太原理工大学周鑫团队BITE: 调控硫氮比有效减少亚硫酸盐驱动自养反硝化系统的N2O排放

图文导读

不同S/N比下脱氮性能

图1.脱氮性能：（a）出水NO₃^--N浓度，（b）硝酸盐去除效率（NRE），（c）亚硫酸盐去除效率（SRE），（d）出水NO₂^--N浓度，（e）亚硝酸盐积累率（NAR），（f）总氮去除效率（TNRE）

图1展示了SDAD系统在不同S/N比下的长期运行性能。随着S/N比从0.4增加至2.6，硝酸盐去除率（NRE）和总氮去除率（TNRE）持续提升，并在S/N=2.6时达到峰值，分别为94.3%和92.7%。当S/N比进一步升至3.1时，脱氮效率开始下降。在S/N不足时，由于电子供体缺乏，导致亚硝酸盐积累（图1d）。而过高的S/N可能因硫酸盐积累抑制了亚硫酸盐氧化，从而影响脱氮。这表明，S/N比是决定SDAD脱氮效率的关键参数。

氮素转化、N₂O和FNA特性

图2. 不同S/N比下典型周期内氮素形态、N₂O和FNA的变化曲线：（a）S/N = 0.4，（b）S/N = 0.9，（c）S/N = 1.3，（d）S/N = 1.7，（e）S/N = 2.2，（f）S/N = 2.6，（g）S/N = 3.1

图3.不同S/N比下的N₂O排放量及排放因子

典型周期试验（图2）和排放因子分析（图3）揭示了N₂O排放对S/N比的非线性响应。在中等S/N比范围（1.3-2.2），N₂O排放因子较高（2.7%-4.3%），这与亚硝酸盐和游离亚硝酸（FNA）的积累密切相关（图2）。而在S/N比为2.6时，N₂O排放始终处于极低水平，排放因子仅为0.5%。因此，调控S/N比至最佳范围是减少N₂O排放的有效策略。

微生物群落分析

图4.微生物群落分析：(a) OTU韦恩图，(b) 门水平相对丰度，(c) 属水平相对丰度，(d) SOB总相对丰度，(e) 属水平差异比较，(f) RDA分析。

高通量测序结果（图4）揭示了S/N比对微生物群落结构的显著重塑作用。从OTU水平来看（图4a），样品S6（S/N=2.6）的OTU总数最高（611个），且73.6%为独有OTU，Shannon和Chao指数也达到峰值，表明该条件下微生物多样性最为丰富。门水平分析（图4b）显示，硫氧化菌核心菌门变形菌门（Proteobacteria）相对丰度随S/N升高而增加，而异养菌为主的拟杆菌门（Bacteroidetes）则持续下降，反映出异养菌在硫自养主导系统中的竞争优势减弱。值得注意的是，在最佳S/N比（2.6）下，SOB如Thiobacillus和Sulfurovum的相对丰度达到峰值（图4c和4d）。冗余分析（RDA）（图4f）进一步证实，这些SOB与N₂O排放呈显著负相关，而部分异养菌（如Thauera）则与N₂O产生呈正相关。因此，优化S/N比至2.6能够选择性富集功能型自养菌群、抑制异养菌的竞争，从而在保障高效总氮去除的同时，从微生物生态层面阻断N₂O的生成与释放。

微生物网络分析

图5.微生物相关性网络分析：(a) 低S/N微生物群落网络，(b) 高S/N微生物群落网络，(c) Zi-Pi图，(d) 高低S/N下菌属拓扑特征对比

网络分析（图5）揭示了S/N比对微生物网络结构的显著调控作用。对比低S/N（0.4-1.7）条件下的网络拓扑结构，高S/N（2.2-3.1）下微生物网络表现出更高的复杂性与稳定性：平均加权度和平均聚类系数均有所提升，而模块化程度降低，表明功能模块趋于集成、代谢协同性增强。关键硫氧化菌属（如Thiobacillus、Sulfurovum）在网络中的中心性（节点度、加权度）和权威性（特征向量中心性）显著提高，而异养反硝化菌属（如Thauera、Ignavibacterium）的拓扑重要性则相应减弱。同时，作为潜在种间电子传递介质的Chloroflexi成员（如Longilinea、Ornatilinea）在高S/N条件下表现出更高的活跃度，这进一步强化了不同功能模块之间的传质效率。这些结果充分说明，高S/N条件通过重塑微生物互作网络、促进核心功能菌群协同，构建了更为高效的种间电子传递体系，从而驱动N₂O的彻底还原，实现低碳脱氮目标。

代谢机制解析

图6.功能基因丰度及代谢通路：(a) 功能基因丰度，(b)Nor/Nos和 (Nar+Nap)/Nir比值，(c) 氮硫代谢通路图。

从基因层面（图6）进一步揭示了S/N比调控N₂O减排的分子机制。随着S/N升高，nap和nar基因的总丰度显著提高（图6a），表明更多电子流向硝酸盐还原过程，为整个反硝化链提供了充足的电子驱动力。值得注意的是，在最佳S/N比（2.6）下，N₂O还原酶基因（nosZ）的丰度达到峰值，而Nor/Nos（N₂O产生/还原基因比）和（Nar+Nap）/Nir（硝酸盐还原/亚硝酸盐还原基因比）的比值均降至最低（图6b），相比S/N=1.7时，分别下降61%和55%，这表明代谢流更倾向于将电子用于N₂O的最终还原。硫循环中，sorAB通过细胞色素C介导的电子传递链将电子引导至反硝化还原酶，随S/N升高，sorAB基因丰度（409→17213）的急剧上升表明电子转移能力增强，增强了N₂O还原所需的电子供应。本研究揭示了通过调节S/N来调控关键功能基因丰度比例、强化高效电子传递通路达到平衡电子分配、最终实现N₂O深度减排的基因调控机制。

应用展望

本研究提出以亚硫酸盐替代传统硫源的自养反硝化新方法，并构建了基于S/N比优化的低碳脱氮策略。对比当前主流的S⁰-SAD系统，该工艺耗酸免碱、硫酸盐产量低、无填料堵塞问题，兼具高溶解性与快速反应动力效率，可大幅缩小反应器体积并节约运维成本。此外，亚硫酸盐可通过回收工业脱硫副产物（亚硫酸钠）实现低成本资源化利用。凭借其独特优势，SO₃^2--SAD工艺有望为城市污水生化尾水、高硝酸盐废水处理及地下水修复提供一种颇具应用前景的深度低碳脱氮解决方案。