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

實驗初期即觀察到NH4+-N和SO42--S發(fā)生了脫除現象，但這一現象并不穩(wěn)定。NH4+-N脫除量逐漸升高，SO42--S脫除量卻逐漸降低。進水中存在的飽和溶解氧僅為8mg/L，按照硝化反應來計算不足以氧化等量的NH4+-N，但是NH4+-N仍有較高的脫除量，Zhang等人認為HCO3-有可能作為電子受體參與了N和S之間的反應，因此本研究考察了不同濃度的HCO3-對NH4+-N和SO42--S轉化的影響。

2.2 HCO3-對NH4+-N和SO42--S轉化的影響

本實驗中添加NaHCO3以及KHCO3作為無機碳源維持反應器pH穩(wěn)定，在連續(xù)流反應器持續(xù)運行至第162天時，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NH4+-N脫除量逐漸上升，SO42-脫除量則未受到影響，在本實驗中HCO3-并未參與到N和S的反應中。而反應器在第89天時通過批次實驗也檢測到3.4mgNH4+-N/gVSS的Anammox活性，即存在少量的Anammox菌。Anammox菌可通過厭氧氨氧化途徑將氨氮轉化后的少量NO2-作為電子受體，將氨氮氧化為N2，進一步提高氨氮的脫除量。

當HCO3-濃度提升至1002mg/L時，NH4+-N轉化量趨于穩(wěn)定。分析原因，一方面可能是反應器底部的Anammox菌較少，利用HCO3-的能力已達到飽和；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，導致HCO3-不能得到有效利用。對在反應器底部發(fā)現的黃色物質進行XRD檢測，發(fā)現在轉角為29.3°、35.9°、39.4°與43.1°處均有吸收峰，表明該物質主要為CaCO3。HCO3-大量積聚在反應器中，與進水中的Ca2+、Mg2+生成CaCO3及MgCO3等沉淀附著于顆粒污泥表面，不僅影響傳質效率，還會加速顆粒污泥解體，進而影響出水水質。

此外，由于UASB反應器的特點，在長期運行過程中污泥層菌群在反應器內呈垂直分布，可能出現各污泥層生化反應相耦合，導致NH4+-N及SO42--S的脫除，而在本實驗中NH4+-N與SO42--S的變化趨勢也表明有其他電子受體及其他生化反應參與了NH4+-N和SO42--S的轉化，因此檢測不同高度出水水質，以探究可能的轉化途徑。

2.3 不同高度處NH4+-N與SO42-的轉化情況

同一時刻在不同高度處采集水樣進行檢測，結果如圖4所示。進水NH4+-N在反應器底部即被脫除，由100.34mg/L降至73.23mg/L。此外，部分厭氧顆粒污泥上浮裂解，細菌死亡，導致出水口處的NH4+-N濃度上升，這也與體系內檢測到的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，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20.12mg/L，SRB菌利用大量有機物及SO42--S進行異養(yǎng)硫酸鹽還原產生S2-，S2-濃度最高可達13.61mg/L。

由于進水中含有少量溶解氧，反應器底部發(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，厭氧污泥死亡時會釋放H2O2及·OH等氧化性物質而氧化NH4+-N，導致NH4+-N在厭氧污泥層被脫除。硫自養(yǎng)反硝化反應與硝化反應相耦合，S0或S2-被重新氧化為SO42--S，在反應器中上層SRB菌利用SO42--S及TOC發(fā)生硫酸鹽還原反應。綜上所述，認為實驗期間NH4+-N與SO42--S在不同位置分別被脫除。

2.4 反應器中N與S共同參與的反應

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

批次實驗2中分別添加S0以及NO2--N和NO3--N來證明反應器內發(fā)生的硫自養(yǎng)反硝化反應，對照組中僅放入與實驗組等量未添加任何基質的污泥，空白組僅添加基質溶液，實驗結果如圖5所示。、

在厭氧條件下對照組中的微好氧菌死亡導致SO42--S濃度升高，實驗組中NO2--N和NO3--N濃度下降，SO42--S濃度不斷上升且遠遠高于對照組，說明反應器中可發(fā)生硫自養(yǎng)反硝化反應，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。因此認為，污泥中的微生物可利用NOx--N與S0實現N元素與S元素在反應器中的協同循環(huán)。

2.5 反應器中的硫酸鹽還原反應及其產物

運行初期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47.32g/L，在運行期間不斷衰亡釋放有機物。隨著反應器的不斷運行，污泥衰亡量逐漸降低，其釋放的TOC濃度呈下降趨勢，而SRB極有可能利用污泥衰亡釋放的TOC進行異養(yǎng)硫酸鹽還原，因此在厭氧環(huán)境下利用不同COD濃度進行批次實驗以檢測硫酸鹽還原活性。

批次實驗1中SO42--S濃度及ORP變化見圖6。

由圖6可知，1h內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及有機物，而ORP則由于微生物死亡釋放有機物而短暫下降。之后SRB菌利用有機物進行異養(yǎng)硫酸鹽還原產生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，測得硫酸鹽還原活性最高，為9.91mgSO42--S/（gVSS·d）。

同時對反應器上層發(fā)現的部分黃色物質進行XRD檢測，發(fā)現在轉角為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，易被氧化物質氧化，而反應器上層由于漏氧、水封條件差或顆粒污泥上浮裂解釋放氧化物質等因素，使得S2-逐漸被氧化為S0。

自來水以及污泥中所含Fe、Cu等金屬元素容易與SRB還原生成的S2-結合生成含硫礦物，形成以金屬或非金屬物質作為晶核的沉淀，為此對底部黃色污泥進行SEM觀察（如圖7所示），同時對反應器底部及中部初期和后期污泥進行元素分析，結果見表2。從圖7和表2可以看出，污泥中存在含硫沉淀形成的結晶物，且由于反應器內形成了CaCO3沉淀，反應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)反硝化導致S0重新生成了SO42--S。中部污泥的S元素則開始積累，S元素占比由初始的1.1%積累至2.3%，說明發(fā)生硫酸鹽還原反應生成了S2-，之后被氧化為S單質積累在污泥層中，這也與2.3節(jié)的結果一致。

2.6 反應器中的氮和硫循環(huán)

反應器底部污泥負責NH4+-N的轉化。一方面，實驗初期接種的厭氧顆粒污泥中混有少量有機物，經過厭氧發(fā)酵后產生多種代謝產物，使異養(yǎng)菌大量增值同化NH4+-N，導致在厭氧環(huán)境下NH4+-N濃度降低；另一方面，由于進水桶未進行除氧，進水中攜帶少量的溶解氧（約8mg/L），當反應器底部兼性厭氧菌受到O2刺激時會產生H2O2，在反應器底部、中部及上部測得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。而反應器內SO42--S的轉化則主要利用體系內污泥死亡釋放的TOC進行SO42--S還原。

當運行至第89天時，底部污泥逐漸由黑色轉變?yōu)辄S色，經批次實驗證明底部污泥的硝化能力可達到30.25mgNH4+-N/（gVSS·d），且高通量測序同樣表明，底部污泥中存在硝化菌。硝化菌利用少量溶解氧將NH4+-N轉化為NO2--N，不僅為Anammox菌生長提供了所需的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NO2--N的競爭力較強，初期Anammox菌的豐度較低，沒有合適的底物可供利用，生長較為緩慢，導致NH4+-N脫除量較低。反應器經過長時間運行后，硝化活性逐漸增強，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Anammox菌的生長。第89天利用批次實驗檢測到反應器底部的Anammox活性為3.4mgNH4+-N/（gVSS·d），Anammox反應參與底部NH4+-N的轉化，進一步提高了NH4+-N的脫除量。

在反應器運行至第150天時，SO42--S不發(fā)生脫除則是由于進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物被消耗，SRB僅利用污泥衰亡產生的TOC進行SO42--S還原，SO42--S還原量逐漸減少。同時，在反應器底部發(fā)生的硫自養(yǎng)反硝化反應以及中部的硫氧化反應，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)生轉化。

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

2.7 微生物菌群解析

利用高通量技術分析了反應器在0、89、240d時污泥的微生物菌群結構，結果見圖9。可知，在反應器的3個運行階段，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。

在反應器底部檢測到Acinetobacter，其豐度由初始的0.023%增至第240天的25.22%，同時檢測到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%，說明反應器中確實存在硫自養(yǎng)反硝化反應，這與2.5節(jié)的結果相吻合。高通量測序中并未發(fā)現Anammox菌，但在反應器運行至第89天時利用批次實驗檢測到較低的Anammox活性。反應器中Desulfomonile、Desulfovibrio及Syntrophobacteraceae等SRB菌，在初始接種污泥中的總豐度可達到4.96%，隨著反應器內有機物的減少，SRB菌的總豐度呈下降趨勢，在第240天下降至1.67%，這也與反應器中硫酸鹽脫除量降低的趨勢相吻合。同時，在反應器中存在少量的硫氧化菌屬，例如Rhodopseudomonas、Rhodobacteraceae等，可利用H2S進行代謝自養(yǎng)生長，總豐度可達到0.188%。

在第162天提高HCO3-濃度以后，NH4+-N脫除量增加。在主要負責脫氮的底部污泥中，檢測到Acinetobacter菌的豐度提高至78.87%。有研究者發(fā)現，Acinetobacter菌具有硝化及反硝化能力，甚至部分Acinetobacter菌群可進行異養(yǎng)硝化脫氮。底部污泥衰亡產生的少量有機物為Acinetobacter菌群異養(yǎng)硝化提供了基質，同時進水中少量的DO以及H2O2為Acinetobacter的好氧反硝化提供了條件，導致其大量增殖，反應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的豐度決定了反應器的脫氮效果，因此認為Acinetobacter在反應器中起主要的脫氮作用。Desulfomonile、Desulfovibrio及Syntrophobacteraceae則是反應器中主要的SRB菌，利用SO42-作為電子受體進行SO42-還原反應。Thiobacillus作為反應中的硫自養(yǎng)反硝化細菌，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-的脫除量進一步降低，這也與2.1節(jié)中的推測相吻合。在本實驗中并未發(fā)現Cai等人鑒定出的可以同時利用NH4+-N以及SO42--S的BacillusBenzoevorans菌株，也未曾發(fā)現Liu等人在Anammox反應器中分離得到的脫氮除硫功能菌種Anammoxoglobussulfate。

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

3、結論

①改變UASB反應器進水N/S值時，NH4+-N與SO42--S的脫除量并未受到明顯影響。體系內存在的Anammox反應、兼性厭氧微生物產生的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反應器的特點，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、硫生化反應相互耦合形成硫酸鹽型厭氧氨氧化現象。

③溶解氧使得厭氧污泥死亡產生額外的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，在反應器內部形成硫循環(huán)，導致出水SO42--S不發(fā)生脫除。而Acinetobacter主要負責反應器內NH4+-N的脫除，與Anammox、異養(yǎng)反硝化及硫自養(yǎng)反硝化共同構成體系內的氮循環(huán)。