十二烷基苯磺酸钠对高硫有机废水厌氧处理系统的影响

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由于厌氧生物处理具有经济高效性和能源可回收性,其一直作为高浓度有机废水处理的首选工艺被国内外环保工作者所关注。然而,废水中大量硫酸盐的存在,会致使硫酸盐还原菌(SRB)与产甲烷菌(MPA)竞争基质,从而影响系统产甲烷效能,特别是硫酸盐还原产生的高浓度硫化物会抑制产甲烷菌的活性,致使系统失稳甚至崩溃。目前,关于硫酸盐对厌氧系统的影响研究已多有报道。但一些实际化工和医药行业废水不仅含有高浓度的硫酸盐,也含有一定浓度的有机硫化合物。虽然有研究表明,在厌氧生物处理系统中,这些有机硫化物中的硫可能会以硫酸盐或硫化物形式释放到系统中,但这些硫物质的转化规律和对厌氧生物处理系统处理性能究竟有何影响,目前还缺乏关注。为此,本研究以一些废水存在的典型含硫有机化合物十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为关注对象,利用长短期试验,在硫酸盐与有机硫化物共同存在情况下,考察了厌氧处理系统的性能,系统研究了SRB与MPA的竞争特征、污泥性状以及微生物种群结构特征。获得的主要研究结论如下:(1)批量活性试验研究表明,在COD/SO42-为10的条件,低浓度SDBS能被厌氧生物有效降解,降解产物主要为复杂的脱硫苯系化合物和巯羧酸类等物质,同时可释放出硫酸盐。但当SDBS浓度高于30mg/L时,随着浓度增大SDBS越不容易被厌氧生物降解,对产甲烷菌的活性造成的抑制程度越大。因此,确定30mg/L的SDBS浓度作为下一阶段长期影响试验研究。(2)无机硫与有机硫共同存在对厌氧系统影响的长期试验研究表明,厌氧系统净化性能受到COD/SO42-和SDBS的共同影响。当COD/SO42-从10依次降低至5的各阶段内,未添加与添加SDBS的厌氧系统(分别为R1和R2)运行稳定,COD去除率分别保持在91%和88%左右,硫酸盐还原率可分别高达70%和75%,且SDBS的存在可大幅增加产气中甲烷占比,同时有助于减少系统中VFAs积累,碳质量守恒核算发现R2中产甲烷的COD当量比例高于R1,MPA对电子流的利用占主导地位。然而,当COD/SO4 2-≤2的阶段,SDBS的存在使R2中产甲烷菌受到显著的抑制,加重VFAs积累,减少产甲烷COD当量,SRB占用电子流超过了MPA,系统性能远低于R1系统。因此,在存在SDBS的系统中应该控制COD/SO42-大于2以保证反应器运行的稳定性。另外,发现SDBS的转化规律与COD/SO42-密切相关,在厌氧消化反应过程中SDBS会释放出硫化物,且随着COD/SO42-的降低SDBS去除率降低,转化为硫化物含量减少,导致在后期污泥中SDBS自身的积累,并在和低COD/SO42-的共同作用下对系统性能造成了严重抑制。由于添加的SDBS含有的硫元素小于进水总硫的百分之一,因此与批量试验相比释放出的硫酸盐影响不明显。另外,观察微生物浓度(MLVSS)变化,发现COD/SO42-小于10时,随着COD/SO42-降低,会使MLVSS不断下降同时导致无机组分浓度提高。SDBS的存在有助于系统中MLVSS浓度的提高和降低无机组分的浓度。(3)COD/SO42-的改变和SDBS的存在对污泥形态,胞外聚合物(EPS)以及粒径分布有着显著的影响。扫描电镜结果显示COD/SO42-为10的初始接种污泥中微生物的形态种类均不如COD/SO42-为1的末期丰富多样。且SDBS的存在使得系统中微生物形态种类更加丰富。在R1试验过程中总EPS含量变化不明显,多糖和蛋白质含量相近。其中蛋白质基本不变,主要是多糖含量的改变。PN/PS的比例总体上呈减小的趋势。而R2的总EPS高于R1,且试验过程中总EPS和蛋白质变化相当明显,多糖含量始终远小于蛋白质含量。说明在SDBS存在时,微生物主要以分泌大量蛋白质作为应激反应。污泥粒径受到COD/SO42-和SDBS的影响不同,其中在高COD/SO42-条件下,对污泥颗粒的形成没有抑制作用,而低COD/SO42-阶段整体的污泥粒径明显减小。SDBS在COD/SO42-高的阶段,有利于污泥成团结构形成,但是随着COD/SO42-降低,污泥粒径有所减小。整体上R2的污泥粒径明显大于R1,且大颗粒的污泥比例较大,因此R2的污泥更容易聚集成团,有利于形成和维持污泥内部的厌氧环境,从而促进目标反应和加快厌氧反应过程的启动。(4)高通量测序结果分析显示,微生物菌群丰度和物种多样性以及群落结构受到COD/SO42-和SDBS的影响。没有SDBS的系统中,COD/SO42-为7最有利于微生物生长繁殖。COD/SO42-为10时,SDBS对微生物菌群丰度几乎没有影响,COD/SO42-低于10时,SDBS明显使微生物菌群总数减少,另外微生物的多样性随着COD/SO42-减小而降低,SDBS的存在也使微生物多样性降低。微生物群落结构分析表明,产甲烷古菌中利用乙酸作为产甲烷基质的Methanosaeta占有最重要地位,SDBS有利于增大利用H2/CO2产甲烷菌的比例,使利用乙酸产甲烷古菌的比例下降,尤其在COD/SO42-为5和2时,利用H2/CO2产甲烷菌占有更大优势。硫酸盐还原菌中Desulfovibrio占相对主导地位,该菌属可生成乙酸,从而减少与产甲烷菌的基质竞争,并有协同作用。
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