建立了混合营养一体式微生物反应器(图1)。反应器采用有机玻璃柱制成，柱内径为5 cm，柱内填充硫磺颗粒(10目筛子筛分，燕山石化)，填充高度42 cm，反应器有效体积310 mL，外部有水浴保温夹层，温度为(30±2) ℃。反应器顶部采用溢流的方式出水，底部通过蠕动泵(YZ1513，保定兰格)均匀的将进水送进反应器。

反应器进水采用去离子水和自来水(1∶4)配制而成，加入优级纯高氯酸钠和硝酸钠作为目标污染物。进水组成：${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$质量浓度(20.12±0.12) mg·L⁻¹，${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N质量浓度(20.21±0.23) mg·L⁻¹，CH₃COO⁻质量浓度60 mg·L⁻¹(第I~IV阶段添加，第Ⅴ阶段无添加)，KH₂PO₄ 0.5 mg·L⁻¹(以磷计)，缓冲物质NaHCO₃ 300 mg·L⁻¹。另外，为了给微生物提供足够的营养成分，进水加入1 mL·L⁻¹的微量元素溶液，溶液成分为0.05 g·L⁻¹ ZnCl₂·H₂O、0.11 g·L⁻¹ NiCl₂·6H₂O、0.49 g·L⁻¹ MnCl₂·4H₂O、0.05 g·L⁻¹ H₃BO₃、2.00 g·L⁻¹ CoCl₂·6H₂O、0.11 g·L⁻¹ CuCl₂·2H₂O。其余进水水质参数为 72.26~138.52 mg·L⁻¹ ${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$、380.23~497.26 mg·L⁻¹碱度、pH为8.23~8.76。

取郑州市五龙口污水处理厂厌氧段污泥，将污泥与硫磺颗粒均匀的填充到反应器中，污泥接种量为6.5 g·L⁻¹。驯化启动阶段进水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$质量浓度为40 mg·L⁻¹，${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N质量浓度为40 mg·L⁻¹，CH₃COO⁻质量浓度为180 mg·L⁻¹，磷源KH₂PO₄ 为0.5 mg·L⁻¹(以磷计)，缓冲物质NaHCO₃ 500 mg·L⁻¹。反应器在HRT为8 h的情况下连续运行14 d后完成驯化。

反应器驯化启动完成后，开始正式运行，运行方案如表1所示。实验分为5个阶段，前4个阶段为混合营养工况，调整HRT分别为4、2、1和0.5 h，每个阶段运行10 d。根据反应式(1)和式(2)，理论上还原20 mg·L⁻¹的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N和${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$需要164 mg·L⁻¹的CH₃COO⁻。在前4个阶段，进水投加CH₃COO⁻的质量浓度为60 mg·L⁻¹，以营造低碳源投加的混合营养条件。第Ⅴ阶段，保持HRT为0.5 h，取消有机碳源投加，为单独硫自养工艺，研究反应器的处理效能，并与混合营养工艺作对比。

所有出水水样均经过0.22 μm滤膜过滤，并在4 ℃条件下保存，采用离子色谱仪(ICS-2100，美国赛默飞)测定水样中的${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$(最低检测限为0.2 mg·L⁻¹)和${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$(最低检测限为0.4 mg·L⁻¹)。用紫外可见分光光度法测${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$，N-(1-萘基)-乙二胺光度法测${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_2}$，利用TOC分析仪(TOCL-CPN CN200，日本岛津)来测定进出水NPOC，使用pH计(PHS-3C，雷磁，中国)测定进出水pH，采用酸碱滴定法测定进出水的碱度。

混合营养生物反应器启动期运行效果如图2所示。在HRT为8 h的条件下，反应器只需要2 d的适应期就可以将40 mg·L⁻¹的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _3}$-N还原，出水${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N质量浓度为(0.25±0.06) mg·L⁻¹，并且驯化期间没有出现${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_2}$的积累，出水浓度始终低于检出限；而对于${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$，生物反应器则需要8 d的适应期才能够逐渐将40 mg·L⁻¹的${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$还原，出水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$浓度低于检出限。产生这种现象的原因可能是，接种污泥取自郑州市五龙口污水处理厂的厌氧段污泥，污泥本身就具有反硝化功能，因此，对${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$具有较强的适应能力，而对于${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$，需要一定的适应时间。至第5天，反应器出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度增加量由116.8 mg·L⁻¹升高至326.7 mg·L⁻¹，这表明硫自养菌正在逐渐驯化成熟，至驯化末期，反应器出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度增加量稳定在(292.4±6.3) mg·L⁻¹。

各运行阶段，反应器对${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$的去除效果如图3所示，在整个运行期间，反应器对${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$均表现出较好的去除效果。对于${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$来说，当HRT从4 h缩短至2 h时，经过3 d的适应期，出水去除率趋于稳定，出水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$质量浓度低于检出限，当HRT降低到1.0 h和0.5 h时，出水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$质量浓度分别降低到(0.34±0.06) mg·L⁻¹和(0.35±0.09) mg·L⁻¹。第Ⅴ阶段，单独硫自养工艺下，反应器出水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$质量浓度升高至(0.58±0.12) mg·L⁻¹，对应去除率为96.2%，相较于混合营养工艺，${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$去除率降低了2%，表明混合营养工艺对${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$的去除效果优于单独硫自养。LV等^[21]用甲烷膜生物反应器还原${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$时发现：当进水中只有${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$时，${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$还原速率为1.7 mmol·(m²·d)⁻¹；而当${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$存在时，${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$还原速率降为0.64 mmol·(m²·d)⁻¹，当${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$被完全去除后，${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$还原速率又恢复到1.6 mmol·(m²·d)⁻¹。DENIZ等^[22]用自养-异养组合工艺去除${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N时发现：${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N在被完全还原之后${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$才能被完全还原。在本研究中，混合营养工艺条件下，反应器实现了对2种污染物的高效去除，加入60 mg·L⁻¹ CH₃COO⁻首先促进了${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$的还原效率，而后提高了${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$的去除率，使得混合营养生物反应器在0.5 h时对${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$的去除效果优于硫自养生物反应器。

反应器运行期间始终保持对${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$较高的去除效率，几乎不受HRT的影响，出水${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N质量浓度小于0.62 mg·L⁻¹，去除率大于96.9%，实验期间不存在${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _2}$-N的积累，出水${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_2}$-N度低于检出限。停止添加碳源，反应器对${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N的去除几乎没有受到影响。

围绕2种污染物异养和硫自养过程，本课题组已经开展了部分研究。2017年，本课题组^[23]在硫自养固定床生物反应器还原${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$复合污染过程的研究中发现，2种污染物的还原同时发生，且硝酸盐的还原速率快于高氯酸盐，硫歧化反应伴随着高氯酸盐的还原，共存的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$对硫歧化反应有抑制作用。2018年，本课题组^[24]采用乙酸钠为碳源还原水中的高氯酸盐，发现以高氯酸盐为电子受体，长期驯化得到的混合菌群，对水中的硝酸盐依然有着较好的反硝化效果，在碳源有限的条件下，2种污染物的还原同时发生，且硝酸盐的还原率高于高氯酸盐。一般来说，生物过程对硝酸盐的去除优先于高氯酸盐。在本研究中，在混合营养条件下(HRT为4、2、1和0.5 h)，反应器稳态运行时对硝酸盐的去除率高于对高氯酸盐的去除率。当停止碳源投加时，对高氯酸盐的去除受到一定程度的影响，去除率降低了2%，而对硝酸盐的去除没有受到影响，与DENIZ等报道的硝酸盐的去除优先于高氯酸盐的结果相一致^[22]。

需要指出的是，第Ⅳ阶段，HRT仅为0.5 h，本反应器对${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N去除负荷达到930.24 g·(m³·d)⁻¹，对 ${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$的去除负荷达到了943.20 g·(m³·d)⁻¹。WAN等^[25]建立了硫自养填充床生物反应器，其对${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$的最大去除负荷分别为705.92 g·(m³·d)⁻¹和721.60 g·(m³·d)⁻¹，去除负荷低于本实验。ZHU等^[26]用生物活性炭填充床生物反应器，发现实验期间反应器出水高氯酸盐质量浓度为1.82~2.16 mg·L⁻¹，出水高氯酸盐质量浓度远高于混合营养生物反应器。因此，本研究建立的混合营养生物反应器对${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$具有较好的去除效果。

反应器进出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度变化如图4所示。在第Ⅰ~Ⅳ阶段，混合营养工艺条件下，出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度随着HRT的缩短而减少。当HRT为4 h时，出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度增加量为(273±10) mg·L⁻¹，随着HRT降低到2、1和0.5 h，出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度增加量分别为(217±11)、(147±20)和(129±3) mg·L⁻¹。第Ⅴ阶段，单独硫自养工艺条件下，出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度增加量为(192±4) mg·L⁻¹，同有混合营养工艺相比，${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$的产量增加63 mg·L⁻¹。

WAN等^[27]利用氢自养还原水中高氯酸盐，探究了共存的硝酸盐和硫酸盐对高氯酸盐去除的影响。实验结果表明，还原菌群对3种电子受体的还原速率顺序为${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$>${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$>${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$。此外，有研究^[28]表明，无论从热力学或动力学方面分析，硝酸盐还原均优先于硫酸盐。理论上，还原20 mg·L⁻¹的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N，需要156 mg·L⁻¹的CH₃COO⁻。在本研究中，进水投加CH₃COO⁻的质量浓度仅为60 mg·L⁻¹，投加碳源不足，硝酸盐将优先于硫酸盐还原，故可推测，硫酸盐直接被有机碳源还原的可能性较低。

根据式(3)和式(4)，硫自养还原20 mg·L⁻¹的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N和${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$共计产生169 mg·L⁻¹的${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$。因此，当HRT为1 h和0.5 h时，投加60 mg·L⁻¹ CH₃COO⁻能够有效地减少${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$产生，${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$的产量分别减少了22 mg·L⁻¹和40 mg·L⁻¹，HRT越短，${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$的生成受到的抑制越显著。当HRT为4 h和2 h时，虽然投加了60 mg·L⁻¹ CH₃COO⁻，但${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$产生量依然大于硫自养的理论值，由此可推测，在较长的HRT下，发生了硫歧化反应。

JU等^[29]报道，在硫自养还原${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$过程中，出水${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度远大于理论值，据此推测出有硫歧化反应发生。WAN等^[30]发现，在硫自养还原${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ - _4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _3}$复合污染过程中，硝酸盐的还原速率快于高氯酸盐，硫歧化反应伴随着高氯酸盐的还原，共存的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$对该反应有抑制作用，HRT越长，该反应进行越剧烈，反应如式(5)所示。

在混合营养条件下，当HRT为4 h和2 h时，${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$质量浓度增加量高于硫自养理论值(104±10) mg·L⁻¹ 和(48±10) mg·L⁻¹，证实有硫歧化反应发生。因此，为削弱副产物${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$的产生，在保证${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$和${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$去除率的同时，工程上应当尽可能地采用较短的HRT。

反应器进出水pH和碱度的变化如图5所示。在运行期间，进水pH为8.51~8.72，出水pH稳定在7.18~7.68。实验结果表明，出水碱度消耗量随着HRT的降低呈现降低的趋势。在混合营养工艺下，当HRT为4 h时，碱度消耗量为(213±13) mg·L⁻¹(以CaCO₃计)；当HRT缩短至0.5 h时，碱度消耗量降为(105±7) mg·L⁻¹，碱度消耗削减了49%。结合式(3)和式(4)，理论上硫自养还原20 mg·L⁻¹的${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N的碱度消耗为105 mg·L⁻¹(以CaCO₃计)。对比第IV和第Ⅴ阶段，单独硫自养出水pH低于混合营养工艺，碱度消耗量为(150±2) mg·L⁻¹，比混合营养工艺的碱度消耗量增加了45 mg·L⁻¹。这是因为硫自养承担所有负荷，导致碱度消耗增加。在混合营养条件下，异养还原硝酸盐和高氯酸过程产生碱度，硫自养还原硝酸盐和高氯酸盐过程消耗碱度，此外，硫歧化反应也消耗碱度。整个实验运行期间，异养产生的碱度能够抵消一部分自养消耗的碱度，自养-异养在加快去除效率的同时，还能够降低反应物的碱度消耗和硫酸根浓度的产生。在HRT为4 h的条件下，混合营养工艺碱度消耗高于硫自养理论值(108±6) mg·L⁻¹，表明即使在混合营养条件下，较长的HRT也会发生较为剧烈的硫歧化反应，导致碱度消耗较高。

有机碳源是否有残余是影响反应器出水水质的关键所在。本反应器在运行期间，进出水NPOC质量浓度变化如图6所示。在混合营养条件下，反应器出水的NPOC始终维持在较低的水平，出水NPOC小于(2.68±0.13) mg·L⁻¹，且不受HRT的影响。完全去除20 mg·L⁻¹的${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N和${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$需要164 mg·L⁻¹的CH₃COO⁻。本研究中，进水仅加入60 mg·L⁻¹CH₃COO⁻，有机碳源的投加远低于理论值，因此，反应器出水中无有机碳源残余。整个实验运行期间，进水COD为(60.56±0.23) mg·L⁻¹，出水COD小于5.68 mg·L⁻¹。

1)混合营养一体式生物反应器能够同步高效的去除${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N。对于20 mg·L⁻¹的进水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N，在HRT分别为4 h和2 h时，出水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$质量浓度均低于检出限，当HRT为1 h和0.5 h时，出水${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$ <0.34 mg·L⁻¹；HRT对${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$-N的去除影响较小，出水${\rm{N}}{{\rm{O}}_3}^ -$-N<0.62 mg·L⁻¹。

2)在混合营养条件下，当HRT为0.5 h、温度为(30±2) ℃ 时，反应器中${\rm{Cl}}{{\rm{O}}^ -_4}$和${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$的去除负荷达到最大，分别为943.20 g·(m³·d)⁻¹和930.24 g·(m³·d)⁻¹。

3)混合营养工艺能够有效降低${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$的产生量和碱度消耗量。当HRT为0.5 h时，与单独硫自养相比，${\rm{S}}{{\rm{O}}^{2 - }_4}$的产生减少了63 mg·L⁻¹，碱度消耗减少了45 mg·L⁻¹。

4)由于异养施加不足量碳源，混合营养工艺能有效避免有机碳源残余水中造成二次污染的问题，出水NPOC低于(2.68±0.13) mg·L⁻¹。