有机废水碳氮硫共脱除系统微生物功能网络及调控机制

There is an urgent need for the governance of organic wastewater containing sulfur and nitrogen in China, and there is a considerable demand for sulfur. Denitrifying desulphurization process can efficiently remove sulfur and nitrogen pollutants from wastewater and recover elemental sulfur from the wastewater, thus eliminating the hidden dangers of sulfur series to the environment. Because of a large number of functional microorganisms and complex metabolism in denitrifying and desulfurization reactor, the formation rate of elemental sulfur is low and unstable. At the same time, it is necessary to control the operating parameters accurately. This study aims to improve the formation rate of sulfur in biological desulfurization and pure substance. In situ, rapid and accurate identification of the core microorganisms and their functions in denitrifying desulfurization process is carried out using microbiome and high-throughput culture. The multivariate statistical method will be used to integrate microbial data and pollutant metabolism data to reveal the functional network of denitrifying desulphurization microorganisms and to provide a quantifiable and predictable model for regulating the technological parameters of denitrifying desulfurization. After understanding the functional network of microorganisms in denitrifying desulfurization process, by adding core microorganisms or optimizing process parameters, the goal of stabilizing the recovery of elemental sulfur from wastewater can be achieved by directional regulation of functional microorganisms.

我国含硫含氮有机废水治理需求迫切，对硫的需求巨大。采取反硝化脱硫工艺可以有效去除废水含硫含氮污染物，同时从废水中回收单质硫，进而彻底消除硫系物对环境隐患。由于反硝化脱硫反应器内功能微生物类型多、代谢复杂，导致单质硫生成率低而且不稳定，同时还需要精确控制运行参数。本研究以提高生物脱硫和单质硫生成率为目标，通过微生物组学和高通量培养手段快速、准确识别反硝化脱硫工艺中核心微生物及其功能。采用多元变量统计方法整合微生物组学数据和污染物代谢数据，揭示反硝化脱硫微生物的功能网络，为调节反硝化脱硫工艺参数提供可量化的信息、可预测的模型。了解反硝化脱硫工艺中微生物的功能网络之后，通过投加核心微生物或优化工艺参数，从而定向调控功能微生物，最终实现从废水中稳定回收单质硫的目标。

含硫含氮有机工业废水主要来源于制药、屠宰、造纸、石油化工等过程。反硝化脱硫工艺可以通过硫化物生物氧化有效回收单质硫，从而实现资源化。但是，由于实际废水碳源种类复杂、高浓度硫化物存在毒性抑制等原因，反硝化脱硫工艺很难持续保持高单质硫产率，成为制约工艺应用的难点问题。单质硫是生物脱硫脱硝过程中一大重要的可回收物质，其资源化的程度取决于其生成率和回收率两方面。提高单质硫的生成率可以通过改进反应器构型、利用优势菌群进行生物强化、优化工艺运行参数等方式来实现。本研究目的在于采用高通量测序等手段识别反硝化脱硫工艺系统中的核心功能微生物，并将其制成菌剂对反硝化脱硫工艺进行生物强化，从而提高反硝化脱硫工艺中单质硫的生成率和回收率。.采用高通量测序识别了反硝化脱硫工艺系统内核心微生物并分析了其功能网络，经过特异性的筛选功能细菌策略及菌株功能鉴定后，选取特定的反硝化脱硫系统中的功能微生物并制备了固体菌剂。发现在混养条件下Thauera，Arcobacter和Azoarcus为核心优势菌属，单质硫生成率的提高总是伴随着Arcobacter丰度的增加；菌株Thauera sp. MZ1T、Arcobacter cloacae str. SW28-13和Azoarcus sp. NSC3脱硫脱氮性能优于其它菌株，微生物互作网络图表明三种核心菌之间相关性弱，极可能呈现竞争关系；综合脱硫脱氮效能，选取Arcobacter cloacae str. SW28-13制成生物菌剂。.探究了葡萄糖条件下反硝化脱硫工艺体系单质硫生成率低的限制性因素，并通过填料辅助生物强化的手段来提高单质硫生成率，丰富了反硝化脱硫工艺回收单质硫的实际工艺应用范围。在高硫化物浓度下，将Pseudomonas sp. gs1菌制备成功能菌剂，并投加填料分析其微生物群落结构变化并分析单质硫生成效能提升的内因。仅填料作用和填料+菌剂共同作用条件下，单质硫生成效能分别被提升到对照组的1.5倍和2倍左右；两种条件下优势均属分别为Pseudomonas和Azoarcus以及Pseudomonas和Arcobacter。