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石油、化工和制药等行业排放的大量含硫含氮废水,给周围环境和人体健康造成严重危害。脱硫反硝化工艺因其能够同步去除碳、氮、硫三种污染物,且反应产物无二次污染而备受关注。然而,实际操作中却存在着污染物质转化途径不明确导致单质硫(S0)产出量较低且难以定量等急需解决的问题。本研究围绕脱硫反硝化工艺的运行与调控展开,考察了硫氮比(S/N)和回流比对脱硫反硝化系统的影响,并结合系统内悬浮态微生物与附着态微生物的群落结构特征,分析了自养/兼养脱硫反硝化系统中硫的转化机制;分析了不同填料和挂膜方式对生物膜反应器的挂膜速率及S0产出的影响,提出了脱硫反硝化工艺快速启动及稳定运行的方法;建立了 S0和多硫化物(Sn2-)的检测方法,并结合系统中功能菌群的空间分布特征,探讨了硫的代谢路径,用于指导脱硫反硝化工艺中S0产率的提升。主要研究结果如下:(1)随着S/N的增大,脱硫反硝化工艺的S0产率逐渐升高,自养和兼养脱硫反硝化系统最佳S/N分别为3.5和3.67,此时理论S0产率最高分别为60%和50%;高S2-浓度对脱硫反硝化工艺中脱氮效果的影响较小,自养和兼养系统能承受的最高S2-浓度分别为470mgS/L和460mgS/L;低S/N条件下,S0主要是由悬浮态硫卵菌属Sulfurovum发生自养脱硫反硝化反应生成,高S/N条件下,S0主要是由附着态Thauera菌属发生兼性脱硫反硝化反应生成。(2)回流比由0.5增大至1.5期间,脱硫反硝化工艺的S0产率逐渐升高,自养和兼养系统的最佳回流比均为1.5,此时理论S0产率最高,分别为20%和50%;低回流比条件下,系统的S0产率较低,且S0主要分布在活性污泥中;高回流比条件下,系统的S0产率较高,且S0可随出水流出,便于回收利用。(3)脱硫反硝化系统中,悬浮态微生物与附着态微生物的菌种存在较大差异,且不同位置的附着态微生物菌种间也存在差异;自养和兼养系统丰度排名前三的优势菌门相同,依次为ε-变形菌门Epsilonbacteraeota、变形菌门Proteobacteria和绿弯菌门Chloroflexi;自养和兼养系统丰度最高的优势菌属均为硫卵菌属Sulfurovum,硫卵菌属Sulfurovum主要分布于悬浮态污泥中,以S2-和NO2-作为电子供体和电子受体发生自养脱硫反硝化反应,最终生成S0、SO42-和N2。(4)预好氧法能够实现快速挂膜,且形成的生物膜均匀稳固,采用预好氧法启动的脱硫反硝化系统的理论S0产率高于快速排泥法;好氧污泥较消化污泥更适合作为脱硫反硝化系统的接种污泥;海绵填料为最佳填料,其易于微生物附着生长,且以海绵为填料的生物膜反应器S0产率较高。(5)通过系统中全部含硫物质的物料平衡分析,确定硫的代谢路径为:S2-与NO2-在硫卵菌属Sulfurovum的作用下发生脱硫反硝化反应,生成N2和S0;S0与S2-发生化学反应生成Sn2-;Sn2-与NO2-在硫卵菌属Sulfurovum的作用下反应生成N2和SO42-;SO42-与CH3COO-在硫酸盐还原菌的作用下反应再次生成S2-,其后S2-继续参与脱硫反硝化反应。S0与S2-迅速反应并生成Sn2-,是脱硫反硝化工艺S0产率较低的主要原因。