現代工業生產中發酵、制革廠、化工、制藥、食品加工及采礦等行業排放的廢水都含有高濃度的硫酸鹽及氨氮[1, 2, 3]，在對這些廢水的生物處理中，含氮化合物可被轉化為硝酸鹽或亞硝酸鹽，含硫化合物則可被轉化為硫化物，面對這兩種進入環境有嚴重危害的二次污染物[4, 5]，有學者提出了自養菌-異養菌協同反硝化脫硫工藝[6]。
自養菌-異養菌協同反硝化脫硫工藝是在一個反應系統內，通過自養反硝化微生物和異養反硝化微生物的協同作用，即自養微生物以硫化物為電子供體，以硝酸鹽為電子受體，通過自身的呼吸代謝過程將硫化物氧化為單質硫的同時將硝酸鹽主要轉化為亞硝酸鹽。異養微生物則以有機物作為電子供體，硝酸鹽或自養微生物產生的亞硝酸鹽為電子受體，最終將有機物和硝酸鹽或亞硝酸鹽轉化為二氧化碳和氮氣，從而實現在一個反應器同步去除硫、氮、碳的目的。我國含硫含氮有機廢水的年排放量已經超過 60 億t，含有機物(按COD 計)超過 300 萬t，占水體受納污染物總量的 10%以上。為推動兼養反硝化脫硫工藝在實際廢水處理過程中的應用，首先需要解決廢水生物處理工藝啟動周期長的問題。為此，本研究結合自養反硝化微生物與異養反硝化微生物擁有共同電子受體硝酸鹽，硝酸鹽含量較低時將會制約兼養反硝化脫硫過程，擬以過量的硝酸鹽來啟動兼養反硝化脫硫反應器，縮短啟動周期，為兼養反硝化脫硫工藝的實際應用提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗裝置
啟動試驗采用兼養反硝化脫硫UASB反應器，見圖1。
圖1 UASB反應器
UASB反應器由有機玻璃制成，有效容積11.3 L，整個UASB反應器高110 cm，反應區高80 cm，內徑13 cm，反應器置于30 ℃恒溫水浴缸中運行，進水由蠕動泵從反應器底部進入，流經污泥床由上部出水口流出，產生的氣體從頂部的導氣管收集。
1.2 試驗進水
試驗進水為人工配水，Na2S·9H2O提供S2-，硝酸鉀提供NO3-，碳酸氫鈉為無機碳源，質量濃度為 1 500 mg/L，磷酸二氫鉀提供磷元素，質量濃度為110 mg/L，另外加入微生物所必需的Ca、Fe、Mn、Zn、Co、Mo、Cu等微量元素，1 L進水加入1 mL微量元素溶液。微量元素組成：EDTA 50 g/L，MnCl2·2H2O 2.5 g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.5 g/L，NaOH 11 g/L，CaCl2·2H2O 7.34 g/L，ZnCl2 1.06 g/L，FeCl2·4H2O 3.58 g/L，CoCl2·6H2O 0.5 g/L，CuCl2·6H2O 0.14 g/L。
1.3 接種污泥
接種污泥取自某造紙廠UASB中厭氧顆粒污泥，反復淘洗去除雜質和無機大顆粒后，接種1 kg顆粒污泥于試驗反應器中。
1.4 分析方法
所有樣品經過濾后檢測，每2 d測定1次。COD、TOC、NO3--N、NO2--N、S2--S、SO42--S均采用國家標準方法分析[7]。單質硫的測定[8]：由于反應器的終產物單質硫是由生物反應生成，粒徑通常都在微米級以下且蛋白質等胞外多聚物(EPS)包裹在單質硫微粒的表面，因而生物反應生成的單質硫粒親水性極強，同時，反應器內產生的單質硫大部分會被吸附在污泥或者反應器表面，還有一部分會隨著反應器的出水直接流走，因此很難對反應器出水生成的單質硫進行定量檢測。根據單質硫易溶于CS2而不溶于強酸堿，在溶于二硫化碳后可與六氫吡啶(C5H11N)生成紅色絡合物的原理，可以用來定性鑒定出水中有單質硫的存在。硫化氫的離解pH約在6.8~7.0，與試驗反應器運行的pH(7.5)接近。隨著pH的升高H2S將會大量解離為HS-，pH范圍在6.0~8.0時隨pH升高，游離H2S占總硫化物的比例逐漸降低，pH每升高0.3，液相中硫氫根與硫化氫的比值隨之就會變為原來的2倍。因此可以不用考慮氣相中的H2S對于反應器體系內硫平衡的影響，而且堿性條件下S2O42-、S3O62-、S2O82-等硫化物并不穩定，與用來生物合成的有機硫這部分都可以在硫平衡推算中忽略不計。因此本研究采用硫平衡推算來計算理論硫單質產率(η)，計算方法見式(1)。
η=(C1+C2-C3-C4)/(C2+C2)×100% (1)
式中：C1——進水硫化物質量濃度，mg/L;
C2——進水硫酸鹽質量濃度，mg/L;
C3——出水硫化物質量濃度，mg/L;
C4——出水硫酸鹽質量濃度，mg/L。
1.5 反應器快速啟動過程的運行參數
根據王愛杰等[9]所確定的兼養反硝化最佳碳氮硫比為1∶1∶1，因此將整個啟動過程分3個階段。第Ⅰ階段控制n(C)∶n(N)∶n(S)=1∶1.5∶1，進水硫化物(以S計)質量濃度為200 mg/L，乙酸鹽(以C計)質量濃度為75 mg/L，作為自養菌與異養菌共同的電子受體硝酸鹽，在啟動初期控制較高的硝酸鹽(以N計)質量濃度(132 mg/L)，水力停留時間(HRT)為24 h，控制進水pH在7.5左右，進水硫化物負荷(SLR)、硝酸鹽負荷(NLR)和乙酸鹽負荷(ALR)分別為0.2、0.132、0.075 kg/(m3·d);第Ⅱ階段，保持硝酸鹽質量濃度132 mg/L不變和HRT=24 h不變，控制n(C)∶n(N)∶n(S)=1∶1∶1，相應地分別提高硫化物、乙酸鹽質量濃度到300、113 mg/L，控制進水pH在7.5左右，進水硫化物負荷、硝酸鹽負荷和乙酸鹽負荷分別為0.3、0.132、0.113 kg/(m3·d);第Ⅲ階段，保持Ⅱ階段各污染物進水濃度不變，將HRT降低為12 h，進水pH為7.5左右，進水硫化物負荷、硝酸鹽負荷、乙酸鹽負荷分別為0.6、0.264、0.226 kg/(m3·d)。運行條件如表1所示。
2 結果與討論
2.1 S2--S的去除效果及轉化規律
定期檢測進出水S2--S和SO42--S的濃度變化，結果見圖2。
圖2 啟動期間S2-的去除率及轉化規律的變化
Ⅰ階段初期由于接種污泥異養菌占有優勢，自養反硝化不占主導地位，硫化物的去除率較低。但由于進水中自養反硝化菌的電子受體NO3-充足，反應器經過10 d的運行后，硫化物的去除率可達到92%。進水中SO42--S平均質量濃度為16.3 mg/L，這是由于人工自配水時Na2S·9H2O容易發生化學氧化，而在硫化物去除效果穩定時，出水SO42--S凈增量平均為25.5 mg/L，這是因為Ⅰ階段過量的硝酸鹽可以將自養菌反硝化生成的硫單質氧化生成SO42-，導致硫單質的產率平均為65%。Ⅱ和Ⅲ階段提高了硫化物和乙酸鹽的量，硫化物的去除效果穩定在89%和91%左右，較Ⅰ階段有所降低，這是由于自養反硝化菌和異養反硝化菌的電子受體NO3-不再過量，但硫化物的去除率依然保持在較高的水平。由于進水沒有過量的硝酸鹽將自養反硝化生成的單質硫過氧化為硫酸鹽，出水硫酸鹽的凈增量大大降低，分別為2.7、3.1 mg/L，單質硫產率較Ⅰ階段也有所增加，穩定時平均分別為80%、83%，說明在硝酸鹽不過量的時候對于單質硫的產生是極為有利的;相對于Ⅱ階段，Ⅲ階段在保持進水濃度不變的情況下，通過降低HRT增加了進水負荷，但是對污染物的去除效果影響不大，表明在HRT方面兼養反硝化脫硫UASB工藝還具有一定的負荷潛力。Ⅲ階段穩定末期時，硫化物去除負荷為0.550 2 kg/(m3·d)，高于文獻報道的0.042~0.294 kg/(m3·d)的容積硫化物去除率[10]。
2.2 NO3--N的去除效果及轉化規律
反應器中硝酸鹽的去除效果是異養反硝化微生物和自養反硝化微生物共同作用的結果，自養微生物以硫化物為電子供體，而異養微生物以乙酸鹽為電子供體，但兩者電子受體都為硝酸鹽。啟動期間NO3-的去除率及轉化規律的變化如圖3所示。
圖3 啟動期間NO3-的去除率及轉化規律的變化
由圖3可知，3個階段硝酸鹽的量不變，而Ⅰ階段由于NO3-過量，自養反硝化微生物的電子供體硫化物和異養反硝化微生物的電子供體乙酸鹽不足，導致初始硝酸鹽的去除率不高，同時硝酸鹽可以將自養反硝化生成的單質硫氧化成SO42-，平均去除率只有63%，穩定后去除率為71%。Ⅱ和Ⅲ階段進水提高了乙酸鹽跟硫化物的濃度，硝酸鹽去除率達到了89%。在Ⅰ階段，出水中發現平均質量濃度為19.8 mg/L的NO2-，這是因為自養反硝化生成的亞硝酸鹽沒有足夠的電子供體乙酸鹽進行反硝化所導致，而在Ⅱ和Ⅲ階段，提高了進水乙酸鹽的量，出水中并未發現亞硝酸鹽累積的現象。啟動穩定末期，硝酸鹽去除負荷為0.236 kg/(m3·d)，達到文獻報道的反硝化工藝的0.175~0.594 kg/(m3·d)的容積硝態氮去除負荷[10]。
2.3 乙酸鹽的去除效果及pH的變化
乙酸鹽的去除效果主要是由于異養反硝化菌的作用，因此乙酸鹽的去除率可以代表異養反硝化的發生力度。啟動期間乙酸鹽的去除率及pH的變化如圖4所示。
圖4 啟動期間乙酸鹽的去除率及pH的變化
由圖4可知，除了前6 d的適應期外，三個階段乙酸鹽都得到了較好的去除，去除率穩定在80%以上，這可能與異養反硝化微生物的生長速率以及其對電子受體的競爭能力有關，相較于自養反硝化微生物，異養微生物的生長速率較快，時代短，因此爭奪共同電子受體硝酸鹽的能力相對較強，使乙酸鹽的去除率一直保持在80%以上。在第Ⅱ階段開始時，乙酸鹽的去除略有下降，這可能是因為在保持HRT不變的基礎上提高了乙酸鹽進水濃度所產生的沖擊負荷所導致，隨后恢復穩定，在Ⅱ和Ⅲ兩個階段乙酸鹽的去除率沒有太大的波動，表明乙酸鹽的去除率隨著HRT變化的幅度較小。
三個階段的進水pH都控制在7.5左右，而Ⅰ階段出水pH在7.8左右，Ⅱ和Ⅲ階段出水pH分別在8.1和8.0左右，根據兩類微生物代謝硝酸鹽的化學計量式：
S2-+0.4NO3-+2.4H+→S0+0.2N2+1.2H2O(自養反硝化微生物)
0.63CH3COOH+NO3-+0.37CO2→1.63HCO3-+0.5N2+0.13H2O(異養反硝化微生物)
可以看出由于自養反硝化發生要消耗氫離子，而且異養反硝化也是一個pH升高的過程，因此出水的pH都是高于進水pH的。而Ⅱ和Ⅲ階段出水pH高于Ⅰ階段，這可能是因為Ⅱ和Ⅲ階段提高了進水硫化物和乙酸鹽的濃度，被還原的NO3-增多所導致。
理論上異養反硝化時的C/N比為2.86，Ⅲ階段乙酸鹽的平均去除率為87.3%，亦即去除了98.6(113×87.3%) mg/L，那么異養去除的硝酸鹽為34.5(98.6/2.86) mg/L，占整個硝酸鹽去除比例為30%(34.5/132·89.4%)，自養反硝化所占比例為70%。
同樣，劉春爽等[3]曾引入開關函數表示二者的競爭關系，開關函數能夠很好地表示自養反硝化菌與異養反硝化菌之間的競爭關系。具體參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。
3 結論
(1)厭氧顆粒污泥為接種污泥，啟動初期添加過量硝酸鹽有利于UASB反硝化脫硫工藝的較快成功啟動，10 d時各污染物去除率均能達到較高的水平。
(2)控制進水碳氮硫比為1∶1∶1，硫化物質量濃度為300 mg/L，HRT為12 h，53 d時，硫化物去除負荷為0.550 2 kg/(m3·d)，硝酸鹽去除負荷為0.236 kg/(m3·d)，表明工藝啟動成功。
(3)控制n(C)∶n(N)∶n(S)為1∶1∶1有利于兼養反硝化工藝單質硫的產生及使產物停留在單質硫階段，單質硫產率達到83%左右。
(4)兼養反硝化脫硫UASB工藝啟動末期，自養反硝化占主導地位，發生力度為70%。
