环境科学  2017, Vol. 38 Issue (1): 247-252   PDF    
引用本文
张超, 陶华强, 宋圆圆, 逯彩彩, 郭延凯, 廉静, 郭建博. 硫自养填充床反应器降解水中高浓度高氯酸盐的特性及菌群分析[J]. 环境科学, 2017, 38(1): 247-252.
ZHANG Chao, TAO Hua-qiang, SONG Yuan-yuan, LU Cai-cai, GUO Yan-kai, LIAN Jing, GUO Jian-bo. Characteristics of Perchlorate Reduction and Analysis of Consortium Structure in a Sulfur-Based Reactor at a High Perchlorate Concentration[J]. Environmental Science, 2017, 38(1): 247-252.
硫自养填充床反应器降解水中高浓度高氯酸盐的特性及菌群分析
张超1 , 陶华强2 , 宋圆圆2 , 逯彩彩2 , 郭延凯1 , 廉静1 , 郭建博2     
1. 河北科技大学环境科学与工程学院, 河北省污染防治生物技术实验室, 石家庄 050018;
2. 天津城建大学环境与市政工程学院, 天津市水质科学与技术重点实验室, 天津 300384
收稿日期: 2016-07-02; 修订日期: 2016-08-18
基金项目: 河北省应用基础研究计划项目（12966739D）；河北省杰出青年基金项目（E2012208012）；河北省高校百名优秀创新人才支持计划项目（BR2-211）；国家自然科学基金项目（51678387）
作者简介: 张超(1990~),男,硕士研究生,主要研究方向为水处理理论与技术,E-mail:15690327278@163.com
通讯联系人, 郭建博,E-mail:jianbguo@163.com
摘要: 采用硫自养填充床反应器处理模拟高浓度高氯酸盐（ClO4-）污染水，考察不同进水ClO4-浓度及水力停留时间（HRT）下的ClO4-降解特性.结果表明，HRT为12 h时，进水ClO4-浓度由50 mg·L-1增加到194 mg·L-1时，ClO4-能被完全降解；进水ClO4-浓度为194 mg·L-1时，HRT由12 h减少至4 h时，ClO4-去除率仅为74%；SO42-的产量随着进水ClO4-浓度与HRT的增加而增加；进水pH和碱度（以CaCO3计）分别为8.0和500 mg·L-1，出水pH和碱度（以CaCO3计）分别为6.7和100 mg·L-1；反应器底部氧化还原电位（ORP）稳定在-380~-330 mV，反应器上部氧化还原电位（ORP）稳定在-300~-250 mV.分子生物学分析表明，反应器内的菌群结构随高度的变化而变化，硫氧化菌Sulfurovum随反应器高度的增加而减少，由底部57.78%减少到上部的32.19%，同时硫化氢氧化菌Hydrogenophilaceae随反应器高度的增加而增加，由底部4.35%增加到上部的22.24%.
关键词: 硫自养      高氯酸盐      水力停留时间(HRT)      氧化还原电位(ORP)      菌群分析     
Characteristics of Perchlorate Reduction and Analysis of Consortium Structure in a Sulfur-Based Reactor at a High Perchlorate Concentration
ZHANG Chao1 , TAO Hua-qiang2 , SONG Yuan-yuan2 , LU Cai-cai2 , GUO Yan-kai1 , LIAN Jing1 , GUO Jian-bo2     
1. Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, School of Environment Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China;
2. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology, School of Environmental and Municipal Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
Abstract: The effects of perchlorate concentration and hydraulic retention time (HRT) on perchlorate reduction characteristics were investigated in a sulfur-based perchlorate reduction reactor.The results showed that the perchlorate was completely removed at HRT of 12 h and the influent perchlorate concentration ranged from 50 mg·L-1 to 194 mg·L-1;The perchlorate removal efficiency was 74% at HRT of 4 h and the influent perchlorate concentration was 194 mg·L-1;The yield of sulfate was increased by increasing the influent perchlorate concentration and HRT;The influent pH and alkalinity was approximately 8.0 and 500 mg·L-1 CaCO3,and the effluent pH and alkalinity was approximately 6.7 and 100 mg·L-1 CaCO3,respectively;The oxidation reduction potential (ORP) ranged from -380 mV to -330 mV at the bottom of the reactor,however,ORP ranged from -300 mV to -250 mV at the top of the reactor;The molecular biological analysis showed that the microbial consortium structure was different along the flow path in the reactor,Sulfurovum which is known to oxidize sulfur was decreased from 57.78% to 32.19% and Hydrogenophilaceae which is known to oxidize hydrogen sulfide was increased from 4.35% to 22.24%.
Key words: sulfur autotrophic      perchlorate      hydraulic retention time (HRT)      oxidation reduction potential (ORP)      consortium structure analysis     

近些年，地表水和地下水中的高氯酸盐(ClO4-)污染已成为十分严峻的问题[1, 2]. ClO4-能抑制甲状腺对碘离子的吸收从而影响人体的健康[3, 4]，因此，ClO4-污染问题逐渐得到广泛关注. 由于ClO4-具有非挥发性、 强稳定性、 高溶解性等特点，一般的物理化学法很难将其彻底去除，并且耗资大[5~7]. 生物法因其较彻底，成本低，成为最受关注的处理ClO4-废水的方法之一[8, 9]. 生物法分为异养生物法和自养生物法，其中异养生物法以有机物为电子供体，污泥产量高，易造成二次污染； 而自养生物法以无机物作为电子供体，从而避免了这些问题[10, 12].

自养还原ClO4-所需电子供体通常是氢气、 还原态硫(S2-、 S0、 S2O32-)、 零价铁等无机物[13~18]，因硫颗粒微溶于水，具有来源广泛、 价格低廉等优点成为自养法降解ClO4-的研究热点[13, 15]. 硫自养还原ClO4-的理论反应如式(1)所示[15]:

(1)

微生物以硫颗粒作为电子供体，以ClO4-作为电子受体，最终将ClO4-完全转化为无毒无害的Cl-同时产生副产物SO42-[19, 20].

2007年Ju等[10]通过首次研究了硫颗粒作为电子供体自养还原ClO4-的可行性，同时分析了SO42-实际产量高于理论产量的原因是由于硫歧化的发生. 目前许多研究者都是利用硫自养反应器降解低浓度的ClO4-废水. 如2009年Gao等[21]利用硫自养反应器将ClO4-浓度为4~8 mg·L-1的废水降至0.05 mg·L-1以下. 2011年Boles等[16]利用硫自养反应器进行了中试规模的实验，将ClO4-浓度为12.6 mg·L-1的废水降至15 μg·L-1以下. 除此之外，利用硫自养反应器进行污染物如ClO4-、 NO3-等的降解时，最大的问题就是出水SO42-浓度过高[21, 22].

尽管近年来对于硫自养填充床反应器降解ClO4-的研究已逐渐成熟，但目前对于硫自养反应器处理高浓度ClO4-废水，和如何控制硫自养反应器出水SO42-过高的问题还没有很好的解决方案. 基于以上研究背景，本文以硫自养填充床反应器降解ClO4-为体系，通过改变进水ClO4-浓度和HRT，着重考察硫自养反应器去除ClO4-的效率、 SO42-的产率及反应过程中pH及碱度的消耗量，同时对反应器内菌群结构进行分析，进一步考察其降解ClO4-的规律，以期为该技术的实际应用提供参考.

1 材料与方法 1.1 实验装置

本实验所用硫自养ClO4-还原反应器为升流式固定床反应器，图 1为实验装置. 反应器内径为10 cm，有效高度为45 cm，材质为有机玻璃. 反应器内填充载体为硫单质和石英砂(V硫：V砂=2：1)，装填体积为3.6 L. 硫颗粒和石英砂粒径均为2~3 mm，反应器内孔隙率为0.4，反应器有4个不同高度的出水口，分别为出水口1(60 mm)，出水口2(180 mm)，出水口3(300 mm)，出水口4(390 mm)，菌群结构分析所取泥样分别来自取样口1(60 mm)和取样口3(300 mm).

图 1 实验装置示意 Fig. 1 Schematic of the experimental apparatus

1.2 实验材料

本实验采用的活性污泥取自石家庄市桥西污水处理厂的二次沉淀池，将污泥沉降半小时，取沉降后的污泥与按比例混匀的硫和石英砂混匀，直接填充至反应器内，测得此时的污泥量(以SS计)为8 g·L-1. 然后开始间歇式驯化挂膜7 d(先进水后停滞12 h，然后连续运行12 h，依次重复7 d)，开始连续进水. 采用人工模拟高浓度ClO4-地下水，反应器进水均用自来水配制，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(在不同阶段ClO4-的浓度由50 mg·L-1增加到194 mg·L-1)； 微量元素为1 mL·L-1. 微量元素培养基的组成: 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 运行条件

实验运行调控参数如表 1，前4个阶段水力停留时间(HRT)为12 h，ClO4-的浓度由50 mg·L-1依次增加到100、 150、 194 mg·L-1，然后ClO4-浓度稳定在194 mg·L-1，减少HRT分别为9 h和4 h，共分为6个阶段. 每个阶段内，定时监测进出水各离子浓度、 pH值和碱度等指标，待出水ClO4-浓度连续4 d去除率在96%以上，则改变条件开展下一阶段的实验.

表 1 运行调控参数 Table 1 Operation control parameters

1.4 分析方法

ClO4-、 SO42-、 Cl-、 S2-都用离子色谱(Dionex 1100)进行测定，所用分析柱为AS20(4 mm×250 mm)和保护柱AG20(4 mm×50 mm).采用梯度淋洗的方法，淋洗液为KOH，(0~10 min为15 mmol·L-1淋洗，10~21 min为40 mmol·L-1淋洗)，淋洗液流速1.0 mL·min-1，柱温 30℃. 反应器不同位置的菌群结构基于16S rDNA基因的V3-V4区DNA序列PCR扩增与高通量测序技术进行分析，其中测试的序列数分别为1361(反应器上部菌群结构)和1498(反应器下部菌群结构)(上海生工生物工程有限公司)； pH使用 PHS225C 型数字酸度计进行测定； 氧化还原电位(ORP)使用ORP计进行测定； 碱度采用标准方法进行测定[23].

2 结果与讨论 2.1 硫自养反应器高氯酸盐的去除及硫酸盐的产生

反应器在运行期间ClO4-的去除效果及SO42-的产生量如图 2所示. 反应器在运行的前4个阶段HRT为12 h，主要考察进水ClO4-的浓度分别为50、 100、 150和194 mg·L-1时对反应器降解ClO4-及生成SO42-的影响； 反应器运行的第Ⅳ、 Ⅴ、 Ⅵ 阶段主要考察在进水ClO4-浓度为194 mg·L-1时，HRT分别为12、 9、 4 h时反应器降解ClO4-及生成SO42-的影响.

图 2 硫自养反应器运行过程中高氯酸盐及硫酸盐的变化 Fig. 2 Perchlorate and sulfate concentration variations during operation of the sulfur-based reactor

反应器在运行的前5个阶段分别在第23、 33、 48、 58和85 d时ClO4-的去除率达到了100%； 第Ⅵ阶段，HRT减少为4 h，进水ClO4-浓度194 mg·L-1，ClO4-的去除率最终稳定在72%左右. 以上结果表明，在维持较长的HRT条件下，进水ClO4-的浓度增加至194 mg·L-1时，ClO4-的去除率并不会受太大影响，然而减少HRT，降低了ClO4-传递至生物膜内的时间，导致ClO4-的去除率受到了较大影响，所以传质是限制ClO4-降解速率的主要原因[10]. Sahinkaya等[22]研究表明较高的上升流速会限制硫的溶解从而影响了硫自养的降解效率.

随着进水ClO4-浓度的增加，SO42-的产生量也在增加，进水ClO4-浓度为194 mg·L-1时，由反应方程式(1)得对应的理论SO42-的量250 mg·L-1(国家饮用水标准)，而实际产生的SO42-的量高达500 mg·L-1. 万东锦等[24]的研究表明在缺溶解氧及缺少电子受体的条件下，硫颗粒上的歧化菌即会发生歧化反应. Ju等[10]通过序批式实验观察到了硫自养ClO4-还原过程中存在着硫歧化反应. 当进水ClO4-的浓度为194 mg·L-1，HRT由12 h减少到4 h时，由图 2可得，出水SO42-的量由500 mg·L-1减少到250 mg·L-1. 其原因可能是进水流速增加抑制了硫歧化细菌的生长，并且在较快的水力冲刷速度下减少了硫歧化的反应时间[10]. 同时由图 2可得理论产生SO42-的量与实际产生SO42-的量的比值随着进水ClO4-浓度的增加而增加，硫的利用率也在增加. 结果表明，增加进水ClO4-浓度及减少HRT都会提高硫的利用率，但当上升流速过快时，由于ClO4-的去除率低，对SO42-的产量影响较大.

2.2 pH和碱度的变化

如图 3所示，反应器的进水pH稳定在8.0左右，出水pH稳定在6.5~7.0之间，反应方程式(1)表明硫自养降解ClO4-是一个产酸的反应，1 mol的ClO4-产生2.66 mol氢质子. 在前4个阶段，碱度消耗随着进水ClO4-浓度的增加而增加，进水ClO4-浓度由50 mg·L-1增加到194 mg·L-1时对应的pH变化不大，并且稳定在6.7左右，同时碱度(以CaCO3计)消耗由200 mg·L-1增加到450 mg·L-1，在后3个阶段，HRT对出水pH波动较大，并且随着HRT的减少而增加，碱度消耗量随着HRT的减少而降低. 进水ClO4-浓度为194 mg·L-1，当HRT由12 h减少到4 h时，碱度(以CaCO3计)消耗由450 mg·L-1减少到300 mg·L-1. Sahinkaya等[22]研究表明硫自养降解过程中会有硫歧化的发生，该反应是一个产酸的反应. 在缺溶解氧、 缺少电子受体的条件下，会发生硫歧化反应，增加上升流速，抑制了硫歧化菌的增长，缩短了硫歧化的反应时间，即减少了硫歧化反应的发生，同时减少了酸的产生量，也减少了碱度消耗[8, 21]. 结果表明，碱度消耗量随进水ClO4-浓度的增加而增加，随HRT的减少而减少.

图 3 硫自养反应器中pH及碱度的变化 Fig. 3 Variations of pH and alkalinity in the sulfur-based reactor

2.3 硫自养反应器内ORP的变化

ORP的变化与反应器体系内的反应相关，所以通过检测反应器内不同位置的ORP能够间接地反映反应器不同位置所发生的反应[25]. 通过检测不同位置ORP、 出水SO42-和ClO4-浓度的变化，来表征反应器内不同位置主反应的变化，同时对反应器的不同位置进行菌群结构分析.

如图 4所示，反应器下部(距反应器底部60 mm)，在运行第10 d的时候基本稳定在-380 mV，并且随进水ClO4-浓度的变化并没有太大变化，但当HRT为9 h和4 h时，ORP分别为-360 mV和-330 mV. 溶解氧的减少会导致ORP的降低[26]，减少HRT即增加进水流速，导致进水溶解氧的消耗减慢，从而使ORP增加. 反应器上部(距反应器底部300 mm)的ORP随着驯化时间的增加，由反应器最开始的-370 mV增加到-260 mV，由此可得，反应器上部发生的主体反应在发生变化，同时反应器下部和反应器上部的菌群结构在发生变化.

图 4 硫自养反应器中ORP的变化 Fig. 4 Variations of ORP in the sulfur-based reactor

如图 5所示，在反应器的不同出水高度进行取样测定，在前4个阶段中，ClO4-在距反应器底部300 mm的高度时就已经降解完全，且在距反应器底部390 mm的高度中SO42-的产生量并不会随着ClO4-已经降解完全而减少，说明在反应器的上部发生的是其他的副反应如硫歧化反应[16]. 为了进一步分析硫自养反应器内不同位置发生的不同反应，从反应器上部和下部中分别采样进行菌群结构分析，如图 6所示，实验结果展示了属水平菌群分布随反应器高度的变化，反应器下部与反应器上部的优势菌群均为Sulfurovum，所占比例分别为57.78%和32.19%，但反应器上部Hydrogenophilaceae的比例为22.24%，而反应器下部Hydrogenophilaceae的比例仅为4.35%. Gao等[21]得出Sulfurovum为硫氧化菌可以将硫氧化成SO42-，同时将ClO4-还原成无毒无害的Cl-. Hydrogenophilaceae为一种嗜氢菌，分析可能是由于反应器内存在硫歧化反应进而产生硫化氢，而反应器下部的比例要小于反应器上部的比例，所以反应器内下部主要是硫的氧化及ClO4-的降解，而反应器上部主要的反应体系为硫氧化及硫化氢的氧化.

图 5 高氯酸盐及硫酸盐浓度随反应器出水高度的变化 Fig. 5 Variations of perchlorate and sulfate concentrations along the flow path in the reactor

图 6 属水平菌群分布随反应器高度的变化 Fig. 6 Variation of microbial flora by genus along the flow path in the reactor

3 结论

(1) SO42-理论产生的量与实际产生的量的比值，由第Ⅰ阶段的0.2最终增加到第Ⅵ阶段的0.8，说明硫自养降解ClO4-过程中硫的利用率会随着ClO4-的进水浓度增加及HRT的减少而增加.

(2) 进水pH值与碱度(以CaCO3计)分别稳定在8.0左右和500 mg·L-1，而出水pH值与碱度(以CaCO3计)分别为6.7和100 mg·L-1，说明硫自养降解ClO4-的过程是一个产酸耗碱的过程，同时碱度消耗随进水ClO4-浓度的增而增加，随HRT减少而减少.

(3) 硫自养反应器内的菌群结构随高度的变化而变化，硫氧化菌Sulfurovum在反应器下部与上部的比例分别为57.78%与32.19%，硫化氢氧化菌Hydrogenophilaceae在反应器下部与上部的比例分别为4.35%与22.24%.

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