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内循环(IC)厌氧反应器处理硫酸盐有机废水研究

硫酸盐有机废水广泛产生于制药、石化和造纸等行业的工业生产中,若不经处理直接排入水体会产生严重的环境危害。厌氧生物处理技术是当前处理硫酸盐有机废水的重要技术手段,具有成本低和可回收能源等优点,已经在实际工业废水的处理中获得了应用。但是,在厌氧生物处理系统中,硫酸盐的存在对厌氧消化过程有显著影响,严重时甚至导致系统的崩溃,从而为硫酸盐有机废水的高效处理带来挑战。本论文采用内循环(Internal Circulation,IC)厌氧反应器作为研究对象,研究了多个运行参数包括容积负荷(Organic loading rate,OLR)、上升流速(Vup)、碳硫比(COD/SO42-,C/S)、硫酸盐有机负荷和氮硫比(NO3-/SO42-,N/S)等对IC反应器处理硫酸盐有机废水处理效率的影响,并从动力学行为与微生物群落特性等角度揭示了这些参数对IC反应器的影响机理,主要研究结论如下:(1)在上升流速为1.0 m/h的条件下,OLR在2.50-18.94 kgCOD/m3/d之间时,IC反应器可维持80%以上的COD去除率;在高有机负荷下,通过撤掉水力回流将上升流速降至0.06 m/h后,反应器性能迅速恶化,COD去除率降至60%以下,出水pH降至6.0以下,污泥比产甲烷活性下降37.0%;有机物发酵类型由丙酸型发酵向丙酸-丁酸混合型发酵转变;微生物群落结构发生明显变化;Raoultella属取代Streptococcus成为优势菌属,氢型产甲烷菌(Methane producing archaea,MPA)Methanobacterium 和 Methanocorpusculum丰度之和达到93%以上表明氢气在甲烷的生成中具有重要地位;Logistic,Modified Gompertz和Transference模型可用于高有机负荷下厌氧污泥的底物降解和甲烷生成行为模拟;(2)C/S从2.5降至1.67后,IC反应器的硫酸根去除率开始下降,C/S降至0.83后,由于硫化物的抑制,COD和硫酸根去除率均降至50%左右,同时仅有2.1%的电子被MPA利用;随着C/S的降低,污泥产甲烷活性逐渐下降,同时丙酸和乙醇作为中间产物在底物发酵中的地位逐渐得到提高;C/S的降低有助于Proteobacteria门以及两个硫酸盐还原菌(Sulfate reduction bacteria,SRB)属Desulfovibrio和Desulforhabdus属的富集,但同时也会对氢型MPA产生抑制,促进乙酸型产甲烷菌Methanothrix的富集;mcrA和dssrA基因对C/S的响应十分明显,随着C/S的降低,mcrA基因丰度逐渐下降而dsrA基因丰度则呈现出逐渐上升的趋势,两个基因的变化与反应器整体运行性能具有较强的一致性;(3)传统IC反应器在进水COD和硫酸根分别为7500 mg/L和3000 mg/L时性能就已明显下降;而通过对IC反应器进行结构上的改进,与两相厌氧工艺相结合后,两相IC反应器在进水COD和硫酸根分别达到10000 mg/L和4000 mg/L的条件下仍能维持84%以上的COD去除率和90%以上的硫酸根还原率,其中酸化相可去除40%以上的COD和60%以上的硫酸根;在高硫酸盐有机负荷下,两相IC反应器的产酸相主要进行乙醇发酵和硫酸盐还原;在甲烷相中,主要进行乙醇和VFA的氧化及甲烷化,同时也有硫酸盐还原过程的进行,并且SRB在丙酸的利用中发挥重要作用;Lactobacillus和Streptococcus分别为产酸相和甲烷相的优势细菌属,乙酸型产甲烷菌Methanothrix和氢型产甲烷菌Methanobacterium则为两类优势产甲烷菌属;qPCR分析表明产甲烷相中的mcrA和dsrA丰度均要高于产酸相;(4)硝酸根对IC反应器内的硫酸盐还原过程有明显影响,平均硫酸根去除率从78.4%(N/S=0)降至41.4%(N/S=1.03);这种影响可能通过两个方式进行,一是通过底物竞争或中间产物抑制的形式影响SRB对乙酸的利用,二是硝酸根取代硫酸根成为SRB氧化丙酸的电子受体,影响以丙酸为碳源的硫酸盐还原过程;此外,硝酸根会对SRB菌属Desulfovibrio产生明显抑制,其丰度从11.4%(N/S=0)降至2.2%(N/S=1.03);与dsrA基因相比,mcrA基因更易受硝酸根的影响,其丰度随进水硝酸根浓度的提高明显降低;

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