反应器的接种污泥来自实验室长期稳定运行的浸没式AnMBR，将污泥完全混合后均分至3个反应器(R1、R2和R3)进行同等条件培养，初始悬浮污泥固体质量浓度约为8.5 g·L⁻¹。进水为人工配置废水，COD约为500 mg·L⁻¹，同时添加微量元素以供微生物生长，反应器内pH控制在7.0左右。人工模拟废水成分和质量浓度如下：蛋白胨102.5 mg·L⁻¹、牛肉膏35 mg·L⁻¹、葡萄糖 350 mg·L⁻¹、氯化铵 192 mg·L⁻¹、磷酸二氢钾 25 mg·L⁻¹、碳酸氢钠 1250 mg·L⁻¹、七水合硫酸亚铁 0.42 mg·L⁻¹、七水合氯化锌 0.21 mg·L⁻¹、四水合氯化锰0.1 mg·L⁻¹、二水合钼酸钠0.32 mg·L⁻¹、六水合氯化钴0.22 mg·L⁻¹、六水合氯化镍0.07 mg·L⁻¹、硫酸铜 0.16 mg·L⁻¹、氯化钙 0.73 mg·L⁻¹、硼酸 0.1 mg·L⁻¹、氯化镁 0.32 mg·L⁻¹。

单个反应器总体积为3 L，有效容积为2.5 L，有效直径为20 cm，有效高度为35 cm，膜组件是由三菱PVDF中空纤维膜制作，膜面积为0.025 m²，膜孔径为0.4 µm，膜通量为10 L·(m²·h)⁻¹，生物气循环流量为2.5 L·min⁻¹，每天产生的生物气由密封气袋收集。在膜出水一侧安装有测量TMP的压力表，压力表量程为0~30 kPa，每天读取压力表数据并记录。当TMP达到一定数值(约25 kPa)，对膜进行清洗，具体清洗步骤参考先前文献所使用的方法^[8]。

在第I阶段除药剂中所含硫元素无额外添加硫酸盐，使3个反应器(R1、R2和R3)均达到稳定的状态，随后在第II阶段向其中2个反应器(R2和R3)中添加不同质量浓度的硫酸盐(200 mg·L⁻¹和1 000 mg·L⁻¹)，以考察不同COD/SO₄^2-比(>10、2.5 和0.5)^[15]对AnMBR运行性能、上清液颗粒物产生及膜污染的影响。根据运行方式和进水条件共分为2个运行阶段，共运行约200 d，各阶段的运行参数如表1所示。反应器均浸没在水浴箱中控制水温在35 °C，反应器为连续流进水，系统HRT为10~12 h，SRT为200 d。

从AnMBR中取污泥混合液样品进行离心(3 500 r·min⁻¹，15 min， 4 ℃)，将上清液经10、5、1、0.45 µm滤膜 (混合纤维，TOYO Roshi Kaisha公司) 逐级过滤，每级过滤所得液体分别存至样品管中，获得不同尺寸范围微颗粒溶液 (具体流程见图1)。同上，在反应器中膜受到污染之后 (TMP约25 kPa) ，将其取出用高压水枪冲洗得到滤饼层溶液，经磁力搅拌使其充分均匀分散，再进行离心和逐级过滤获得膜表面不同尺寸微颗粒溶液。由于上清液和滤饼层中多糖 (PS) 与蛋白 (PN) 含量与膜污染行为存在密切关系，最后利用苯酚-硫酸法^[16]和Folin-酚试剂结合法^[17]分别测定不同尺寸微颗粒溶液中的PS和PN量。

为判断污泥混合液中不同组分 (污泥混合液、污泥絮体、上清液颗粒物和溶解性有机物) 对膜污染的贡献或影响，本研究从反应器中取出污泥混合液，用相应反应器出水稀释至约2 g·L⁻¹ (以TSS计) ，并均分成4份溶液。然后通过低速离心(3 500 r·min⁻¹，4 ℃，15 min)将其中3份溶液分成污泥沉淀和悬浮液。为了获得单独的污泥絮体溶液，使用反应器出水将污泥沉淀重新悬浮至原体积，充分混匀备用。其次，为了获得污泥上清液颗粒物溶液，用10 µm滤膜过滤悬浮液，去除残留的细小污泥絮体后备用。此外，通过用0.45 µm滤膜过滤上清液，分离得到溶解性有机物SMP溶液。最后，对其中各组分进行死端过滤实验 (具体步骤如下所述) 以评估污泥混合液中各个组分对膜污染的影响。

进一步，为判断上清液对膜污染的影响，将上述所得上清液溶液COD值分别稀释至约50 mg·L⁻¹，随后对其进行死端过滤实验。实验选用与反应器中膜组件孔径接近和材质相同的滤膜(0.1 µm，PVDF)，控制50 kPa稳定气压，在过滤实验开始前，浸泡超滤膜片于纯水中24 h，随后安装膜片于超滤杯 (上海摩速科技有限公司) ，并向杯中注射30 mL去离子水以稳定过滤系统和测试超滤膜纯水通量及新膜阻力，随后将一定体积的待过滤溶液注入超滤杯中，将悬挂的转子旋转速度调至300 r·min⁻¹以混匀杯中溶液并降低膜表面浓差极化效应，使用一台连接电脑的电子天平以实时自动记录过滤后滤液的体积变化情况。过滤实验结束后，利用达西公式计算死端过滤新膜阻力(R_m)，总污染阻力(R_t)，滤饼层阻力(R_c)，孔径堵塞污染阻力(R_p)，有机结合污染阻力(R_b)。具体测试过程参考先前研究^[4]。

本研究分别使用气体测量仪 (BIOGAS 5000, Geotechnical Instruments Ltd., UK) 和湿气流量计 (LMF-1，北京金志业仪器设备有限责任公司) 测量生物气成分和体积，包括CH₄、CO₂和O₂、N₂、H₂和H₂S等气体百分比含量和体积量。污泥絮体粒径尺寸采用激光粒度分析仪 (Microtrac S3500) 进行分析。常规水质检测指标主要包括PS、PN、COD、TSS和VSS以及硫化物，具体方法参照第四版《水质监测分析方法》执行，文中COD值均已扣除溶液中硫化物的影响。

图2反映了3个AnMBRs在不同阶段中COD的去除情况。对照组R1在整个运行期间出水COD约为(79.36±41.78) mg·L⁻¹，平均去除率约85%。而R1上清液COD值高达2 000 mg·L⁻¹，膜的截留率近96%，结合膜孔径(0.4 µm)大小说明上清液中有机物多以颗粒态形式存在。R2和R3在第I阶段出水COD分别为(44.98±24.49) mg·L⁻¹和(56.23±33.01) mg·L⁻¹，平均COD去除率分别约为91%和88%，膜的截留率与R1接近；在第II阶段添加硫酸盐后R2和R3出水COD分别增至(91.69±34.11) mg·L⁻¹和(148.54±62.16) mg·L⁻¹，平均COD去除率降至81.38%和72.39%。显然，在添加硫酸盐之后，造成了R2和R3中出水COD呈现上升趋势，COD去除率下降，反应器处理效能降低。随着进水硫酸盐浓度的增加，R2和R3上清液中耗氧有机物浓度显著增加，在第II阶段后期COD值上升至3 000~4 000 mg·L⁻¹；尽管如此，由于膜的截留，出水COD依然保持在较低水平，也再次说明反应器中积累了大量颗粒态有机物。ERDIRENCELEBI等^[18]也发现在COD/SO₄^2-比例由10降到5时，UASB的COD去除率由95%降至80%~84%。而SARTI等^[19]在研究进水硫酸盐含量变化情况下，AnMBR的COD去除率并未受到影响，这可能与其COD/SO₄^2-均大于10有关^[20]。总体而言，当硫酸盐的浓度较低时，其并不会影响厌氧微生物生长和耗氧有机物降解过程；而当COD/SO₄^2-比例低于2.5尤其是低于0.5时，进水硫酸盐会对AnMBR中耗氧有机物的去除和上清液耗氧有机物的产生具有较大影响。

由图3可以看出，随着反应器运行，污泥活性逐渐增加并稳定，生物气中甲烷的产量也在逐渐增加，反应器稳定运行时R1、R2和R3的甲烷产量分别为492.75、495.65、529.22 mL·d⁻¹，相差不明显(甲烷产率均保持在0.25 L·g⁻¹左右(以去除的COD计))。在第II阶段添加硫酸盐后，反应器R2甲烷平均产量降至314.52 mL·d⁻¹，甲烷产率减少为0.15 L·g⁻¹，说明硫酸盐还原菌与产甲烷菌对有机物产生了较强的竞争，部分有机物被用于硫酸盐的还原^[15]。同时，这也说明当COD/SO₄^2-比例为2.5时，产甲烷菌并未受到明显抑制，而此时H₂S的体积分数已达0.9%。反应器R3在第II阶段初期(110~125 d)即添加硫酸盐后15 d，生物气中甲烷比例依旧达到67.39%，但此时甲烷产量已降低至373.81 mL·d⁻¹。随着硫酸盐的持续添加，反应器中产甲烷菌和硫酸盐还原菌之间竞争越来越激烈^[15,19]，R3平均甲烷产量继续降低至189.94 mL·d⁻¹，而在第155 天之后几乎不再产气。这与反应器中硫酸盐含量的不断增加强化了硫酸盐还原菌对电子供体或有机物的利用密切相关，且大大增加了H₂S的产生(体积分数高达1.6%)，对产甲烷菌和其他古细菌产生了较强的毒性抑制。有研究^[21]表明，高浓度H₂S的扩散可通过产甲烷菌的细胞膜会使其中的功能蛋白发生变性，从而导致产甲烷量大幅下降。

如图4所示，在第I阶段，R1、R2和R3膜污染基本一致，平均膜污染速率分别为1.10、1.13、1.13 kPa·d⁻¹；而第II阶段R1、R2和R3膜污染速率随着进水硫酸盐浓度增加而增加，平均膜污染速率依次为1.00、1.86 和2.64 kPa·d⁻¹。可见，在添加硫酸盐之后，R2和R3(COD/SO₄^2-分别为2.5和0.5)的膜污染速率均有大幅增加。SAHINKAYA等^[14]的研究也表明，在低COD/SO₄^2-=0.75(COD为1 500 mg·L⁻¹和SO₄^2-为2 000 mg·L⁻¹)情况下，反应器污泥混合液中大分子SMP和EPS增加或积累，从而引起膜表面形成致密的滤饼层，最终导致严重的膜污染。先前的研究也发现，在高进水COD(>7 500 mg·L⁻¹)情况下，较高的硫酸盐浓度(>300 mg·L⁻¹)仍会导致AnMBR中污泥混合液SMP和EPS浓度增加，进而引起TMP急剧增加^[20]。KOBAYASHI等^[22]的研究表明，溶液中高硫化物浓度(>200 mg·L⁻¹)大大增加了UASB污泥溶液中碳水化合物和蛋白质的释放，进而影响到膜表面滤饼层的形成和孔隙堵塞^[23]。而在本研究中也观察到高硫酸盐组(200 mg·L⁻¹和1 000 mg·L⁻)反应器中污泥上清液COD大幅升高(图2)，这很可能是导致R2和R3中膜污染加剧的重要原因。总之，进水高硫酸盐导致反应器中硫化物大量产生，对微生物可能造成了较强的胁迫，进而引起上清液有机物大幅度增加，并最终加剧了膜的污染。

为研究AnMBR在硫酸盐胁迫下膜污染的机理，对反应器内污泥混合液及其不同组分(污泥絮体、上清液和SMP)进行了系列死端过滤实验。由图5可知，在3个AnMBR系统中，本体污泥混合液过滤均导致了最快的渗透通量下降，其中R3表现出最差的过滤性能，这与图4中TMP的增长与膜污染速率结果一致。另，SMP溶液表现出最为优异的过滤性能，之前也有研究表明<0.45 µm的SMP溶液对膜污染的影响较小^[24]。重要地，R1、R2和R3中上清液的过滤曲线非常接近于污泥混合液，这说明上清液对整体污泥混合液的过滤性能具有重要贡献；而去除上清液后的污泥絮体过滤性能显著增加，进一步说明AnMBR污泥上清液在其膜污染过程中扮演着关键作用。

取出各反应器上清液并稀释至相同COD后进行死端过滤。如图6所示，R3上清液呈现出最为严重的膜污染行为，其过滤速度最慢，其次是对照组R1，而R2的过滤速度最快。其中，R3上清液膜过滤总阻力为4.38×10¹²，大于R1的3.76×10¹²和R2的3.26×10¹²。上述死端过滤实验结果表明R3 在第II阶段高硫酸盐胁迫下呈现出严重的膜污染行为，这与其TMP增长速率最快的结果一致。但R2上清液过滤性能反而要优于R1，这与上述图4膜污染的数据有所矛盾，这可能与上清液的组成和特性密切相关。先前研究已阐明AnMBR膜污染很大程度上受污泥上清液中微细颗粒和胶体的影响^[4]。JEISON等^[25]同样也报道了上清液中不同的悬浮颗粒会导致不同的膜污染行为。ZHOU等^[5,26]研究表明上清液中大粒径微粒主要形成滤饼层污染阻力，而小粒径胶体主要引起膜孔堵塞阻力。本研究结果表明，3个反应器上清液膜过滤滤饼层的阻力R_c占比均在95%以上，说明上清液中可能主要以大粒径颗粒物存在。

如图7所示，第I阶段R1、R2和R3上清液颗粒物粒径分布基本相同，体积平均粒径分别为27.39、19.46和20.42 µm。在第II阶段，添加硫酸盐之后3个反应器上清液颗粒物的粒径分布曲线呈现出较大差异，其中R2和R3上清液中较小粒径(1 µm)的颗粒物占比明显增加，其体积平均粒径分别降低至12.41 µm和9.9 µm。其中，R1上清液中仅有30%的颗粒物粒径小于10 µm，但在R2和R3中，上清液颗粒物粒径小于10 µm的占比高达75%~80%，尤其聚集在0.45~5 µm。这一方面说明随着硫酸盐的添加，硫化氢和硫化物持续产生，可能造成微生物衰亡和污泥絮体解体，进而释放出较多的微细颗粒^[22]；另一方面，硫酸盐的添加促使上清液中大量硫酸盐还原菌过度繁殖生长，可能导致大量游离微生物的形成^[26]。先前研究也表明较小的颗粒比较大的颗粒造成更严重的膜污染^[27]，归因于其在膜表面形成的滤饼可产生更大的膜过滤阻力^[4]。YAO等^[4]进一步研究表明，细颗粒更容易在膜上累积并形成凝胶层，导致更高的膜污染阻力。综上所述，R2和R3上清液微细颗粒物的大量增加是导致其严重膜污染的重要原因。

如图8所示，在第II阶段，R2和R3膜表面滤饼层中1~5 µm的微细颗粒物(占总有机物的10%~38%)均较对照组R1明显增加，表明其在膜表面具有更强的积累潜力，这与之前的研究结果^[10]一致。此外，随着AnMBR运行，SMP(< 0.45 µm)和微颗粒(5~10 µm)在滤饼层溶液中具有相对更高的富集速率，这可能与上清液中颗粒物和有机物增多有关，这也与图2中上清液COD升高的结果一致。此外，随着COD/SO₄^2-比例的降低，亚微颗粒物(1~5 µm)的富集速率也有增加，这与图7中R2和R3中<10 µm亚可见颗粒物远高于R1的结果一致。总体上，R2和R3膜表面较高的颗粒物积累可能是导致膜污染速率加快的重要原因，进而对滤饼层性质造成了较大影响。

1) COD/SO₄^2-比例对AnMBR营养物的去除和产气性能产生了较大影响。当COD/SO₄^2-比例为2.5和0.5时，上清液和出水中COD均有所上升，有机物去除率下降明显，H₂S比例大幅增加，CH₄产率显著降低。当COD/SO₄^2-比例为0.5时，运行后期产甲烷菌受到严重抑制直至无法正常产气。

2)低的COD/SO₄^2-比例可加重AnMBR膜污染，其上清液对整个污泥混合液的膜过滤行为影响较大。在相同COD情况下，高硫酸盐AnMBR系统污泥上清液膜污染最为严重，其过滤速度最慢且阻力最高。

3)添加硫酸盐后，AnMBR系统污泥上清液中亚可见颗粒物(0.45~10 µm)占比显著增加，高达75%~80%。随着 COD/SO₄^2-比例降低，0.45~10 µm微细颗粒在滤饼层中逐渐被富集，尤其1~5 µm的亚微细颗粒在膜表面滤饼层中具有更强的累积潜力。