印染廢水的主要污染特征為可生化性差、有機物含量高、色度深, 是工業廢水處理研究中被關注的重點.隨著含氮含硫染料和化學助劑的使用, 印染廢水也伴隨著氮、硫的污染, 已有學者開始重視氮的去除研究, 而硫的去除常被忽視.印染廢水中的硫主要以硫酸鹽和硫化物兩種形態存在, 《紡織染整工業水污染物排放標準》對硫化物的排放提出了要求, 硫酸鹽本身對環境沒有危害, 但其在一定條件下能夠轉化為硫化物, 進而危害環境.針對印染廢水特點及其治理研究的現狀, 本課題前期采用了“UASB-缺氧好氧-混凝沉淀”組合工藝, 以蘇州一家印染企業排放的綜合性印染廢水為處理對象進行中試研究, 最終實現了有機物、色度、氮、硫的同步去除, 并且在對調試成功的數據分析的基礎上初步研究了各個反應器內的氮、硫轉化去除機理. UASB作為該組合工藝中的核心反應器, 對實現同步去除CO
D、脫氮、除硫（化學符號：S）起到了關鍵作用.因此, 本文在前期研究基礎上, 從對最佳工況條件下運行數據分析、微生物學菌種鑒定(同義詞:判定、判斷、判決)和小試3個方面, 重點對UASB反應器內碳、氮、硫的協同去除機理進行研究, 以期為后續研究提供理論參考.
2 材料與方法
2.1 中試概況
中試在蘇州某印染廠進行, 該廠以印染純棉纖維、滌綸、腈綸和棉混紡織物為主, 排放的是綜合性印染廢水.廢水pH為7.0~10.0, 水溫為30~40 ℃, 其它主要指標（target aim)為CODCr 452~775 mg?L-1、BOD5 98~185 mg?L-1、色度400~600倍、NH4+-N 22.5~40.6 mg?L-1、TN 70.3~102.3 mg?L-1、NO3--N 1.2~1.8 mg?L-1、TP 0.3~0.5 mg?L-1、SO42- 44.7~80.3 mg?L-1、S2- 32.5~41.8 mg?L-1、SS 225~400 mg?L-1, 未檢測出NO2--N和單質硫.
中試裝置于3月啟動成功, 然后進行參數優化得出：控制UASB水力負荷0.4 m3?m-2?h-1, 活性污泥A反應器DO=0.5~0.8 mg?L-1, B反應器DO=0.2 mg?L-1, 接觸氧化反應器采用漸減曝氣且氣水比為
12:1, 混凝劑PAC和PAM投加量分別為1.2 mL?L-1和0.9 mL?L-1, 絮凝30 min, 實現了
C、
N、S的同步去除, 出水指標達到并優于《紡織染整工業水污染物排放標準》的直接排放標準, 且連續半年運行表明, 工藝穩定.具體工藝流程如圖 1所示.
圖 1中試系統工藝流程圖
2.2 UASB反應器
2.2.1 中試裝置
UASB為目前應用廣泛的高效厭氧反應器之一, 優于普通水解酸化池.反應器由污泥反應區、氣液固三相分離器、沉淀區和氣室組成, 具體如圖 2所示.反應器規格為2 m×2 m×5 m, 均分為4個單元, 有效容積18 m3, 三相分離器高0.8 m, 集氣罩斜面坡度60°, 沉淀區斜面高度0.4
M、坡度55°, 布水區高0.8 m, 超高0.4 m, 設計進水流量1 m3, 即水力負荷0.25 m3?m-2?h-1.由提升泵抽取, 從底部分兩道進水, 并采用環形均勻布水方式, 具體如圖 2中底視圖所示.接種污泥取自蘇州某污水廠二沉池含水率82%的剩余污泥, 接種量15 g?L-1.反應器先采用低負荷啟動, 原水經自來水稀釋至CODCr為200 mg?L-1, 用硫酸調節pH為7.0~8.0, 以0.6 m3?h-1連續進水, 5 d后逐步減少自來水用量, 提高進水COD, 經過15 d馴化, 松散污泥轉變為絮狀污泥.再以原水作為進水, 以正常負荷啟動, 并逐步提高水力負荷至設計值0.25 m3?m-2?h-1, 經過40 d培養, 形成了顆粒污泥, 粒徑為0.9~3.5 mm, 沉降性良好, MLVSS約48 g?L-1, VSS/SS為0.51, CODCr去除率為35%~41%, 即反應器啟動成功.由于進水水溫為30~40 ℃, 反應器內能夠達到中溫消化所需的溫度.
圖 2 UASB反應器示意圖
2.2.2 小試裝置
小試反應器采用有機玻璃自制, 尺寸為15 cm×100 cm, 外置加熱棒于水中進行水浴加熱, 控制為中溫消化, 接種污泥取自中試UASB反應器內已培養好的顆粒污泥, 溫度控制與污泥濃度同中試UASB反應器.由于小試反應器接種污泥取自已培養好的顆粒污泥, 因此, 無需長時間菌種培養.進水取自中試系統進水, 調節pH為7.0~8.0, 連續運行5 d, 出水即達到了中試UASB反應器的出水標準, 啟動成功.
2.3 檢測方法2.3.1 常規指標檢測
CO
D、色度、NH4+-
N、T
N、TK
N、NO3--
N、NO2--
N、S2-、SO42-、S
S、TP測定按國家環保總局發布的《水和廢水監測分析方法》進行;溫度、pH采用便攜式測定儀測定;BOD5測定采用BOD快速測定儀;對于S0的測定, 有研究得出可以采用液相色譜法和分光光度法, 本文采用分光光度法.
2.3.2 微生物檢測
污泥樣品取自中試UASB反應器污泥層, 取樣后裝入無菌袋密封, 利用實時熒光定量PCR, 并委托歐易公司采用454高通量測序技術進行微生物菌群鑒定, 實驗流程為：
①DNA提取：使用E.Z.N.A Soil DNA試劑盒抽提基因組DNA, 并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提DNA完整性;
②PCR擴增：按指定測序區域合成帶有5′454
A、B接頭-特異引物3′的融合引物, PCR儀為ABI GeneAmp9700型, 采用TransGen TransStart Fastpfu DNA Polymerase AP221-02型聚合酶, 每個樣品3個重復, 將同一樣品PCR產物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測, 并用AXYGEN公司的AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收, Tris-HCl洗脫;
③熒光定量：參照電泳檢測結果, 將PCR產物用QuantiFluorTM-ST熒光定量系統進行檢測定量, 之后按照每個樣品測序量進行相應比例混合;EmPCR和Roche GS FLX+測序所用試劑分別為Roche GS FLX Titanium EmPCR Kits和Roche GS FLX+ Sequencing Method Manual _XLR70 kit;
④生物信息學分析：去除序列末端后引物和接頭序列、低質量堿基、barcode標簽序列、前引物序列, 丟棄長度短于200 b
P、模糊堿基數>0、序列平均質量低于25的序列, 提取非重復序列, 與Silva數據庫中已比對的核糖體序列數據庫進行比對, 并采用Mothur軟件將OTU中序列與Silva數據庫比對, 找出最相近且可信度達80%以上的種屬信息.
3 結果與討論
3.1 數據分析
選取優化條件下的運行數據, 分析UASB反應器內
C、
N、S轉化去除機理.印染廢水中的氮多以偶氮染料和尿素助劑等有機氮和氨氮形式存在, 其中, Org-N占大部分.分析表 1進水數據得出, Org-N在TN中平均占60%以上, NH4+-N占到33%左右.出水數據顯示, NH4+-N平均濃度從28.3 mg?L-1升高到了34.9 mg?L-1, 表觀產率在23.3%左右. NH4+-N增加說明反應器內存在厭氧氨化反應, 使Org-N分解產生NH4+-N.凱氏氮包括(bāo kuò)NH4+-N和Org-N, 結合TK
N、NH4+-N進出水數據分析可知, 80%左右的Org-N得到了去除, 其中大部分是參與了氨化反應, 因為同化作用對Org-N的減少貢獻較少.同時, 出水TKN相比于進水降低了44.1%, 說明部分NH4+-N參與了某種反應被消耗掉, 且氨化作用NH4+-N產生量大于其參與反應消耗量, 最終使出水NH4+-N表現出升高的現象.TN去除率為38.5%, 說明反應器內存在某種或某幾種氮的形態轉變且產生了N2氣體逸出, 致使TN損失.出水NO3--N升高約1.3 mg?L-1, 也檢測到了NO2--N, 在0.6 mg?L-1左右, 很明顯, UASB反應器內發生了NO2--
N、NO3--N形態轉變.選取參數優化試驗中HRT對UASB反應器運行影響相關數據, 進一步分析出水NO2--
N、NO3--N增量隨HRT變化情況.結果發現, 隨HRT不斷增大, Δ[NO2--N]、Δ[NO3--N]先增加后下降, Δ[NO2--N]在HRT=5 h時達到最大, 為15.2 mg?L-1, 而后下降至HRT=11 h時的0.8 mg?L-1, 而Δ[NO3--N]比Δ[NO2--N]推遲2 h取得最大值, 為12.5 mg?L-1, 而后下降至HRT=11 h時的2.1 mg?L-1.Δ[NO2--N]、Δ[NO3--N]先增加后減少的變化情況說明UASB反應器內前期發生了硝化反應, 而后又可能發生反硝化作用, 造成NH4+-N部分消耗和TN損失, 但也不排除（Remove)存在厭氧氨氧化的可能.厭氧條件下, 以NO2-為電子受體將NH4+氧化成N2的生物反應稱為厭氧氨氧化, 反應伴隨著NO2--N和NH4+-N的同步去除, 最終體現為TN的減少.因此, 從氮形態變化角度分析, UASB對氮去除表現為TN的損失, 損失原因可能是硝化反硝化和厭氧氨氧化的作用.
表 1 最佳工況下UASB反應器2015年5―7月運行數據
圖 3 UASB反應器出水NO2--
N、NO3--N增加隨HRT變化情況
從硫元素數據變化看, 出水SO42-、S2-均出現下降, 去除率分別為77.5%、60.1%左右, 出水也檢測到了少量的S0, 濃度在0.5~0.9 mg?L-1.生物反應器中, SO42-下降說明可能存在硫酸鹽還原菌的還原作用, 硫酸鹽還原菌是一類化能異養型厭氧菌, 能夠利用廢水中有機物作為電子供體, 將硫酸鹽還原成硫化物.根據化學反應元素守恒定律, SO42-被還原成S2-的同時會脫出氧, 而脫出的O應該是參與了硝化反應和有機物的氧化降解, 從而使反應器前期出現NO2--
N、NO3--N增加的現象, 同時促進COD去除.但如果單單按照硫酸鹽還原作用來解釋, 出水S2-含量應該是增多, 這與實際出水S2-下降的現象相矛盾.進一步分析S2-隨HRT變化情況發現, 出水S2-增量隨HRT增大先是逐漸增加, HRT=5 h時增量最大, 為15.4 mg?L-1, 而后增量開始減少, 約6.5 h時為0 mg?L-1, 此時進出水S2-濃度相等, 當HRT=11 h時, Δ[S2-]為-18.6 mg?L-1, 出水S2-下降到了進水值的40%左右.因此, 綜合S2-、SO42-的變化情況, 猜想反應器內前期發生了硫酸鹽還原反應, 導致SO42-減少、S2-增加, 而在后期又發生了同步脫硫反硝化, 可能存在無色硫細菌, 以S2-為電子供體, 將NO2--
N、NO3--N還原成N2, 同時S2-被氧化成S0, 導致S2-減少, 這也與出水檢測(檢查并測試)出S0及反應器中NO2--
N、NO3--N的變化情況正好符合.出水檢測出S0的量較少, 原因為:含硫化物廢水生物處理出水中的單質硫是由微生物體內排出的微小顆粒, 部分被污泥截留, 而另一部分以懸浮狀態存在于水中被測出;部分S2-與重金屬離子結合行成硫化物沉淀去除, 使參與同步脫硫反硝化S2-的量少.
圖 4 UASB反應器內S2-濃度隨HRT變化情況
3.2 污泥微生物菌群鑒定(同義詞:判定、判斷、判決)分析
通過數據分析, 認為UASB反應器內存在厭氧(Oxygen)氨化、硝化反硝化、硫酸鹽還原、脫硫反硝化, 可能還有厭氧氨氧化.為了驗證上述猜測, 進行微生物菌群鑒定.通過圖 5可以看出, 在門水平上主要菌群為：變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、酸桿菌門和梭桿菌門等, 其中, GOOGLE PRoteobacteria所占比例最大, 其次是Bacteroidetes和Firmicutes.
圖 5 UASB反應器污泥細菌在門水平上的類別
表 2列出了在屬的水平上鑒定出的優勢菌屬、亞硝化菌和氨氮水(Nitric acid)菌及其豐度.對其進行作用分類, 第一類包括：Clostridiu
M、Bacillu
S、Lactococcu
S、Paludibacte
R、Paenibacillus.其中, 梭菌屬屬于厚壁菌門下的厭氧菌, 多數梭菌能將糖、蛋白質等大分子有機物降解為酸、醇、CO2、H2和無機物.也有研究發現, 梭菌屬可以有效降解偶氮染料, 使其脫色.芽孢桿菌屬屬于厚壁菌門, 多為兼性厭氧化能異養菌, 具有將大分子有機物分解為低分子酸的能力.Banat等研究發現, Bacillus在厭氧條件下可以產生偶氮還原酶, 對偶氮染料表現出較高的脫色性能.乳球菌屬屬于厚壁菌門下兼性厭氧菌, 以碳水化合物為底物發酵又稱酦酵產酸, 有研究將其判定為專性水解產酸菌.Paludibacter屬于擬桿菌門, 能在中溫厭氧條件下降解多種單糖和二糖, 產生丙酸、乙酸和少量丁酸, 而厚壁菌門下的類芽孢桿菌屬也具有同樣的功能.研究顯示, UASB可以將印染廢水的B/C從0.2左右提高到0.4以上, 同時對色度能達到77.0%的去除率, 以上5種優勢菌屬的檢出正好從微生物學角度說明了UASB水解酸化效果好、脫色好及其對COD有較高去除率的原因.
表 2 UASB反應器優勢菌屬及AO
B、NOB及其豐度
第二類包括：Desulfobulbu
S、Desulfovibrio.其中, 脫硫葉菌屬與脫硫弧菌屬屬于變形菌門下厭氧型的硫酸鹽還原菌, 可利用乳酸、丙酮酸、乙醇等作為碳源, 將硫酸鹽還原為硫化氫.這兩種菌屬的檢出證實了反應器內存在硫酸鹽還原, 與實驗觀察到SO42-減少的現象相一致.在有較高濃度硫酸鹽存在的厭氧反應體系中, 一般多存在硫酸鹽還原菌與產甲烷菌對底物的競爭作用, 往往由于SRB對H2和乙酸有較高的親和力而在競爭中取勝, 從而對MPB產生初級抑制, 同時硫酸鹽還原產生的H2S對MPB又會產生次級抑制作用.菌種鑒定未發現產甲烷菌屬, 說明產甲烷菌受到了抑制, UASB反應器很好地停留在了水解酸化階段.
第三類包括： Thiobacillu
S、Arcobacter.其中, 硫桿狀菌屬屬變形菌門下的硫氧化細菌, 可將S2-氧化S0、SO42-, 其在種水平上的脫氮硫桿菌比較特殊, 是目前研究的熱門細菌.Thiobacillus denitrificans特殊之處在于好氧和厭氧條件下皆能進行硫氧化, 前者進行的是單一S2-氧化, 以O2為電子受體, 可將S2-氧化成S0、SO42-, 而后者以NO3--N作為電子受體, 可將S2-氧化成S0, 同時還原NO3--N成N2, 實現的是同步脫硫反硝化.在種的水平上檢測到了Thiobacillus denitrificans, 約占Thiobacillus的82%, 說明UASB反應器內存在同步脫氮除硫.而屬于變形菌門的弓形桿菌屬也具有脫氮除硫功能.Gevertz等在油田廢水中分離得到一株能使S2-氧化成S0、NO3-好氧成NO2-的菌株, 經鑒定, 該菌株與Arcobacter屬微生物最為接近.
第四類包括：Nitrosococcu
S、Nitrobacte
R、Thauera.其中, 亞硝化球菌屬能將氨氧化成亞硝酸鹽, 硝化桿菌屬將NO2-繼續氧化成硝酸鹽.陶厄氏菌屬是變形菌門下的一類革蘭氏陰性細菌, 具有反硝化能力, 它們的檢出說明存在硝化反硝化, 解釋了NO2-和NO3-在反應器內的變化情況.同時, Nitrosococcus和Nitrobacter皆是需氧型菌屬, 其檢出說明UASB反應器內存在有氧環境, 判斷是SO42-還原脫出來的O為其生理活動營造了微弱的有氧環境.
在屬的水平上未發現目前已知5種厭氧氨氧化菌屬：Brocadi
A、Kueneni
A、Scalindu
A、Jetteni
A、Anammoxoglobus, 故不認為存在厭氧氨氧化作用.
通過數據分析及菌種鑒定, 確定UASB反應器內氮、硫去除機理為硫酸鹽還原、厭氧氨化、同步脫硫反硝化、硝化反硝化, 具體可理解為：廢水中SO42-進入UASB反應器后在厭氧狀態下由硫酸鹽還原菌還原成S2-, 同時脫出O, 脫出的O可能被硝化菌捕捉參與硝化反應, 使NH4+-N氧化分解, 造成反應前期NO2--
N、NO3--N增加, 但由于氨化作用的存在, NH4+-N并未出現下降, 而后, 部分NO2--
N、NO3--N在反硝化特殊結構：莢膜、鞭毛、菌毛作用下還原成N2, 造成反應后期NO2--
N、NO3--N下降和TN去除, 部分NO3--N又與S2-發生同步脫硫反硝化, 生成N2和S0, 使TN進一步去除及S2-減少.同時, 反應器內存在多種具有水解酸化作用的優勢菌種, 這些異養型菌對去除COD起到了很大作用.硫酸鹽還原菌與反硝化細菌也屬于異養型菌, 它們在發揮各自特有功能的同時, 對COD去除也做出了一定貢獻, 或者說促進了COD的去除.
3.3 小試研究
菌種鑒定確定了UASB反應器內存在硫酸鹽還原、脫硫反硝化和硝化反硝化, 而硫酸鹽還原反應脫出的O可能被硝化菌及其它細菌撲捉參與硝化和有機物降解, 工藝運行中也發現, 隨著進水SO42-含量的波動, UASB反應器內CO
D、T
N、S2-等指標也相應存在細微的變動, 因此, 猜測硫（化學符號：S）酸鹽還原作用影響著硝化反硝化、脫硫反硝化及COD去除.為了試著驗證這一猜想, 進行了硫酸鹽含量對UASB運行影響實驗.考慮到采用中試裝置研究會存在SO42-含量不易精確控制、藥劑投加量大和研究成本高等問題, 因此, 采用小試研究.
小試研究采用單因素變量法, 采用連續流進水方式研究
