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運(yùn)行期間，NH4+-N脫除量呈緩慢上升的趨勢(shì)，而SO42--S的脫除量波動(dòng)較大且呈不斷下降趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)后期檢測(cè)不到SO42--S的脫除，可能是由于污泥衰亡產(chǎn)生SO42-以及發(fā)生的硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，形成了硫的再循環(huán)。反應(yīng)器前期出水S2-濃度較高、波動(dòng)較大，之后S2-濃度逐漸穩(wěn)定在1.45mg/L左右。由于在反應(yīng)器中未檢測(cè)到其他含硫物質(zhì)，通過(guò)物料衡算得出至少存在35.06mg/L含硫物質(zhì)積累于反應(yīng)器中。

實(shí)驗(yàn)初期即觀察到NH4+-N和SO42--S發(fā)生了脫除現(xiàn)象，但這一現(xiàn)象并不穩(wěn)定。NH4+-N脫除量逐漸升高，SO42--S脫除量卻逐漸降低。進(jìn)水中存在的飽和溶解氧僅為8mg/L，按照硝化反應(yīng)來(lái)計(jì)算不足以氧化等量的NH4+-N，但是NH4+-N仍有較高的脫除量，Zhang等人認(rèn)為HCO3-有可能作為電子受體參與了N和S之間的反應(yīng)，因此本研究考察了不同濃度的HCO3-對(duì)NH4+-N和SO42--S轉(zhuǎn)化的影響。

2.2 HCO3-對(duì)NH4+-N和SO42--S轉(zhuǎn)化的影響

本實(shí)驗(yàn)中添加NaHCO3以及KHCO3作為無(wú)機(jī)碳源維持反應(yīng)器pH穩(wěn)定，在連續(xù)流反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行至第162天時(shí)，NH4+-N、SO42--S及HCO3-濃度保持在100、60、305mg/L。如圖3所示，分別在第187天、第209天和第237天提高HCO3-濃度至668、835、1002mg/L，發(fā)現(xiàn)NH4+-N脫除量逐漸上升，SO42-脫除量則未受到影響，在本實(shí)驗(yàn)中HCO3-并未參與到N和S的反應(yīng)中。而反應(yīng)器在第89天時(shí)通過(guò)批次實(shí)驗(yàn)也檢測(cè)到3.4mgNH4+-N/gVSS的Anammox活性，即存在少量的Anammox菌。Anammox菌可通過(guò)厭氧氨氧化途徑將氨氮轉(zhuǎn)化后的少量NO2-作為電子受體，將氨氮氧化為N2，進(jìn)一步提高氨氮的脫除量。

當(dāng)HCO3-濃度提升至1002mg/L時(shí)，NH4+-N轉(zhuǎn)化量趨于穩(wěn)定。分析原因，一方面可能是反應(yīng)器底部的Anammox菌較少，利用HCO3-的能力已達(dá)到飽和；另一方面可能是前期能夠利用HCO3-的兼性自養(yǎng)微生物較少，導(dǎo)致HCO3-不能得到有效利用。對(duì)在反應(yīng)器底部發(fā)現(xiàn)的黃色物質(zhì)進(jìn)行XRD檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)角為29.3°、35.9°、39.4°與43.1°處均有吸收峰，表明該物質(zhì)主要為CaCO3。HCO3-大量積聚在反應(yīng)器中，與進(jìn)水中的Ca2+、Mg2+生成CaCO3及MgCO3等沉淀附著于顆粒污泥表面，不僅影響傳質(zhì)效率，還會(huì)加速顆粒污泥解體，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。

此外，由于UASB反應(yīng)器的特點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中污泥層菌群在反應(yīng)器內(nèi)呈垂直分布，可能出現(xiàn)各污泥層生化反應(yīng)相耦合，導(dǎo)致NH4+-N及SO42--S的脫除，而在本實(shí)驗(yàn)中NH4+-N與SO42--S的變化趨勢(shì)也表明有其他電子受體及其他生化反應(yīng)參與了NH4+-N和SO42--S的轉(zhuǎn)化，因此檢測(cè)不同高度出水水質(zhì)，以探究可能的轉(zhuǎn)化途徑。

2.3 不同高度處NH4+-N與SO42-的轉(zhuǎn)化情況

同一時(shí)刻在不同高度處采集水樣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。進(jìn)水NH4+-N在反應(yīng)器底部即被脫除，由100.34mg/L降至73.23mg/L。此外，部分厭氧顆粒污泥上浮裂解，細(xì)菌死亡，導(dǎo)致出水口處的NH4+-N濃度上升，這也與體系內(nèi)檢測(cè)到的ORP及TOC濃度變化一致。

TOC及SO42--S濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)，SO42--S濃度先由135.16mg/L逐漸升至170.16mg/L，然后逐漸下降，在出水口處達(dá)到最低濃度135.08mg/L，由此觀察到出水SO42--S未能脫除。在中部污泥層TOC濃度高達(dá)20.12mg/L，SRB菌利用大量有機(jī)物及SO42--S進(jìn)行異養(yǎng)硫酸鹽還原產(chǎn)生S2-，S2-濃度最高可達(dá)13.61mg/L。

由于進(jìn)水中含有少量溶解氧，反應(yīng)器底部發(fā)生了硝化作用使得NH4+-N濃度降低，而底部厭氧污泥死亡使TOC及SO42--S濃度逐漸升高。同時(shí)，厭氧污泥死亡時(shí)會(huì)釋放H2O2及·OH等氧化性物質(zhì)而氧化NH4+-N，導(dǎo)致NH4+-N在厭氧污泥層被脫除。硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)與硝化反應(yīng)相耦合，S0或S2-被重新氧化為SO42--S，在反應(yīng)器中上層SRB菌利用SO42--S及TOC發(fā)生硫酸鹽還原反應(yīng)。綜上所述，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)期間NH4+-N與SO42--S在不同位置分別被脫除。

2.4 反應(yīng)器中N與S共同參與的反應(yīng)

反應(yīng)器底部NH4+-N由于硝化作用被氧化為NOx--N的同時(shí)，還存在硫酸鹽還原的產(chǎn)物S2-及S0。在S0及NOx--N都存在的情況下，硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌逐漸被富集而發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

批次實(shí)驗(yàn)2中分別添加S0以及NO2--N和NO3--N來(lái)證明反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，對(duì)照組中僅放入與實(shí)驗(yàn)組等量未添加任何基質(zhì)的污泥，空白組僅添加基質(zhì)溶液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。、

在厭氧條件下對(duì)照組中的微好氧菌死亡導(dǎo)致SO42--S濃度升高，實(shí)驗(yàn)組中NO2--N和NO3--N濃度下降，SO42--S濃度不斷上升且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照組，說(shuō)明反應(yīng)器中可發(fā)生硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，而S0的再氧化很可能是后期SO42--S不發(fā)生脫除的原因之一。因此認(rèn)為，污泥中的微生物可利用NOx--N與S0實(shí)現(xiàn)N元素與S元素在反應(yīng)器中的協(xié)同循環(huán)。

2.5 反應(yīng)器中的硫酸鹽還原反應(yīng)及其產(chǎn)物

運(yùn)行初期SO42--S脫除量較高，之后逐漸降低，到后期SO42--S甚至不發(fā)生脫除。接種污泥濃度較高，MLVSS可達(dá)47.32g/L，在運(yùn)行期間不斷衰亡釋放有機(jī)物。隨著反應(yīng)器的不斷運(yùn)行，污泥衰亡量逐漸降低，其釋放的TOC濃度呈下降趨勢(shì)，而SRB極有可能利用污泥衰亡釋放的TOC進(jìn)行異養(yǎng)硫酸鹽還原，因此在厭氧環(huán)境下利用不同COD濃度進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)以檢測(cè)硫酸鹽還原活性。

批次實(shí)驗(yàn)1中SO42--S濃度及ORP變化見(jiàn)圖6。

由圖6可知，1h內(nèi)SO42--S濃度均有不同程度的上升，原因可能是污泥中含有的微好氧菌死亡釋放了部分SO42--S及有機(jī)物，而ORP則由于微生物死亡釋放有機(jī)物而短暫下降。之后SRB菌利用有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)硫酸鹽還原產(chǎn)生S2-，SO42--S濃度不斷降低，ORP在COD被消耗后緩慢回升。在COD為300mg/L的條件下，測(cè)得硫酸鹽還原活性最高，為9.91mgSO42--S/（gVSS·d）。

同時(shí)對(duì)反應(yīng)器上層發(fā)現(xiàn)的部分黃色物質(zhì)進(jìn)行XRD檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)角為23.1°、25.9°、26.7°、27.7°及28.7°處均有吸收峰，顯示有S0生成。由于S2-為耗氧型污染物，易被氧化物質(zhì)氧化，而反應(yīng)器上層由于漏氧、水封條件差或顆粒污泥上浮裂解釋放氧化物質(zhì)等因素，使得S2-逐漸被氧化為S0。

自來(lái)水以及污泥中所含F(xiàn)e、Cu等金屬元素容易與SRB還原生成的S2-結(jié)合生成含硫礦物，形成以金屬或非金屬物質(zhì)作為晶核的沉淀，為此對(duì)底部黃色污泥進(jìn)行SEM觀察（如圖7所示），同時(shí)對(duì)反應(yīng)器底部及中部初期和后期污泥進(jìn)行元素分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從圖7和表2可以看出，污泥中存在含硫沉淀形成的結(jié)晶物，且由于反應(yīng)器內(nèi)形成了CaCO3沉淀，反應(yīng)器底部與中部污泥的Ca元素占比均明顯提高。與初期相比，后期反應(yīng)器底部污泥中的S元素占比較低，可能是由于發(fā)生硫自養(yǎng)反硝化導(dǎo)致S0重新生成了SO42--S。中部污泥的S元素則開(kāi)始積累，S元素占比由初始的1.1%積累至2.3%，說(shuō)明發(fā)生硫酸鹽還原反應(yīng)生成了S2-，之后被氧化為S單質(zhì)積累在污泥層中，這也與2.3節(jié)的結(jié)果一致。

2.6 反應(yīng)器中的氮和硫循環(huán)

反應(yīng)器底部污泥負(fù)責(zé)NH4+-N的轉(zhuǎn)化。一方面，實(shí)驗(yàn)初期接種的厭氧顆粒污泥中混有少量有機(jī)物，經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，使異養(yǎng)菌大量增值同化NH4+-N，導(dǎo)致在厭氧環(huán)境下NH4+-N濃度降低；另一方面，由于進(jìn)水桶未進(jìn)行除氧，進(jìn)水中攜帶少量的溶解氧（約8mg/L），當(dāng)反應(yīng)器底部兼性厭氧菌受到O2刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生H2O2，在反應(yīng)器底部、中部及上部測(cè)得H2O2濃度分別為1.4、2.3、3.1mg/L，H2O2可氧化NH4+-N，提高NH4+-N的脫除量。而反應(yīng)器內(nèi)SO42--S的轉(zhuǎn)化則主要利用體系內(nèi)污泥死亡釋放的TOC進(jìn)行SO42--S還原。

當(dāng)運(yùn)行至第89天時(shí)，底部污泥逐漸由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，經(jīng)批次實(shí)驗(yàn)證明底部污泥的硝化能力可達(dá)到30.25mgNH4+-N/（gVSS·d），且高通量測(cè)序同樣表明，底部污泥中存在硝化菌。硝化菌利用少量溶解氧將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，不僅為Anammox菌生長(zhǎng)提供了所需的NO2--N，而且為Anammox菌增殖創(chuàng)造了條件。由于反硝化菌初始豐度比Anammox菌要高，對(duì)NO2--N的競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)，初期Anammox菌的豐度較低，沒(méi)有合適的底物可供利用，生長(zhǎng)較為緩慢，導(dǎo)致NH4+-N脫除量較低。反應(yīng)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，硝化活性逐漸增強(qiáng)，硝化菌以及H2O2等使得NH4+-N脫除量提高，提供更多的NO2--N從而促進(jìn)Anammox菌的生長(zhǎng)。第89天利用批次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到反應(yīng)器底部的Anammox活性為3.4mgNH4+-N/（gVSS·d），Anammox反應(yīng)參與底部NH4+-N的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提高了NH4+-N的脫除量。

在反應(yīng)器運(yùn)行至第150天時(shí)，SO42--S不發(fā)生脫除則是由于進(jìn)水溶解氧使得厭氧污泥死亡，釋放了額外的SO42--S。此外，由于污泥攜帶的有機(jī)物被消耗，SRB僅利用污泥衰亡產(chǎn)生的TOC進(jìn)行SO42--S還原，SO42--S還原量逐漸減少。同時(shí)，在反應(yīng)器底部發(fā)生的硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)以及中部的硫氧化反應(yīng)，也使得S2-或S0重新生成SO42--S，最終使得出水SO42--S基本不發(fā)生轉(zhuǎn)化。

因此推斷，在反應(yīng)器下層發(fā)生的是Anammox、硝化及硫自養(yǎng)反硝化耦合的生化反應(yīng)，在中層與上層則發(fā)生的是硫酸鹽還原及硫氧化反應(yīng)，見(jiàn)圖8。

2.7 微生物菌群解析

利用高通量技術(shù)分析了反應(yīng)器在0、89、240d時(shí)污泥的微生物菌群結(jié)構(gòu)，結(jié)果見(jiàn)圖9。可知，在反應(yīng)器的3個(gè)運(yùn)行階段，硝化菌、反硝化菌、硫酸鹽還原菌、硫自養(yǎng)反硝化菌以及硫氧化菌均存在。

在反應(yīng)器底部檢測(cè)到Acinetobacter，其豐度由初始的0.023%增至第240天的25.22%，同時(shí)檢測(cè)到Comamonadaceae、Pseudoxanthomonas、Thiobacillus、Thermomonas等反硝化菌，初始總豐度僅為0.5%，在第89天提高至6.51%。其中，Thiobacillus是一種硫自養(yǎng)反硝化菌，其豐度由初始的0逐漸提高至1.32%，說(shuō)明反應(yīng)器中確實(shí)存在硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，這與2.5節(jié)的結(jié)果相吻合。高通量測(cè)序中并未發(fā)現(xiàn)Anammox菌，但在反應(yīng)器運(yùn)行至第89天時(shí)利用批次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到較低的Anammox活性。反應(yīng)器中Desulfomonile、Desulfovibrio及Syntrophobacteraceae等SRB菌，在初始接種污泥中的總豐度可達(dá)到4.96%，隨著反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物的減少，SRB菌的總豐度呈下降趨勢(shì)，在第240天下降至1.67%，這也與反應(yīng)器中硫酸鹽脫除量降低的趨勢(shì)相吻合。同時(shí)，在反應(yīng)器中存在少量的硫氧化菌屬，例如Rhodopseudomonas、Rhodobacteraceae等，可利用H2S進(jìn)行代謝自養(yǎng)生長(zhǎng)，總豐度可達(dá)到0.188%。

在第162天提高HCO3-濃度以后，NH4+-N脫除量增加。在主要負(fù)責(zé)脫氮的底部污泥中，檢測(cè)到Acinetobacter菌的豐度提高至78.87%。有研究者發(fā)現(xiàn)，Acinetobacter菌具有硝化及反硝化能力，甚至部分Acinetobacter菌群可進(jìn)行異養(yǎng)硝化脫氮。底部污泥衰亡產(chǎn)生的少量有機(jī)物為Acinetobacter菌群異養(yǎng)硝化提供了基質(zhì)，同時(shí)進(jìn)水中少量的DO以及H2O2為Acinetobacter的好氧反硝化提供了條件，導(dǎo)致其大量增殖，反應(yīng)器中氨氮的脫除主要發(fā)生在底部污泥中，而其與混合污泥菌群的差別僅在于Acinetobacter的豐度。即Acinetobacter的豐度決定了反應(yīng)器的脫氮效果，因此認(rèn)為Acinetobacter在反應(yīng)器中起主要的脫氮作用。Desulfomonile、Desulfovibrio及Syntrophobacteraceae則是反應(yīng)器中主要的SRB菌，利用SO42-作為電子受體進(jìn)行SO42-還原反應(yīng)。Thiobacillus作為反應(yīng)中的硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，可將SO42-還原生成的S2-或S0以NOx--N為電子受體氧化為SO42-，與硫氧化菌共同形成硫的再循環(huán)，其豐度逐漸提高使得SO42-的脫除量進(jìn)一步降低，這也與2.1節(jié)中的推測(cè)相吻合。在本實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)Cai等人鑒定出的可以同時(shí)利用NH4+-N以及SO42--S的BacillusBenzoevorans菌株，也未曾發(fā)現(xiàn)Liu等人在Anammox反應(yīng)器中分離得到的脫氮除硫功能菌種Anammoxoglobussulfate。

因此，在本研究的反應(yīng)器中，硝化、Anammox、異養(yǎng)反硝化及硫自養(yǎng)反硝化共同構(gòu)成了系統(tǒng)內(nèi)的氮循環(huán)；硫酸鹽還原、硫自養(yǎng)反硝化及硫好氧氧化共同構(gòu)成了系統(tǒng)內(nèi)的硫循環(huán)，氮、硫循環(huán)耦合使得反應(yīng)器中出現(xiàn)硫酸鹽還原厭氧氨氧化。

3、結(jié)論

①改變UASB反應(yīng)器進(jìn)水N/S值時(shí)，NH4+-N與SO42--S的脫除量并未受到明顯影響。體系內(nèi)存在的Anammox反應(yīng)、兼性厭氧微生物產(chǎn)生的H2O2以及提高HCO3-濃度均有助于NH4+-N脫除量的提高。在將HCO3-濃度提高至1002mg/L后，NH4+-N脫除量不再升高。

②由于UASB反應(yīng)器的特點(diǎn)，在不同高度污泥層形成了不同種類的微生物菌群，NH4+-N和SO42--S在不同位置分別被脫除，由不同層的氮、硫生化反應(yīng)相互耦合形成硫酸鹽型厭氧氨氧化現(xiàn)象。

③溶解氧使得厭氧污泥死亡產(chǎn)生額外的SO42--S，SO42--S還原生成的S2-被Rhodopseudomonas、Rhodobacteraceae等硫氧化菌以及硫自養(yǎng)反硝化菌重新氧化為SO42--S，在反應(yīng)器內(nèi)部形成硫循環(huán)，導(dǎo)致出水SO42--S不發(fā)生脫除。而Acinetobacter主要負(fù)責(zé)反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N的脫除，與Anammox、異養(yǎng)反硝化及硫自養(yǎng)反硝化共同構(gòu)成體系內(nèi)的氮循環(huán)。