随着工业化的发展, 高氯酸盐(ClO₄^-)作为一种普遍存在的污染物被广泛关注. ClO₄^-是一种无机小分子, 在水体环境中常以化合物的形式存在.由于ClO₄^-的非挥发性和强稳定性的特点, 使得其很难被完全去除^[1].目前ClO₄^-的去除方法主要包括物化法^{[2, 3]}和生物法^[4].其中生物法由于成本低廉, 安全经济有效等优点被广泛地研究^{[5, 6]}.生物法主要包括以有机物作为电子供体的异养生物还原法和以氢、硫、零价铁等无机物作为电子供体的自养生物还原法^{[7, 8]}.以乙酸作为电子供体的异养ClO₄^-生物还原和以硫作为电子供体的自养ClO₄^-生物还原的计量方程如式(1)和(2)所示^{[9, 10]}：

(1)

(2)

根据方程式(1)可知微生物利用乙酸作为电子供体还原ClO₄^-是产生碱度的过程.根据方程式(2)可知微生物可以利用硫单质与ClO₄^-产生硫酸盐(SO₄^2-)和氯离子, 此过程是一个消耗碱度的过程.异养ClO₄^-生物还原需要有机物作为碳源^[11][如式(1)], 同时存在碱度和污泥产量过多的问题^[12], 这在高浓度ClO₄^-去除中, 将成为尤为突出的问题.自养ClO₄^-生物还原是以硫作为电子供体[如式(2)], 无需外加碳源, 可以有效地控制污泥产量^[13], 但其处理ClO₄^-浓度较低, 且在ClO₄^-去除过程中需要消耗大量的碱度并产生较高浓度的SO₄^2-[14].因此, 结合两种工艺的优缺点, 将两种工艺结合可以有效地避免碳源的过量投加和污泥的过量产出, 平衡出水碱度同时减少出水SO₄^2-浓度.

本实验结合了异养还原ClO₄^-的高效性及硫自养还原ClO₄^-的经济性的优点, 开展了异养-硫自养去除ClO₄^-的研究.通过调控进水ClO₄^-浓度与C/Cl值, 考察了异养-硫自养反应器的启动方式, 对运行过程中ClO₄^-去除效率、SO₄^2-产量及出水溶解性有机物、生物量变化方面进行分析, 进一步考察其降解ClO₄^-的规律, 以期为实际废水的应用提供参考.

1 材料与方法 1.1 实验装置

本实验采用升流式固定床反应器, 材质为有机玻璃, 其内径为10 cm, 高度为40 cm, 体积为4.8 L, 实验装置如图 1所示, 中间有圆形透水孔板分隔成上下两个隔室, 反应器下部为异养ClO₄^-还原室, 体积为2.8 L, 内部接种污泥1.5 L.上部为硫自养ClO₄^-还原室, 其内部装填有2 L硫和石英砂混合填料, 硫和石英砂体积比例为2：1, 粒径均为2~3 mm, 孔隙率为(40±1.5)%, 有效体积为0.8 L.

1.2 接种污泥和废水水质特征

接种污泥取自于天津市某污水厂的二沉池回流污泥, 经2 h沉淀后取1.5 L加入异养ClO₄^-还原室, 接种污泥VSS为5.25 g·L^-1.硫自养ClO₄^-还原室不接种污泥, 但是在运行过程中自养区会逐渐挂膜形成生物膜.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; CH₃COONa, 0.08~0.39 g·L^-1; NH₄Cl, 0.15 g·L^-1; NaClO₄·H₂O, 0.07~0.56 g·L^-1; CaCl₂, 0.01 g·L^-1.微量元素的配方参考文献[15].

1.3 运行条件

反应器的运行分为3个时期包括：驯化期、浓度提升期、SO₄^2-控制期.运行参数如表 1所示, 分为6个运行阶段共运行121 d.第Ⅰ~Ⅱ阶段为驯化期, 其中Ⅰ阶段为异养ClO₄^-还原室的驯化期, 进水C/Cl为2(CH₃COO^-/ClO₄^-的摩尔比), 第Ⅱ阶段为硫自养ClO₄^-还原室的驯化期, 进水C/Cl变为1;第Ⅲ~Ⅴ阶段为浓度提升期, ClO₄^-浓度由300 mg·L^-1提升至400 mg·L^-1, 每个阶段提升50 mg·L^-1, 考察反应器随着ClO₄^-浓度的提升, 反应器的运行状况及出水指标的变化规律; 第Ⅵ阶段为SO₄^2-控制期, 调节C/Cl比为1.2, 以减少进入自养区的ClO₄^-浓度, 进而控制SO₄^2-的出水浓度, 使得反应器的出水SO₄^2-浓度低于国家饮用水标准的250 mg·L^-1.反应器运行的每个阶段, 均待ClO₄^-去除率连续5 d稳定在95%以上时, 改变进水条件进入下一阶段.

1.4 分析方法

本实验中的每个周期定时检测各离子浓度、碱度等出水指标. ClO₄^-、SO₄^2-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, 碱度利用酸碱指示剂滴定法测定. TOC测定采用TOC测定仪(日本岛津TOC-VWP).三维荧光检测采用三维荧光光度计，进一步采用Matlab软件对三维荧光图进行平行因子的分析.生物量的测定采用重量法.

2 结果与讨论 2.1 反应器对高氯酸盐去除效能

ClO₄^-的去除效果如图 2所示.第Ⅰ阶段, 为了加快异养ClO₄^-还原室(异养区)的驯化速度, 进水C/Cl为2, ClO₄^-的浓度由50 mg·L^-1逐步增至250 mg·L^-1.异养区出水ClO₄^-偶有检出, 表明ClO₄^-绝大部分是由异养反应去除, 此时碳源充足.运行至18 d, ClO₄^-的去除效果稳定在95%以上, 异养区驯化成功.第Ⅱ阶段, 进水C/Cl降为1以启动自养ClO₄^-还原室(自养区).异养区出水ClO₄^-浓度提升至90 mg·L^-1, 且在初期19~24 d时自养区和异养区的出水ClO₄^-浓度无差, 表明此时自养ClO₄^-还原的活性较差.自25 d开始, 自养区出水ClO₄^-浓度开始逐渐减少, 自养高氯酸盐还原菌的活性在不断增强, 运行至36 d时出水ClO₄^-浓度降至1.5 mg·L^-1, 反应器的ClO₄^-去除率达到99%, 自养区驯化成功.第Ⅲ~Ⅴ阶段, ClO₄^-的进水浓度由300 mg·L^-1增至400 mg·L^-1, 探究高浓度进水ClO₄^-条件下反应器运行状况.第Ⅴ阶段提升至最大, 高氯酸盐浓度为400 mg·L^-1, 异养区ClO₄^-出水为(150±20) mg·L^-1, 自养区ClO₄^-出水基本为0, 说明反应器运行稳定, 可以抵抗高负荷ClO₄^-的冲击.第Ⅵ阶段, 为了确保自养区SO₄^2-浓度在国家标准范围内, 改变C/Cl为1.2, 异养区ClO₄^-的出水浓度降至(75±20) mg·L^-1, 减少了自养区的负荷, 反应器ClO₄^-去除率保持在95%以上.结果表明, 反应器通过调节进水C/Cl比值的方式, 经36 d完成异养-硫自养联合反应器的启动, 并且在高浓度ClO₄^-(400 mg·L^-1)条件下去除效果始终稳定在95%以上, 相比于Sahu等^[16]运行的单独硫自养填充床反应器, 去除的ClO₄^-浓度为21.5~22.4 mg·L^-1, 此法对高浓度ClO₄^-废水的去除更加有效稳定.

2.2 硫酸盐浓度变化及调控方法研究

反应器中硫自养区在去除ClO₄^-的过程中会产生副产物SO₄^2-.针对出水SO₄^2-浓度变化分析如图 3所示.第Ⅰ阶段, 自养区的出水SO₄^2-逐渐地升高, 此时自养区基本无ClO₄^-去除, 且出水中检测到SO₄^2-的产生, 这与万东锦等^[17]在缺少电子供体的条件下, 硫颗粒表面的歧化菌会发生硫歧化反应, 导致出水SO₄^2-浓度增高结果保持一致.第Ⅱ阶段, 调整C/Cl为1, 自养区处在驯化阶段, 硫自养还原菌活性逐渐增加, 使得反应生成SO₄^2-的浓度持续增加至250 mg·L^-1左右.第Ⅲ~Ⅴ阶段, 随着ClO₄^-进水浓度的增加, 出水的SO₄^2-浓度增加至300 mg·L^-1左右, 但是出水SO₄^2-的浓度超过了国家饮用水标准的250 mg·L^-1.因此, 在第Ⅵ阶段调整C/Cl至1.2, 增加异养区去除ClO₄^-的能力, 进而减少了自养区的负荷, 以控制自养区的SO₄^2-出水浓度.持续运行19 d后, 出水SO₄^2-波动范围在(220±20) mg·L^-1.

如图 3所示, 理论值(A)是根据方程式(2)计算得出的硫自养去除自养区进水ClO₄^-所产生的理论SO₄^2-浓度.理论值(A)在整个运行阶段明显地低于出水的SO₄^2-浓度, 且随着进水ClO₄^-浓度的增加差值不断减小, 表明硫歧化反应持续存在且高浓度的ClO₄^-抑制硫歧化作用, 这与张超等^[18]关于增加进水ClO₄^-浓度及减少HRT都会提高硫利用率的研究结果一致.理论值(B)是根据方程式(2)计算, 进水ClO₄^-在单独进行硫自养反应时对应的SO₄^2-浓度.理论值(B)比较出水SO₄^2-浓度一直较高, 表明异养-硫自养联合去除ClO₄^-相比于单独的硫自养反应, 很大程度上减少出水SO₄^2-浓度.因此, 异养-硫自养联合工艺相比于单独的异养工艺节省了碳源的投加, 而相比单独的自养工艺可以有效地控制出水SO₄^2-浓度.由此说明异养-硫自养结合去除ClO₄^-工艺具有经济性和安全性.

2.3 溶解性有机物及三维荧光变化特性

在处理高浓度的ClO₄^-废水过程中, 出水有机物的变化是一个需要关注的指标^[19].在浓度提升期, 待每个阶段反应器运行稳定后取一定量的出水混匀, 对其溶解性有机物进行测定分析, 如图 4所示.其中, 总碳(TC)为有机碳(TOC)与无机碳(IC)之和.结果表明：①异养区与自养区的出水TC浓度都是增加的趋势, 这是由于进水有机物的不断增加, 使得出水的TC增加. ②异养区的IC浓度远高于自养区, 这是由于异养ClO₄^-还原反应产生CO₂, 使得出水IC升高, 而后CO₂进入自养区作为无机碳源被自养微生物所利用, 使得自养区出水IC下降. ③自养区的TOC出水浓度高于异养区, 且出水乙酸钠(TOC)浓度一直较低, 可能是由于溶解性有机物的影响^[20].

生物污水处理中溶解性的有机物(TOC)的主要成分是溶解性的微生物产物(SMP)^{[21, 22]}.根据董春娟等^[23]的研究结果, 微生物的生长代谢、饥饿刺激以及环境中基质缺乏都会产生SMP.自养区出水TOC较高的原因可能是由于：异养区在有机物缺少的情况下, 饥饿刺激会分泌大量SMP, 但其分泌的SMP不会被异养微生物完全去除, 继而剩余部分SMP进入自养区, 自养微生物对这些SMP去除量较少, 并且生长代谢也会分泌部分SMP从而使得出水TOC浓度进一步增高.为了验证这个推测, 进一步对不同时期的出水有机物种类做了三维荧光的测定.如图 5所示, 自养区与异养区的荧光物质主要集中在3个区域(E_x/E_m, nm):200~230/300~350、250~300/300~350、250~350/380~500, 其主要成分为酪氨酸物质、色氨酸类物质、富里酸类物质和水溶性腐殖酸^[24].由图 5可以看出自养区色氨酸物质、酪氨酸物质的峰强度要高于异养区峰度.进一步采用Matlab软件对三维荧光图进行平行因子的分析, 分析结果如图 6所示, 发现异养区和自养区各阶段出水中富里酸和腐殖质类物质含量较低, 蛋白类的酪氨酸和色氨酸含量较多. 4种物质对应总含量均为自养区较高, 且主要是由于酪氨酸类和色氨酸类物质的差距造成的.其中, 蛋白、多糖、腐殖质等物质是SMP的主要成分^[25], 由此验证了细菌分泌SMP造成自养区出水TOC较异养区偏高的推测.

2.4 碱度变化分析

在反应器去除ClO₄^-的过程中, 碱度(以CaCO₃计)也随之变化，如图 7所示.本研究以CH₃COONa为电子供体, 根据方程式(1)知, 以醋酸盐为电子供体的异养ClO₄^-反应降解1 mol ClO₄^-需要消耗1 mol H⁺, 从而产生碱度.根据方程式(2)知, 硫自养反应去除1 mol ClO₄^-需要消耗碱度, 产生8/3 mol H⁺.第Ⅰ阶段, 进水ClO₄^-和有机物的浓度升高, 异养区的碱度随之升高; 自养区出水碱度相对异养区较小, 主要是由于硫歧化作用产生H⁺, 消耗部分碱度.第Ⅱ阶段, 进水碳源降低, 异养区出水碱度降低.此时, 自养区的碱度降低, 是由于自养区还原ClO₄^-的能力不断增强, 消耗了一部分异养区的碱度.第Ⅲ~Ⅴ阶段, 进水有机物负荷增加, 异养区产碱能力增加.自养区ClO₄^-还原菌的活性增加, 并且能够持续地消耗异养区的碱度, 使出水碱度稳定在40 mg·L^-1左右.第Ⅵ阶段, 增加异养区碳源浓度, 自养区的ClO₄^-负荷降低造成消耗碱度能力降低, 使碱度上升, 最终出水碱度稳定在(80±10) mg·L^-1.运行期间, 反应器通过改变进水碳源浓度, 实现了对出水碱度的调控; 通过异养区和自养区功能上的“互补”, 避免了碳酸盐碱度的投加, 从而节省了运行成本.

2.5 生物量变化分析

对反应器自养区和异养区运行过程中的生物量的变化进行监测, 结果如图 8所示.异养区在运行初期至13 d(第Ⅰ阶段)时, 反应器生物量(VSS)下降, 这主要是由于水流的冲刷和ClO₄^-废水的筛选造成细菌的流失, 使得VSS减少; 随后运行至49 d(第Ⅱ阶段), 由于C/Cl降为1, 异养区碳源不足, 限制了微生物的增殖, 使得微生物量维持在比较稳定的状态, 并使得SS不断增加; 第Ⅲ~Ⅵ阶段, 由于进水碳源的增加, 异养区生物量在缓慢提升, 最终VSS达到7.19 g·L^-1.异养区在运行期间由于碳源的不足, 使得其生物量增速较慢, 污泥产量也相应较少.

由于自养区没有进行污泥接种, 所以起初VSS为0.随后运行至17 d(第Ⅰ阶段), 由于异养区中的污泥随水流进入自养区被填料截留, 使得自养区VSS初步上升, 但由于其为异养区淘汰污泥活性较差, 使得SS值较高生物占比较少, 且其存在形态为污泥形态.随后进入自养区启动阶段, 自养区VSS迅速增加, 且SS所占比重在不断减小.运行至120 d(第Ⅵ阶段), 自养区填料上生成许多黄褐色生物膜, 自养区VSS达到9.73 g·L^-1, VSS占比达到69.8%, 生物膜增长较快, 使得自养区高氯酸盐还原菌保持较高的活性.

3 结论

(1) 在“异养-硫自养”组合工艺中, 通过控制进水C/Cl为2(碳源足量)启动异养区, 随后, 降低进水C/Cl至1(碳源不足)以启动硫自养区, 可以在36 d成功启动“异养-硫自养”组合工艺.

(2) 当C/Cl=1.2、HRT=9 h时, “异养-硫自养”组合工艺的运行效果最佳.此时, 反应器对400 mg·L^-1的高浓度ClO₄^-去除效果始终稳定在95%以上, 并有效地控制出水SO₄^2-浓度低于国家标准的250 mg·L^-1.

(3) 反应器异养区产生的碱度可被自养区利用, 从而现实了功能上的“互补”, 避免了额外碱度的投加.运行期间, 异养区生物量增速缓慢, 实现了污泥的减量化; 自养区生物挂膜效果较好, 并且有很强的处理性能.