印染废水的主要污染特征为可生化性差、有机物含量高、色度深, 是工业废水处理研究中被关注的重点.随着含氮含硫染料和化学助剂的使用, 印染废水也伴随着氮、硫的污染, 已有学者开始重视氮的去除研究, 而硫的去除常被忽视.印染废水中的硫主要以硫酸盐和硫化物两种形态存在, 《纺织染整工业水污染物排放标准》对硫化物的排放提出了要求, 硫酸盐本身对环境没有危害, 但其在一定条件下能够转化为硫化物, 进而危害环境.针对印染废水特点及其治理研究的现状, 本课题前期采用了“UASB-缺氧好氧-混凝沉淀”组合工艺, 以苏州一家印染企业排放的综合性印染废水为处理对象进行中试研究, 最终实现了有机物、色度、氮、硫的同步去除, 并且在对调试成功的数据分析的基础上初步研究了各个反应器内的氮、硫转化去除机理. UASB作为该组合工艺中的核心反应器, 对实现同步去除CO
D、脱氮、除硫（化学符号：S）起到了关键作用.因此, 本文在前期研究基础上, 从对最佳工况条件下运行数据分析、微生物学菌种鉴定(同义词:判定、判断、判决)和小试3个方面, 重点对UASB反应器内碳、氮、硫的协同去除机理进行研究, 以期为后续研究提供理论参考.
2 材料与方法
2.1 中试概况
中试在苏州某印染厂进行, 该厂以印染纯棉纤维、涤纶、腈纶和棉混纺织物为主, 排放的是综合性印染废水.废水pH为7.0~10.0, 水温为30~40 ℃, 其它主要指标（target aim)为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, 未检测出NO2--N和单质硫.
中试装置于3月启动成功, 然后进行参数优化得出：控制UASB水力负荷0.4 m3?m-2?h-1, 活性污泥A反应器DO=0.5~0.8 mg?L-1, B反应器DO=0.2 mg?L-1, 接触氧化反应器采用渐减曝气且气水比为
12:1, 混凝剂PAC和PAM投加量分别为1.2 mL?L-1和0.9 mL?L-1, 絮凝30 min, 实现了
C、
N、S的同步去除, 出水指标达到并优于《纺织染整工业水污染物排放标准》的直接排放标准, 且连续半年运行表明, 工艺稳定.具体工艺流程如图 1所示.
图 1中试系统工艺流程图
2.2 UASB反应器
2.2.1 中试装置
UASB为目前应用广泛的高效厌氧反应器之一, 优于普通水解酸化池.反应器由污泥反应区、气液固三相分离器、沉淀区和气室组成, 具体如图 2所示.反应器规格为2 m×2 m×5 m, 均分为4个单元, 有效容积18 m3, 三相分离器高0.8 m, 集气罩斜面坡度60°, 沉淀区斜面高度0.4
M、坡度55°, 布水区高0.8 m, 超高0.4 m, 设计进水流量1 m3, 即水力负荷0.25 m3?m-2?h-1.由提升泵抽取, 从底部分两道进水, 并采用环形均匀布水方式, 具体如图 2中底视图所示.接种污泥取自苏州某污水厂二沉池含水率82%的剩余污泥, 接种量15 g?L-1.反应器先采用低负荷启动, 原水经自来水稀释至CODCr为200 mg?L-1, 用硫酸调节pH为7.0~8.0, 以0.6 m3?h-1连续进水, 5 d后逐步减少自来水用量, 提高进水COD, 经过15 d驯化, 松散污泥转变为絮状污泥.再以原水作为进水, 以正常负荷启动, 并逐步提高水力负荷至设计值0.25 m3?m-2?h-1, 经过40 d培养, 形成了颗粒污泥, 粒径为0.9~3.5 mm, 沉降性良好, MLVSS约48 g?L-1, VSS/SS为0.51, CODCr去除率为35%~41%, 即反应器启动成功.由于进水水温为30~40 ℃, 反应器内能够达到中温消化所需的温度.
图 2 UASB反应器示意图
2.2.2 小试装置
小试反应器采用有机玻璃自制, 尺寸为15 cm×100 cm, 外置加热棒于水中进行水浴加热, 控制为中温消化, 接种污泥取自中试UASB反应器内已培养好的颗粒污泥, 温度控制与污泥浓度同中试UASB反应器.由于小试反应器接种污泥取自已培养好的颗粒污泥, 因此, 无需长时间菌种培养.进水取自中试系统进水, 调节pH为7.0~8.0, 连续运行5 d, 出水即达到了中试UASB反应器的出水标准, 启动成功.
2.3 检测方法2.3.1 常规指标检测
CO
D、色度、NH4+-
N、T
N、TK
N、NO3--
N、NO2--
N、S2-、SO42-、S
S、TP测定按国家环保总局发布的《水和废水监测分析方法》进行;温度、pH采用便携式测定仪测定;BOD5测定采用BOD快速测定仪;对于S0的测定, 有研究得出可以采用液相色谱法和分光光度法, 本文采用分光光度法.
2.3.2 微生物检测
污泥样品取自中试UASB反应器污泥层, 取样后装入无菌袋密封, 利用实时荧光定量PCR, 并委托欧易公司采用454高通量测序技术进行微生物菌群鉴定, 实验流程为：
①DNA提取：使用E.Z.N.A Soil DNA试剂盒抽提基因组DNA, 并用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提DNA完整性;
②PCR扩增：按指定测序区域合成带有5′454
A、B接头-特异引物3′的融合引物, PCR仪为ABI GeneAmp9700型, 采用TransGen TransStart Fastpfu DNA Polymerase AP221-02型聚合酶, 每个样品3个重复, 将同一样品PCR产物混合后用2%琼脂糖凝胶电泳检测, 并用AXYGEN公司的AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒切胶回收, Tris-HCl洗脱;
③荧光定量：参照电泳检测结果, 将PCR产物用QuantiFluorTM-ST荧光定量系统进行检测定量, 之后按照每个样品测序量进行相应比例混合;EmPCR和Roche GS FLX+测序所用试剂分别为Roche GS FLX Titanium EmPCR Kits和Roche GS FLX+ Sequencing Method Manual _XLR70 kit;
④生物信息学分析：去除序列末端后引物和接头序列、低质量碱基、barcode标签序列、前引物序列, 丢弃长度短于200 b
P、模糊碱基数>0、序列平均质量低于25的序列, 提取非重复序列, 与Silva数据库中已比对的核糖体序列数据库进行比对, 并采用Mothur软件将OTU中序列与Silva数据库比对, 找出最相近且可信度达80%以上的种属信息.
3 结果与讨论
3.1 数据分析
选取优化条件下的运行数据, 分析UASB反应器内
C、
N、S转化去除机理.印染废水中的氮多以偶氮染料和尿素助剂等有机氮和氨氮形式存在, 其中, Org-N占大部分.分析表 1进水数据得出, Org-N在TN中平均占60%以上, NH4+-N占到33%左右.出水数据显示, NH4+-N平均浓度从28.3 mg?L-1升高到了34.9 mg?L-1, 表观产率在23.3%左右. NH4+-N增加说明反应器内存在厌氧氨化反应, 使Org-N分解产生NH4+-N.凯氏氮包括(bāo kuò)NH4+-N和Org-N, 结合TK
N、NH4+-N进出水数据分析可知, 80%左右的Org-N得到了去除, 其中大部分是参与了氨化反应, 因为同化作用对Org-N的减少贡献较少.同时, 出水TKN相比于进水降低了44.1%, 说明部分NH4+-N参与了某种反应被消耗掉, 且氨化作用NH4+-N产生量大于其参与反应消耗量, 最终使出水NH4+-N表现出升高的现象.TN去除率为38.5%, 说明反应器内存在某种或某几种氮的形态转变且产生了N2气体逸出, 致使TN损失.出水NO3--N升高约1.3 mg?L-1, 也检测到了NO2--N, 在0.6 mg?L-1左右, 很明显, UASB反应器内发生了NO2--
N、NO3--N形态转变.选取参数优化试验中HRT对UASB反应器运行影响相关数据, 进一步分析出水NO2--
N、NO3--N增量随HRT变化情况.结果发现, 随HRT不断增大, Δ[NO2--N]、Δ[NO3--N]先增加后下降, Δ[NO2--N]在HRT=5 h时达到最大, 为15.2 mg?L-1, 而后下降至HRT=11 h时的0.8 mg?L-1, 而Δ[NO3--N]比Δ[NO2--N]推迟2 h取得最大值, 为12.5 mg?L-1, 而后下降至HRT=11 h时的2.1 mg?L-1.Δ[NO2--N]、Δ[NO3--N]先增加后减少的变化情况说明UASB反应器内前期发生了硝化反应, 而后又可能发生反硝化作用, 造成NH4+-N部分消耗和TN损失, 但也不排除（Remove)存在厌氧氨氧化的可能.厌氧条件下, 以NO2-为电子受体将NH4+氧化成N2的生物反应称为厌氧氨氧化, 反应伴随着NO2--N和NH4+-N的同步去除, 最终体现为TN的减少.因此, 从氮形态变化角度分析, UASB对氮去除表现为TN的损失, 损失原因可能是硝化反硝化和厌氧氨氧化的作用.
表 1 最佳工况下UASB反应器2015年5―7月运行数据
图 3 UASB反应器出水NO2--
N、NO3--N增加随HRT变化情况
从硫元素数据变化看, 出水SO42-、S2-均出现下降, 去除率分别为77.5%、60.1%左右, 出水也检测到了少量的S0, 浓度在0.5~0.9 mg?L-1.生物反应器中, SO42-下降说明可能存在硫酸盐还原菌的还原作用, 硫酸盐还原菌是一类化能异养型厌氧菌, 能够利用废水中有机物作为电子供体, 将硫酸盐还原成硫化物.根据化学反应元素守恒定律, SO42-被还原成S2-的同时会脱出氧, 而脱出的O应该是参与了硝化反应和有机物的氧化降解, 从而使反应器前期出现NO2--
N、NO3--N增加的现象, 同时促进COD去除.但如果单单按照硫酸盐还原作用来解释, 出水S2-含量应该是增多, 这与实际出水S2-下降的现象相矛盾.进一步分析S2-随HRT变化情况发现, 出水S2-增量随HRT增大先是逐渐增加, HRT=5 h时增量最大, 为15.4 mg?L-1, 而后增量开始减少, 约6.5 h时为0 mg?L-1, 此时进出水S2-浓度相等, 当HRT=11 h时, Δ[S2-]为-18.6 mg?L-1, 出水S2-下降到了进水值的40%左右.因此, 综合S2-、SO42-的变化情况, 猜想反应器内前期发生了硫酸盐还原反应, 导致SO42-减少、S2-增加, 而在后期又发生了同步脱硫反硝化, 可能存在无色硫细菌, 以S2-为电子供体, 将NO2--
N、NO3--N还原成N2, 同时S2-被氧化成S0, 导致S2-减少, 这也与出水检测(检查并测试)出S0及反应器中NO2--
N、NO3--N的变化情况正好符合.出水检测出S0的量较少, 原因为:含硫化物废水生物处理出水中的单质硫是由微生物体内排出的微小颗粒, 部分被污泥截留, 而另一部分以悬浮状态存在于水中被测出;部分S2-与重金属离子结合行成硫化物沉淀去除, 使参与同步脱硫反硝化S2-的量少.
图 4 UASB反应器内S2-浓度随HRT变化情况
3.2 污泥微生物菌群鉴定(同义词:判定、判断、判决)分析
通过数据分析, 认为UASB反应器内存在厌氧(Oxygen)氨化、硝化反硝化、硫酸盐还原、脱硫反硝化, 可能还有厌氧氨氧化.为了验证上述猜测, 进行微生物菌群鉴定.通过图 5可以看出, 在门水平上主要菌群为：变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、酸杆菌门和梭杆菌门等, 其中, GOOGLE PRoteobacteria所占比例最大, 其次是Bacteroidetes和Firmicutes.
图 5 UASB反应器污泥细菌在门水平上的类别
表 2列出了在属的水平上鉴定出的优势菌属、亚硝化菌和氨氮水(Nitric acid)菌及其丰度.对其进行作用分类, 第一类包括：Clostridiu
M、Bacillu
S、Lactococcu
S、Paludibacte
R、Paenibacillus.其中, 梭菌属属于厚壁菌门下的厌氧菌, 多数梭菌能将糖、蛋白质等大分子有机物降解为酸、醇、CO2、H2和无机物.也有研究发现, 梭菌属可以有效降解偶氮染料, 使其脱色.芽孢杆菌属属于厚壁菌门, 多为兼性厌氧化能异养菌, 具有将大分子有机物分解为低分子酸的能力.Banat等研究发现, Bacillus在厌氧条件下可以产生偶氮还原酶, 对偶氮染料表现出较高的脱色性能.乳球菌属属于厚壁菌门下兼性厌氧菌, 以碳水化合物为底物发酵又称酦酵产酸, 有研究将其判定为专性水解产酸菌.Paludibacter属于拟杆菌门, 能在中温厌氧条件下降解多种单糖和二糖, 产生丙酸、乙酸和少量丁酸, 而厚壁菌门下的类芽孢杆菌属也具有同样的功能.研究显示, UASB可以将印染废水的B/C从0.2左右提高到0.4以上, 同时对色度能达到77.0%的去除率, 以上5种优势菌属的检出正好从微生物学角度说明了UASB水解酸化效果好、脱色好及其对COD有较高去除率的原因.
表 2 UASB反应器优势菌属及AO
B、NOB及其丰度
第二类包括：Desulfobulbu
S、Desulfovibrio.其中, 脱硫叶菌属与脱硫弧菌属属于变形菌门下厌氧型的硫酸盐还原菌, 可利用乳酸、丙酮酸、乙醇等作为碳源, 将硫酸盐还原为硫化氢.这两种菌属的检出证实了反应器内存在硫酸盐还原, 与实验观察到SO42-减少的现象相一致.在有较高浓度硫酸盐存在的厌氧反应体系中, 一般多存在硫酸盐还原菌与产甲烷菌对底物的竞争作用, 往往由于SRB对H2和乙酸有较高的亲和力而在竞争中取胜, 从而对MPB产生初级抑制, 同时硫酸盐还原产生的H2S对MPB又会产生次级抑制作用.菌种鉴定未发现产甲烷菌属, 说明产甲烷菌受到了抑制, UASB反应器很好地停留在了水解酸化阶段.
第三类包括： Thiobacillu
S、Arcobacter.其中, 硫杆状菌属属变形菌门下的硫氧化细菌, 可将S2-氧化S0、SO42-, 其在种水平上的脱氮硫杆菌比较特殊, 是目前研究的热门细菌.Thiobacillus denitrificans特殊之处在于好氧和厌氧条件下皆能进行硫氧化, 前者进行的是单一S2-氧化, 以O2为电子受体, 可将S2-氧化成S0、SO42-, 而后者以NO3--N作为电子受体, 可将S2-氧化成S0, 同时还原NO3--N成N2, 实现的是同步脱硫反硝化.在种的水平上检测到了Thiobacillus denitrificans, 约占Thiobacillus的82%, 说明UASB反应器内存在同步脱氮除硫.而属于变形菌门的弓形杆菌属也具有脱氮除硫功能.Gevertz等在油田废水中分离得到一株能使S2-氧化成S0、NO3-好氧成NO2-的菌株, 经鉴定, 该菌株与Arcobacter属微生物最为接近.
第四类包括：Nitrosococcu
S、Nitrobacte
R、Thauera.其中, 亚硝化球菌属能将氨氧化成亚硝酸盐, 硝化杆菌属将NO2-继续氧化成硝酸盐.陶厄氏菌属是变形菌门下的一类革兰氏阴性细菌, 具有反硝化能力, 它们的检出说明存在硝化反硝化, 解释了NO2-和NO3-在反应器内的变化情况.同时, Nitrosococcus和Nitrobacter皆是需氧型菌属, 其检出说明UASB反应器内存在有氧环境, 判断是SO42-还原脱出来的O为其生理活动营造了微弱的有氧环境.
在属的水平上未发现目前已知5种厌氧氨氧化菌属：Brocadi
A、Kueneni
A、Scalindu
A、Jetteni
A、Anammoxoglobus, 故不认为存在厌氧氨氧化作用.
通过数据分析及菌种鉴定, 确定UASB反应器内氮、硫去除机理为硫酸盐还原、厌氧氨化、同步脱硫反硝化、硝化反硝化, 具体可理解为：废水中SO42-进入UASB反应器后在厌氧状态下由硫酸盐还原菌还原成S2-, 同时脱出O, 脱出的O可能被硝化菌捕捉参与硝化反应, 使NH4+-N氧化分解, 造成反应前期NO2--
N、NO3--N增加, 但由于氨化作用的存在, NH4+-N并未出现下降, 而后, 部分NO2--
N、NO3--N在反硝化特殊结构：荚膜、鞭毛、菌毛作用下还原成N2, 造成反应后期NO2--
N、NO3--N下降和TN去除, 部分NO3--N又与S2-发生同步脱硫反硝化, 生成N2和S0, 使TN进一步去除及S2-减少.同时, 反应器内存在多种具有水解酸化作用的优势菌种, 这些异养型菌对去除COD起到了很大作用.硫酸盐还原菌与反硝化细菌也属于异养型菌, 它们在发挥各自特有功能的同时, 对COD去除也做出了一定贡献, 或者说促进了COD的去除.
3.3 小试研究
菌种鉴定确定了UASB反应器内存在硫酸盐还原、脱硫反硝化和硝化反硝化, 而硫酸盐还原反应脱出的O可能被硝化菌及其它细菌扑捉参与硝化和有机物降解, 工艺运行中也发现, 随着进水SO42-含量的波动, UASB反应器内CO
D、T
N、S2-等指标也相应存在细微的变动, 因此, 猜测硫（化学符号：S）酸盐还原作用影响着硝化反硝化、脱硫反硝化及COD去除.为了试着验证这一猜想, 进行了硫酸盐含量对UASB运行影响实验.考虑到采用中试装置研究会存在SO42-含量不易精确控制、药剂投加量大和研究成本高等问题, 因此, 采用小试研究.
小试研究采用单因素变量法, 采用连续流进水方式研究
