硫酸鹽有機(jī)廢水廣泛產(chǎn)生于制藥、石化和造紙等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中,若不經(jīng)處理直接排入水體會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境危害。厭氧生物處理技術(shù)是當(dāng)前處理硫酸鹽有機(jī)廢水的重要技術(shù)手段,具有成本低和可回收能源等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在實(shí)際工業(yè)廢水的處理中獲得了應(yīng)用。但是,在厭氧生物處理系統(tǒng)中,硫酸鹽的存在對厭氧消化過程有顯著影響,嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,從而為硫酸鹽有機(jī)廢水的高效處理帶來挑戰(zhàn)。本論文采用內(nèi)循環(huán)(Internal Circulation,IC)厭氧反應(yīng)器作為研究對象,研究了多個運(yùn)行參數(shù)包括容積負(fù)荷(Organic loading rate,OLR)、上升流速(Vup)、碳硫比(COD/SO42-,C/S)、硫酸鹽有機(jī)負(fù)荷和氮硫比(NO3-/SO42-,N/S)等對IC反應(yīng)器處理硫酸鹽有機(jī)廢水處理效率的影響,并從動力學(xué)行為與微生物群落特性等角度揭示了這些參數(shù)對IC反應(yīng)器的影響機(jī)理,主要研究結(jié)論如下:(1)在上升流速為1.0 m/h的條件下,OLR在2.50-18.94 kgCOD/m3/d之間時,IC反應(yīng)器可維持80%以上的COD去除率;在高有機(jī)負(fù)荷下,通過撤掉水力回流將上升流速降至0.06 m/h后,反應(yīng)器性能迅速惡化,COD去除率降至60%以下,出水pH降至6.0以下,污泥比產(chǎn)甲烷活性下降37.0%;有機(jī)物發(fā)酵類型由丙酸型發(fā)酵向丙酸-丁酸混合型發(fā)酵轉(zhuǎn)變;微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化;Raoultella屬取代Streptococcus成為優(yōu)勢菌屬,氫型產(chǎn)甲烷菌(Methane producing archaea,MPA)Methanobacterium 和 Methanocorpusculum豐度之和達(dá)到93%以上表明氫氣在甲烷的生成中具有重要地位;Logistic,Modified Gompertz和Transference模型可用于高有機(jī)負(fù)荷下厭氧污泥的底物降解和甲烷生成行為模擬;(2)C/S從2.5降至1.67后,IC反應(yīng)器的硫酸根去除率開始下降,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,同時僅有2.1%的電子被MPA利用;隨著C/S的降低,污泥產(chǎn)甲烷活性逐漸下降,同時丙酸和乙醇作為中間產(chǎn)物在底物發(fā)酵中的地位逐漸得到提高;C/S的降低有助于Proteobacteria門以及兩個硫酸鹽還原菌(Sulfate reduction bacteria,SRB)屬Desulfovibrio和Desulforhabdus屬的富集,但同時也會對氫型MPA產(chǎn)生抑制,促進(jìn)乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanothrix的富集;mcrA和dssrA基因?qū)/S的響應(yīng)十分明顯,隨著C/S的降低,mcrA基因豐度逐漸下降而dsrA基因豐度則呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,兩個基因的變化與反應(yīng)器整體運(yùn)行性能具有較強(qiáng)的一致性;(3)傳統(tǒng)IC反應(yīng)器在進(jìn)水COD和硫酸根分別為7500 mg/L和3000 mg/L時性能就已明顯下降;而通過對IC反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),與兩相厭氧工藝相結(jié)合后,兩相IC反應(yīng)器在進(jìn)水COD和硫酸根分別達(dá)到10000 mg/L和4000 mg/L的條件下仍能維持84%以上的COD去除率和90%以上的硫酸根還原率,其中酸化相可去除40%以上的COD和60%以上的硫酸根;在高硫酸鹽有機(jī)負(fù)荷下,兩相IC反應(yīng)器的產(chǎn)酸相主要進(jìn)行乙醇發(fā)酵和硫酸鹽還原;在甲烷相中,主要進(jìn)行乙醇和VFA的氧化及甲烷化,同時也有硫酸鹽還原過程的進(jìn)行,并且SRB在丙酸的利用中發(fā)揮重要作用;Lactobacillus和Streptococcus分別為產(chǎn)酸相和甲烷相的優(yōu)勢細(xì)菌屬,乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanothrix和氫型產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium則為兩類優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌屬;qPCR分析表明產(chǎn)甲烷相中的mcrA和dsrA豐度均要高于產(chǎn)酸相;(4)硝酸根對IC反應(yīng)器內(nèi)的硫酸鹽還原過程有明顯影響,平均硫酸根去除率從78.4%(N/S=0)降至41.4%(N/S=1.03);這種影響可能通過兩個方式進(jìn)行,一是通過底物競爭或中間產(chǎn)物抑制的形式影響SRB對乙酸的利用,二是硝酸根取代硫酸根成為SRB氧化丙酸的電子受體,影響以丙酸為碳源的硫酸鹽還原過程;此外,硝酸根會對SRB菌屬Desulfovibrio產(chǎn)生明顯抑制,其豐度從11.4%(N/S=0)降至2.2%(N/S=1.03);與dsrA基因相比,mcrA基因更易受硝酸根的影響,其豐度隨進(jìn)水硝酸根濃度的提高明顯降低;
