廢水同步脫硫脫氮關(guān)鍵工藝研究

　　1 引言(Introduction)

　　近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，大量富含硫的廢水隨之產(chǎn)生.如煉油、制藥、制革、垃圾滲濾液等廢水，在厭氧處理過程中產(chǎn)生大量有毒含硫副產(chǎn)物.因這些含硫廢水對(duì)水體生物具有高毒性，對(duì)設(shè)備管道具有強(qiáng)腐蝕性，及易散發(fā)惡臭氣體H2S等因素，因此，必須在排放前進(jìn)行有效的脫硫處理.目前市場應(yīng)用的主要的脫硫方法是物理化學(xué)法，但反應(yīng)條件高、需要加入催化劑，而且還會(huì)腐蝕管道設(shè)備及產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn), 正嚴(yán)重限制它的使用.與傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法相比，生物法具有去除效率高，工藝設(shè)備簡單，管理維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低，二次污染少，可生成單質(zhì)硫回收礦質(zhì)資源等優(yōu)點(diǎn)，因而正逐漸成為研究熱門.生物脫硫法主要分為好氧脫硫和厭氧脫硫.好氧脫硫是利用O2作為電子受體，將硫化物氧化成單質(zhì)硫或硫酸鹽.但這種方法能耗高，反應(yīng)產(chǎn)物不易控制.厭氧脫硫主要是指利用NOx--N作為電子受體，將硫化物氧化成單質(zhì)硫或硫酸鹽.厭氧脫硫法反應(yīng)條件溫和，耗能少而且可以達(dá)到以廢治廢的目的，從而實(shí)現(xiàn)廢水脫硫、單質(zhì)硫的回收利用.而且NOx--N作為一種水體污染物來源廣泛，如氮肥廠廢水、廢水處理廠廢水和沼氣站廢水中.長期接觸受NOx--N污染的自來水將嚴(yán)重威脅人類的身體健康，特別是孕婦和嬰幼兒.它能引發(fā)胃癌，高鐵血紅蛋白癥和霍奇全淋巴癌等疾病.因此，將廢水脫硫、脫氮耦聯(lián)起來，以廢水中硫化物為電子供體，硝酸鹽為電子受體，同步實(shí)現(xiàn)廢水脫硫耦聯(lián)反硝化脫氮反應(yīng)(SDD)，實(shí)現(xiàn)污染治理的目的，為含硫含氮廢水治理提供了一個(gè)很好的思路.具體實(shí)現(xiàn)方式如方程(1)(2)所示.

　　實(shí)現(xiàn)SDD關(guān)鍵性因素包括溫度、pH值、填料、S/N比等.通過反應(yīng)方程式(1)、(2)可知，當(dāng)NO3-含量被限制時(shí)，S2-僅僅被氧化成S0.而當(dāng)NO3-含量充足時(shí)，S2-完全被氧化成SO42-.這意味著S/N摩爾比是控制副產(chǎn)物種類的關(guān)鍵性因素.填料作為微生物生存的載體，它能提高微生物與廢水有效接觸面，對(duì)SDD過程起著很重要的影響.而且，填料的經(jīng)濟(jì)性對(duì)控制工程成本也至關(guān)重要.因此，本文的研究重點(diǎn)主要是構(gòu)建SDD反應(yīng)器，并研究填料、進(jìn)水S/N摩爾比對(duì)SDD過程的影響.借助SEM掃描電鏡和16S rRNA高通量測序技術(shù)研究構(gòu)建的反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)特征.

　　2 材料與方法(Materials and methods) 2.1 反應(yīng)器的搭建

　　反應(yīng)器為自行設(shè)計(jì)的生物滴濾塔，4組反應(yīng)器結(jié)構(gòu)均相同，由有機(jī)玻璃加工而成.反應(yīng)器呈圓柱形，直徑120 mm，總高度1500 mm，填料層高度1200 mm，有效容積13.5 L.裝置設(shè)置在恒溫(28±2) ℃環(huán)境中.通過蠕動(dòng)泵(Longer Pump BT 300-2J)進(jìn)行水循環(huán)，循環(huán)液流量通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(LZB-10F)精密控制.排氣口通過水封進(jìn)行密封.實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示.

　　圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (1.排水口;2.止回閥;3.循環(huán)泵;4.玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì);5.篩板;6.排氣口;7.布液器;8.取樣口;9.檢測器;10.水封)

　　2.2 接種物及掛膜培養(yǎng)

　　接種物來源于市政廢水處理廠二沉池回流活性泥及沼氣池中沼液.掛膜前期將聚氨酯泡沫填料、多面空心球填料、鮑爾環(huán)填料分別放入含接種物和基礎(chǔ)培養(yǎng)基的厭氧容器中進(jìn)行預(yù)掛膜培養(yǎng)，恒溫(28±2) ℃.當(dāng)培養(yǎng)基中NO3--N去除80%時(shí)重新更換培養(yǎng)基，待NO3--N去除率穩(wěn)定，將經(jīng)掛膜培養(yǎng)的填料不規(guī)則放入實(shí)驗(yàn)組B、C、D反應(yīng)器中，加入8 L基礎(chǔ)培養(yǎng)基進(jìn)一步強(qiáng)化掛膜，強(qiáng)化掛膜期15~20 d.設(shè)置滴濾速0.3~0.5 L·min-1，維持室溫(28±2) ℃.

　　掛膜培養(yǎng)時(shí)使用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基成分g·L-1：Na2S2O3·5H2O 5，KNO3 4，KH2PO4 2，NaHCO3 1，MgCl2·6H2O 0.5，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.01，微量元素1 mL·L-1.用1 mol·L-1 NaOH溶液調(diào)pH至7.5.為更好的模擬實(shí)際處理情況，使用自來水定容至1 L.而進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)時(shí)使用Na2S·9H2O代替Na2S2O3·5H2O.其中微量元素濃縮液組成(g·L-1)：EDTA (0.5)，F(xiàn)eSO4·7H2O(0.2)，微量元素SL-6(100 mL).微量元素SL-6:ZnSO4·7H2O(0.1)，MnCl2·4H2O(0.03)，H3BO3(0.3)，CoCl2·6H2O(0.2)，CuCl2·2H2O(0.01)，NiCl2·6H2O(0.02)，Na2MoO4·H2O(0.03).2.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　本實(shí)驗(yàn)為序批式實(shí)驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組，共4組厭氧滴濾塔反應(yīng)器.實(shí)驗(yàn)以填料、進(jìn)水S/N摩爾比為變量，研究在不同填料、不同進(jìn)水S/N摩爾比條件下SDD完整過程.考慮S2-對(duì)微生物有一定毒害作用，實(shí)驗(yàn)選擇由低S2-濃度到高S2-濃度4個(gè)階段進(jìn)行培養(yǎng).當(dāng)每組S/N摩爾比實(shí)驗(yàn)完成后，泄空4組滴濾塔中廢水，泵入下一組S/N摩爾比廢水進(jìn)行重新實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測SDD過程中pH，ORP、S2-、SO42-、NO3--N和NO2--N離子濃度的變化.對(duì)照組填料在實(shí)驗(yàn)前取出并煮沸滅菌，以消除生物因素的干擾.具體實(shí)驗(yàn)安排見表 1.

　　表 1 實(shí)驗(yàn)安排

　　本實(shí)驗(yàn)根據(jù)填料選擇的一般原則(何堅(jiān)等, 2003)及相關(guān)研究成果，選出了比表面積大，孔隙率高的3種無機(jī)填料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).其中，3種填料的相關(guān)參數(shù)如表 2所示.

　　表 2 不同填料參數(shù)

　　2.4 分析方法

　　硝酸鹽:紫外分光光度法;亞硝酸鹽：N-(1-萘基)-乙二胺光度法;硫化物：HACH sulfide 1和sulfide 2法;硫酸鹽：HACH sulfaver 4法;pH：METTLER FE28型酸度計(jì);ORP：陸恒ORP計(jì).

　　采用掃描電子顯微鏡對(duì)反應(yīng)器中污泥表面細(xì)菌形態(tài)進(jìn)行分析，污泥微生物形態(tài)采用FA固定液固定，乙醇溶液梯度脫水(Obaja et al., 2003)，美國產(chǎn)2424-SPI型臨界點(diǎn)干燥儀干燥和日產(chǎn)IB-Ⅲ型濺射儀噴金等預(yù)處理, 然后在VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡下觀察、照相.

　　使用MO-BIO土壤DNA提取試劑盒(MO-BIO PowerSoil © DNA Isolation Kit Components, American，12888-50)提取樣本中的基因組DNA.DNA濃度和質(zhì)量均使用NanoDrop1000分光光度計(jì)測定(ThermoFisher，USA).將提取的DNA稀釋至10 μg·μL-1，并儲(chǔ)存在-80 ℃用于下游使用.

　　將提取的DNA進(jìn)行純化后進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物為515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)-926R(5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT-3′).為減小PCR偏差，每個(gè)樣本進(jìn)行3個(gè)重復(fù)，并將同一樣本的PCR產(chǎn)物合并.使用OMEGA膠回收試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物，TE緩沖液洗脫回收目標(biāo)DNA片段.將PCR回收產(chǎn)物用Qubit 2.0(ThermoFisher公司)或GE NanoVue系統(tǒng)(GE Healthcare公司)進(jìn)行檢測定量.文庫構(gòu)建使用Illumina公司TruSeq DNA PCR-Free Sample Prep Kit.測序試劑盒使用Illumina公司Hiseq Rapid SBS Kit v2.雙端測序得到的PE reads首先使用FLASH3進(jìn)行拼接，同時(shí)對(duì)序列質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)控，在去除低質(zhì)量堿基及接頭污染序列等操作過程后完成數(shù)據(jù)過濾，得到可供后續(xù)分析的高質(zhì)量目標(biāo)序列.

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion) 3.1 脫硫耦聯(lián)反硝化過程中pH和ORP的變化

　　圖 2顯示了在不同填料，不同S/N摩爾比條件下4組反應(yīng)器中pH和ORP的變化.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比為5/4，5/3時(shí)(S2-實(shí)測濃度為218、303 mg·L-1)，如圖 2a、2b所示，反應(yīng)器中pH值均先上升再下降最后穩(wěn)定在7.25~7.50，ORP則幾乎一致上升并最終穩(wěn)定在0 mV附近.此時(shí)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組所得結(jié)果呈現(xiàn)出高度一致性.而且實(shí)驗(yàn)組pH值反應(yīng)前后較初始值變化小于0.5，可減少實(shí)際工程中pH調(diào)控過程，減少運(yùn)行管理程序及工程投資.而當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比增加到5/2，5/1時(shí)，如圖 2c、2d所示，填料的差異對(duì)pH值和ORP的影響比較明顯.當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比為5/2時(shí)(S2-實(shí)測濃度538 mg·L-1)，以聚氨酯泡沫為填料的B塔和以多面空心球?yàn)樘盍系腃塔pH值分別在30、70 h左右開始下降，而A、D塔直到110 h時(shí)才開始下降.這說明B塔和C塔較A和D塔更早的利用廢水體系中的S0作為電子供體，更早進(jìn)入方程(2)過程.且僅有B塔與低進(jìn)水S/N摩爾比(S/N=5/4，5/3)中ORP變化趨勢一致，僅ORP值開始增加的時(shí)間點(diǎn)延后至40 h附近.C塔ORP以緩慢速率增長，B和D塔ORP值微增或幾乎不變.而當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比進(jìn)一步增大至5/1時(shí)(S2-實(shí)測濃度為1140 mg·L-1)，此濃度遠(yuǎn)高于武鑫等報(bào)道的將原水S/N摩爾比控制在5/3時(shí)，能穩(wěn)定去除400 mg·L-1原水中S2-濃度(武鑫等, 2013).僅有B塔中pH值在400 h時(shí)才開始下降，A、C和D塔pH值上升并穩(wěn)定在9.0~9.5后基本不再變化.此時(shí)4組反應(yīng)器中ORP變化趨勢較相似，僅有ORP曲線上升時(shí)間點(diǎn)不同，最后均增加至0 mV左右.據(jù)此可知，當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比增加至5/2時(shí)，C塔中微生物系統(tǒng)較之前相比活性明顯降低，D塔中微生物系統(tǒng)則開始出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象.當(dāng)S/N摩爾比進(jìn)一步增加至5/1時(shí)，C、D塔中微生物系統(tǒng)崩潰，因而導(dǎo)致pH上升后不再變化.而A塔中非生物因素又不能將硫化物直接氧化成硫酸鹽，因此pH值穩(wěn)定在一個(gè)固定的范圍.有趣的是當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比為5/4、5/3時(shí)，不接種微生物的A塔和接種微生物的B、C、D塔中pH和ORP曲線變化趨勢一致.其原因可能是與反應(yīng)器中殘留的O2、取樣過程中少量漏氣以及自來水中脫硫菌的少量富集有關(guān).

　　圖 2 不同填料、不同S/N比下pH和ORP變化

　　3.2 脫硫耦聯(lián)反硝化過程中S2-和SO42-的變化

　　圖 3顯示了在不同填料，不同S/N摩爾比條件下4組反應(yīng)器中S2-和SO42-濃度的變化.在進(jìn)水S/N摩爾比較低時(shí)，如圖 3a、3b所示，4組反應(yīng)器對(duì)S2-均能達(dá)到很好的去除效果，其中對(duì)照組A塔和實(shí)驗(yàn)組B、C、D塔幾乎沒有差別.實(shí)驗(yàn)組中SO42-濃度反應(yīng)前后升高明顯，而對(duì)照組中SO42-濃度僅有輕微的上升，不隨進(jìn)水S/N摩爾比的升高而變化，最后都穩(wěn)定在300~400 mg·L-1之間.當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比進(jìn)一步升高時(shí)，如圖 3c、3d所示，4組反應(yīng)器對(duì)S2-的去除效果開始顯現(xiàn)出較明顯的差別，對(duì)照組A塔脫硫效率最差，而以聚氨酯泡沫為填料的實(shí)驗(yàn)組B塔和以多面空心球?yàn)樘盍系膶?shí)驗(yàn)組C塔脫硫效率要明顯好于實(shí)驗(yàn)組D塔.其中，B塔脫硫效率最高，C塔次之.這說明隨著進(jìn)水硫負(fù)荷的升高，非生物作用脫硫效率下降明顯，而且填料對(duì)反應(yīng)器脫硫效率也有較大的影響.不同的填料通過其比表面積大小影響生物固著效果，聚氨酯泡沫填料比表面積最大，掛膜效果最好，抗沖擊負(fù)荷能力最強(qiáng)，從而脫硫效率最高(Fernandez et al., 2014).在圖 3c、3d中，接種脫硫微生物的D塔脫硫效率反而低于不接種脫硫微生物的A塔.其原因可能是因?yàn)镈塔以鮑爾環(huán)為填料，其比表面積相對(duì)較小，微生物掛膜效果較差，當(dāng)接觸較高濃度的含S2-廢水時(shí)反應(yīng)器中微生物系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，微生物從填料上死亡脫落，從而生物脫硫作用顯著降低.而填料中其他兼性微生物相對(duì)含量升高，消耗一部分塔中殘留的O2，降低了其非生物脫硫效果，因此出現(xiàn)了D塔脫硫效率低于A塔的現(xiàn)象.

　　圖 3 不同填料、不同S/N條件下S-和SO42-變化

　　總體上各生物反應(yīng)器對(duì)S2-的去除效果都較快.當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比升高至5/1時(shí)，C塔中微生物系統(tǒng)也開始有崩潰現(xiàn)象，S2-去除完全后SO42-濃度仍然增長緩慢.根據(jù)對(duì)A塔和出現(xiàn)崩潰的反應(yīng)器中S2-和SO42-的監(jiān)測可知，僅非生物作用雖能較緩慢的去除水中S2-，但不能將單質(zhì)S0進(jìn)一步氧化成SO42-.而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物反應(yīng)器對(duì)S2-的去除效果都比較迅速，這可能是因?yàn)镾DD過程中將S2-氧化成S0僅需要少量的電子(Xu et al., 2016).而且當(dāng)反應(yīng)體系中仍有S2-存在時(shí)，SO42-濃度僅以非常緩慢的速率上升，當(dāng)且僅當(dāng)S2-去除完全后，SO42-濃度才會(huì)迅速增長.這說明當(dāng)反應(yīng)體系中S2-和S0同時(shí)存在時(shí)，體系中功能菌優(yōu)先將S2-氧化成S0，待S2-去除完全后，再進(jìn)一步將S0氧化成SO42-.

　　3.3 脫硫耦聯(lián)反硝化過程中NO3--N和NO2--N的變化

　　圖 4顯示了在不同填料，不同進(jìn)水S/N摩爾比條件下NO3--N和NO2--N的變化.對(duì)照組A塔在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)前后NO3--N濃度僅微弱減少，NO2--N濃度沒有出現(xiàn)積累(Fernandez et al., 2014).而在進(jìn)水S/N摩爾比為5/4, 5/3時(shí)，如圖 4a、4b所示，實(shí)驗(yàn)組B、C和D塔中NO3--N均有明顯減少直至完全去除.但當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比增加到5/2時(shí)，如圖 4c所示，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組對(duì)NO3--N去除效果就開始顯現(xiàn)明顯的差異，B塔對(duì)NO3--N的去除率最高，C塔次之.而D塔對(duì)NO3--N的去除效果較之前實(shí)驗(yàn)明顯降低，僅比對(duì)照組A去除率稍高.對(duì)應(yīng)的NO2--N濃度變化也顯現(xiàn)出明顯的差異，對(duì)NO2--N去除率最高的是B、C兩塔，D塔在整個(gè)檢測過程中NO2--N一直在積累.當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比進(jìn)一步增大到5/1時(shí)，如圖 4d所示，僅B塔對(duì)NO3--N表現(xiàn)出一定的降解效果，但去除效率較低進(jìn)水S/N比實(shí)驗(yàn)中下降明顯.其余3塔對(duì)NO3--N幾乎沒有去除.同時(shí)，也僅有B塔中出現(xiàn)NO2--N積累，其余3塔基本無變化.這說明隨著進(jìn)水S/N摩爾比的增加，填料因素對(duì)NO3--N去除率的影響作用明顯，以聚氨酯泡沫和多面空心球?yàn)樘盍系纳�物滴濾塔反應(yīng)器對(duì)NO3--N的去除效果最好.當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比進(jìn)一步增加時(shí)，因系統(tǒng)中S2-濃度過高，填裝低比表面積填料的生物滴濾塔反應(yīng)器中微生物系統(tǒng)容易出現(xiàn)死亡崩潰，導(dǎo)致反硝化脫氮能力嚴(yán)重降低或喪失.這與之前對(duì)S2-和SO42-濃度的變化的分析結(jié)果相呼應(yīng).而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反硝化過程中NO2--N出現(xiàn)了一定程度的積累，這可能是因?yàn)榉聪趸�過程中NO3--N→NO2--N反應(yīng)速度快于NO2--N→N2.但當(dāng)NO3--N去除至較低濃度時(shí)NO2--N濃度才停止積累并迅速降低，這說明反硝化菌降解NOx--N的先后順序：NO3--N快于NO2--N, 因此后期NO2--N濃度迅速下降.

　　圖 4 不同填料，不同進(jìn)水S/N下NO3--N和NO2--N變化

　　3.4 最優(yōu)填料下不同進(jìn)水S/N摩爾比實(shí)驗(yàn)中S2-完全去除時(shí)SO42-產(chǎn)物相對(duì)含量

　　根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，優(yōu)選出聚氨酯泡沫為填料用于去除含S2-和NO3--N廢水，當(dāng)S2-完全去除時(shí)分析產(chǎn)物中最終硫酸鹽的相對(duì)含量，結(jié)果如圖 5所示.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)水S/N摩爾比的增加，產(chǎn)物中SO42-相對(duì)含量逐漸降低，這意味著產(chǎn)物中單質(zhì)硫的相對(duì)含量逐漸增大(Xu et al., 2016).當(dāng)進(jìn)水S/N摩爾比增加到5/1時(shí)(此時(shí)S2-實(shí)測濃度為1140 mg·L-1)，體系中微生物活性逐漸降低，生物系統(tǒng)瀕臨崩潰，不能高效的凈化含硫廢水.因此，工程應(yīng)用上建議選定進(jìn)水S/N摩爾比在5/3~5/2之間為宜(S2-濃度低于538 mg·L-1).

　　圖 5 聚氨酯泡沫填料塔中不同進(jìn)水S/N摩爾比下SO42-相對(duì)含量

　　3.5 附著在不同填料上的微生物SEM圖

　　圖 6為實(shí)驗(yàn)完成后不同填料上微生物SEM電鏡圖.從圖中可知對(duì)照組A塔中填料表面光滑，發(fā)現(xiàn)少量生物膜結(jié)構(gòu).而實(shí)驗(yàn)組B、C、D塔中填料表面均有很明顯的生物膜結(jié)構(gòu)，而且B塔中能觀察到明顯黃色硫顆粒的存在.其中以聚氨酯泡沫為填料的實(shí)驗(yàn)組B塔中生物膜結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，對(duì)填料表面粘結(jié)的更緊密.以多面空心球?yàn)樘盍系膶?shí)驗(yàn)組C塔中生物膜數(shù)量則相對(duì)要少，厚度稍薄.以鮑爾環(huán)為填料的D塔生物膜數(shù)量更少，生物膜稀疏，厚度較薄.這說明實(shí)驗(yàn)組B塔填料上微生物活性強(qiáng)，生長代謝快，因此對(duì)廢水凈化效果更好.這正好解釋了實(shí)驗(yàn)組B塔表現(xiàn)出最好的SDD性能的原因.

　　圖 6 不同填料上微生物SEM電鏡圖 (a.對(duì)照組A中填料，b.對(duì)照組B中填料，c.對(duì)照組C中填料，d.對(duì)照組D中填料)

　　3.6 各反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)分析

　　為了分析不同填料、不同進(jìn)水S/N摩爾比實(shí)驗(yàn)后各反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，在實(shí)驗(yàn)完成后泄空培養(yǎng)基并取出反應(yīng)器中部分填料，提取填料中所含微生物的DNA并進(jìn)行PCR擴(kuò)增，進(jìn)行16S rRNA測序研究.圖 7是4組反應(yīng)器中屬水平上微生物群落結(jié)構(gòu)圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)反應(yīng)器中占絕對(duì)優(yōu)勢的屬為Thiobacilllus，其相對(duì)豐度均高于40%.Thiobacilllus屬中存在多種細(xì)菌可以將硫化物氧化成單質(zhì)硫、硫酸鹽或硫代硫酸鹽，是脫硫系統(tǒng)中主要的優(yōu)勢屬(Zhao et al., 2016).其次相對(duì)豐度較高的屬是Rhodanobacter屬、Arenimonas屬和Truepera屬，這與張躍洋等通過研究含硫廢水中生物群落所得到的結(jié)果一致(張躍洋等, 2016).而且研究發(fā)現(xiàn)這3種屬中部分細(xì)菌可在厭氧條件下以進(jìn)行自養(yǎng)反硝化作用(Prakash et al., 2012).沒有進(jìn)行接種的A塔中也檢測到Thiobacilllus屬細(xì)菌，很可能是因?yàn)樽詠硭�中含有的少量脫硫菌被富集，這也是Thiobacilllus屬相對(duì)豐度較高的原因.

　　圖 7 4組反應(yīng)器中屬水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)

　　圖 8是4組反應(yīng)器中物種豐富度圖，反映出Alpha水平下物種多樣性.Chao1是生態(tài)學(xué)中常用來估算物種總數(shù)，是基于稀有種的一種估算方法.Simpson用來估算樣本微生物多樣性指數(shù)之一，既考慮了物種的豐度，也考慮了均勻性，值越高代表多樣性越高.Shannon是一種基于信息理論的測量指數(shù)，結(jié)果包含物種數(shù)及均勻性兩種成分，值越大說明群落多樣性越高.PD是Alpha水平上最常用的系統(tǒng)發(fā)育多樣性度量方法，其計(jì)算方法是對(duì)進(jìn)化樹的所有枝長求和.從圖 8中可以發(fā)現(xiàn)，A塔中檢測到的OTU，Shannon和PD值都最小，說明A塔中物種多樣性最差，D塔僅稍高于A塔，B塔和C塔物種多樣性最高.C塔中物種多樣性高于B塔的原因可能是實(shí)驗(yàn)?zāi)┢赟2-濃度過高，暫時(shí)抑制了脫硫菌的生長，導(dǎo)致Thiobacilllus屬相對(duì)豐度降低，其他物種相對(duì)豐度升高，從而導(dǎo)致C塔物種多樣性更高.盡管D塔中Thiobacilllus屬相對(duì)豐度高于B和C塔，但它物種多樣性低，所以實(shí)際上Thiobacilllus屬在體系中總體含量并不高，因此在3個(gè)實(shí)驗(yàn)組中得到最差的實(shí)驗(yàn)效果.根據(jù)保險(xiǎn)假說理論(Yachi et al., 1999)：群落的多樣性越高，微生物群落之間存在越高程度的功能冗余，即包含較高適應(yīng)某種脅迫的互補(bǔ)分類單元(OTU)，從而保證在受脅迫時(shí)仍能正常的執(zhí)行相應(yīng)功能.這說明能取得良好SDD效果的體系中具有相同功能的微生物群落存在較高的冗余.工藝啟動(dòng)后微生物結(jié)構(gòu)會(huì)隨著外界環(huán)境的改變進(jìn)行調(diào)整以維持最優(yōu)工作狀態(tài)，這也說明SDD工藝有著較強(qiáng)的適應(yīng)能力(于皓等, 2013).而且16S rRNA測序結(jié)果顯示，Thiobacilllus屬和Rhodanobacter屬、Arenimonas屬、Truepera屬等基本是同時(shí)存在的，這說明它們之間可能存在互生或共生關(guān)系.綜合以上分析，我們認(rèn)為微生物多樣性越高的反應(yīng)塔表現(xiàn)出越強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，擁有更好的去除效果.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 8 4組反應(yīng)器中物種豐富度圖

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 使用以聚氨酯泡沫和多面空心球?yàn)樘盍系膮捬醯螢V塔能高效的去除廢水中S2-和NOx--N.而且，構(gòu)建的厭氧滴濾塔有很大的工程化應(yīng)用前景.

　　2) SDD反應(yīng)前后pH變化小于0.5，反應(yīng)后ORP都將升至0 mV附近.S2-去除段SO42-沒有出現(xiàn)積累，原因是功能菌優(yōu)先利用NO3--N將S2-氧化成S0，待廢水中S2-去除完全后，再進(jìn)一步將S0氧化成SO42-.反硝化過程中NO2--N出現(xiàn)一定程度積累.其原因是反硝化過程中NO3--N→NO2--N反應(yīng)速度快于NO2--N→N2，但當(dāng)NO3--N去除完全后NO2--N濃度迅速下降，說明SDD反應(yīng)降解NO3--N的速率快于NO2--N.非生物作用能有效去除廢水中S2-, 但不能去除廢水中NOx--N.進(jìn)水S/N比能明顯影響最終硫產(chǎn)物比例.進(jìn)水S/N比越大，產(chǎn)物中SO42-相對(duì)含量越低.結(jié)合實(shí)際工程考慮，應(yīng)控制進(jìn)水S/N摩爾比在5/3~5/2之間，S2-濃度控制538 mg·L-1以下.

　　3) 微生物群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，Thiobacillus屬在4組反應(yīng)器上占絕對(duì)優(yōu)勢，其相對(duì)豐度均高于40%.其次相對(duì)豐度較高的Rhodanobacter、Arenimonas和Truepera屬與厭氧反硝化作用密切相關(guān).對(duì)4組反應(yīng)器中微生物進(jìn)行Alpha-多樣性分析結(jié)果表明，取得較好脫硫耦聯(lián)反硝化效果的體系中物種多樣性指數(shù)也較高.