.2NO3-+ 1.6H2O→
Fe(OH)3+ 0.1N2+ 0.8CO2+ 0.2HCO3-
ΔG0= - 54.3 kJ/mol

(3)

FeS + 1.8NO3-+ 1.6H2O→
Fe(OH)3+ 0.9N2+ SO42-+ 0.2H+
ΔG0= - 3 817 kJ/mol

(4)

由式(2)可知，硝態氮完全還原為N2時，硫氮的理論化學計量比為1.9 (g S/g N)，但如果采用該比值，NO2和N2O會累積.這可能是S0的低水溶性所導致的從固相到液相的有限傳質，或與氮氧化物還原相關的酶(如NO3, NO2, N2O)對有限的電子供體具有不同的競爭能力[38]導致的.生物源S0比化學合成S0具有更高的生物利用度.因此，生物源S0會導致硝酸鹽還原過程中中間產物的積累減少.為了減少亞硝酸鹽積累，S0通常以過剩的形式存在，以提供足夠的電子供體[28,39].

2.2.2 短程反硝化與厭氧氨氧化耦合過程

短程反硝化(NO3-→NO2-)耦合厭氧氨氧化(anammox)過程(PD/A)是一種具有吸引力的自養脫氮工藝，可用于高效節能的工業和生活污水處理[40].厭氧氨氧化過程不可避免地產生相對于進水氨濃度11%的硝酸鹽.在厭氧氨氧化系統中添加異養反硝化工藝可以去除硝酸鹽，但在反硝化過程中施用適量的有機物非常復雜，容易造成二次污染.而SADN工藝可以替代全程反硝化，以亞硝酸鹽補充厭氧氨氧化工藝，因為硝酸鹽只有轉化為亞硝酸鹽后，才會進一步向氮氣反硝化(式(5)、式(6))[41].

3NO3-+ S0+ H2O→
3NO2-+ SO42-+ 2H+
ΔG0= - 277.8kJ/mol

(5)

NH4++ NO2-→N2+ 2H2O
ΔG0= - 357.8 kJ/mol

(6)

硫氮比是影響亞硝酸鹽積累的關鍵因素.如上所述，當根據化學計量的硫氮比供應S0時，可以實現亞硝酸鹽的積累.然而，能否有效地將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽是非常不確定的.因此，在實踐中，反應器中S0過高.如何優化硫氮比以實現亞硝酸鹽的有效積累還有待進一步研究.pH和溫度是另外兩個關鍵因素.弱堿性條件可促進硝酸鹽轉化，同時減少亞硝酸鹽的去除[41]，有利于亞硝酸鹽的累積.雖然溫度對硝酸鹽和亞硝酸鹽的去除影響不大，但適宜的溫度有利于反硝化活性，并且由于硝酸鹽的還原速率高于亞硝酸鹽的還原速率，可以產生滿意的亞硝酸鹽積累.

2.3 污水中金屬的去除

生物S0還原或氧化過程均可用于去除污水中的金屬.S0還原生成的硫化物可通過形成不溶性金屬硫化物直接沉淀金屬(Cu(II)、Pb(II)、Fe(II)、Cd(II)、Zn (II)、Ni(II)、Hg(II)等).在處理砷和汞污染污水時，S0還原比硫酸鹽還原具有競爭優勢.

2.3.1 S0驅動硫化工藝處理含金屬污水

硫酸鹽還原在實際中已廣泛應用于含金屬污水處理，如冶金污水.然而，含金屬污水中的有機物含量通常太低，無法實現高速率硫酸鹽還原工藝[42].補充額外的碳源肯定會增加運營成本，反過來限制其廣泛應用.S0還原可能是一個很有前途的替代方案，每個硫化物只需要兩個電子，而非硫酸鹽還原需要8個電子(式(9)、式(10)).與硫酸鹽減少相比，理論上減少了75%的有機消耗.實驗室規模研究表明，與硫酸鹽還原相比，S0還原可降低25.6%-78.9%的硫化物生產化學成本[43].

SO42-+ 10H++ 8e-→H2S + 4H2O

(9)

S0+ 2H++ 2e-→H2S

(10)

在無pH改善的情況下處理酸性礦山污水(AMD)時，在極酸性條件(pH 2.6-3.5)下，S0還原率仍可達36 mg S/L-h[44]，與中性條件下的硫酸鹽還原過程相當(表1).在酸性條件下，細胞與S0的直接接觸和細胞外電子轉移(extracellular electron transfer, EET)是S0利用的主要途徑.此外，酸性S0還原生物反應器可以進一步減少對堿性供應的化學需求，并需要進一步研究，以驗證其在中試或全尺寸應用的可行性.

表1 S0驅動和硫酸鹽驅動硫化反應器的比較

2.3.2 砷的還原和沉淀

地下水砷污染已被認為是許多發展中國家的主要問題，特別是在孟加拉國[50].砷酸鹽(As(III))和砷酸鹽(As(V))是水環境中最常見的砷種類，前者比后者具有更高的遷移率和毒性[51].硫酸鹽還原產生的生物成因硫化物可以通過形成不溶性硫化砷沉淀(As2S3和AsS)來去除As(III)(式 (11)和式(12))[52].硫化物還可以將As(V)化學還原為As(III)，最終固定As為 As2S3和AsS[53].然而，在實際應用中，由于可溶性硫代亞砷酸鹽(As(OH)S22-)的生成，硫酸還原法不能穩定地去除污水中的砷.這是硫酸鹽還原過程中pH值升高和HS-過多的結果，促進硫代砷絡合物的產生(式 (13))[54].為了減少硫代砷絡合物的形成，在高As/S摩爾比(0.67)時pH應小于6.9，在低As/S摩爾比(0.05)時pH應小于5.5[55].

酸性條件下S0還原是一種很有前途的選擇，因為這一過程產生大量的硫化物而不提高pH.研究發現，pH約為4.3的S0填料反應器排出的污水可以有效地去除砷(>99%)，且As/S摩爾比范圍寬(0.05-0.55)，沒有硫代亞砷酸鹽的形成.然而，即使在完全除砷后，產生的硫化物仍然是過剩的.硫化物很可能導致設備腐蝕，特別是在酸性條件下，這意味著需要采取反作用措施來避免此類腐蝕問題.

2H3AsO3+ 3HS-→
As2S3+ 3H2O + 3OH-

(11)

H3AsO3+ HS-+ 2H+→
AsS + 3H2O

(12)

As2S3+ HS-+ 3OH-→
2As(OH)S22-+ H2O

(13)

2.3.3 汞(II)的去除和甲基汞的消除

水環境中的汞離子(Hg(II))對人類和其他生物具有高度毒性.雖然硫酸鹽還原可以通過形成汞硫化物沉淀來去除汞，但大多數SRB是汞甲基化物，這意味著它們可以在有機物和硫酸鹽的存在下將汞離子(Hg(II))轉化為神經毒性甲基汞(MeHg)[56].最近，S0的降低已經實現了在不積累甲基汞的情況下有效去除汞[33].一項為期326天的S0還原工藝處理汞污染污水的研究表明，該工藝可以在不檢測甲基汞的情況下有效去除濃度為0 - 50 mg/L的汞(II).隨著時間的推移，汞甲基化功能基因(HgcA)的豐度顯著降低，但并沒有完全消失.主要鑒定出的S0RB為Geobacter和Desulfumicrobium，其中部分成員為汞甲基化物[57].然而，該過程中甲基汞缺失的機制尚不清楚.該研究提出，甲基汞的缺失可能歸因于溶解有機物與汞(II)的結合，從而抑制汞甲基化[58].因此，對甲基汞缺失的機制有待進一步研究.

3 未來前景和研究方向

盡管近年來S0在污水中的應用受到越來越多的關注，并取得了實質性的進展，但基于S0的生物技術的基本機理和應用方面的許多問題仍然沒有得到解答.筆者認為，基于S0的生物技術研究應著眼于以下幾個方面.

(1) 提高S0生物利用度是拓寬S0生物技術應用的關鍵一步.由于S0的水溶性極低，其生物利用度低，限制了S0生物技術的規模化和廣泛應用.盡管已經證明了一些可行的方法可以提高S0的生物利用效率，但仍需要更多功能的策略來使它們更具競爭力和生命力.建議關注S0顆粒與生物膜界面生物(化學)過程的理解和調控，探索S0表面修飾，將細胞外氧化還原介質或導電材料引入S0基體系，并優化生物過程中多硫化物的形成.

(2) S0歧化是全球生物化學硫循環中的一個重要過程，在淡水和海洋沉積物以及生物增強系統中均發現了S0歧化細菌.S0歧化可能被潛在地用于同時提供易于生物可利用的電子給體和接受體的水和污水處理.然而，S0歧化在水或污水處理過程中的工程應用尚待報道.未來的研究可以指向開發新的S0歧化水和污水處理工藝.

(3) 生物質S0是一種生物廢棄物，比化學生產S0具有更高的生物可及性.在這些生物技術中對生物質S0的應用應該進行更多的探索，并確定生物質S0如何影響硫代謝.然而，生物質S0并不是普遍可用的，在進行成本效益分析時應考慮運輸所造成的成本.為了有一個更可持續的方法，硫源可以通過額外的過程回收.例如，生物源硫化物可以通過微曝氣或硫化物驅動的自養反硝化再氧化為S0[18-19].副產物硫酸鹽也可以通過生物電化學系統轉化為S0[59-60].S0的回收和循環可以幫助閉合循環，從而促進循環經濟.因此，基于S0的生物技術與生物電化學系統的集成可能是未來的另一個研究方向.

(4) 種間相互作用在維持系統功能方面比單個種群發揮更重要的作用，這可能有助于提高S0的生物利用度和提高系統性能.例如，發酵細菌可以將大分子有機底物分解為簡單底物，支持S0RB的活性和呼吸.在SADN體系中，產硫細菌產生的硫化物可以提高S0的生物可達性，從而改善硝酸鹽還原細菌介導的反硝化作用.因此，應通過宏基因組、轉錄組和蛋白質組分析以及穩定同位素標記等新興技術，進一步研究整個群落水平和分子水平上的微生物群落結構和微生物相互作用.這些信息將有助于通過校準操作參數和促進更好的微生物途徑來優化工藝性能.

與傳統污水處理方法相比，基于S0的生物技術可以大幅降低添加外源碳源(甲醇、乙醇、醋酸鹽、葡萄糖等)帶來的運行成本，不會產生殘留有機物引起的二次污染.S0極低的水溶性是實現高水平工藝性能的主要瓶頸，通過進一步闡明微生物對S0的可及性和微生物S0代謝的基本機制，可以克服這一瓶頸.還應研究以S0為基礎的生物系統中新出現的污染物的命運及其與微生物群落的相互作用.總的來說，S0轉換的多功能性將導致未來用于水和污水處理的新的生物技術過程.