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厌氧折流板反应器处理含硫酸盐废水时COD/SO2- 4比值影响代谢相分离的转变吗？
摘要
厌氧反应器(ABR)有5个隔间，用于处理含硫废水。本研究在130 天内完成了启动，并实现多相分离，即产酸、产硫化物、产硫磺和产甲烷的分离。本实验研究了COD/SO2- 4比值比值这一重要影响因素变化时相分离系统中硫酸盐还原菌与其他厌氧细菌的竞争，以获得稳定性能。实验分为第一阶段、第二阶段和第三阶段。第一阶段，通过增加硫酸盐浓度使COD/SO2- 4比值从13.3（4g COD/0.3g SO2- 4）下降到2.0（4g COD / 2gSO2- 4），上述相转移到后续的隔间，占优势的硫氧化细菌（SOB）和产甲烷细菌（MPA）转移到后继隔间。硫氧化细菌和类甲烷菌被S颗粒包覆，在COD/SO2- 4比为2的条件下沉淀，导致COD和SO2- 4的去除率下降，表明体系劣化。在第二阶段，虽然通过增加COD浓度使COD/SO2- 4比值增加到3（6g COD / 2g SO4），相分离转移到随后的隔间后并没有逆转，产硫化物过程存在于所有隔间，硫氧化细菌和类甲烷菌上覆盖的S 颗粒和沉淀更多，硫化物氧化被抑制，出水质量进一步恶化。在第三阶段，通过降低硫酸盐浓度使COD/SO2- 4比值进一步增加到6（6g COD/1g SO2- 4），硫生成和甲烷生成并返回到前隔间，促进硫化物氧化，导致去除率的增加，其性能得到改善。这些结果表明，COD/SO2- 4比值和底物浓度对代谢相分离和处理系统的稳定性有影响。
关键词：多相分离，含硫酸盐废水，厌氧折流板反应器，COD/SO2- 4比值
1.引言
硫酸盐废水源于糖、酒精、纸张、医药产品和味精的生产。而厌氧消化是最有效的硫酸盐废水处理方法（Lens等人，1998；Boshoff等人，2004；Wu等人，2015）。微生物通过不同的代谢过程将有机物和硫酸盐结合转化为甲烷和硫化物。水解是将长链碳水化合物等复杂物质转化为单糖的初始步骤，水解产物在酸化作用转化为挥发性脂肪酸（VFAs）。在产乙酸过程中，酸化产物进一步转化为乙酸盐、氢气和二氧化碳，它们是甲烷生成的最后一步和产生沼气的底物（Gujer和 Zehnder，1983）。硫化物的结合可能与产酸和产乙酸有关，其中乙酸盐、氢气和VFAs被用来将硫酸盐还原成硫酸酯（Sekes，1996；Zhao等人，2008；Velela等人，2014）。厌氧消化的主要步骤由不同的微生物组分作用，如产酸细菌（APB）、硫酸盐还原菌（SRB）和产甲烷细菌（MPA），它们相互依存，在水解反应中起着关键作用。这些不同的微生物群有不同的营养需求和pH要求，使得工艺优化难以进行。硫是在硫化反应过程中产生的，它抑制了上述过程，特别是甲烷生成过程（(Menon和Voordouw，2016；Hilton 和 Oleszkiemicz，1998）。为了克服这些问题，一个选择是将其分为几个阶段，即产酸、产硫和产甲烷。在硫生产阶段，使硫化物在微氧条件下被硫化物氧化细菌（SOB）氧化为硫单质从而去除（詹森等人，1995；许等人，2012）。
厌氧生物反应器中，厌氧折流板反应器（ABR）为单一反应器处理有机废水提供了多相分离的条件，并增强了对毒性副作用的抵抗力（例如：pH值，硫）（Barber和Stuckey，1999；Peng 等，2013）。研究表明，ABR处理含硫酸盐废水可实现相分离（产酸、产硫化物、产硫、产甲烷）（Jiang等，2010）。ABR法处理含硫酸盐废水中的相分离稳定性尚未得到研究。进水COD/SO2- 4的比值被认为是影响SRB与其它厌氧菌在厌氧废水处理中竞争以及在有效的有机底物下产硫化物和产甲烷过程之间的竞争的重要参数之一（Lopes等人，2007；Rodriguez等人，2012），（VILLA等，2014）。本实验的目的是研究COB/SO2- 4比值的变化和相分离对ABR处理废水的稳定性的影响。
2实验资料与方法
2.1反应装置
ABR是由5毫米厚的有机玻璃构成的，(Jiang 等人，2014，201320458846.0， 2014) 总有效容积为32 L，尺寸为575mmtimes;110times;mmtimes;600mm（Ltimes; Wtimes; H）。反应器包含四个垂直的隔板，这些隔板将反应器分成五个相等的隔间。（分别为1、2、3、4、5）。
2.2污水水质特征
本实验采用合成废水作为反应原料，以蔗糖为碳源，NH4HCO3和KH2PO4为氮源和磷酸盐源。COD、总氮（TN）和总磷（TP）的比值为200:5:1。根据设计的COD/SO2- 4，计算出由Na2SO4、(NH4)2SO4和MgSO4·7H2O提供的硫酸钠浓度。经过混合的废水初始pH值调节到7.0-7.5。添加微量元素以维持微生物生长（Hu 等人2009）。
2.3实验设计
在这个实验的130天的期间，下游隔间中形成多相。在第130天，COD和SO2- 4浓度分别为4000 mg/L和220 mg/L，COD/SO2- 4比为18.2，水力停留时间（HRT）为30 h。将反应器操作过程分为三个阶段来研究COD/SO2- 4比值对相分离特性的影响。（第I阶段、第I阶段和第III阶段）运行方式详见表1。
COD/SO2- 4比重仅在只有三个连续出水样品的最终有效成分变化微小时，才可以达到稳定状态。隔间1和2的pH值调节到4.5以上。
2.4分析方法
通过分别分析从入口和五个隔间中分离的上清液中COD、pH、温度、碱度、VFAs、硫酸盐和硫化物的浓度或值来测评反应器的性能。每天监测pH和温度，根据标准方法（APHA，1995）每两天测量所有其它参数。用直接滴定法测定碱度和VFA（Dilallo和Albton，1961）。使用水闸和湿气表（模型LML1，长春滤波器有限公司）测量五个隔间产生的总沼气量。分析特定的甲烷活性（SMA）和特定的硫代硫酸酯酶活性（SSA）。SMA和SSA是在每个COD/SO2- 4比测定结束时使用每个室的污泥测定的，即在第146，160，182天、第212，242，278天、第306天和第338天（表1）进行的。这两个参数是根据Gonzalez Gil等人（2001）和Angelidaki等人（2009）测量的。颗粒污泥用扫描电子显微镜（SEM，PHILIPSeEFI Quanta 200 FEG）和能量色散X射线光谱仪进行检测。
3.结果与讨论
在此实验之前，根据Jiang 等人(2010)建立的多相分离，酸的生成和硫化物的生成是前隔间的主要反应过程，硫生成阶段位于中间隔间，其次是在后隔间中甲烷的生成。反应的生物链由APB、SRB、SOB和MPA组成，它们在该相分离反应器系统中的相互作用如图2所示。本实验分为三个阶段，即I阶段、II阶段和III阶段。
3.1阶段I的相分离特性及ABR稳定性
通过增加硫酸盐浓度（表1），进水COD/SO42- 4比从13.3（4g COD/0.3g SO42- 4）降低到2（4g COD / 2g SO2- 4）。如图3所示，VFA主要在ABR的前部累积，仍停留在室1、2和3中的VFA浓度（1800 mg /L）相对较高。进水COD/SO2- 4的比值降低，相应的值在隔间4和5中较低，并且随着进水COD/SO2- 4比率的降低而趋于增加。SMAS在前隔间中较低，在后隔间中较高。在室隔4中，COD/SO2- 4比分别为13.3和2，相应的SMAS分别为0.94和0.02 g COD.GVSS-1.D-1；在隔间5中，相应的值分别为0.16和0.30 g COD.GVSS-1.D-1，表明甲烷生成被移到后隔间（图3B）。
一般来说，硫化物浓度先增加后下降，COD/SO2- 4的比值降低，在隔间2时硫化物浓度峰值为49 mg/L，COD/SO2- 4比值为13.3。在隔间3中的比率分别为4和2（图3C），相应的峰值分别为177和457 mg/L。SSAS在两个前隔间比较高，在后两个隔间中几乎消失，SASS在隔间1中的达到峰值时（0.23 g COD.GVSS-1.D-1），COD/SO2- 4比率为13.3。相应的峰值（0.55 g COD.GVSS-1.D-1）出现在隔间3时，COD/SO2- 4比值为2（图. 3D）。因此，低COD/SO2- 4比值可以促进SSAS和硫化物转移到后续隔间。
颗粒污泥的SEM和X射线谱图（图3E、F和G）表明了上述结果。在这一时期，COD/SO2- 4比值在最高值（13.3）和最低值（2）时可以检测出颗粒污泥。COD/SO2- 4比值为13.3的最高值下（146天，图3E），在隔间1和2中观察到芽孢杆菌（类似APB物种）和一些弧菌（类似SRB）（脱硫弧菌以箭头标记，Lansing等，2002），这说明了SRB和APB 可以共存于同一空间（Liu和Fang，1998）。类硫化菌的短杆状细菌（类硫杆菌样细胞以箭头标记）（Janssen等，1999）存在于隔间3中，S颗粒可能被细菌排出。由箭头标记的典型粒子的X射线能量色散谱表明粒子由大量的S物质组成（图3F）。竹节杆形状是MPA的典型特征，（刘和Fang，1998）在隔间4和5中发现类甲状菌属。在最低COD/SO2- 4比值为2时（第212天，图3G），在隔间1和2中观察到一种长杆状和丝状细菌，这表明APB和SRB的形态和种类随COD/SO2- 4的比值的降低而改变。在隔间3中观察到大量的芽孢杆菌和弧菌。硫杆菌样细菌和元素硫颗粒从隔间4中的细菌中溢出。在第5隔间中，发现了大量甲状细菌沉淀物。SEM和X射线能谱分析表明，SOB在隔间4中占主导地位，而在COD/SO2- 4的比例为2时，MAPs在隔间5中占主导地位。与COD/SO2- 4比值为13.3时不同，此时MAPs在隔间3和4中占主导地位。
随着硫酸盐浓度继续增加，硫化物生成、硫生成和甲烷的生成都随着COD/SO2- 4比值的降低而向前转移。总COD和SO2- 4去除率分别从96%下降到82%、98%下降到78%；CH4产率从0.31 L /（g COD去除）降低到0.11 L /（g COD去除）；出水VFAs从240 mg/L降至6 mg/L，硫化物从573 mg/L降至58 mg/L，出水pH从7.08下降到6.20（表2）。
这些结果表明ABR开始表现出不稳定性。我们调整了工艺策略，通过增加第二阶段的COD浓度来提高COD/SO2- 4的比值。
3.2阶段II的相分离特性及ABR稳定性
为了检查第I阶段相分离转移到后续隔间的情况，可以通过增加第II阶段期间的COD浓度而增加COD/SO2- 4的比率（表1）。如图4A所示，VFA浓度沿不同隔间的分布与I阶段结束时相似。尤其在隔间5中特别高（0.61g COD.GVSS-1.D-1），并且在COD/SO2- 4比值为3时，隔间1至4的VFA浓度范围为0.01 - 0.04g COD.GVSS-1.D-1，这一结果与颗粒污泥的SMAS一致（图4B）。
与I阶段相比，II阶段硫化物浓度沿隔间略有增加（图4C）。颗粒污泥的SSAS范围为0.24 - 0.32 g COD.GVSS-1.D-1，COD/SO2- 4比值为3，在所有隔间中相对恒定（图4 D）。这一结果表明，硫化物的产生分布在五个隔室中。随着进水COD浓度的增加，硫化物氧化被抑制，随着硫酸盐浓度（2000mg/L）的增加，在COD /SO2- 4比为3的隔间4和5中的硫化物相对较高（238和345mg/L）。如GrBeon（2005）和莫拉等人（2016）所指出的，这可能是高浓度的硫化物不影响SRB的增长，却抑制SOB。这种抑制的另一个原因可能是SOB被S颗粒覆盖（图4E）。
通过SEM（图4E）可知，在第272天，COD/SO2- 4比为3时，可以观察到颗粒污泥。在后续的隔室中存在脱硫弧菌，表明有硫化物产生。在第4和第5隔间，SOB和类甲烷菌属分别被更厚的S粒子和沉淀物所包裹，这与第212天的现象相同。虽然类甲烷菌属被沉淀包裹，但仍保持旺盛生长，这种现象的原因值得研究。
在第II阶段期间，尽管COD/SO2- 4的比值随着COD浓度的增加而增加到2.5和3，但相分离转移到后续的隔间后并没有恢复到原来的状态，硫化物在所有的隔间中生成，而硫酸生成阶段被抑制。虽然COD和SO2- 4的总去除率在COD/SO2- 4比值为3时别分增加到88%和94%，但在0.12 L/（g COD去除）的情况下，CH4产率低。其中硫化物浓度达到345mg/L，高于COD/SO2- 4比值为2时的情况（表2）。这些结果说明ABR的稳定性在I阶段结束时继续降低，为了避免系统崩溃，我们调整了运行策略，即通过降低第III阶段的硫酸盐浓度来提高COD/SO2- 4的比值。
3.3阶段III的相分离特性及ABR稳定性
在第II阶段，为了减缓硫酸盐转移到后续隔间，抑制硫化物氧化，通过降低硫酸盐浓度将第III阶段中的COD/SO2- 4比值增加到4（6g COD/1.5g SO2- 4）和6（6g COD/ 1g SO2- 4）（表1）。如
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