通过微高压和Fe(II)双重激活Oxic-Micro-pressure厌氧上流式污泥反应器（O-MAUSR），实现线性烷基苯磺酸盐（LAS）的降解和硫转化

《Journal of Water Process Engineering》：Dual-activation of Oxic-Micro-pressure anaerobic Upflow sludge reactor (O-MAUSR) by micro-high pressure and Fe(II) for linear alkylbenzene sulfonates (LAS) degradation and sulfur conversion

研究采用O-MAUSR系统处理LAS污染废水，通过好氧-微压厌氧串联工艺结合Fe(II)补充，实现87%的总LAS去除率，其中微压阶段提升硫酸盐还原效率8.29%，硫酸盐/有机物比值控制在0.67-1.2时优化降解效果。

　　

作者：班云晓 | 陈浩然 | 邓强

兰州交通大学环境与市政工程学院，中国甘肃省兰州市，730070

摘要

本研究采用创新的氧化-微压厌氧上流式污泥反应器（O-MAUSR）处理含有线性烷基苯磺酸盐（LAS）的废水，重点探讨了微高压（0.1–0.7 MPa）和Fe(II)添加的协同效应。该系统通过顺序的氧化和微压厌氧过程实现了高效的去除效果：在初始的氧化阶段，LAS的去除率为78%；随后在微压条件下，剩余的LAS和硫酸盐衍生物进一步被去除60%。在微压条件下加入2 mg/L的Fe(II)后，硫酸盐的去除效率提高了8.29%，这归因于特定硫循环微生物（包括拟杆菌门、α-变形菌门和γ-变形菌门）的选择性富集。这些微生物群落在加压条件下表现出更强的代谢活性和系统稳定性。通过将COD/SO?2?比值维持在0.67至1.2之间，系统实现了有机物和硫酸盐的平衡降解，最终LAS的去除率为87%。研究结果表明，O-MAUSR系统作为一种可持续且高效的生物技术，适用于LAS废水处理，既具有高去除性能，又在压力条件下具备良好的运行稳定性。

引言

含有线性烷基苯磺酸盐（LAS）的废水在化工制造以及家庭活动（如沐浴、洗衣和个人服务）中广泛存在，因此构成了实际有机废水中的一大组成部分[1]。由于这类废水来自相对稳定的来源且污染程度通常较低，它们成为水资源再利用方案的理想候选对象，这一点在中国北方水资源紧张的地区（包括北京、天津和陕西）尤为重要[2]。LAS是全球使用最广泛的阴离子表面活性剂，其中大部分用于洗涤剂和清洁剂[3]；作为两亲物质，LAS可以在液体界面持续存在，并在释放后对生态系统和人类健康产生不良影响[4],[5],[6]。目前有多种LAS去除方法，包括物理化学方法（如混凝、吸附、膜分离，这些方法虽然有效但投资较大且会产生废物[7],[8],[9]，以及依赖微生物降解的生物方法[6],[10]。

最近的厌氧处理研究涵盖了多种反应器配置——流化床、膨胀颗粒污泥床、上流式厌氧污泥床和水平厌氧固定化生物质系统——但大多数研究仅在严格厌氧条件下考察LAS的去除情况，且终端电子受体的种类有限或不存在，因此关于LAS生物降解途径的机制尚不明确[11]。同时，氧化-厌氧/厌氧耦合工艺越来越受到重视：氧化过程可以启动LAS的氧化和裂解，而下游的厌氧条件可以在替代电子受体下促进生物降解并驱动硫的还原[12]。

微压环境具有重要意义，因为即使在名义上的最佳条件下，微生物也会受到压力影响，因此可控的微压可以作为一种可调的操作参数，而不仅仅是一个环境变量[13]。LAS氧化过程中产生的硫酸盐会带来操作和环境问题——如果处理不当，可能会导致变色、异味以及硫化氢和金属硫化物的释放[14],[15]；碳与硫酸盐的平衡（例如关键的COD/SO?2?比值约为0.67）和硫酸盐还原菌的活性会显著影响后续转化过程[16],[17]。Fe(II)可以沉淀硫化物并减轻毒性[18]，减少硫化氢对敏感微生物群的抑制[19],[20]，并支持酶的合成和细胞外聚合物的生成[21],[22]；Fe(II)氧化为Fe(III)还可以提供良好的终端电子受体[23]，许多细菌和古菌利用Fe(III)/Fe(II)的耦合进行能量代谢和污染物修复[24],[25]。综上所述，本研究的核心假设是：将氧化过程与微压厌氧上流式污泥反应器和Fe(II)激活相结合，可以克服电子受体限制和硫化物毒性问题，提高污泥密度，并促进关键微生物群落的生长，从而提升LAS的去除率和硫的转化效率。

本研究构建并测试了一种两阶段的氧化-微压厌氧上流式污泥反应器策略。氧化单元负责启动LAS的降解并生成硫中间体；微压厌氧单元在有无添加亚铁的情况下运行，以观察下游硫的变化。本研究的具体目标如下：首先验证新反应系统在驱动LAS降解和硫物种转化方面的实际性能；其次探讨微高压和亚铁添加的双重激活机制如何共同作用，以降低硫化物毒性并改善厌氧硫酸盐还原效果；最后追踪功能性微生物群落的变化，揭示污染物降解过程中铁和硫循环之间的代谢途径，解释其潜在的生态机制。

反应器配置与操作

O-MAUSR系统由两个依次运行的反应器组成：一个氧化罐和一个微压厌氧上流式污泥反应器（示意图和采样端口见图1）。两者通过串联方式连接，氧化反应器的出水直接进入厌氧单元。安装了一个孔径为300 μm的分布板以确保水流均匀。系统的运行流速设定为96.6 mL/min。厌氧反应器在微高压条件下运行

实验结果分析

在30天的氧化阶段，LAS浓度从3.73 ± 0.94 mg/L降至0.81 ± 0.21 mg/L，平均去除率为78.1 ± 8.2%（图2a）。这意味着LAS的绝对去除量为2.92 mg/L。同期，硫酸盐浓度从77.8 ± 5.2 mg/L升至97.7 ± 8.6 mg/L，绝对增加了19.9 mg/L（图2b）。氧化阶段的氨氮平均去除率为44.89 ± 4.53%（图2c）。

在微压厌氧条件下，LAS的平均去除率

结论

本研究证明，在受控操作条件下，顺序的氧化-微压厌氧上流式污泥反应器（O-MAUSR）能够有效去除LAS并转化硫物种。该系统总体上去除了87%的LAS和约60%的硫酸盐，其中氧化步骤负责LAS的氧化/脱硫，随后的微压厌氧步骤则负责剩余LAS和硫酸盐衍生物的转化。在相同的微压条件下，加入2 mg/L的Fe(II)后

作者贡献声明

班云晓：负责撰写初稿、资金申请和数据整理，以及概念构思。 陈浩然：负责撰写、审稿和编辑，以及初稿的撰写和数据整理。 邓强：负责撰写、审稿和编辑，以及正式数据分析。

伦理声明

作者之间不存在利益冲突。本研究中未使用人类或动物细胞。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：班云晓表示获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：51168026）的支持。