（环境工程专业论文）高效硫酸盐还原菌的选育、鉴定及其硫酸盐转化性能研究.pdf

s t u d y o nb r e e d i n g 、i d e n t i f i c a t i o na n d s u l f a t e b i o t r a n s f o r m a t i o nc a p a b i l i t i e so fh i g he f f i c i e n t s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a a b s t r a c t w i t hh o p eo fa p p l i c a t i o ni np r i n t i n ga n dd y e i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h i sp a p e r f o c u s e so nt h ep r i m a r ys t u d yo ft h es e e ds e l e c t i n g 、b r e e d i n ga n dd e t e r m i n a n to fh i g h e f f i c i e n td e s u l f u r i z a t i o nm i c r o o r g a n i s m sa n ds u l f a t eb i o t r a n s f o r m a t i o nc a p a b i l i t i e so ft h e s t r a i nd e s u lf o t o m a c u l u mb 1 3 t h em a i nr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 a f t e ras e r i e so fi s o l a t i n g - p r o c e s s ，s u c ha se n r i c h e d - c u l t u r e 、s e l e c t d e d c u l t u r ea n d d i f f e r e n t i a l - c u l t u r e ，7s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) s t r a i n sw e r eo b t a i n e d ： 2 t h ec a p a c i t i e sf o rs u l f a t eb i o t r a n s f o r m a t i o no f7s t r a i n sw e t ed e t e r m i n e d p r i m a r i l y o n es t r a i nw a ss e l e c tt ob em u t a t e db yu l t r a v i o l e t a tl a s t ，am u t a t e d - s t r a i nb 1 3 h a v i n gh i g l l c rs u l f a t eb i o t r a n s f o r m a t i o ne f f i c i e n c yw a sa t t a i n e d ； 3 a c c o r d i n gt o ( ( b e r g e y sm a n u a lo fs y s t e m a t i cb a c t e r i o l o g y ) ) ，b yd e t e c t e di t s a p p e a r a n c ec h a r a c t e r s 、p h y s i o l o g i c a l a n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dg r o w t h c h a r a c t e r i s t i c s ，s t a i nb 1 3w a si d e n t i f i e dd e s u lf o t o m a c u l u mg e n u s ，a n dn a m e di td e s u l f o t o m a c u l u ms p s t r a i nb 1 3 ； 4 c o m p o n e n t so ft h eg e r mm e d i u ma n dc o n d i t i o n so fs e e dc u l t u r ew e r eo p t i m i z e db y c o m b i n a t i o no fs i n g l ef a c t o rd e s i g na n do r t h o g o n a lt e s td e s i g n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w e dt h a t ：t h eo p t i m u mc o m p o n e n t so fc u l t u r em e d i u mf o rs r bb i o t r a n s f o r m a t i n g s u l f a t ea r es o d i u ml a c t a t e6 0 9 化p e p t o n ea n dn h 4 c i ( 1 + 1 ) 1 7 5 9 ，lk z h p 0 40 0 5 l , n a c i 1 0 以m g s 0 4 7 h 2 02 0 叽f e s 0 47 h 2 00 5 叽c a c l 2o 1 以z n c l 20 0 1 叽c o c i 2 ， 0 0 1 9 ，i v c0 5 9 儿n a 2 s 0 45 9 l ；a n dt h eo p t i m u mc u l t u r ec o n d i t i o n sa sf o l l o w i n g ：a t e m p e r a t u r eo f3 7 c ，i n i t i a lp h = 6 5a n di n o c u l u m s i z e6 0 u n d e rt h eo p t i m i z e d c o m p o n e n t so fg e r mm e d i u ma n dc o n d i t i o n so fs e e dc u l t u r e ，t h es u l f a t eb i o t r a n s f o r m a t i o n e f f i c i e n c yo fd e s u lf o t o m a c u l u ms p s t r a i nb 1 3 r e a c h e d8 8 4 9 c u tx i n - s h u t ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gj i a n m i n k e y w o r d s ：m i c r o b i a l d e s u l f u r i z a t i o n ，s u l f a t er e d u c i n g ，s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) ，s e e db r e e d i n ga n ds e l e c t i o n ，i d e n t i f i c a t i o n ，m u t a t i o nb r e e d i n g 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保 留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 拯乙扣 指导老师签名：舰 日期： i ，刀歹jf 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人 已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 衽盘 1 3期沙。7 7 i i l 绪论 1 1 引言 1 绪论 自1 9 世纪中期以来，由于工业的迅速发展，环境问题、环境事件、环境灾难不 断发生，水污染是其中一项重要内容。工业污水、农业污水、生活污水严重污染了生 态环境，使地表水急剧恶化，地下水也受n - j 很大的影响，一些微观因子( 如硫酸根 等) 已经严重影响着许多的污水处理工艺运行，也严重威胁着动植物的生命和人类的 安全，设法处理这些因子，为正常的工艺运行消除障碍已迫在眉睫。 1 1 1 印染废水s 0 4 2 一的来源 印染工业是我国主要污染工业之一，也是工业废水排放大户。据资料统计1 1 j ：我 国每年污水排放量为3 9 0 亿吨，其中工业污水占5 1 ，并以1 的速度逐年增长，而纺 织行业占总工业废水的3 5 ，每年约有7 0 亿吨废水排放。印染废水除了具有水量大、 色度深、碱性大、水质变化大、难处理等特点外，另一大特点就是s 0 4 2 含量高，约在 5 0 0 0 m 啦右，属难处理的高浓度硫酸盐废水。这样的废水如果不经处理或处理未 达标就排放的话，不仅直接危害人们的身体健康，而且严重破坏水体、土壤及生态， 将造成不可想象的后果。 印染废水中的s 0 4 2 - 来源主要有三个方面：一是废水的酸度调节剂( 理论上和实 际中都应是h 2 s 0 4 ) ；二是印染废水处理用的絮凝剂( 主要是硫酸亚铁) ；三是印染过 程中大量使用的含硫助剂( 如元明粉等) 【2 l 它们的共性在于直接或间接地向废水中 引入了s 0 4 2 。 1 1 2 印染废水处理技术现状及存在问题 国外对印染废水的研究始于5 0 年代，先后开发出来的处理技术属物理方法的有吸 附法、气浮法、离子交换法、絮凝法和膜分离法等，属化学方法的有光催化氧化法、 电化学法和化学氧化法等，属生物方法有好氧法和厌氧法吼另外，一些发展中的新 技术诸如超声波法i ”、脉冲电化学法l5 1 、脉冲水解法 6 1 、微波法门、超l i 缶界水氧化法1 8 】 等，也开始应用于印染废水的处理中。尽管物理和化学方法能起很大作用，但由于耗 资大、适用条件苛刻、过程复杂、操作繁琐等缘故，其应用受到限制，而生物法具有 技术成熟、b o d 去除率高、污泥量少、运转费用低等优点，是一种经济而有效的处理 1 绪论 方法，得到了广泛的应用，是目前国内外印染废水处理工艺的核心。据统计1 9 】，9 0 年 代，同本在废水处理中生化法占9 3 ，美国占6 8 ，英国占8 5 ，我国也占8 0 左 右。 近年来，由于化学工业的发展，织物原料已由传统的天然纤维发展到现在大量采 用人造纤维，染料品种也越来越多，而且越来越不易被生物降解，使用的浆料和各种 助剂也日益被人工化学药品所代替，这些化学物质多数难以生物降解，致使印染废水 水质由原来比较稳定，易于降解变得复杂、多变和难于降解，传统的好氧处理工艺也 愈来愈不能满足处理的要求，而厌氧( 水解) 处理能够使废水中难以生物降解有机物 水解为易于生物降解的物质，提高废水的可生化性，因此，以厌氧一好氧为主体的生 物法处理工艺( a o t 艺) 目前已成为印染废水生物处理的方向l 。然而，这一工艺 在国内相关企业的实际运行状况并不理想。主要表现在以下几个方面：工作环境恶 劣，表现为h 2 s 含量严重超标；好氧单元的曝气量远远高于设计值，且生物量较少， 生物活性也很低；出水硫化物和其它污染物含量超标，不能达到排放标准。出现这 些问题的一个重要原因就是：在设计过程中，对废水中的硫酸盐生物还原问题没有引 起足够的重视。 一方面，在废水的厌氧处理过程中，有一种微生物一异化硫酸盐还原菌( s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ，s r b ) ，它能够在无氧环境中利用硫酸盐代替分子氧，氧化有机物， 还原硫酸盐产生大量h 2 s 。在这一还原过程中，s r b 不仅要同其它厌氧菌诸如产甲烷 菌( m p b ) 、产乙酸菌( a b ) 等竞争基质，其还原产物h 2 s 对各种微生物还有毒性作 用，从而降低了有机物的降解率( 这一点将在后面的文献综述中详细论述) ；其次， 当s r b 还原过程产生的h 2 s 进入好氧单元，不但会同好氧微生物争夺分子氧，降低好 氧单元的溶解氧浓度，而且对好氧微生物也会产生毒性抑制作用，使得好氧单元的生 物量减少，生物活性降低，从而使整个生物处理系统无法正常运行，甚至瘫痪，出水 不能达标。 另一方面，硫是重要的生产原料，世界每年要消耗大量的单质硫。其中大部分 用于制造硫酸；在橡胶制品工业、造纸工业及火柴、焰火、硫酸盐等产品的生产中也 要用到数量可观的硫磺；还有一部分用于消灭农业害虫、漂染工业和医药中；由于硫 磺具有强度高、热传导性差和耐腐蚀等物理性质，近年来在建筑方面也有不少新的用 途。因此，对印染废水中的硫加以回收，不仅对水污染的治理有积极意义，对资源 的有效利用也有深远的影响。 实际上，许多工业废水，诸如纸浆、造纸、发酵、采矿、炼油、制药等部含有高 浓度的硫酸盐，而在这些废水的处理过程中也同样存在上述问题。因此，寻找一种既 能解决硫酸盐生物还原过程带来的种种问题，又能使大量的硫资源得以回收利用，变 2 1 绪论 废为宝实现资源化的新方法，将是国内外环境保护工作者未来一段时间持续关注的热 点内容之一。 1 1 3 课题的提出 一方面，r e i s e1 1 1 】的实验已经证明了产酸作用和硫酸盐还原作用可以同时进行。 这使得在产酸发酵阶段同时实现硫酸盐生物还原和产酸作用成为可能。在酸性发酵阶 段利用s r b 去除硫酸盐具有以下优点：( 1 ) 硫酸能还原菌可利用的基质范围较广，可以 代谢酸性发酵阶段的中间产物如乳酸、丙酮酸、丙酸等。故在一定程度上可以促进有 机物的产酸分解过程。( 2 ) 发酵性细菌比产甲烷菌所能承受的硫化物浓度高，所以硫 化物对发酵性细菌的毒性小，不致影响产酸过程。( 3 ) 由于硫酸盐还原作用主要是在 产酸相反应器中进行，避免了硫酸盐还原菌和产甲烷菌之间的基质竞争问题，可以保 证产甲烷相有较高的甲烷产率，而且在形成的沼气中的h 2 s 含量较小，便于利用。 另一方面，生物脱硫是近年发展起来的一项新工艺，它主要是通过微生物的作用 使s 2 一氧化为s o 。这一工艺的发展，使得废水中硫的资源化成为可能。该工艺与物化法 相比具有许多优点【1 2 l ：不需要催化剂和氧化剂( 空气除外) ，不需要处理化学污泥， 产生很少的生物污泥，低能耗，可回收有价值的硫，没有或很少有硫酸盐或硫代硫酸 盐排放，过程块，效率高。 为此，本课题提出“硫酸盐生物还原( 产酸相) 一生物脱硫一单质硫分离与回收” 工艺对印染废水进行预处理和硫的资源化研究，企图解决印染废水在厌氧处理过程中 由于硫酸盐生物还原带来的种种问题，为实现印染废水中硫的控制和资源化走出一条 新路。 1 2 研究综述 1 2 1 硫酸盐废水分类及危害 1 2 1 1 硫酸盐废水的分类 硫酸盐存在于很多工业废水和工业生产过程中，如化工、制药、制革、造纸、发 酵、食品j j i z 和采矿等多种领域。根据废水的排放源及其特点，一般将硫酸盐废水分 为两大类【1 3 】：第一类是含高浓度硫酸盐，低浓度c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 的废水，例如：传统的钛白粉厂生产废水，矿山废水：第二类是含高浓度硫酸盐和高浓 度c o d 的废水，如一些轻工、制药、石油等行业排放的废水，印染废水便属于这一 类；还有一种暂且称为潜在的第一类废水，如今大气污染同趋严重，国外有学者希望 1 绪论 改变以往用熟石灰吸收烟道气中s 0 2 的办法，而是先将s 0 2 转化成可溶性硫酸盐或亚 硫酸盐，即类似的第一类废水，再用生物技术将其转化成单质硫而实现废气的资源化 治理。 1 2 1 2 硫酸盐废水的危害 硫酸盐废水不经处理直接排入水体会使受纳水体酸化，p h 值降低，危害水生生 物，并有潜在的腐蚀性；这类酸性废水排入农田会破坏土壤结构，使土壤板结，减少 农作物产量及降低农产品品质。硫酸盐废水潜伏周期长，虽然在自然稀释的作用下， 短时问内不会有明显的负面影响，但是一旦形成大面积污染，其治理难度很大。这是 因为硫酸盐的性质很稳定，不易依靠自然的作用逐渐消除污染，因此很容易积累。即 使自然界中存在的某些生物降解作用确实可以转化硫酸盐，但是自然作用相对于可能 形成的大面积的污染是微不足道的，且一般硫酸盐生物降解的产物是各种硫化物，以 硫化氢( h 2 s ) 为主，而硫化氢有毒并具有恶臭气味1 1 3 l ，它本身就是一种污染：另 外，硫离子可以和二价铁离子反应生成黑色的硫化铁沉淀，造成水体及与水体相邻的 土壤变黑；并且h ：s 自身还具有腐蚀作用，会对一些金属构件及管道造成腐蚀伤害l l ”， 因此，寻求行之有效的脱硫技术已成为环境工程界颇为关注的问题。 1 2 2 硫酸盐废水处理技术研究现状 目前关于硫酸盐废水处理技术的研究主要集中在如何控制厌氧消化过程中s r b 的生长及硫化物的毒性方面。根据作用原理的不同，主要有以下几种方法或工艺： 1 2 2 1 投加s r b 抑制剂法 由于硫酸盐对厌氧消化的影响主要是由s r b 引起的，因此人们试图寻找一种物 质抑制s r b 的生长和代谢，使硫酸盐不被还原为硫化物，以减轻对m p b 的抑制作用， 而且此种物质还必须对m p b 的生长和代谢没有影响。e 1 前，研究的抑制剂己逾百种。 研究最多的是钼酸钠( n a 2 m 0 4 ) ， 但对它的抑制机理尚在争议中，基本解释是m 0 4 2 。 的化学结构与s 0 4 2 类似，它通过竞争作用被s r b 吸收，从而抑制焦磷酸化酶的产生， 而这种酶是硫酸盐还原过程中所必需的，没有这种酶，硫酸盐还原作用就不会发生【1 ”。 然而，国外一些实验研究表明，抑制剂在抑制s r b 的同时，也抑制了m p b 。例如 k a r h a d k a r l l 6 1 发现，在利用啤酒废水做问歇实验时，加入同样浓度的n a 2 m 0 4 ，s r b 和m p b 均被抑制。m h a s n a i ni s a 1 7 1 研究也表明，n a 2 m 0 4 对s r b 和m p b 都有抑制 作用，但对s r b 的抑制作用是暂时的，一旦n a 2 m 0 4 从水中除去，s r b 的活性还可 以恢复，而对m p b 的抑制作用是永久性的，不能恢复。 1 2 2 2 化学沉淀法 在厌氧消化器中加入金属( 女t 1 c u 、z u 、f e 等) 或金属盐( 如f e c l 3 、f e s 0 4 ) 等， 4 1 绪论 可使硫酸盐以金属硫化物的形式沉淀下来，不致抑铝i m p b 的活性。实践也表明，若消 化液中存在金属离子，则消化反应器忍受硫酸盐的能力大为增强。基于上述原理，可 以采用在废水中投加金属盐形成沉淀的方法，降低由s 0 4 2 带来的毒性，从而使厌氧 发酵得以顺利进行。国内外己实验研究了多种沉淀剂，其中较为常用的是钡盐 ( b a c l 2 ) ，b a 2 + 与5 0 4 2 - 生成极难溶解的b a s 0 4 沉淀，对s 0 4 2 去除率很高。也可投加 铁盐，f e “极易与s2 。生成f e s 沉淀，能很好的去除s 。b r a u n 和h u s s 研究了厌氧生物滤 池处理酒厂废水时添加硫酸亚铁的影响【1 8 j ，结果表明：当投自h 2 9 l 硫酸亚铁时，容积 负荷可从原来的3 0 k gv s s m 3 d 提高到4 0 k gv s s m 3 - d ，而挥发性脂肪酸及h 2 s 浓度均 比对照试验组低。这说明投加适量的铁盐可以降低消化液中h 2 s 的含量，促进生化反 应。但从其结果看，去除每公斤v s s 的产气量却是不变的，说明尽管投加硫酸亚铁使 消化液中h 2 s 浓度降低了，却不可避免s r b 还原s 0 4 2 使甲烷产量减少。 1 2 2 3 化学氧化法 借助向反应器中充入压缩空气或纯氧，利用0 2 的氧化能力消除h 2 s 的抑制影响， 减弱5 0 4 2 - 还原带来的不利【”1 。前一种技术在实践中效果并不十分理想，后一种技术 是由英国b o c 公司与水质研究中心协会联合开发的，从1 9 7 3 年起，英国和澳大利亚 配置了1 0 0 多套这种技术装置，在昆士兰州的一个城市污水处理过程中，h 2 s 的浓度 由原来的3 m g l 下降到0 8 m g l ，效果很好脚j 。 1 2 2 4 气体吹脱法 当p h 值较低时，溶液中溶解性硫化物大部分以h ：s 的形式存在。利用这一性质， 在单相厌氧处理系统中安装循环气体吹脱装置，将硫化物吹脱，可减轻对产甲烷过程 的抑制作用，改善反应器的运行性能。气体吹脱的工艺主要有两种，即反应器内部吹 脱法和反应器外部吹脱法。 流出 沼气 i +l l 厌氧反应器 吸收柱 ff lf 剂 沼气 流出 使用后解析气 图1 - 1 沼气回流内部吹脱示意图l ”j图1 - 2 出水回流外部吹脱示意图 反应器内部吹脱法是指利用在厌氧反应器中产生的沼气，通过气提作用去除硫化 物的方法，如图1 - 1 所示。s a m e r 利用内部吹脱法处理纸桨废水，当进水c o d 为4 - 6 9 l ， 5 1 绪论 s 0 4 2 。浓度为3g l 时，c o d 去除率达5 4 ，b o d 去除率达8 8 ，甲烷产率为0 2 8 m 3 k g c o d 。在内部吹脱法中，采用含f e 3 + 的水作为吸收液，结合鳌合剂，可以回收 单质硫。内部吹脱单相厌氧工艺的最大缺点是吹脱气量不易控制，维持吹脱装置正常 运转较困难。 反应器外部吹脱法是指只对厌氧反应器出水进行吹脱，去除h 2 s 后将部分处理过 的水回流，可对进水起到稀释作用的方法，如图1 2 所示。一般用惰性气体( 如氮气 等1 或沼气进行吹脱。o l e s z k i e w i c z 等人利用装有外部吹脱设备的u a s b 反应器处理 含有硫酸盐的乳清废水时，发现c o d 负荷小于5 k g m 3 d 时，对于提高c o d 去除率 有很大好处，去除率可达8 8 ，而无吹脱设备的系统只有5 6 。 以吹脱法去除硫化物的厌氧工艺并没有从根本上解决硫酸盐生物还原产生的问 题，也没有彻底消除硫酸盐还原对产甲烷菌的抑制作用，因为h 2 s 本身就有毒性，若 不对吹脱后的气体进一步进行的处理而直接排放，仍然会污染环境，反应器中也仍有 相当量的h 2 s 存在，依然会对产甲烷菌产生毒性作用，在一定程度上减少了甲烷产量， 增加了沼气回收利用的难度。 1 2 2 5 高效单相厌氧处理工艺 当今，国内外己研究开发出了多种高效的厌氧处理工艺，其中已有一些成功地用 于硫酸盐有机废水的厌氧处理。i s a 2 2 】在研究高负荷连续运行的厌氧滤池处理含硫酸 盐废水时，发现s 0 4 2 浓度达到5 0 0 0 m g l 时，对产甲烷菌没有抑制作用。f a n g i 捌 利用u a s b 处理硫酸盐有机废水，当进水c o d 为5 0 0 0 m g l ，s 0 4 5 为6 0 0 0 m g l 时， c o d 去除率在9 8 以上；当进水c o d 不变，s 0 4 2 。增加至7 5 0 0m g l 时，c o d 去除 率降为3 2 。e c o l l e r a n l 2 4 l 采用复合型厌氧反应器( 1 4 填料+ 3 4 空床) 处理含高浓度硫 酸盐的柠檬酸工业生产废水时，其生产运行结果是：当h r t 为1 4 d ，c o d s 0 4 。= 3 6 1 ， 进水c o d 为3 4 3 叽，c o d 负荷率为8 8 4 k g c o d m 3 d 时，c o d 去除率为5 2 ，b o d 去除率为8 0 ，沼气中c a 4 含量为6 5 5 。国内的惠平【2 5 】采用厌氧生物膜反应器处 理硫酸盐味精废水、周健等【2 6 】采用厌氧流化床处理硫酸盐草浆废水、吴根等1 2 7 采用 厌氧膨胀颗粒污泥床处理含硫链霉素废水也都取得了较好的结果。 采用高效厌氧反应器处理高浓度硫酸盐有机废水，虽然反应器运行较为稳定，但 有机负荷不高，并未真正发挥厌氧处理技术的优势。不但存在硫酸盐还原菌与产甲烷 茵之间发生基质竞争的问题，而且存在硫化氢对产甲烷菌的毒性抑制作用，即使采用 内部吹脱或外部吹脱方法减少了硫化物( h 2 s ) 对m p b 的毒害，但这一方法依然没有彻 底地克服硫酸盐还原作用对m p b 的抑制作用，而且维持吹脱装置正常有效地工作既 增加动力消耗，也具有一定难度。 1 2 2 6 两相厌氧生物处理工艺 6 1 绪论 两相厌氧工艺是根据参与酸性发酵和甲烷发酵的微生物不同，分别在两个反应器 内完成产酸发酵和产甲烷两个过程，利用气体吹脱或氧化的方法去除硫化氢，如图1 3 所示。在两相厌氧生物处理的产酸相，发酵细菌占优势，比产甲烷菌要高2 3 个数量 级。有机物经过以发酵为主的代谢后，其末端产物为v f a 和h 2 c 0 2 ，这些中间代谢产 物都是s r b 适直的营养基质，s r b 平i j 用它们并以s 0 4 2 作为最终电子受体，使之还原为 h ，s 1 2 8 1 。 或沼气循环 图1 - 3 两相厌氧工艺示意图【2 9 l 出水 康凤先等i 3 0 l 以产酸相作为s r b 的快速富集相，在其后设气体塔，使h 2 s 得到分离 后才进入产甲烷相，气体塔出水部分回流到产酸相以解除高的硫化物浓度对s r b 的抑 制，最后得到在p h 为6 8 4 7 1 4 的情况下，系统s 0 4 2 。的去除率8 0 ，s r b 可忍受的 硫化物为6 0 0 m g l ，与之对应的硫酸盐浓度为1 8 0 0 m i g l ，s 0 4 。在产酸相己基本被还原 并释放，避免了对产甲烷相细菌造成抑制。s a m e r i ”】采用两相厌氧消化工艺处理纸浆 废液，产酸相采用厌氧滤池，产甲烷相采用u a s b ，其后还有一个好氧活性污泥系统， 当进水c o d 为1 9 3 0 0m g l ，b o d 为5 9 3 0 m g l ，s 0 4 2 。为5 2 2 5 m g l ， 产酸相q h p h 为 6 0 6 3 时，s 0 4 2 - 去除率为6 3 ，最终c o d 去除率为5 6 ，b o d 去除率达9 0 以上。杨 景亮f 3 2 】等人也进行了两相厌氧工艺处理硫酸盐废水的研究，结果表明：当进水s 0 4 z 一 为1 0 0 0 m g l ，c o d 为5 0 0 0m g l ，控制酸相反应器内p h 为5 8 6 2 ，s 0 42 去除率为8 0 ， 最终c o d 去除率为2 6 3 5 。另外，康宁l3 3 】等人还对两相厌氧工艺处理硫酸盐废水 中的回流比问题进行了研究。 图1 _ 3 中的脱硫过程可分两类：一类是将s 2 一最终氧化为硫酸盐；另一类是仅将s 2 。 氧化成单质硫。由于后者可将废水e l l s z - 以单质硫的形式回收利用，不仅消除了污染， 还可以回收资源，因此受重视。氧化s 2 一的方法有化学法和生物法两种。化学氧化法是 通过氧化剂将硫化物转化为单质硫。常用的氧化剂有：氯、臭氧、高锰酸钾、过氧化 1 绪论 氢、压缩空气等。由于在化学氧化工艺中使用的氧化剂不能循环使用，在处理过程中 需要不问断地投加氧化剂，而且所采用氧化剂的氧化还原电位较高，产物中单质硫 会再次被转化为硫酸盐，硫的回收不彻底。所以，寻找合适的氧化剂，保证在硫化氢 转化为单质硫的过程中不会有硫酸盐生成，并且能够重复利用成为有关研究人员的研 究目标。而生物氧化过程具有专一性强、反应快、去除效率高、能量消耗低、不需要 催化剂和氧化剂( 空气除外) 、不产生化学污泥等优点，引起了国内有关学者的广泛 关注。 1 2 2 7 生物脱硫工艺 生物脱硫工艺是建立在两相厌氧工艺基础之上的，其工艺流程如图1 3 所示，其 机理是：硫酸盐还原作用与产甲烷作用分别在两个反应器内进行，避免了硫酸盐还原 菌和产甲烷菌之间的基质竞争，硫酸盐还原作用的终产物h 2 s 可以被硫细菌在好氧 的条件下去除，不与产甲烷菌直接接触，不会对产甲烷菌产生毒害作用，保证了整个 厌氧消化系统的正常运行。 图1 - 4厌氧消化生物脱硫工艺p i 第一步是酸化和硫酸盐还原过程，代表反应方程式如下： s 凡b s 0 4 。+ c o d h s 。+ c 0 2( 1 1 ) 第二步是好氧生物脱硫过程，其反应方程式为： 2 h s 。+ 0 2 幽旦s o + 2 0 h 。( 1 2 ) 第三步是产甲烷过程。 生物氧化脱硫过程是在有氧的条件下，通过硫细菌的作用将硫化物转化为单质 硫。能够参与该过程的微生物群类有硫磺细菌和硫化细菌。根据微生物的活动类型， 能够将硫化物转化为单质硫的微生物有三种【蚓：光合细菌；反硝化细菌：无色 硫细菌。 g o m m e r s 等f 3 5 j 利用脱氮硫杆菌进行脱硫除氮实验。结果表明，该细菌能以废水 中n 0 3 为电子受体，将硫化物氧化成单质硫，n 0 3 则被还原为氮气。r o b c r t s o n 等p 6 i 也进行了类似研究，他们将脱硫脱氮系统设置在厌氧产甲烷反应器之后，对其出水进 行后处理取得了成功。b u i s m a n i 扎3 8 1 删等人利用无色硫细菌进行硫化物的生物氧 1 绪论 化实验，也取得了较好的结果，并指出影响硫化物转化成s o 的主要因素是溶解氧和 硫化物浓度。另外，c o r k 4 ”、k i m l 4 2 l 等人还利用光合细菌进行的相关的实验，也得 到了一些重要的结果。 国内在生物氧化脱硫方面也有不少研究。赵毅1 4 3 j 等人采用硫酸盐还原硫化物生 物氧化一产甲烷一接触氧化的四相串联工艺处理含硫酸盐青霉素废水，结果表明：当 系统进水c o d 为4 5 0 0 5 0 0 0 m 【g l ，s 0 42 。浓度为1 5 0 0 1 6 0 0 m g l 时，系统出水c o d 为3 1 0 - - - 3 4 8 m g l ，c o d 平均去除率为9 3 2 ，5 0 4 2 - 平均去除率为9 1 2 ，在生物氧 化反应器中，当溶解氧控制在3 2 m g l 左右时，硫化物的去除率稳定在9 2 - - 9 5 ， 其中9 4 - - 9 6 氧化成s o 。李亚新【“j 等进行了以生活垃圾酸性发酵产物为碳源采用 生物脱硫工艺处理硫酸盐酸性废水的研究，结果表明：可将酸性废水中的5 8 5 的 s 0 4 z _ - s 以单质硫的形式加以回收。另外，清华大学的杨景亮等1 4 5 】采用硫酸盐还原一 生物脱硫一甲烷化的工艺处理含硫酸盐有机废水也取得了较好的处理效果。 从上面的分析论述我们不难看出，利用硫酸盐还原菌将硫酸根还原为硫化物是生 物脱硫的第一步，也是最重要的一步，而选育出高效的硫酸盐还原菌，让硫酸盐最大 程度、最快速地转化为硫化物则是生物脱硫工艺的基础，也是关键。 1 2 3 硫酸盐还原菌研究现状 1 2 3 1 硫酸盐还原菌的定义及其在自然界中的作用 硫的氧化( s u l f u ro x i d a t i o n 、 lf 冈 细菌、植物( 同化) ( b a c t e r i a a n i m a l sa n dp l a n t s ) 图1 5 生物硫循环l 帕j 9 1 绪论 硫酸盐还原菌( s u l f a t er e d u c i n gb a o e f i a ，简称s r b ) 是一组能够还原硫酸盐产生 h 2 s 的细菌的总称，这是一类形态营养多样化、属种关系复杂的微生物。在硫素循环 体系中，s b r 以自身独特的生物学功能起着重要的作用，其作用过程如下图1 5 所示。 从图1 5 可以看h b s r b 在硫元素微生物循环中的重要作用，它不仅可以提供其它 微生物生长所需的硫源，有利于微生物生长，而且在好氧条件下，所产生h 2 s 能被化 能自养的硫细菌所氧化，产生无污染单质硫。所以，s r b 的存在为废水生物脱硫及其 资源化找到了既简单又经济的新出路。 1 2 3 2 硫酸盐还原菌的分类 s r b 首先d d b e i j e r i n c k 于1 8 9 5 年发现，但由于该类细菌绝大多数为严格厌氧菌，受 实验条件所限，此方面的研究进展十分缓慢，以至于在2 0 世纪7 0 年代以前认为硫酸盐 还原菌只有脱硫弧菌( d e s u l f o v i b r i o ) 、脱硫肠状菌( d e s u l f o t o m a c u l l u m ) 和脱硫单胞菌 ( d e s u l f o m o n a s ) 等3 个属，随着生物技术的不断发展和完善，到目前为止，发现的s r b 已有1 8 个属近4 0 多个种【4 8 j 。 依据s r b 齐j 底物利用的不同将其分为3 类1 4 7 4 9 5 0 l ：氧化氢的硫酸盐还原菌( h s r b ) ； 氧化高级肪酸的硫酸盐还原菌( f a s r b ) ；氧化乙酸的硫酸盐还原菌( a s r b ) 。也有分 为四类的1 5 1 j ，即再加一类氧化芳香族化合物的硫酸盐还原菌( p s r b ) 。依据s r b 生 长的温度不同可以将s r b 分为中温菌和嗜热菌两类。至今所分离到的s r b 菌属大多是 中温性的，其最适温度一般在3 0 ( 2 左右，高温s r b 的最佳生长温度为5 4 7 0 。c 。 1 2 3 3 硫酸盐还原菌的代谢机理及特征 产物a t p 高能电子 碳源 黄素蛋白、细胞色素等 r 1 c 0 2 + h 2 0 + c h 3 c o o h 分解代谢电子转移 消耗 a t p s o + o r 氧化还原 图1 - 6s r b 代谢过程示意图【”i 微生物的新陈代谢一般分为合成代谢和分解代谢，关于s r b 的合成代谢，人们知 之甚少，而对其分解代谢国内外学者己作了不少研究。s r b 的代谢可以简单地用以下 1 0 1 绪论 三个阶段来描述：分解代谢、电子传递、生物氧化。如图1 - 6 所示。 在分解代谢过程的第一阶段，有机物碳源的降解是在厌氧状态下进行的，同时通 过底物水平磷酸化f 即直接利用底物分子中的能量生成a t p ) ，产生少量a t p ( 三磷 酸腺昔，微生物体中的通用能源) ；第二阶段中，前阶段中释放的高能电子通过 s r b 中特有的电子传递链( 如黄素蛋白，细胞色素c 等) 逐级传递，产生大量的a t p 。 在最后阶段中，电子被传递给氧化态的硫化合物，并将其还原为s 2 ，此时，需要消 耗a t p 提供能量。从这一过程可以看出，有机物不仅是硫酸盐还原菌的碳源，也是 其能源，硫酸盐( 或氧化念的硫元素) 仅起到作为最终电子受体的作用。 1 2 3 4 硫酸盐还原菌利用底物的多样性 以往认为s r b 仅能利用有限的基质作为有机碳源和电子供体，如乳酸盐、丙酸 盐、反丁烯二酸、苹果酸、乙醇、甘油等，个别也利用葡萄糖和柠檬酸盐，最后形 成乙酸和c 0 2 作为终产物【5 ”。近2 0 余年来，由于选用不同碳源的培养基，s r b 利用的 有机碳源和电子供体的种类不断扩大，发现s r b 还能利用乙酸、丙酸、丁酸和长链脂 肪酸及苯甲酸等，对其作用的认识也不断深化。s r b 在利用多种多样的化合物作为电 子供体时表现出了很强的能力和多样性，迄今发现可支持其生长的基质己超过1 0 0 种 1 5 5 1 。 在有硫酸盐存在的条件下，s r b 能以厌氧反应器中最常见的挥发有机酸( 主要是 乙酸、丙酸、丁酸、乳酸) 为电子供体来还原硫酸盐。不同的污泥来源，不同的驯化 条件得到的生态系统中利用各种碳基质的s r b 的分布必然有较大差别，从而表现为污 泥对于各种碳源具有不同的消化能力，进而影响到他们对硫酸盐的还原速率。据研究 报道1 5 6 1 s r b 利用乳酸、丙酸、丁酸的硫酸盐还原速率依次降低。而钱泽澎等【5 7 】认为， s r b i j 用丙酸盐、乳酸盐、乙酸盐的硫酸盐还原强度依次降低。 1 2 3 5 硫酸盐还原菌的潜在应用 虽然s r b 的存在，会引起诸如金属管到腐蚀、污染空气、土壤和水体等问题1 5 8 j ， 但是若能扬长避短，s r b 同样可以化害为利，造福人类，具有许多潜在的用途。 a 、生物修复 由于所生成的金属硫化物的溶解度较低( 范围为1 0 。3 1 0 巧g l ) ，因此，可以利 用s r b 的这个性质来处理被重金属污染的湿地、池塘以及废水等，或者在被污染的 区域人为构造湿地，将反应生成的重金属硫化物收集起来集中处理，既利于环境的改 良，又可以回收贵重金属。据报道，美国新墨西哥州的铀矿和密苏里的铅矿用此法处 理，将形成的z n s 、c d s 等回收，效果较理想1 5 9j 。 b 、炼油技术 将硫酸盐还原菌加入到油井中，可以提高油产量。在石油的二次回收过程中，脱 1 绪论 硫弧菌产生的粘液一一种胞外多糖，起着表面活性剂的作用，有助于从石油砂层中提 取石油i 砷l 。另外，还有研究认为，它参与石油的形成。据报导，脱硫弧菌可合成1 4 2 5 个碳的长链脂肪族碳氢化合物。这项技术己取得了一定的经济效益，研究工作也 做的较多。 c 、废水处理和烟气脱硫 许多加工业，如食品发酵工业，采矿业，造纸工业等产生的废水中都含有大的硫 酸盐。硫酸盐本身会产生多种危害，并且会产生高毒性的h 2 s ，对环境和人类造成危 害，所以这类污水在排入自然界之前必须经过处理。利用s r b 能够利用硫酸盐的特 性，可以设计工艺去除硫酸盐( 如前面所述的单相、两相和生物脱硫工艺) 。另外， 燃料燃烧产生s o x 是空气污染的一个重要来源，因此，可以将s o x 转入水中，外加各 种营养物质，利用s r b 同样可以除去，还可以回收单质硫资源，具有着重要的环境 学意义。同样的原理，还可应用于酸性矿山废水阻6 3 l 和重金属废水的处理一吲。 1 2 3 6 硫酸盐还原菌与产甲烷菌之间的关系 如图1 7 所示，描绘出了含硫酸盐废水厌氧处理的基本过程。从图中可看出，在 有硫酸盐存在时，硫酸盐还原菌( s r b ) 和产甲烷菌( m p b ) 之间存在着相互影响、 相互竞争的关系。 臣圃 硫酸盐还原 硫酸盐还原硫酸盐还原： ： ： ： ：一- - - - 一一- t h 2 s + c 0 2i _ = ：- - - - - - ：- _ 一一j - j 图卜7 厌氧降解过程示意图 在s 0 4 2 。浓度适当的条件下，产生的硫化物水平不会对系统产生重大影响，相反， 通过s r b 对h 2 的有效消耗还会促进产氢产乙酸反应的顺利进行，或通过s r b 不完 全氧化丙酸、丁酸等短链脂肪酸为乙酸，能防止这些脂肪酸在体系中积累，减轻了 1 绪论 m p b 的压力，有利于产甲烷反应。此外，硫酸盐还原反应的产物r 硫化物1 可以为产甲 烷菌提供重要的硫源，并有利于维持体系的低氧化还原电位状态，还可以与过量的重 金属离子沉淀，从而起到解毒和保护作用【叫。 但当s 0 42 。浓度超过一定限值时，便会出现不利影响，这种不利影响主要表现为： s r b 大量繁殖会对产甲烷菌( m p b ) 产生竞争性与非竞争性抑制作用。 a 、竞争性抑制作用 。 从热力学角度看，硫酸盐还原反应的产能水平比产甲烷反应更高( 见表1 1 ) ；从 生化反应动力学角度看( 见表1 2 ) ，s r b 对基质具有更大的亲和力，更高的比增殖 速度；从利用基质的情况来看，m p b 可利用的基质碳源极少，它只能利用乙酸、h 2 c 0 2 甲醇等一碳化合物，而s r b 不仅能利用上述基质，也能利用乙醇、脂肪酸等复杂的 有机物作为基质，基质谱比m p b 要广。因此，在对基质的争夺方面，对s r b 较有利， 从而形成厌氧消化过程中对m p b 的竞争性抑制。在碳源缺乏的厌氧环境下( 如淡水、 海洋沉积物中1 ，这种抑制作用表现得尤其突出，结果s r b 竞争胜过m p b 成为优势 菌种。 b 、非竞争性抑制作用 s r b 代谢产生的硫化物在高浓度时会毒害菌体，造成其活性和生长率下降，使 厌氧过程恶化甚至失败，这是对m p b 的非竞争性抑制作用。关于h 2 s 影响反应系统 的机理，有人认为可能是由于细胞一般带负电，电中性的h 2 s 分子容易接近并穿透细 菌的细胞膜进入内部，破坏蛋白质，还可以通过形成硫链干扰辅酶a 和辅酶m ，也 有人认为可能是硫化物与细胞内色素中的铁和含铁物质结合，从而导致电子传递系统 失去了活性，进而产生了抑制作用。 表1 1s r b 与m p b