单质硫是自然界中广泛存在的物质，其兼具氧化性、还原性的特点，使其可以在污水处理过程用作还原剂或者氧化剂，例如贫营养污水的自养反硝化脱氮、含重金属废水的生物处理、饮用水和地下水脱氮，甚至可以实现低产泥率的城市污水处理。然而，常温常压下，单质硫主要以斜方硫(α-sulfur)和单斜硫(β-sulfur)形式存在，它们都是环状结构且极难溶于水，这导致单质硫的生物可利用性低下，从而影响其用于污水处理的前景。　　在本课题组的研究中，我们发现单质硫可以作为电子受体，氧化城市污水中的有机物。在缓速搅拌的间歇流厌氧反应器中，硫还原污水处理效率达到0.13kgCOD/(m3·h)，实现污水中有机物80％的去除率仅需1.64小时的水力停留时间，效率显著高于传统活性法，而且污泥产率减少了87％。这一极其快速的单质硫生物还原现象，与传统认知相违背，与许多前人的研究结果也是不同的。通过文献检索和理论分析，我们提出一种可能的反应原理:即单质硫首先被硫氢根(HS-)攻击，S-S键断裂解环，形成了水溶性良好的聚合硫化物（S2-n，Polysulfide，简称PS）。聚合硫化物由多个零价硫原子和一个硫离子(S2-)组成，所以它的水溶性良好。PS起到了转化运输作用，使单质硫转化为溶解性零价硫(Dissolvedzero valence sulfur)，从而极大地提升单质硫的生物可利用性和传质效果。这一反应路径，与单质硫还原菌Wollinela succidogenus的硫代谢途径相似，但它的底物较为简单，而且它在我们的反应器中也并未检出。因此，我们开展了一系列实验，研究这一现象背后的反应机理，以探索单质硫生物还原的反应路径。　　研究结果表明:　　(1)只要存在单质硫和HS-，在合适的pH下都能形成溶解性零价硫/聚合硫化物，这个反应不依赖微生物，而且PS浓度与硫化物浓度、pH呈正相关，pH为8.5时可产生135.00 mg/L的溶解性零价硫。但当pH降至6时，溶解性零价硫仅为0.38mg/L，几乎无法形成。这表明中性及偏碱性环境下，单质硫易与HS-结合，生成溶于水的PS。　　(2)中性条件下，单质硫的微生物利用率随着初始硫化物浓度的提升而提高。当初始硫化物浓度为200mgS/L时，初始溶解性零价硫浓度达206.34mgS/L，而平均硫还原速率和有机物矿化速率分别达到48.36mgS/(gVSS· h)和9.98mgTOC/(gVSS·h);与之相比，当初始硫化物浓度为0mgS/L时，平均硫还原速率和有机物矿化速率仅分别为前者的39％和37％。　　(3)初始硫化物浓度较低时，随着单质硫还原过程的推进，不断累积的硫化物促进了PS的形成，进一步的来看，这又反过来增加了硫还原速率，并产生更多硫化物。在中性pH、电子供体充裕时，上述反应路径是一个正反馈不断加速的过程。在初始无硫化物的单质硫还原实验中，硫还原速率从一开始的6.87mgS/(L· h)不断提升到25.77mgS/(L·h)。但当环境中累积的H2S浓度过高时，其生物毒性抑制了生物硫还原速率的进一步提升。　　(4)当环境条件不利于PS形成时，譬如通过投加FeCl2控制HS-，或者通过酸碱控制pH稳定在6.0时。控制条件下，微生物的厌氧单质硫还原速率低下，仅为非控制条件下的2.5％，有机物也无法被去除。这表明PS是单质硫还原过程中最主要的中间介质，缺乏PS时，单质硫将难以被单质硫还原菌快速利用。　　(5)反应器中未检出单质硫还原菌Wollinela succidogenus，但单质硫还原速率很高，同时群落中硫酸盐还原菌的相对丰度极低，说明它并非还原单质硫的主力菌种，另有未知的单质硫还原菌存在。经过高通量基因分析，我们认为可能的单质硫还原菌是Porphyromonadaceae科中的某一个未知菌种，其相对丰度达21.5％。反应器中的单质硫还原菌可以利用葡萄糖、乳酸盐、乙酸盐、甲酸盐和氢气作为底物生长，还原S0为硫化物，其中利用率由强至弱为甲酸盐＞H2＞乙酸盐＞葡萄糖＞乳酸盐。据此推断，单质硫还原菌能直接利用的电子供体可能是H2，其它有机物需要经过发酵产氢才能被S0RB利用。　　通过以上实验结果可知，单质硫的生物还原过程中，PS是至关重要的中间介质，而HS-和pH是形成PS的关键因素，如公式1。当PS形成后，固体单质硫转化为溶解性零价硫，生物可利用性大幅提高（公式2）。单质硫还原过程的有机物矿化效率甚至超过了硫酸盐还原过程，这就意味着，通过适当的工程设计，单质硫可以在污水生物处理领域发挥更大的作用。而且，这个反应路径的证实也可以用于解释海底、矿山中的单质硫的异化还原现象，完善我们对地球硫循环的理解。n-1/8S8+HS-→S2-n+H+(1)H2+S2-n→HS-+S2-n-1+H+(2)。