正文
图2 （a）进水和出水中的氮和硫浓度以及硝酸盐氮去除效率（NRE）；（b）进水和出水中硫脲、硫脲去除效率（TURE）、TOC、总有机碳去除效率（TCRE）、TN和总氮去除效率（TNRE）的浓度。
随后分析了各阶段中流出物中的有机物分析（图3）。具体来说，对总离子色谱图（IC）和可能的中间质谱（图3b，c，d）进行LC-MS分析，然后对硫脲降解产生的中间体进行定量分析。在最佳硫脲/NO₃⁻-N比例4:1的阶段III中，IAHD系统出水含11.4%S、17.9%N和53.1%C，表明存在含C、N、S的有机残留物，证实硫脲被有效降解。LC-MS显示硫脲被完全转化，但出现两个新峰（保留时间1-2min），对应分子式C₉H₆N₂O₂S₃（m/z268.9）和C₉H₂₈N₉S₂（m/z325.2），推测为硫脲降解的高分子副产物。类似化合物在分析活性生物膜中的复杂微生物群落时亦有检出，但其毒性、结构和性质仍需进一步研究。
图3 IAHD系统排放物的有机物分析。（a）系统C、N、S元素恒算；（b）总离子流图；（c） 以及（d）推测可能中间体的化学分子式的一级和二级质谱。
污泥中的胞外聚合物（EPS）在有机污染物吸附和电子传递中起关键作用。本研究通过分析EPS含量及组分（蛋白质、多糖、腐殖酸类物质和溶解性细胞代谢产物（SMP））的变化，探讨了其在硫脲胁迫下的响应机制及其对微生物的保护作用（图4）。结果表明，IAHD系统中污泥EPS组分对硫脲胁迫呈现差异化响应特征。多糖（PS）含量呈现"V"型变化趋势：从I期12.9mg/gVSS降至III期7.7mg/gVSS，后在IV-V期回升至约13.2mg/gVSS。而蛋白质（PN）则表现出显著积累特征。三维荧光光谱分析揭示了EPS中：色氨酸类蛋白（峰D）和SMP（峰B）随硫脲浓度同步增加，反映微生物代谢活性增强；含硫醇蛋白的显著分泌可能与硫脲的螯合特性相关,腐殖酸类物质（峰C）保持相对稳定。
图4 EPS浓度和成分的变化。（a）EPS中的蛋白质（PN）和多糖（PS）；（b）不同阶段获得的五种荧光成分的EEM光谱
微生物群落结构和功能微生物变化分析表明（图5），在门水平上，随着时间的推移，Pseudomonadota和Chloroflexota成为IAHD系统中的优势门。在IAHD系统的长期运行过程中，微生物群落结构发生了显著演变，形成了以
Thiobacillus
、
Arenimonas
、
norank_o__1013-28-CG33
、
OLB13
、
norank_f__PHOS-HE36
、
unclassified_f__Comamonadaceae
和
norank_f__NS9_marine_group
为代表的优势菌群。其中
Thiobacillus
作为典型的硫氧化细菌，其相对丰度从初始的2.4%持续上升至IV期的82.5%，表明其在硫脲降解过程中起主导作用，但在V期（出水硫脲1056.5mg/L）其丰度降至64.7%，显示出高浓度硫脲的抑制作用。
Arenimonas
作为具有芳香烃降解和反硝化能力的特征菌属从种泥的0.1%显著增长至V期的7.4%，其在有机物和氮污染物处理中表现出稳定适应性。
norank_o__1013-28-CG33
作为未充分鉴定的功能菌群,显示出其对氮代谢环境的特殊依赖性。此外，
norank_f__PHOS-HE36
和
norank_f__Anaerolineaceae
等未分类菌群的持续存在，暗示了其在硫脲降解过程中可能具有独特的代谢功能。
图5 微生物群落结构和功能微生物变化分析。（a）门水平Cricro图；（b）网络维恩图；（c）属水平热图
宏基因组学和代谢途径分析表明（图6），在IAHD系统中，当硫脲与NO₃⁻-N比例优化至4:1时，其中硫自养反硝化（SAD）的贡献率最高可达63.9%，大幅降低了传统异养反硝化对有机碳源的需求。微生物群落展现出高效的协同代谢机制。通过KEGG和GO分析发现，系统内主要激活了三大关键代谢通路：硫氧化代谢通路（
sqr
基因表达量提升70.7%）驱动硫组分转化为SO₄²⁻；水解氧化通路（
fabG/acd
基因显著表达）促使硫脲C-N键断裂生成NH₄⁺；有机物合成通路（
fadD
基因上调69.2%）将残留硫脲转化为含碳硫键的高分子物质。值得注意的是，出水中NH₄⁺浓度（105.9mg/L）超出理论值（88.6mg/L），证实了硫脲降解和DNRA过程对NH₄⁺生成的双重贡献。
图6 宏基因组学和代谢途径分析。（a） IAHD系统中HD和SAD的贡献比；（b） GO分析；（c）系统功能基因的示意图；（d） IAHD系统中代谢途径的示意图。
本研究创新开发了IAHD-CANON耦合工艺处理含硫脲废水。该工艺通过IAHD单元（硫脲/NO₃⁻-N=4:1）预处理后，出水（NH₄⁺-N 105.9mg/L，TOC 38.3mg/L）进入CANON单元，实现NH₄⁺和TOC去除率分别达93.8%和91.7%。IAHD预处理有效消解硫脲毒性，保障了CANON系统中亚硝酸盐分流、反硝化与厌氧氨氧化的协同进行（图7）。硫脲降解产生的NH₄⁺和残留TOC在CANON单元被高效去除，而回流硝酸盐则在IAHD单元继续作为电子受体。该集成工艺最终实现出水NH₄⁺和TOC的双重控制，为含硫脲废水处理提供了兼具高效性与可持续性的创新解决方案。
图7 硫脲废水的全量化处理。（a）CANON系统中NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、TN、总氮去除效率（TNRE）、TOC、总有机碳去除效率（TCRE）的浓度；（b）硫脲废水全量化处理工艺构建。
综上，在本研究中,创新开发了IAHD-CANON耦合工艺处理含硫脲废水，通过前置IAHD单元以硝酸盐为电子受体实现硫脲高效降解（去除率100%），有效消除其对后续CANON单元中亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的抑制，使系统在最佳硫脲/NO₃⁻-N比4:1条件下，硫自养反硝化贡献率达63.9%，NH₄⁺-N去除率提升至93.8%。研究揭示了硫脲作为多电子供体时,IAHD系统氮硫转化规律及功能菌群的协同作用机制，同时探究硫氧化微生物代谢的协同作用机制，将为IAHD技术的优化与实际工程应用提供关键科学依据,为构建高效低碳的含硫有机废水处理新范式提供了重要理论支撑和技术方案。
朱际衡
，硕士研究生，苏州科技大学环境科学与工程学院。研究方向为废水处理与资源化利用技术。
李祥
，苏州科技大学环境科学与工程学院副教授，主要从事高氨废水的自养生物脱氮和剩余污泥减量化、资源化研究。开发基于气升回流技术独创性地开发了多套基于厌氧氨氧化的低碳节能处理装置，通过产学研实现诸如碱性蚀刻液、垃圾渗滤液等高氨氮废水的工业化应用，总处理规模达上万余方。相关技术和装置入选中华环保联合会“一带一路”生态环保治理及产品推广目录，2020年度《江苏省水污染防治技术指导目录》，主持及参与完成国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上/青年项目、科技部十三五科技重大专项等项目20余项，发表论文100余篇，申请国内外专利40余项，获得上海市科技发明一等奖，华夏建设科学技术奖二等/三等奖，中国环境卫生协会科技进步三等，江苏省高等学校科学技术研究成果奖等，担任多家大型公司环保技术总顾问。
