近年来, 地表水和地下水中高氯酸盐(ClO₄^-)的污染引起人们的关注^[1].有研究发现^[2], 在军工企业、火箭推进剂制造厂附近的地下水ClO₄^-浓度达160~3 000 mg ·L^-1; Gu等^[3]发现离子交换法所产生的盐卤水中, ClO₄^-浓度高达500~60 000 mg ·L^-1. ClO₄^-可降低人体甲状腺激素的分泌, 影响人体的生长发育^[4].常见ClO₄^-的去除方法主要包括：吸附法、离子交换法、化学还原法、生物法^[5~7].相比于传统物理和化学方法, 生物法因其高效环保、低成本成为了最具有潜力的ClO₄^-去除方法^{[8, 9]}.生物法包括异养生物法和自养生物法：异养生物法是以有机物作为电子供体, 该方法污泥产量高, 出水有机物易造成二次污染^[10];自养生物法所需电子供体为硫、氢气等无机物^[11], 硫自养生物法因其成本较低, 无二次污染, 环境友好, 安全高效等优点受到研究者的广泛关注.

硫自养去除ClO₄^-的计量方程式如(1)所示^[12~14]：

(1)

(2)

根据式(1)可知微生物以硫单质作为电子供体, ClO₄^-作为电子受体, 将ClO₄^-还原产生Cl^-, 同时产生SO₄^2-并生成H^+[14].此外, 硫自养填充床反应器中还存在着单质硫的歧化反应, 也增加了SO₄^2-和H⁺的产生[如式(2)].

2007年Ju等^[13]比较了不同无机电子供体去除ClO₄^-的能力, 发现硫驯化的细菌去除ClO₄^-的速率最快, 并证实了硫歧化反应的发生导致出水SO₄^2-浓度过高的问题; 2015年Gao等^[14]通过运行硫自养-电化学氢自养反应器同时去除ClO₄^-和NO₃^-, 将10 mg ·L^-1的ClO₄^-去除至1 mg ·L^-1以下; 2015年万东锦等^[15]运行硫自养填充床反应器, 在HRT为1 h时, 将21.50~22.40 mg ·L^-1的ClO₄^-去除99.3%以上.然而, 这些研究仅限于对小于50 mg ·L^-1的低浓度ClO₄^-的去除, 并且都存在着硫歧化反应导致出水SO₄^2-过高的问题.

针对上述问题, 结合硫自养生物法的优点, 展开对硫自养生物法去除高浓度ClO₄^-的研究非常有必要.在硫自养填充床中相比传统的石灰石填料, 石英砂填料具有出水硬度较低的优点^[16].基于以上背景：以硫自养填充反应器去除高浓度ClO₄^-, 通过控制硫和石英砂填充比, 改变进水ClO₄^-浓度和HRT等条件, 以考察各反应器去除ClO₄^-的最高浓度及其动力学, 并考察研究了反应器的最佳填料比及运行条件, 使其在保证ClO₄^-完全去除的前提下减少SO₄^2-产量.

1 材料与方法 1.1 实验装置

本实验采用3个内径均为10 cm、高度为40 cm的升流式固定床反应器.实验装置如图 1所示. 3个反应器均填有2.5 L的硫和石英砂的混合填料, 填充高度均为32 cm, 硫、石英砂的粒径均为2~3 mm.硫和石英砂体积比分别为2 :1(R1)、1 :1(R2)、1 :2(R3), 孔隙率为(40±1.5)%.根据计量方程式(1)进行物料衡算(HRT为3.2 h, 进水ClO₄^-为250 mg ·L^-1), R1、R2、R3的硫颗粒填料可分别使用3.5、5.2、7.0 a, 可根据运行时间适量补充.

1.2 接种污泥及进水配方

每个反应器接种200 mL经硫颗粒驯化120 d后的自养高氯酸盐污泥, 接种污泥VSS为11.71 g ·L^-1.取接种污泥与硫和石英砂均匀混合, 而后加入反应器中.实验所用ClO₄^-废水采用自来水人工配置, 其主要成分为：K₂HPO₄ ·3H₂O, 0.125 g ·L^-1; NaHCO₃ ·H₂O, 1.00 g ·L^-1; NH₄Cl, 0.150 g ·L^-1; NaClO₄ ·H₂O, 0.071~0.494 g ·L^-1(进水ClO₄^-由50~350 mg ·L^-1变化); 微量元素的投加和张超等^[12]的研究一致.

1.3 运行条件

反应器的运行参数如表 1所示, 共分为10个运行阶段, 共运行117 d.第Ⅰ阶段为启动期, 采用间歇式进水(进水12 h, 然后停止进水12 h, 依次重复)的方式培养生物膜7 d, 而后变成连续进水运行至反应器启动成功; 第Ⅱ~Ⅷ阶段为浓度提升阶段, 考察反应器所能去除的最大ClO₄^-浓度及不同浓度下的去除效果, HRT为3.2 h, ClO₄^-浓度由50 mg ·L^-1提升至350 mg ·L^-1, 每个阶段提升50 mg ·L^-1, 待ClO₄^-去除效果连续5 d稳定之后, 则提升进水浓度; 第Ⅸ阶段为稳定阶段, 在高浓度ClO₄^-冲击后恢复反应器生物活性, 维持HRT为3.2 h, 进水ClO₄^-浓度降为194 mg ·L^-1; 第Ⅹ阶段考察反应器ClO₄^-去除的动力学, 进水ClO₄^-浓度保持194 mg ·L^-1, HRT每次降低0.2 h, 由2.4 h降至1.2 h. R1、R2、R3均放置在(30±2.0)℃的保温间内运行.

1.4 分析方法

每个周期定时检测各离子浓度、碱度、pH等出水指标, 以及生物膜生物量(VSS)和EPS等. ClO₄^-、SO₄^2-、Cl^-的检测采用离子色谱仪(美国戴安ICS-1500)测定, 所有样品分析前均经10 000 r ·min^-1离心10 min, 然后经过0.22 μm微孔滤膜过滤.所用色谱柱为AS20(4 mm×250 mm)和保护柱AG20(4 mm×50 mm), 采用梯度淋洗, 淋洗液为KOH(0~10 min为15 mmol ·L^-1淋洗, 10~26 min为40 mmol ·L^-1淋洗), 淋洗液流速1.0 mL ·min^-1, 柱温为30℃. pH使用梅特勒~ME20进行测量, 碱度利用标准法进行滴定. VSS的测量是将生物膜从填料上振动脱落后, 利用标准法测定. EPS采用加热法进行提取, 蛋白质采用考马斯亮蓝法进行测定, 多糖采用蒽酮比色法进行测定^[17].

2 结果与讨论 2.1 高氯酸盐去除效果分析

ClO₄^-的去除效果如图 2所示.第Ⅰ阶段, 由于接种污泥具有较高的ClO₄^-去除率, 运行至第5 d, R1、R2、R3的出水ClO₄^-均低于检测限.第8~14 d改为连续进水, 出水ClO₄^-仍未被检出, 反应器启动成功.第Ⅱ至Ⅵ阶段, 进水ClO₄^-浓度由50 mg ·L^-1增加至250 mg ·L^-1, R1、R2、R3出水ClO₄^-稳定之后均未检出.第Ⅶ阶段, 进水ClO₄^-浓度为300 mg ·L^-1, R1、R2、R3对ClO₄^-的去除效果开始出现不同程度的恶化.第Ⅷ阶段, 继续提升进水ClO₄^-浓度至350 mg ·L^-1, 反应器去除效果继续恶化, R1、R2、R3的最低去除率分别为63%、45%、52%.运行至第Ⅸ阶段, R1、R2、R3保持HRT为3.2 h不变, 进水ClO₄^-由350 mg ·L^-1降至194 mg ·L^-1运行10 d以恢复生物膜活性.第Ⅹ阶段, 初始HRT为2.4 h, 每次降低0.2 h, 最终降至1.2 h, 考察不同反应时间下ClO₄^-去除的动力学.结果表明, R1、R2、R3的ClO₄^-去除率随着HRT的下降均出现了不同程度的下降. R1反应器在HRT≥2 h时, ClO₄^-去除率保持在97%以上, HRT进一步降低后, ClO₄^-去除率出现了较大幅度的下降, 最终降低至39%. R2、R3反应器在第Ⅹ阶段中, ClO₄^-去除率均低于80%、70%.

结果表明, R1、R2、R3对高浓度ClO₄^-耐受性良好, 当ClO₄^-低于250 mg ·L^-1时均能完全去除; 当浓度提升至300 mg ·L^-1及以上时, 反应器对ClO₄^-去除效果出现恶化, 此时生物膜的传质速率影响了ClO₄^-的去除效果^[12];当HRT≤2.4 h时, 随着HRT的减小, 上升流速增加, 减少了ClO₄^-进入生物膜的时间并限制了硫的溶解^[18], 导致ClO₄^-去除率不断下降.整个过程中R1反应器去除率最高, R2、R3依次减小, 主要由于R1硫含量最高, 可提供电子供体最多.本实验与相关研究的运行条件和ClO₄^-去除负荷的对比如表 2所示.在保证ClO₄^-去除率高于95%的情况下, R1反应器在第Ⅶ阶段, 达到最大去除负荷为2.18 kg ·(m³ ·d)^-1, 高于其他研究.

2.2 动力学研究

在实际应用中, 污染物去除的动力学研究是一个关键因素, 有相关研究利用零级和半级动力学模型对硫自养填充床去除NO₃^-和ClO₄^-进行研究^{[20, 22]}.零级动力学模型和半级动力学模型的公式如下^[22]：

(3)

(4)

式中, c为出水ClO₄^-浓度(mg ·L^-1); c₀为进水ClO₄^-浓度(mg ·L^-1); t为反应时间(h), 本实验利用第Ⅹ阶段的HRT作为反应时间; K_0v、1/2K_1/2v为零级反应和半级反应的反应速率常数[mg ·(L ·h)^-1、mg^1/2 ·(L^1/2 ·h)^-1].

R1、R2、R3的零级和半级动力学分析如图 3所示, R1、R2、R3的零级反应的相关系数(R²)分别为0.778 9、0.965 9、0.971 8, 反应速率常数K_0v分别为90.067、105.972、78.681 mg ·(L ·h)^-1.半级反应的R²分别为0.918 3、0.976 5、0.965 2, 反应速率常数1/2K_1/2v分别为8.036、6.596、4.212 mg^1/2 ·(L^1/2 ·h)^-1.由R²值可知, ClO₄^-去除均符合半级动力学模型, 这主要由于R1、R2、R3在第Ⅹ阶段时HRT不断下降, 进水ClO₄^-负荷处于较高水平, 此时ClO₄^-不能穿透整个生物膜^[20].而R2、R3反应器的零级和半级动力学模型的R²较高且相近, 说明在第Ⅹ阶段, 零级和半级动力学模型均适用于R2、R3反应器. 1/2K_1/2v值表明ClO₄^-去除速率为R1最高, R2次之, R3最低, 这是由于硫含量不同导致ClO₄^-去除速率的差异, 硫含量越高的反应器速率越快.

2.3 出水SO₄^2-浓度变化分析

硫单质还原ClO₄^-的副产物为SO₄^2-, 硫歧化反应造成出水SO₄^2-浓度高于还原ClO₄^-所生成的SO₄^2-的理论值^{[14, 15]}.针对这种情况, 对反应器出水中SO₄^2-浓度的增加量和还原ClO₄^-生成SO₄^2-浓度的比值(n)进行计算, 以反映硫歧化反应的强度.

(5)

R1、R2、R3的进出水SO₄^2-及n值变化如图 4所示, 图 5为不同的HRT和进水ClO₄^-浓度下SO₄^2-平均出水浓度.由图 4可知, 进水SO₄^2-浓度为25~50 mg ·L^-1, R1、R2、R3出水SO₄^2-浓度随着进水ClO₄^-浓度和HRT的增加而增加. R1、R2、R3运行的过程中, n值呈现相同的变化趋势：在22 d之前(ClO₄^-浓度为50 mg ·L^-1时), n值呈现上升趋势, 其均值分别为3.37、3.29、3.16;随着进水ClO₄^-浓度的提升, n值不断减小, 在48 d后基本趋于稳定; 第Ⅹ阶段, n值波动较大, 但均小于2. Ju等^[13]的研究发现, 硫歧化反应在ClO₄^-去除至低浓度之后发生.本实验中n值随进水ClO₄^-浓度的增加而减小, 表明较高的ClO₄^-浓度可以抑制硫歧化反应, 这是由于：ClO₄^-浓度较低时, 在反应器底部就能完全去除, 上部发生硫歧化反应; ClO₄^-浓度较高时, 生物膜的传质速率有限, ClO₄^-不能在反应器底部完全去除, 在上部仍有剩余, 从而限制了硫歧化反应的进行并增加了硫的利用率. Gao等^[14]的研究发现, 随着HRT的减小, 硫歧化反应会减弱.万东锦等^[15]的研究发现, 当HRT由12 h降至8 h时, 硫歧化反应受到的抑制较为明显; HRT由8 h减小至1 h时, 硫歧化反应的变化并不显著.第Ⅴ阶段的HRT为3.2 h, R1出水SO₄^2-浓度高达473.2 mg ·L^-1.在第Ⅹ阶段, HRT为2.4 h时, R1出水SO₄^2-为380.3 mg ·L^-1.这两种工况下, 去除ClO₄^-的浓度相近, SO₄^2-产量相差较多, 证明HRT由3.2 h减至2.4 h时, 歧化反应受到明显的抑制.图 4中n值在第Ⅹ阶段中当HRT由2.4 h减至1.2 h的过程中变化并不明显, 这证明HRT由2.4 h继续减小对硫歧化反应的影响较小, 与万东锦等^[15]的研究相似.

图 5表明, R3平均出水SO₄^2-浓度均保持最低.进水ClO₄^-浓度在300 mg ·L^-1以下时(R1、R2、R3的ClO₄^-去除率相同), R3的SO₄^2-产量较低, 表明其硫歧化反应最弱.其他情况下, R3反应器ClO₄^-去除率最低, 是导致其出水SO₄^2-浓度最低的主要原因.

2.4 出水pH和碱度分析

R1、R2、R3的pH和碱度变化如图 6所示, 本实验进水的pH稳定在8.0左右, 进水碱度(以CaCO₃计)为(730±30) mg ·L^-1.根据计量学方程式(1)知, 每去除1 mol的ClO₄^-时会消耗碱度, 生成8/3 mol H^{+[12, 15]}. R1、R2、R3出水的pH在7 d之前由7.9逐渐降至7.0以下, 而后pH稳定在6~7之间.第Ⅱ至Ⅷ阶段, 出水pH和碱度都随着进水ClO₄^-浓度的增大而减小, 进水ClO₄^-浓度为350 mg ·L^-1时达到最低; 在第Ⅹ阶段, pH和出水碱度随着HRT的减小而逐渐增大, 这是由于ClO₄^-的去除量的减少, 导致反应器消耗碱度减少, 增大了pH.

在Ⅰ阶段, R1、R2、R3出水pH比较接近, 之后的Ⅱ~Ⅹ阶段中, R1的pH和碱度最低, R2次之, R3最高.表明当ClO₄^-去除率基本相同时(进水ClO₄^-浓度 < 300 mg ·L^-1时), R1的硫歧化反应最强, R3最弱; 当ClO₄^-去除率不一致时, R1、R2、R3去除ClO₄^-所产生的H⁺浓度不同, 导致出水pH和碱度出现差异.

2.5 生物膜的变化规律

R1、R2、R3底部和顶部VSS的变化如图 7所示, R1、R2、R3的顶部VSS在15 d时下降, 这是由于顶部的接种污泥受填料的过滤作用较弱, 被水流冲刷出反应器. R1、R2、R3在80 d后, 可明显观察到填料表面覆盖了黄褐色生物膜; 随后至94 d顶部VSS均在增长, 在94~117 d时出现下降.底部VSS的变化趋势和顶部基本一致.有研究发现^[23], 较低的水力剪切力有利于生物膜形成, 水力剪切力较高时不利于生物膜形成.文献[24]运行硫自养反硝化反应器, 发现提高氮负荷至一定程度时会导致生物膜脱落. VSS在94~117 d期间下降也是由于HRT的减少使得ClO₄^-负荷和水力剪切力不断增大造成的.

对R1、R2、R3顶部和底部VSS的比值对比发现, 随着进水ClO₄^-浓度的提升, 比值不断增大. R2、R3的顶部VSS增长比较快, 比值在60 d后稳定在1左右, 而R1顶部VSS一直较少, R2、R3的挂膜效果优于R1.这是由于R2、R3反应器硫颗粒比例较少, 在底部只能去除部分ClO₄^-, ClO₄^-在整个反应器中均匀去除, 使得生物膜均匀生长.由此表明, R2、R3对硫颗粒的利用率较高.

戚韩英等^[25]发现EPS可以增强细胞间架桥作用, 利于细胞聚集、成膜, 其在生物膜形成过程起作用的主要组分为多糖、蛋白.由表 3可知, R1、R2的EPS含量在60 d之前处于增长状态; 而R3在第40~60 d出现小幅度下降, 但也处于较高状态.与此相关, 反应器VSS在60 d之前增长速度较快.有研究表明较短的HRT不利于EPS的形成^[26], 在本研究中反应器在第Ⅹ阶段, R1、R2、R3所分泌的EPS随着HRT的减小出现不同程度的下降.

作为EPS的主要组成部分, 蛋白质具有疏水性, 而多糖具有亲水性.所以当蛋白质与多糖的比值(PN/PS)越高时, 细菌表面的疏水性越强^[27].有研究表明, 疏水性的增强可以降低细胞互相靠近的表面自由能, 增强细胞之间的相互作用力, 从而引发细胞聚集的现象, 加速生物膜的形成^[28].对反应器PN/PS值的检测发现：R1反应器的PN/PS值在60 d和94 d时均大于1, 在40~60 d、60~94 d时VSS的增速也达到最快; R2、R3的VSS的增长速度也随着对应时间内PN/PS值的变大而加快, 因此反应器的生物膜增长速度随PN/PS的变大而加快.

3 结论

(1) R1、R2、R3具有高效的ClO₄^-去除能力, R1去除ClO₄^-能力最强, 最大的ClO₄^-去除负荷为2.18 kg ·(m³ ·d)^-1, R1、R2、R3均适用于半级动力学, 且反应速率R1>R2>R3.

(2) 反应器SO₄^2-产量随进水ClO₄^-浓度和HRT的增加而增加, 提高进水ClO₄^-浓度、减小HRT均能抑制硫歧化反应. R3出水SO₄^2-相对较少, 硫歧化反应最弱.出水pH和碱度随进水ClO₄^-浓度和HRT的增大而减小, R3出水pH和碱度最高.

(3) R2、R3的顶部和底部的VSS之比接近1, 挂膜效果好, 对硫利用率高; EPS随着HRT的减小而减少, PN/PS越大时, 越有利于生物膜的增长.

(4) R1、R2、R3在进水ClO₄^-浓度为250 mg ·L^-1时可以完全去除.此时, HRT为3.2 h, 综合出水SO₄^2-、pH、碱度及挂膜效果：R3(硫和石英砂比例为1 :2)效果最好, 硫歧化反应相对最弱, SO₄^2-产量最少, 为479.7 mg ·L^-1.