近年来，由于石油炼制、农药、化工等行业的迅速发展，导致每年产生大量的含硫含氮有机废水^[1].其中，石油行业产生的废水中所含有机物多为酚类化合物，由于其具有毒性、致癌性和难降解性等特点^[2]，导致此类废水的处理更加棘手，对周围环境和人体健康均造成很大的危害^[3-5].反硝化脱硫(denitrifying sulfide removal, DSR)工艺能够在自养、异养菌的协同作用下，以废水中硝酸盐为电子受体，硫化物、有机物为电子供体，最终生成N₂、CO₂、S⁰等，实现废水中碳氮硫的同步去除^[6-10].此工艺运行成本低、无二次污染，且可回收单质硫，在含硫含氮废水处理领域具有良好的应用前景^[11].目前，国内外关于反硝化脱硫工艺的研究大多以一种易降解的乙酸、葡萄糖等为碳源^[12-14]，尚未见不同碳源对反硝化脱硫工艺影响的报道，使得该技术的应用受到一定限制.

为此，针对碳源对反硝化同步脱硫工艺影响报道不足的现象，构建UASB反应器，考察两种不同碳源(乙酸钠和苯酚)对反硝化脱硫工艺碳氮硫去除效果及单质硫累积的影响，在此基础上，通过批次试验进一步探究碳氮硫降解及转化规律，以期对含硫含氮有机废水的处理提供理论和技术参考.

连续流实验采用UASB反应器^[15](如图 1)，内径5 cm，高80 cm，有效容积1.57 L.实验采用蠕动泵从反应器底部进水，出水部分回流，回流比控制为10：1，反应器采用水浴加热，温度控制在(30±1) ℃.

Figure 1

1—进水箱; 2—进水蠕动泵; 3—UASB反应区; 4—温控计; 5—回流蠕动泵; 6—吸收瓶; 7—湿式气体流量计; 8—出水计量水箱; A—进水管; B—气体收集器 图 1 UASB反应器示意 Figure 1 Schematic diagram of upflow anaerobic sludge blanket reactor

接种污泥取自中海油(青岛)重质油加工工程技术研究中心污水处理工艺曝气池，静置后去掉上清液.污泥初始MLSS为11.1 g·L^-1，MLVSS为4.9 g·L^-1，接种量为1 L，混合污泥投入密闭的反应器后静置24 h.

实验同时启动两个UASB反应器#1和#2(其中#1以乙酸钠为碳源，#2以苯酚为碳源)，均进行连续流实验.试验采用人工配水方式，各反应器进水溶液基质及指标控制见表 1.其中进水中的硫化物和硝酸盐分别通过投加化学试剂Na₂S·9H₂O和KNO₃提供，NaHCO₃和K₂HPO₄分别作为无机碳源和磷源.试验过程中控制反应器温度为(30±1) ℃，模拟废水pH为7.5±0.2.

表 1

表 1 各反应器进水基质 Table 1 Influent substrate of each reactor 反应器 阶段 HRT/ h ρ(S2-)/ (mg·L-1) ρ(NO3--N)/ (mg·L-1) ρ(C)/ (mg·L-1) ρ(NaHCO3)/ (mg·L-1) ρ(K2HPO4)/ (mg·L-1) #1 Ⅰ 10 200 87.5 77.5 1 500 110 Ⅱ 5 200 87.5 77.5 1 500 110 Ⅲ 2.5 200 87.5 77.5 1 500 110 #2 Ⅰ 10 100 150 75 1 500 110 Ⅱ 10 200 300 150 1 500 110 Ⅲ 10 200 100 150 1 500 110

表 1 各反应器进水基质 Table 1 Influent substrate of each reactor

从1.3.1运行稳定后的#1和#2连续流实验的反应器中各取一定量的污泥，经沉淀静止后，将上层液体倒掉，再将污泥用清水多次冲洗后备用.实验分为A、B两组，均在120 mL厌氧瓶中进行.A组注入#1反应器污泥20 mL，#1进水基质80 mL；B组注入#2污泥20 mL，#2阶段Ⅰ进水基质80 mL，并调节各瓶pH至7.5左右，同时充入氮气5 min以保持厌氧环境，随后恒温振荡器中进行培养，控制转速100 r/min，温度为30 ℃.实验全程采用针管定时取水，水样取出后立即测试，最大程度地避免与氧接触.

水样检测前需经0.45 μm滤膜过滤，以防其他物质产生干扰.采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007) 测定NO₃^--N；乙二胺分光光度法(GB 7493—87) 测定NO₂^--N；铬酸钡分光光度法(HJ/T 342—2007) 测定SO₄^2-；亚甲基蓝分光光度法(GB/T 16489—1996) 测定S^2-；4-氨基安替比林分光光度法(HJ 503—2009) 测定苯酚；离子色谱法测定Ac^-；采用硫平衡推算法计算单质硫产率^[16]；标准重量法测定MLSS和MLVSS；采用高通量宏基因组学技术分析微生物群落；PHS-25型pH计直接测定pH.

以乙酸钠为碳源时，#1反应器在运行过程(硫氮比为5：2) 中S^2-、NO₃^--N、Ac^--C变化及其转化规律如图 2所示.可以看出，在第Ⅰ阶段(HRT为10 h)#1反应器刚启动时，NO₃^--N、S^2-和Ac^--C的去除率便达到91%、94%和77%，说明接种污泥对进水基质有良好的适应性，但此时S⁰积累率仅为25%.连续运行11 d后，反应器中有少量白色固体出现，NO₃^--N、S^2-和Ac^--C去除率分别达到97%、99%和100%，S⁰积累率稳定在45%左右，反应器N、S、C的去除效能达203.7、475.2和186 g/(m³·d).此时污泥MLVSS为2.1 g·L^-1，SVI值为160 mL/g.通过高通量测序得出反应器中主要的异养反硝化菌属为Thauera、Thermomonas和Arenimonas，分别占41.24%、26.42%和10.24%，自养反硝化菌属为Thiobacillus，占3.24%.出水NO₂^--N质量浓度整体较低，保持在2 mg/L以下，在第4天出现最高值10 mg/L，是因为NO₃^--N被快速还原成中间产物NO₂^--N，但NO₂^--N的还原速率提升稍有滞后，导致出水有少量NO₂^--N积累.

Figure 2

图 2 乙酸钠为碳源时S2-、NO3--N、Ac--C的去除 Figure 2 Removal efficiency of NO3--N, S2-, Ac--C using sodium acetate as carbon resource

进入第Ⅱ阶段(HRT降至5 h)，微生物开始显示出不适应性，NO₃^--N和S^2-去除率分别降低至92%和90%，连续运行15 d后，NO₃^--N、S^2-和Ac^--C去除率分别稳定在98%、95%和98%左右，S⁰积累率约为41%，此阶段反应器N、S、C的去除效能可达411.6、912和364.56 g/(m³·d).污泥质量浓度增高，同时有明显的颗粒污泥生成，测得污泥MLVSS为2.6 g·L^-1，SVI值为100 mL/g.异养反硝化菌属Thauera、Thermomonas和Arenimonas数量均略微降低，分别降至39.24%、22.50%和9.32%，自养反硝化菌属Thiobacillus数量变化不大，占2.35%.

第Ⅲ阶段(HRT降至2.5 h)，NO₃^--N、S^2-和Ac^--C的出水质量浓度都出现了先增高后降低的现象，稳定后NO₃^--N、S^2-和Ac^--C去除率分别达93%、90%和99%，此时反应器N、S、C的去除效能为781.2、1 728和736.56 g/(m³·d).污泥质量浓度和沉降性均显著增加，有大量的颗粒污泥产生并沉降在反应器底部，此时测得污泥MLVSS为3.2 g·L^-1，SVI值为60 mL/g.在此阶段，异养菌属Thauera、Thermomonas、Arenimonas数量继续下降，分别降至30.65%、7.75%和9.58%，同时SB-1_norank异养反硝化菌属出现，占9.03%，自养反硝化菌属Thiobacillus数量略微上升，达3.10%.S⁰积累率增高至65%左右，是因为水力负荷的增加使得微生物群落结构发生改变，进而导致S⁰→S0₄^2-的氧化速率降低，硫酸盐生成量减少，S⁰质量浓度增高.

以苯酚为碳源时，#2反应器在运行过程中S^2-、NO₃^--N、C₆H₅O^--C变化及其转化规律如图 3所示.可以看出，第Ⅰ阶段(硫氮比为2：3)#2反应器刚启动时，NO₃^--N、S^2-和C₆H₅O^--C的去除率分别达82%、90%和83%，此后三者的去除率均出现先下降后升高的现象，说明接种污泥对以苯酚为碳源的进水基质产生了不适性，系统稳定后NO₃^--N、S^2-和C₆H₅O^--C去除率分别达78%、97%和96%，出水NO₂^--N质量浓度保持在1 mg/L以下，反应器N、S、C的去除效能达280.8、232.8和172.8 g/(m³·d).污泥MLVSS值为2.3 g·L^-1，SVI值为150 mL/g，此阶段监测到的异养反硝化菌属有Bacillus、Thauera和Pseudomonas，分别占0.24%、0.35%和0.12%，自养反硝化菌属为Sulfurovum，占0.34%.实验过程中硫化物全部转化为硫酸盐，未出现S⁰积累，与乙酸钠为碳源时结果相差较大.

Figure 3

图 3 苯酚为碳源时S2-、NO3--N、C6H5O--C的去除 Figure 3 Removal efficiency of NO3--N, S2-, C6H5O--C using phenol as carbon source

第Ⅱ阶段(进水碳氮硫基质同时倍增)，NO₃^--N、S^2-和C₆H₅O^--C的出水质量浓度均出现先增高后降低的现象，随着微生物对进水基质逐渐适应，NO₃^--N、S^2-的去除率也分别恢复至73%和95%，但C₆H₅O^--C去除率降低明显，仅为80%，实验过程仍没有S⁰积累，此阶段反应器N、S、C的去除效能达525.6、456和288 g/(m³·d).污泥SVI值为90 mL/g，沉降性能显著增高，部分污泥沉降在反应器底部，污泥质量浓度也略微上升，MLVSS值升至2.9 g·L^-1，异养反硝化菌属Bacillus、Thauera和Pseudomonas数量均有所上升，分别达0.34%、0.92%和2.68%，自养反硝化菌属Thiobacillus、Azoarcus出现，分别占0.32%和0.19%，而Sulfurovum菌属则完全消失.可以看出此阶段由于水力负荷的增加使得反硝化脱硫工艺中NO₃^--N、S^2-和C₆H₅O^--C的去除率下降，因此，为保持较高的碳氮硫去除率，应适当增加水力停留时间(HRT)或降低进水基质质量浓度.

进入第Ⅲ阶段(硫氮比为2：1)，实验全程仍未出现S⁰积累，NO₃^--N、S²和C₆H₅O^--C去除率刚开始仅为40%、70%和33%，NO₂^--N质量浓度也出现瞬时积累现象.11 d后各指标基本稳定，NO₃^--N、S^2-和C₆H₅O^--C去除率分别恢复至67%、85%和50%，反应器N、S、C的去除效能达160.8、408和180 g/(m³·d).此阶段污泥质量浓度继续增加，沉降性能则变化不大，测得污泥MLVSS值为3.3 g·L^-1，SVI值为88 mL/g.异养反硝化菌属Thauera、Pseudomonas则分别下降至0.32%和0.29%，而Bacillus菌属数量则上升至6.62%；自养反硝化菌属Thiobacillus、Azoarcus分别占0.76%、0.21%.可以看出，在硫氮比为2：1时，碳氮硫去除率较硫氮比为2：3时均下降明显，是因为在硫氮比为2：1时，NO₃^--N质量浓度相对过低，使得DSR工艺中电子受体不足，进而导致硫化物和苯酚去除效果变差，因此, 控制适当的硫氮比有利于保持较高的碳氮硫去除率.

由图 4可以看出，A组中NO₃^--N、S^2-、Ac^--C质量浓度几乎同步降低，分别在25、7和15 h后处于稳定状态.其中S^2-去除速率最高；NO₃^--N去除速率呈先快后慢的趋势，在前10 h内即去除了80%；而SO₄^2--S质量浓度在前15 h上升较慢，15~20 h期间则迅速上升，20 h后基本不再变化，和NO₂^--N的消失几乎处于同步状态.此时S⁰积累率约在50%左右.在Ac^--C去除完毕时，S⁰开始迅速反应生成硫酸盐.因此，乙酸钠为碳源时，S^2-、Ac^--C、S⁰的氧化速率为：q_S^2- > q_Acetate > q_S⁰.当有Ac^--C和S⁰同时存在时，Ac^--C优先被氧化，S⁰就被积累下来.

Figure 4

图 4 批次试验中NO3--N、NO2--N、C、S2-、SO42--S质量浓度变化 Figure 4 Concentrations of NO3--N, NO2--N, C, S2-, SO42--S in batch cultivation experiment

B组中NO₃^--N、S^2-反应趋势与A组基本相同，NO₂^--N质量浓度同样呈现先增高后降低的趋势，在30 h时达最高值32 mg/L，45 h后消失；但苯酚的去除出现了滞后期，在前10 h内几乎没变化，10 h后才开始降低；SO₄^2--S质量浓度在前10 h内则迅速上升，10 h后基本不再变化，此时S⁰积累率为零.可以看出，在S⁰完全转化为硫酸盐后，苯酚才开始被氧化.因此，苯酚为碳源时，S^2-、苯酚、S⁰的氧化速率为：q_S^2- > q_S⁰ > q_Phenol.在S⁰和苯酚同时存在时，S⁰先被氧化，苯酚的去除存在滞后期，从而使得硫化物的氧化产物不能够停留在单质硫阶段，全部转化为硫酸盐.

1) 乙酸钠为碳源时，HRT为2.5~10 h，NO₃^--N、S^2-和Ac^--C去除率保持在93%、90%和99%以上，单质硫积累率稳定在41%以上；而苯酚为碳源时，HRT为10 h，NO₃^--N、S^2-和C₆H₅O^--C去除率分别达到67%、85%和50%，但硫化物均转化为硫酸盐，出水无单质硫累积.由此可知，在乙酸钠或苯酚为碳源条件下，反硝化脱硫工艺均能实现碳氮硫的同步去除，但乙酸钠为碳源时，碳氮硫去除效率较高，且存在单质硫积累.

2) 乙酸钠为碳源时，S^2-氧化速率(q_S^2-) > 乙酸盐氧化速率(q_Acetate) > S⁰的氧化速率(q_S⁰)，导致乙酸盐和单质硫同时存在时，乙酸盐优先被氧化，单质硫则被保留下来；而苯酚为碳源时，S^2-氧化速率(q_S^2-) > S⁰的氧化速率(q_S⁰) > 苯酚氧化速率(q_Phenol)，使得苯酚和单质硫同时存在时，单质硫优先被氧化为硫酸盐，苯酚的氧化则滞后.因此, 在乙酸钠和苯酚分别为碳源时，DSR工艺中硫化物的氧化产物会有所差异.