近些年，地表水和地下水中的高氯酸鹽(ClO4-)污染已成為十分嚴(yán)峻的問題. ClO4-能抑制甲狀腺對碘離子的吸收從而影響人體的健康，因此，ClO4-污染問題逐漸得到廣泛關(guān)注. 由于ClO4-具有非揮發(fā)性、 強(qiáng)穩(wěn)定性、 高溶解性等特點(diǎn)，一般的物理化學(xué)法很難將其徹底去除，并且耗資大. 生物法因其較徹底，成本低，成為最受關(guān)注的處理ClO4-廢水的方法之一. 生物法分為異養(yǎng)生物法和自養(yǎng)生物法，其中異養(yǎng)生物法以有機(jī)物為電子供體，污泥產(chǎn)量高，易造成二次污染; 而自養(yǎng)生物法以無機(jī)物作為電子供體，從而避免了這些問題.

　　自養(yǎng)還原ClO4-所需電子供體通常是氫氣、 還原態(tài)硫(S2-、 S0、 S2O32-)、 零價鐵等無機(jī)物，因硫顆粒微溶于水，具有來源廣泛、 價格低廉等優(yōu)點(diǎn)成為自養(yǎng)法降解ClO4-的研究熱點(diǎn). 硫自養(yǎng)還原ClO4-的理論反應(yīng)如式(1)所示:

　　微生物以硫顆粒作為電子供體，以ClO4-作為電子受體，最終將ClO4-完全轉(zhuǎn)化為無毒無害的Cl-同時產(chǎn)生副產(chǎn)物SO42-.

　　2007年Ju等通過首次研究了硫顆粒作為電子供體自養(yǎng)還原ClO4-的可行性，同時分析了SO42-實(shí)際產(chǎn)量高于理論產(chǎn)量的原因是由于硫歧化的發(fā)生. 目前許多研究者都是利用硫自養(yǎng)反應(yīng)器降解低濃度的ClO4-廢水. 如2009年Gao等利用硫自養(yǎng)反應(yīng)器將ClO4-濃度為4~8 mg·L-1的廢水降至0.05 mg·L-1以下. 2011年Boles等利用硫自養(yǎng)反應(yīng)器進(jìn)行了中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，將ClO4-濃度為12.6 mg·L-1的廢水降至15 μg·L-1以下. 除此之外，利用硫自養(yǎng)反應(yīng)器進(jìn)行污染物如ClO4-、 NO3-等的降解時，最大的問題就是出水SO42-濃度過高.

　　盡管近年來對于硫自養(yǎng)填充床反應(yīng)器降解ClO4-的研究已逐漸成熟，但目前對于硫自養(yǎng)反應(yīng)器處理高濃度ClO4-廢水，和如何控制硫自養(yǎng)反應(yīng)器出水SO42-過高的問題還沒有很好的解決方案. 基于以上研究背景，本文以硫自養(yǎng)填充床反應(yīng)器降解ClO4-為體系，通過改變進(jìn)水ClO4-濃度和HRT，著重考察硫自養(yǎng)反應(yīng)器去除ClO4-的效率、 SO42-的產(chǎn)率及反應(yīng)過程中pH及堿度的消耗量，同時對反應(yīng)器內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)一步考察其降解ClO4-的規(guī)律，以期為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　本實(shí)驗(yàn)所用硫自養(yǎng)ClO4-還原反應(yīng)器為升流式固定床反應(yīng)器，圖 1為實(shí)驗(yàn)裝置. 反應(yīng)器內(nèi)徑為10 cm，有效高度為45 cm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃. 反應(yīng)器內(nèi)填充載體為硫單質(zhì)和石英砂(V硫：V砂=2：1)，裝填體積為3.6 L. 硫顆粒和石英砂粒徑均為2~3 mm，反應(yīng)器內(nèi)孔隙率為0.4，反應(yīng)器有4個不同高度的出水口，分別為出水口1(60 mm)，出水口2(180 mm)，出水口3(300 mm)，出水口4(390 mm)，菌群結(jié)構(gòu)分析所取泥樣分別來自取樣口1(60 mm)和取樣口3(300 mm).

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

　　1.2 實(shí)驗(yàn)材料

　　本實(shí)驗(yàn)采用的活性污泥取自石家莊市橋西污水處理廠的二次沉淀池，將污泥沉降半小時，取沉降后的污泥與按比例混勻的硫和石英砂混勻，直接填充至反應(yīng)器內(nèi)，測得此時的污泥量(以SS計)為8 g·L-1. 然后開始間歇式馴化掛膜7 d(先進(jìn)水后停滯12 h，然后連續(xù)運(yùn)行12 h，依次重復(fù)7 d)，開始連續(xù)進(jìn)水. 采用人工模擬高濃度ClO4-地下水，反應(yīng)器進(jìn)水均用自來水配制，其主要成分： K2HPO4·3H2O,0.25 g·L-1; NaHCO3·H2O,1.50 g·L-1; NH4Cl,0.15 g·L-1; NaClO4,0.14~0.27 g·L-1(在不同階段ClO4-的濃度由50 mg·L-1增加到194 mg·L-1); 微量元素為1 mL·L-1. 微量元素培養(yǎng)基的組成: EDTA,0.50 mg·L-1; MnSO4·H2O,0.50 mg·L-1; FeSO4·7H2O,0.10 mg·L-1; CaCl2,0.10 mg·L-1; ZnSO4·7H2O,0.10 mg·L-1; CuSO4·5H2O,0.01 mg·L-1; Na2MoO4·2H2O,0.01 mg·L-1; Na2WO4·2H2O,0.01 mg·L-1,NiCl2·6H2O,0.02 mg·L-1.

　　1.3 運(yùn)行條件

　　實(shí)驗(yàn)運(yùn)行調(diào)控參數(shù)如表 1，前4個階段水力停留時間(HRT)為12 h，ClO4-的濃度由50 mg·L-1依次增加到100、 150、 194 mg·L-1，然后ClO4-濃度穩(wěn)定在194 mg·L-1，減少HRT分別為9 h和4 h，共分為6個階段. 每個階段內(nèi)，定時監(jiān)測進(jìn)出水各離子濃度、 pH值和堿度等指標(biāo)，待出水ClO4-濃度連續(xù)4 d去除率在96%以上，則改變條件開展下一階段的實(shí)驗(yàn).

　　表 1 運(yùn)行調(diào)控參數(shù)

　　1.4 分析方法

　　ClO4-、 SO42-、 Cl-、 S2-都用離子色譜(Dionex 1100)進(jìn)行測定，所用分析柱為AS20(4 mm×250 mm)和保護(hù)柱AG20(4 mm×50 mm).采用梯度淋洗的方法，淋洗液為KOH，(0~10 min為15 mmol·L-1淋洗，10~21 min為40 mmol·L-1淋洗)，淋洗液流速1.0 mL·min-1，柱溫 30℃. 反應(yīng)器不同位置的菌群結(jié)構(gòu)基于16S rDNA基因的V3-V4區(qū)DNA序列PCR擴(kuò)增與高通量測序技術(shù)進(jìn)行分析，其中測試的序列數(shù)分別為1361(反應(yīng)器上部菌群結(jié)構(gòu))和1498(反應(yīng)器下部菌群結(jié)構(gòu))(上海生工生物工程有限公司); pH使用 PHS225C 型數(shù)字酸度計進(jìn)行測定; 氧化還原電位(ORP)使用ORP計進(jìn)行測定; 堿度采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定.

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 硫自養(yǎng)反應(yīng)器高氯酸鹽的去除及硫酸鹽的產(chǎn)生

　　反應(yīng)器在運(yùn)行期間ClO4-的去除效果及SO42-的產(chǎn)生量如圖 2所示. 反應(yīng)器在運(yùn)行的前4個階段HRT為12 h，主要考察進(jìn)水ClO4-的濃度分別為50、 100、 150和194 mg·L-1時對反應(yīng)器降解ClO4-及生成SO42-的影響; 反應(yīng)器運(yùn)行的第Ⅳ、 Ⅴ、 Ⅵ 階段主要考察在進(jìn)水ClO4-濃度為194 mg·L-1時，HRT分別為12、 9、 4 h時反應(yīng)器降解ClO4-及生成SO42-的影響.

圖 2 硫自養(yǎng)反應(yīng)器運(yùn)行過程中高氯酸鹽及硫酸鹽的變化

　　反應(yīng)器在運(yùn)行的前5個階段分別在第23、 33、 48、 58和85 d時ClO4-的去除率達(dá)到了100%; 第Ⅵ階段，HRT減少為4 h，進(jìn)水ClO4-濃度194 mg·L-1，ClO4-的去除率最終穩(wěn)定在72%左右. 以上結(jié)果表明，在維持較長的HRT條件下，進(jìn)水ClO4-的濃度增加至194 mg·L-1時，ClO4-的去除率并不會受太大影響，然而減少HRT，降低了ClO4-傳遞至生物膜內(nèi)的時間，導(dǎo)致ClO4-的去除率受到了較大影響，所以傳質(zhì)是限制ClO4-降解速率的主要原因. Sahinkaya等研究表明較高的上升流速會限制硫的溶解從而影響了硫自養(yǎng)的降解效率.

　　隨著進(jìn)水ClO4-濃度的增加，SO42-的產(chǎn)生量也在增加，進(jìn)水ClO4-濃度為194 mg·L-1時，由反應(yīng)方程式(1)得對應(yīng)的理論SO42-的量250 mg·L-1(國家飲用水標(biāo)準(zhǔn))，而實(shí)際產(chǎn)生的SO42-的量高達(dá)500 mg·L-1. 萬東錦等的研究表明在缺溶解氧及缺少電子受體的條件下，硫顆粒上的歧化菌即會發(fā)生歧化反應(yīng). Ju等通過序批式實(shí)驗(yàn)觀察到了硫自養(yǎng)ClO4-還原過程中存在著硫歧化反應(yīng). 當(dāng)進(jìn)水ClO4-的濃度為194 mg·L-1，HRT由12 h減少到4 h時，由圖 2可得，出水SO42-的量由500 mg·L-1減少到250 mg·L-1. 其原因可能是進(jìn)水流速增加抑制了硫歧化細(xì)菌的生長，并且在較快的水力沖刷速度下減少了硫歧化的反應(yīng)時間. 同時由圖 2可得理論產(chǎn)生SO42-的量與實(shí)際產(chǎn)生SO42-的量的比值隨著進(jìn)水ClO4-濃度的增加而增加，硫的利用率也在增加. 結(jié)果表明，增加進(jìn)水ClO4-濃度及減少HRT都會提高硫的利用率，但當(dāng)上升流速過快時，由于ClO4-的去除率低，對SO42-的產(chǎn)量影響較大.

　　2.2 pH和堿度的變化

　　如圖 3所示，反應(yīng)器的進(jìn)水pH穩(wěn)定在8.0左右，出水pH穩(wěn)定在6.5~7.0之間，反應(yīng)方程式(1)表明硫自養(yǎng)降解ClO4-是一個產(chǎn)酸的反應(yīng)，1 mol的ClO4-產(chǎn)生2.66 mol氫質(zhì)子. 在前4個階段，堿度消耗隨著進(jìn)水ClO4-濃度的增加而增加，進(jìn)水ClO4-濃度由50 mg·L-1增加到194 mg·L-1時對應(yīng)的pH變化不大，并且穩(wěn)定在6.7左右，同時堿度(以CaCO3計)消耗由200 mg·L-1增加到450 mg·L-1，在后3個階段，HRT對出水pH波動較大，并且隨著HRT的減少而增加，堿度消耗量隨著HRT的減少而降低. 進(jìn)水ClO4-濃度為194 mg·L-1，當(dāng)HRT由12 h減少到4 h時，堿度(以CaCO3計)消耗由450 mg·L-1減少到300 mg·L-1. Sahinkaya等研究表明硫自養(yǎng)降解過程中會有硫歧化的發(fā)生，該反應(yīng)是一個產(chǎn)酸的反應(yīng). 在缺溶解氧、 缺少電子受體的條件下，會發(fā)生硫歧化反應(yīng)，增加上升流速，抑制了硫歧化菌的增長，縮短了硫歧化的反應(yīng)時間，即減少了硫歧化反應(yīng)的發(fā)生，同時減少了酸的產(chǎn)生量，也減少了堿度消耗. 結(jié)果表明，堿度消耗量隨進(jìn)水ClO4-濃度的增加而增加，隨HRT的減少而減少.

圖 3 硫自養(yǎng)反應(yīng)器中pH及堿度的變化

　　2.3 硫自養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)ORP的變化

　　ORP的變化與反應(yīng)器體系內(nèi)的反應(yīng)相關(guān)，所以通過檢測反應(yīng)器內(nèi)不同位置的ORP能夠間接地反映反應(yīng)器不同位置所發(fā)生的反應(yīng)[25]. 通過檢測不同位置ORP、 出水SO42-和ClO4-濃度的變化，來表征反應(yīng)器內(nèi)不同位置主反應(yīng)的變化，同時對反應(yīng)器的不同位置進(jìn)行菌群結(jié)構(gòu)分析.

　　如圖 4所示，反應(yīng)器下部(距反應(yīng)器底部60 mm)，在運(yùn)行第10 d的時候基本穩(wěn)定在-380 mV，并且隨進(jìn)水ClO4-濃度的變化并沒有太大變化，但當(dāng)HRT為9 h和4 h時，ORP分別為-360 mV和-330 mV. 溶解氧的減少會導(dǎo)致ORP的降低，減少HRT即增加進(jìn)水流速，導(dǎo)致進(jìn)水溶解氧的消耗減慢，從而使ORP增加. 反應(yīng)器上部(距反應(yīng)器底部300 mm)的ORP隨著馴化時間的增加，由反應(yīng)器最開始的-370 mV增加到-260 mV，由此可得，反應(yīng)器上部發(fā)生的主體反應(yīng)在發(fā)生變化，同時反應(yīng)器下部和反應(yīng)器上部的菌群結(jié)構(gòu)在發(fā)生變化.

圖 4 硫自養(yǎng)反應(yīng)器中ORP的變化

　　如圖 5所示，在反應(yīng)器的不同出水高度進(jìn)行取樣測定，在前4個階段中，ClO4-在距反應(yīng)器底部300 mm的高度時就已經(jīng)降解完全，且在距反應(yīng)器底部390 mm的高度中SO42-的產(chǎn)生量并不會隨著ClO4-已經(jīng)降解完全而減少，說明在反應(yīng)器的上部發(fā)生的是其他的副反應(yīng)如硫歧化反應(yīng). 為了進(jìn)一步分析硫自養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)不同位置發(fā)生的不同反應(yīng)，從反應(yīng)器上部和下部中分別采樣進(jìn)行菌群結(jié)構(gòu)分析，如圖 6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了屬水平菌群分布隨反應(yīng)器高度的變化，反應(yīng)器下部與反應(yīng)器上部的優(yōu)勢菌群均為Sulfurovum，所占比例分別為57.78%和32.19%，但反應(yīng)器上部Hydrogenophilaceae的比例為22.24%，而反應(yīng)器下部Hydrogenophilaceae的比例僅為4.35%. Gao等得出Sulfurovum為硫氧化菌可以將硫氧化成SO42-，同時將ClO4-還原成無毒無害的Cl-. Hydrogenophilaceae為一種嗜氫菌，分析可能是由于反應(yīng)器內(nèi)存在硫歧化反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生硫化氫，而反應(yīng)器下部的比例要小于反應(yīng)器上部的比例，所以反應(yīng)器內(nèi)下部主要是硫的氧化及ClO4-的降解，而反應(yīng)器上部主要的反應(yīng)體系為硫氧化及硫化氫的氧化.具體參見污水寶商城資料或http://szhmdq.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖 5 高氯酸鹽及硫酸鹽濃度隨反應(yīng)器出水高度的變化

圖 6 屬水平菌群分布隨反應(yīng)器高度的變化

　　3 結(jié)論

　　(1) SO42-理論產(chǎn)生的量與實(shí)際產(chǎn)生的量的比值，由第Ⅰ階段的0.2最終增加到第Ⅵ階段的0.8，說明硫自養(yǎng)降解ClO4-過程中硫的利用率會隨著ClO4-的進(jìn)水濃度增加及HRT的減少而增加.

　　(2) 進(jìn)水pH值與堿度(以CaCO3計)分別穩(wěn)定在8.0左右和500 mg·L-1，而出水pH值與堿度(以CaCO3計)分別為6.7和100 mg·L-1，說明硫自養(yǎng)降解ClO4-的過程是一個產(chǎn)酸耗堿的過程，同時堿度消耗隨進(jìn)水ClO4-濃度的增而增加，隨HRT減少而減少.

　　(3) 硫自養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)隨高度的變化而變化，硫氧化菌Sulfurovum在反應(yīng)器下部與上部的比例分別為57.78%與32.19%，硫化氫氧化菌Hydrogenophilaceae在反應(yīng)器下部與上部的比例分別為4.35%與22.24%.