基于厭氧消化工藝的低能耗以及可回收沼氣資源等優(yōu)點(diǎn)，其常被用于處理工業(yè)有機(jī)廢水。硫化合物作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的原材料以及輔助材料被廣泛使用，使得一些工業(yè)生產(chǎn)廢水中會(huì)含有一定濃度的硫酸鹽。而在水處理過程中普遍使用的是硫酸鹽系絮凝劑，這將間接造成生活污水中SO42-濃度的升高。雖然硫酸鹽本身性質(zhì)穩(wěn)定且無毒無害，但其若存在于厭氧消化系統(tǒng)中，則能夠刺激硫酸鹽還原菌（SRB）的代謝活性，并對(duì)厭氧消化過程產(chǎn)生阻礙作用。首先，SRB與產(chǎn)甲烷菌（MPB）有著相同的代謝底物H2和乙酸，且SRB對(duì)底物更具競(jìng)爭(zhēng)力與親和度，從而對(duì)MPB的生物過程造成初級(jí)抑制作用；其次，硫酸鹽還原時(shí)會(huì)產(chǎn)生H2S等硫化物，從而對(duì)MPB的生物過程造成次級(jí)抑制作用。另外，若所處理的工業(yè)廢水中有機(jī)物濃度較低時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)質(zhì)與厭氧微生物間的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力將會(huì)有所下降，從而導(dǎo)致微生物代謝活性減弱，反應(yīng)器的處理效能降低。

含硫酸鹽有機(jī)廢水的厭氧處理一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。COD/SO42-是影響SRB與MPB之間對(duì)底物競(jìng)爭(zhēng)能力的重要指標(biāo)，其能夠表征進(jìn)水中營養(yǎng)物質(zhì)與硫酸鹽的相對(duì)含量。有研究表明，COD/SO42-不但影響產(chǎn)甲烷菌的代謝活性和產(chǎn)氣性能，同時(shí)也影響SO42-的去除效果。另外，根據(jù)廢水水質(zhì)以及反應(yīng)器類型的不同，能夠?qū)�厭氧消化產(chǎn)生影響的COD/SO42-范圍也有所不同。以往的研究大多集中在反應(yīng)器對(duì)含硫酸鹽有機(jī)廢水的極限處理能力，而對(duì)含硫酸鹽低濃度有機(jī)廢水的研究較少。在采用厭氧工藝處理含硫酸鹽低濃度有機(jī)廢水時(shí)，若利用SRB對(duì)有機(jī)底物更具親和性的特點(diǎn)，促進(jìn)廢水中有機(jī)物的分解，并控制適合的COD/SO42-，有可能避免硫酸鹽還原反應(yīng)所帶來的初級(jí)和次級(jí)抑制作用，使硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌之間產(chǎn)生協(xié)同合作、耦合處理硫酸鹽與有機(jī)污染物，提升厭氧消化反應(yīng)器處理效能。為此，通過改變進(jìn)水COD/SO42-，比較在不同進(jìn)水條件下，反應(yīng)器對(duì)COD與SO42-的去除效果、沼氣產(chǎn)量、組分變化以及反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，從而明晰進(jìn)水COD/SO42-對(duì)處理含硫酸鹽低濃度有機(jī)廢水的影響規(guī)律。

1、試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）反應(yīng)器如圖1所示。反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制作，直徑為38cm，高度為165cm，有效容積為181L。試驗(yàn)裝置由EGSB反應(yīng)器主體、進(jìn)水系統(tǒng)、處理水回流系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及沼氣收集系統(tǒng)組成。進(jìn)水量由進(jìn)水泵控制，通過溫控箱將溫度控制在（37±0.5）℃，在反應(yīng)器外包裹棉布保溫，在反應(yīng)器上部設(shè)有出水口以及沼氣出氣管，沼氣經(jīng)出氣管進(jìn)入集氣裝置。

1.2 試驗(yàn)用水及接種污泥

試驗(yàn)所用廢水為某果糖及淀粉生產(chǎn)車間產(chǎn)生的廢水，其COD為1400~2000mg/L，pH為5.0~7.3，NH4+-N為70~130mg/L。

接種污泥取自于某糧食加工企業(yè)內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器底部的厭氧顆粒污泥，其MLVSS/MLSS為0.79，接種污泥濃度（以MLSS計(jì)）為（10.5±0.1）g/L，接種量約為反應(yīng)器有效容積的20%。待污泥濃度穩(wěn)定在（7.0±0.1）g/L后開始試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

EGSB反應(yīng)器在適合的水力停留時(shí)間（HRT）下穩(wěn)定運(yùn)行后，通過投加NaOH調(diào)節(jié)進(jìn)水pH為7.0±0.2，在上升流速為6m/h、溫度為（37±0.5）℃、HRT為12h的條件下共運(yùn)行了82d，分為如表1所示的5個(gè)階段進(jìn)行。在階段Ⅰ~Ⅳ，使用某糧食加工企業(yè)廢水調(diào)節(jié)池內(nèi)的原水進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)進(jìn)水COD濃度，投加硫酸鈉調(diào)整進(jìn)水COD/SO42-由15逐步下降到4，觀察出水COD濃度的變化。為探究引起出水水質(zhì)變化的主要因素是COD/SO42-還是進(jìn)水SO42-濃度，在階段Ⅴ，向進(jìn)水中添加果糖，提高進(jìn)水COD至3000mg/L左右，進(jìn)水SO42-濃度穩(wěn)定在430mg/L左右，使COD/SO42-提高至7，觀察出水水質(zhì)的變化。

1.4 分析方法

1.4.1 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定

COD：重鉻酸鉀法；SO42-：鉻酸鋇分光光度法；揮發(fā)性脂肪酸（VFA）：蒸餾滴定法；碳酸氫鹽堿度：電位滴定法；pH：PB-10型酸度計(jì)；沼氣產(chǎn)量：排水法；甲烷氣體占比：GeotechBiogas5000便攜式沼氣分析儀；H2S氣體占比：H2S快速檢測(cè)管。

1.4.2 SRB電子流比重計(jì)算

Isa等提出了電子流理論，將SRB對(duì)有機(jī)底物的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)模大小通過數(shù)字的形式表現(xiàn)出來，該值越大，說明其對(duì)共同底物的競(jìng)爭(zhēng)越占優(yōu)勢(shì)。反應(yīng)器中SRB的電子流比重計(jì)算公式如下：

式中：e表示SRB的電子流比重，%；ΔSO42-與ΔCOD分別表示SO42-與COD的去除量，mg；0.72表示完全還原1kgSO42-所需要的COD量為0.72kg。

2、結(jié)果與討論

2.1 不同進(jìn)水條件下COD和SO42-的去除效果

階段Ⅰ~Ⅴ的進(jìn)出水COD、SO42-濃度及其去除率的變化如圖2所示。在階段Ⅰ~Ⅲ，進(jìn)水COD濃度穩(wěn)定在1400~1900mg/L，中值為1680mg/L，COD/SO42-由15逐步降低到7。在階段Ⅰ，出水COD接近600mg/L，COD去除率在63%左右，SO42-去除率在84%左右；在階段Ⅱ，出水COD下降到530mg/L左右；在階段Ⅲ，出水COD降至450mg/L以下，COD去除率在75%左右，同時(shí)SO42-去除率接近90%。COD與SO42-去除率均隨著進(jìn)水COD/SO42-的降低而上升。一般認(rèn)為，當(dāng)進(jìn)水COD/SO42-降低時(shí)，SRB會(huì)得到相應(yīng)的刺激生長，增強(qiáng)對(duì)有機(jī)物的代謝速率，從而提高SRB對(duì)COD的去除率；同時(shí)SRB的豐度在厭氧體系中將不斷增加，提高對(duì)SO42-的代謝速率和去除率。對(duì)于含有硫酸鹽的有機(jī)廢水，有機(jī)物的去除是由SRB與MPB的共同作用完成的。當(dāng)硫酸鹽還原反應(yīng)尚未對(duì)厭氧反應(yīng)產(chǎn)生不利影響時(shí)，兩者能夠協(xié)同代謝廢水中的有機(jī)物，增加進(jìn)水SO42-濃度將有利于提升有機(jī)物的去除效果。

在階段Ⅳ，當(dāng)COD/SO42-進(jìn)一步降至4后，出水COD和SO42-濃度分別上升到675、120mg/L左右，去除率分別下降至65%和75%左右，說明硫酸鹽還原反應(yīng)對(duì)有機(jī)物降解產(chǎn)生了抑制作用。在階段Ⅴ，穩(wěn)定進(jìn)水硫酸鹽濃度為430mg/L，通過投加工業(yè)果糖提高進(jìn)水COD濃度至3000mg/L，使得進(jìn)水COD/SO42-恢復(fù)至7，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器的處理效果明顯提高，COD與SO42-去除率分別恢復(fù)至80%和90%以上。說明在階段Ⅳ出現(xiàn)的處理效能下降現(xiàn)象是由可逆的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)抑制造成的，而非硫化物毒害抑制。推測(cè)在階段Ⅳ，由于進(jìn)水COD/SO42-較低，使得SRB與MPB對(duì)有機(jī)底物產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，導(dǎo)致兩者的代謝效率都出現(xiàn)了不同程度的下降，出水COD與SO42-濃度有所升高，去除率分別下降了10%和15%。

綜上所述，在處理有機(jī)質(zhì)含量較低的工業(yè)廢水時(shí)，適量硫酸鹽的存在將有助于提高反應(yīng)器的處理效率。另外，從圖2還可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)期間，無論是否存在抑制作用，SO42-去除率都高于COD去除率。這是因?yàn)?/span>SRB比MPB對(duì)共同代謝底物更具有競(jìng)爭(zhēng)力，所以硫酸鹽還原反應(yīng)將更容易發(fā)生。一方面，從動(dòng)力學(xué)角度來看，SRB比MPB對(duì)共同代謝底物的親和度更高；另一方面，從熱力學(xué)的角度，硫酸鹽還原反應(yīng)具有更低的吉布斯自由能，更容易發(fā)生反應(yīng)。

2.2 不同進(jìn)水條件下沼氣產(chǎn)量及組分的變化

隨著進(jìn)水COD/SO42-的降低，沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量都呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)（如圖3所示）。如階段Ⅰ的沼氣產(chǎn)量與甲烷產(chǎn)量分別為0.43、0.37m³/kg，而在階段Ⅳ分別下降至0.33、0.29m³/kg，單位進(jìn)水COD的甲烷產(chǎn)量下降了0.08m³/kg。

在階段Ⅰ~Ⅳ期間，進(jìn)水SO42-濃度約上升了332mg/L。將1kgSO42-完全還原需要0.72kg的COD，與階段Ⅰ相比，階段Ⅳ的SRB多利用的COD量為0.239kg/m³。MPB每降解1kgCOD約產(chǎn)生0.35m³（標(biāo)況）甲烷，理論上階段Ⅳ相比階段Ⅰ，單位進(jìn)水COD的甲烷產(chǎn)量約下降0.084m³/kg，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)0.08m³/kg吻合。在階段Ⅳ，由于進(jìn)水COD/SO42-較低，會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷作用產(chǎn)生較為明顯的影響。在硫酸鹽的刺激下，SRB的豐度不斷增加，代謝活性也有所增強(qiáng)，使得基質(zhì)分流現(xiàn)象變得愈加明顯，越來越多的有機(jī)質(zhì)通過SRB的代謝途徑被降解，被MPB消化降解的有機(jī)質(zhì)有所減少，從而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量不斷下降。綜上所述，硫酸鹽的存在會(huì)對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量以及甲烷產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響，產(chǎn)氣量與進(jìn)水COD/SO42-成正比。

2.3 不同運(yùn)行條件下系統(tǒng)參數(shù)的變化

2.3.1 堿度的變化

堿度可以和厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的有機(jī)酸反應(yīng)，起到緩沖pH的作用。不同條件下反應(yīng)器內(nèi)堿度的變化如圖4所示，在階段Ⅰ~Ⅴ堿度隨著進(jìn)水SO42-濃度的增加而增加。這是因?yàn)榱蛩猁}被還原時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分堿度，理論上每去除1mol硫酸鹽便會(huì)產(chǎn)生2mol堿度。階段Ⅳ與階段Ⅴ的進(jìn)水SO42-濃度相當(dāng)，但由于在階段Ⅳ出現(xiàn)了基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)抑制，導(dǎo)致其SO42-去除率下降，從而使得堿度也相對(duì)較低。

2.3.2 VFA的變化

出水VFA的變化如圖5所示。階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ的進(jìn)水COD/SO42-≥7，出水VFA一直在一個(gè)相對(duì)較低的水平，而在階段Ⅳ的進(jìn)水COD/SO42-降至4后，出水VFA升高，意味著在EGSB反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)了一定程度的有機(jī)酸積累。出水VFA濃度能夠反映厭氧反應(yīng)器內(nèi)各類厭氧微生物之間的代謝平衡關(guān)系，其中產(chǎn)酸菌能夠?qū)⒂袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸，而有機(jī)酸又能為MPB所利用，從而在兩者之間形成了一種代謝平衡。而當(dāng)進(jìn)水COD/SO42-降至4后，MPB與SRB之間的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)使得MPB的代謝效率下降，硫酸鹽被還原產(chǎn)生的堿度減少，原有的平衡被打破，出水VFA增加。

2.3.3 pH的變化

在階段Ⅰ~Ⅴ出水pH都穩(wěn)定在7.5以上，且緩慢增加到8.0左右，即便VFA在階段Ⅳ有所積累，但出水pH仍相對(duì)穩(wěn)定。可見，在采用厭氧處理含硫酸鹽低濃度有機(jī)廢水時(shí)，適量硫酸鹽的存在可以為厭氧反應(yīng)器提供一定的堿度，增加反應(yīng)器的穩(wěn)定性和緩沖能力。

2.4 硫酸鹽還原菌的電子流比重分析

圖6反映了不同條件下SRB的電子流比重變化。在階段Ⅰ，SRB的電子流比重僅有7%左右，說明在較高的進(jìn)水碳硫比下，在對(duì)基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)中MPB更占優(yōu)勢(shì)，但隨著進(jìn)水SO42-濃度的提升、COD/SO42-的降低，SRB在硫酸鹽的刺激下豐度與代謝活性都有所提高，對(duì)硫酸鹽的還原能力以及對(duì)共同底物的競(jìng)爭(zhēng)能力都在增強(qiáng)，使得SRB的電子流比重不斷增大，逐步上升到階段Ⅳ的22%左右。

結(jié)合2.1節(jié)的分析可知，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的SRB與MPB開始出現(xiàn)基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。冀濱弘等在單相升流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器處理含硫酸鹽葡萄糖配水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRB的電子流比重在25%左右時(shí)，COD去除率較無硫酸鹽干擾時(shí)下降了16%，認(rèn)為是硫酸鹽的還原作用對(duì)厭氧消化產(chǎn)生了影響。陳燚在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水COD/SO42-由8降至5后，SRB的電子流比重在15%左右，COD去除率僅由92%降至91%，硫酸鹽還原反應(yīng)并未對(duì)厭氧系統(tǒng)造成影響；當(dāng)COD/SO42-由5降至2后，SRB的電子流比重上升至25%左右，此時(shí)COD去除率由92%下降至84%。結(jié)合階段Ⅰ~Ⅴ結(jié)果，可以認(rèn)為當(dāng)SRB的電子流比重接近20%~25%時(shí)，SRB與MPB之間開始對(duì)有限的共同底物展開競(jìng)爭(zhēng)，COD去除率由75%降至65%。

3、結(jié)論

①適宜的進(jìn)水COD/SO42-可以實(shí)現(xiàn)SRB與MPB協(xié)同去除廢水中的有機(jī)污染物。在進(jìn)水COD/SO42-為7時(shí)，反應(yīng)器的處理效率最高，出水COD在450mg/L以下，COD去除率在75%左右，同時(shí)SO42-去除率接近90%。

②受基質(zhì)分流的影響，硫酸鹽的存在會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生不利影響，使甲烷產(chǎn)量隨著進(jìn)水COD/SO42-的降低而下降。進(jìn)水COD/SO42-為15時(shí)，甲烷產(chǎn)量為0.37m³/kg，而在進(jìn)水COD/SO42-下降到4時(shí)，甲烷產(chǎn)量下降至0.29m³/kg。

③當(dāng)SRB的電子流比重在20%~25%時(shí)，SRB與MPB之間開始出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)共同代謝底物的現(xiàn)象，導(dǎo)致二者的代謝效率同時(shí)下降，COD去除率由最高時(shí)的75%左右下降到65%以下，SO42-去除率由最高時(shí)的90%降至75%以下。（來源：平度市城市建設(shè)服務(wù)中心，中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）