生物硫氧化法在污水处理应用中的新机遇

硫化物在工业和城市废弃物中普遍存在，也是废弃物处理中最棘手的问题之一。过去数十年里，人们开发了处理硫化物(HS-/H2S)的多种技术和策略，包括传统的物理化学工艺，例如醇胺法(Alkanolamine)、Claus工艺、改良ADA法（又称Holmes-Stretford法）和Lo-Cat湿法脱硫技术等。同时也有生物工艺，例如荷兰Paques公司研发的THIOPAQ工艺和法国Veolia的Sulfothane工艺。

图1. 微生物的硫循环图

物理化学方法主要用来处理气态硫化物或者含有高浓度硫化物的污水，但是大多都需要使用大量的化学药剂和消耗能源，使得运行成本高企，尤其对于小型项目（硫负荷<100t/天）。与此相反，生物方法有许多优点，例如无需添加催化剂、污泥产量低、回收硫的潜力；以及更重要的，它们可以在室温和常压下运行，副产物的产量远低于物理化学方法，使得运行更安全，废物处置管理更简易，并最终显著地减少能耗。因为其操作要求低、灵活性高，在实际应用中生物方法所占比例相当大，尤其对于中低浓度的含硫废物的处理，生物方法更具优势。

在这些生物技术中，硫细菌起着至关重要的作用。在近期的国际水 期刊《Water Research》上，香港科技大学陈光浩教授的团队联合卡塔尔Hamad Bin Khalifa大学的Hamish R. Mackey博士，以及荷兰TU Delft代尔夫特理工大学的Mark van Loosdrecht教授对硫化物的生物处理方法以及其功能微生物进行了系统回顾，此综述的亮点在于将硫循环与氮磷等其他营养物循环联系起来，从传统的环境管理和废物资源化的角度关注硫细菌在废物修复方面的新兴生物技术和应用，展示生物硫氧化的优点和发展潜力。

背景介绍

基于细菌的代谢方式，生物脱硫可分为两大类，即光能自养和化能自养。前者通过捕获光能氧化硫化物，而后者通过与其他化学物质结合氧化硫来获得代谢能量。由于它们对不同环境条件的适应性、更高的硫化物耐受性，使得其可以在无光条件下更紧凑地在反应器中运行，化能自养型微生物在生物脱硫的商业应用中因此也更为常见。

硫氧化细菌（SOB）宽广的化学自养代谢解释了它们在处理低浓度有机物和高浓度无机还原硫化物污水的主导地位。它们的代谢多样性使得反应系统在受到外界波动时仍能保持稳定性能。对于想了解硫化物的处理及其影响因素的读者，特别是对于气体脱硫和联合反硝化的污水脱硫，可以查阅以下三篇 献，在此不再详述。

• Syed, M., Soreanu, G., Falletta, P., Béland, M. 2006. Removal of hydrogen sulfide from gas streams using biological processes-a review. Canadian Biosystems Engineering 48, 2.
• Tang, K., Baskaran,V., Nemati, M. 2009. Bacteria of the sulphur cycle: an overview ofmicrobiology, biokinetics and their role in petroleum and mining industries. Biochemical Engineering Journal 44 (1), 73-94.
• Pokorna, D. and Zabranska, J. 2015. Sulfur-oxidizing bacteria in environmental technology. Biotechnology Advances 33 (6), 1246-1259.

硫细菌

硫的生物转化相当复杂，因为硫的各种氧化态广泛存在，并且硫循环中涉及了各种微生物。参与生物硫循环的两种主要微生物群包括硫酸盐还原菌（SRB）和硫氧化菌(SOB)。在此前的微信推送里，我们就曾介绍过香港科技大学陈光浩教授团队发明的基于SRB菌的SANI杀泥技术。

SRB使用氧化态的硫化合物（如硫酸盐、亚硫酸盐和硫单质）作为电子受体并产生硫化物，同时氧化有机物以产生能量供细胞生长。关于SRB的更多知识，读者可查阅以下两篇 章。

• Muyzer, G. and Stams, A. J. 2008. The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria. Nature Reviews Microbiology 6 (6), 441-454.
• Hao, T., Xiang, P., Mackey, H. R., Chi, K., Lu, H., Chui, H., van Loosdrecht, M. C., Chen, G. 2014.A review of biological sulfate conversions in wastewater treatment. Water Research 65, 1-21.

而今天像大家介绍的这篇综述主要是对硫氧化菌的最新发展进行汇总更新。与SRB相反，SOB使用还原态的硫作为电子供体，根据其能源和生长条件可分为两大类，即光能硫细菌和化能自养无色硫细菌。

光能SOB的特征是可以进行基于硫的无氧光合作用。在厌氧条件下，它们利用光能从还原态硫化合物中获取电子和氢，并固定无机碳以促进细胞生长。根据颜色等表型特性，它们主要可分为绿硫细菌(Green sulfur bacteria，GSB)和紫硫细菌(Purple sulfur bacteria，PSB)。

这些细菌通常栖息在水生环境中含有还原硫化物和渗透光的缺氧层，或者是潮上盐滩和沼泽地。所有GSB都是严格厌氧，而且是光合自养。PSB则更具兼性，即可光合自养，又可异养，也可从有机化合物中获得碳源。因此在市政污水这种高有机负荷的情况下，PSB会胜过GSB。但两者都通过捕获细菌叶绿素和类胡萝卜素等吸光物质来获得自身颜色，并获取ATP。

除了GSB和PSB，也有一些光养细菌不利用硫氧化进行代谢，但也能够在一定程度上进行硫氧化，例如蓝藻(Cyanobacteria，又称蓝绿藻)。最近的研究发现它能在无氧和含氧光合作用之间切换，这些特性也有利于其在污水处理领域的应用。

化能型的硫氧化菌通常被称作无色硫细菌。无需光照的情况下它们能使用给中电子受体氧化几乎所有还原态的硫化物，甚至可以氧化一些有机硫化合物。具体可以分为严格化能无机自养、兼性化能无机自养，化能无机异养和化能有机异养四种类型。其电子受体可以是氧气、硝态氮和亚硝态氮。大多数自养反硝化SOB是兼性需氧菌，可以同时使用氧气和氧化氮化合物作为电子受体。

生物硫氧化机理

下图2是硫氧化的主要路径。如图所示，硫氢根离子和硫单质是GSB、PSB和无色硫细菌最常见的电子供体。但由于水平基因转移，这些路径间的区别不明显。也就是说，这些途径在三大菌类中普遍存在。

图2. 简化的硫氧化途径。FCSD：黄细胞色素c硫化物脱氢酶; SQR：硫化物：醌氧化还原酶; 细胞色素c：细胞色素c; Q：醌; SOR：硫氧化酶还原酶; Sox：硫氧化系统; APS：磷酸腺苷; AMP：一磷酸腺苷; ADP：二磷酸腺苷

下图是电子从还原态硫化物通过硫氧化酶系统传送进入电子传递链的过程：

图3. PSB、GSB和无色硫细菌中的电子传递链。Bchl（细菌叶绿素）；BPh（细菌脱镁叶绿素）；Q（醌）；细胞色素(细胞色素)；FeS（离子硫蛋白）；Fd（铁氧还蛋白）；FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）。P870和P840分别是PSB和GSB中反应中心的基态，*表示光化学反应中心的激发态

有关生化硫氧化途径的更全面信息，读者可参考下面 献。

• Griesbeck, C., Hauska, G. and Schu?tz, M., 2000. Biological sulfide oxidation: sulfide- quinone reductase (SQR), the primary reaction. Recent Research Developments in Microbiology, 4, pp.179-203.
• Frigaard, N. and Dahl, C. 2008. Sulfur metabolism in phototrophic sulfur bacteria. Advances in Microbial Physiology 54, 103-200.
• Ghosh, W. and Dam, B., 2009. Biochemistry and molecular biology of lithotrophic sulfur oxidation by taxonomically and ecologically diverse bacteria and archaea. FEMS Microbiology Reviews, 33(6),999-1043.

废气生物脱硫

在污水厌氧消化产生的沼气或天然气加工的废气流中，含有H2S的浓度范围在500-20,000ppm之间。去除H2S对于控制腐蚀和运输分配过程中的臭气问题十分关键，同时也防止SO2在燃烧时排放到大气中。

如下图4所示，处理沼气和工业废气生物脱硫系统主要用三种类型：生物滤池、生物滴滤池和生物洗涤器。生物滤池和生物滴滤池类似，最主要的区别是进料方式：前者的间歇性灌溉和后者是连续滴灌。生物洗涤器的硫化物氧化主要发生在外置活性污泥反应器中，并且具有填充材料的吸收塔脱硫。下表1则对这三种技术的性能和其优缺点进行了总结。

图4. 用于气态脱硫的生物滤池，生物滴滤池和生物洗涤器

表1. 用于生物硫化物去除的不同反应器设计的比较

生物硫氧化的新兴应用

除了已经相当成熟的废气生物脱硫工艺外，还有许多基于光能和化能SOB的小规模和大规模的工艺 道。

光养硫氧化

尽管不如化能SOB受欢迎，光养SOB仍然有自身的优点，例如可以避免甲烷与氧气混合所遇到的爆炸风险，以及使用自然光和低能耗LED的节能系统，另外也有 道说用红外灯等更节能的选择。目前反应器类型有搅拌和发光管两种，但目前仍没有大规模的应用案例，只有一个体积为25L的小型中试处理360L的厌氧反应器出来的硫化氢。

硫驱动的自养反硝化

相关研究已经证明了沼气脱硫和自养反硝化结合的可行性，因为硝化作用产生的硝态氮和亚硝态氮可以作为沼气脱硫的电子受体。 道的脱硫率可高达98%，但硫单质的累积也会造成堵塞问题。但这种方法处理低C/N比的城市污水有两大优点，而且硫氧化-反硝化工艺显著减少了N2O的排放。

(1) 无需添加碳源，降低运行成本

(2) 减少污泥产量

陈光浩教授团队在香港应用的与海水冲厕项目结合的基于异养硫酸盐还原、自养反硝、硝化反应一体的SANI?工艺，尽管这个工艺优点众多，但在目前1000m3/d的中试中研究团队发现这个工艺中存在的一个问题——出水中的硫化物残留，这可能会导致二次硫酸盐还原。

图5. SANI?流程示意图。（a）以三元素循环为基础的相关氧化还原反应;（b）SANI?工艺流程图。在此工艺中，有机物被SRB降解，在第一反应器中产生硫化物; 第二反应器中的SOB进行硫氧化自养反硝化脱氮; 最后一个反应器负责将氨氮转化为硝酸盐或亚硝酸盐，然后将其泵回到自养反硝化的电子受体中

与除磷耦合的生物硫氧化

近几十年有 道称一组被称为大硫细菌的SOB，包括Thiomargarita，Thioploca和Beggiatoa等属，在智利和纳米比亚等沿海地区参与了成磷作用。由于它们的大体型，这些细菌含有数量可观的细胞内多磷酸盐，并且在最活跃的现代磷矿区中发现了非常高的种群数。

Thiomargarita namibiensis被发现有如同污水处理中的聚磷菌那样的释磷和吸磷的现象。代谢原理是靠吸收碳合成糖原，由多磷酸盐的分解和厌氧条件下磷的释放提供动力。同时，硫化物也被细胞吸收并储存。当电子受体（O2或NO3-）可用时，细胞内储存的元素硫和糖原被氧化，磷以聚磷酸盐累积。当硫化物和电子受体过剩时，元素硫作为能量源储存在细胞内，这是许多SOB中的常见储能策略。尤其在电子受体短缺时，大硫细菌在细胞内储存硝态氮，这使得它们能够在没有外部电子受体的情况下将硫化物转化成硫单质。

2014年IWA专业期刊《Water Research》 道过陈光浩教授团队一个与硫循环相关的EBPR强化生物除磷工艺，可以实现同步的脱氮除磷。这意味着对缺乏有机物但富含硫化物的废水进行高效生物除磷的可行性。

染料处理

制革和纺织行业使用的偶氮染料(azo dyes)产生的废水可以通过厌氧处理（尤其是硫酸盐还原系统）来处理。产生的硫化物充当偶氮染料还原的电子供体，并主要由生物氧化还原介质来调解。

硫化物氧化细菌的作用很少受到关注，可能是因为硫氧化的典型电子受体产生的氧化还原电位对偶氮还原而言太高。但在处理偶氮染料的厌氧硫酸盐还原系统中，研究者经常观察到Chlorobi和Chloroflexi两类菌，它们都包含很多可以氧化硫的细菌。

生物硫氧化过程中的产能与资源回收

硫的回收与回用

大多数生物脱硫工艺都是选择性地将硫化物氧化成硫单质，后者可用作硫磺酸、肥料和农药生产的原料。随着一系列现代技术的出现，硫单质的应用范围也在扩展，例如锂硫燃料电池、建筑行业的硫磺混凝土、有别于工业结晶硫的生物制硫等。

基于硫化合物的微生物电化学系统

微生物电化学系统是污水处理的热门研究方面之一，但其研究大都关注如何用污水产电，或者将有机物转化为氢气或甲烷，很少有关于将其应用于除硫或者利用硫化物作为电子供体的研究。

跟其他电化学工艺一样，硫氧化电化学系统面临的主要问题是如何实现有经济效益的规模化。但也有研究显示在电极污染方面，同步产电脱硫工艺可能跟其他电化学系统相比，其应用前景还是值得看好的。

回收污泥种的金属

在低品位矿石会含有金属硫化物，用硫细菌来浸出金属也有几十年的历史了。这些细菌都是嗜酸性的，通常出现在酸性生境中，例如采煤排水和浸出堆里。浸出金属有两大机制：一种是直接式，就是金属硫化物的硫被氧化，而金属离子是释出到沥出液中；另一种是间接式，还原的硫化物(例如S0和HS-)被SOB氧化成硫酸盐后形成硫酸，pH降低从而强化了金属的溶解。通过这两种方式可以对污水污泥的低浓度金属进行回收，提高了污泥土地利用的机会。

回收PHA

PHA是羟基脂肪酸酯(Poly-Hydroxy-Alkanoate)的英 缩写。它是由微生物通过各种碳源发酵而合成的不同结构的脂肪族共聚聚酯。其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)及PHB和PHV它们的共聚物(PHBV)。PHA具有生物可降解性、生物相容性等许多优良性能，在生物医学材料、组织工程材料、缓释材料、电学材料以及包装材料等方面都可发挥重要作用。

• Liebergesell, M.,Hustede, E., Timm, A., Steinbu?chel, A., Fuller, R. C., Lenz, R. W., Schlegel,H. G. 1991. Formation of poly (3-hydroxyalkanoates) by phototrophic and chemolithotrophic bacteria. Archives of Microbiology 155 (5), 415-421.
• Higuchi-Takeuchi,M., Morisaki, K., Toyooka, K., Numata, K. 2016. Synthesis of high-molecular-weight polyhydroxyalkanoates by marine photosynthetic purple bacteria. PloS one 11 (8), e0160981.
• Fradinho, J., Reis,M., Oehmen, A. 2016. Beyond feast and famine: Selecting a PHA accumulating photosynthetic mixed culture in a permanent feast regime. Water Research 105,421-428.

总的来说，这些最新的光合无氧PHA合成研究结果是比较喜人的，虽然PHA的含量依然较低，但已经接近好氧异养的基质丰富-匮乏基质的产率了。

结论

由于在工业生产和环保领域的大范围应用，生物硫氧化已得到广泛研究。至今生物硫氧化所有大规模应用都是化能营养型的，因为与光养微生物相比，其在能量和营养方面的需求更简单，效率也更高，更容易实施。

由于其代谢多样性，硫氧化可以与氮磷循环联系起来，使得这类微生物在污水和废物的资源回收方面涌现了许多新兴应用。但它是否能够实现大规模的工程应用，仍有待时间揭晓。

参考资料

Biological sulfur oxidation in wastewater treatment: A review of emerging opportunities, Sen Lin, Hamish R. Mackey, Tianwei Hao, Gang Guo, Mark C.M. van Loosdrecht, Guanghao Chen, Water Research, Volume 143, 15 October 2018, Pages 399-415

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