硫酸鹽還原菌處理含硫酸鹽有機廢水的原理及其應用

吳慶慶,邱賢華,熊貞晟,陳素華

(南昌航空大學江西省持久性污染物控制與資源循環利用重點實驗室，江西 南昌 330063)

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硫酸鹽還原菌處理含硫酸鹽有機廢水的原理及其應用

吳慶慶,邱賢華,熊貞晟,陳素華

(南昌航空大學江西省持久性污染物控制與資源循環利用重點實驗室，江西 南昌 330063)

含硫酸鹽有機廢水多元污染物并存，嚴重影響水體生態環境，危害人體健康，是目前水污染控制領域面臨的難題與關注的焦點。在目前所采用的生物法水處理中，硫酸鹽還原菌(SRB)是降解該類廢水的關鍵微生物。重點闡述了SRB處理含硫酸鹽有機廢水的原理和相關技術的研究進展，詳細介紹了SRB的分類、相關檢測技術及其在水處理領域的應用現狀和存在的問題，并通過分析SRB在醇類、羧酸、烴類和大分子有機物降解方面的應用，指出將硫酸鹽最終轉化為單質硫并回收高純度硫是SRB處理含硫酸鹽有機廢水今后的發展方向。

含硫酸鹽有機廢水；硫酸鹽還原菌(SRB)；碳硫共脫除

1 硫酸鹽還原菌處理含硫酸鹽有機廢水的原理

去除水中有機物最有效的方法是利用微生物的降解作用。廢水中有機物種類很多，微生物降解它們的途徑各異，但概括起來，有機物都是作為基質被異養型微生物降解。根據電子受體的差異，微生物降解有機物的途徑主要有以下4種：

[CH2O]+O2→CO2+H2O

ΔG=-480 kJ/mol[CH2O]

(1)

(2)

(3)

(4)

以上(1)式是好氧過程(oxic)，(2)、(3)式由于電子受體是含氧酸根，為缺氧過程(anoxic)，(4)式是典型的厭氧過程(anaerobic)。在環境工程領域，相對于好氧(1)式、反硝化(2)式、厭氧(4)式，硫酸鹽還原(3)式的研究受到重視的程度不夠，時間也較短。由于硫酸鹽還原過程處于熱力學的劣勢(吉布斯自由能ΔG遠小于好氧和反硝化)，反應過程無溶解氧，早期的研究常將其作為厭氧過程的一部分；同時，反應產生的H2S屬惡臭氣體，對產甲烷過程有抑制作用，早期的研究多注重對這一過程的抑制。經過不斷的研究，人們逐漸認識到這一反應可以去除硫酸根和含碳有機物，生成的H2S還可以去除水中的重金屬離子。

2 硫酸鹽還原菌的研究進展

2.1 硫酸鹽還原菌的分類

SRB是一類代謝譜較寬的廣食性微生物，對硫元素和碳元素的生物地球化學循環起著關鍵作用。SRB形態多樣，生存能力很強，廣泛存在于土壤、河流、海洋等主要發生微生物分解作用的水陸環境。1984年出版的《貝氏(Bergey’s)系統細菌學手冊》把所有的能還原硫酸鹽或元素硫的細菌歸為8個屬：Desulfovibrio、Desulfomonas、Desulfobulbus、Desulfotomaculum、Desulfococcus、Desulfobacter、Desulfosarcina、Desulfonema。此后，隨著生物技術的進步和分類方法的改進，近20多年分離和命名了大量新的屬、種。2004年出版的《Bergey’s系統細菌學手冊》記載的這類細菌已有7個目(Desulfarcales、Desulfobacteraceae、Desulfovibrionaceae、Desulfurellaceae、Desulfurococcaceae、Desulfuromonaceae、Thermodesulfobacteriaceae)，12個科(Desulfarculaceae、Desulfobacterales、Desulfobulbacea、Desulfohalobiaceae、Desulfomicrobiaceae、Desulfonatronumaceae、Desulfovibrionales、Desulfurellales、Desulfurococcales、Desulfuromonales、Thermodesulfobacteriales、Thermodesulfobiaceae)，48個屬，171個種。

SRB可分為自養型和異養型兩大類型，異養型SRB通常是嚴格厭氧菌。根據代謝類型的不同，SRB可分為兩大主要類型：Ⅰ類SRB可將其能量來源氧化為乙酸鹽并作為最終的分泌產物；Ⅱ類SRB則可將有機物完全氧化為CO2[4]。根據所利用的底物，可將SRB分為三類：①氫營養型硫酸鹽還原菌(HSRB)；②乙酸營養型硫酸鹽還原菌(ASRB)；③高級脂肪酸營養型硫酸鹽還原菌 (FASRB)[5]。

隨著進一步的研究，對 SRB 的類群做了更詳細的分類，把SRB分為四大類，分別是：嗜熱的古(Thermophilic Archaeal)SRB、嗜熱(Thermophilic Bacterial)SRB、革蘭氏陽性產孢子(Gram-positive Spore Forming)SRB 和革蘭氏陰性嗜溫(Gram-negative mesophilic)SRB[6]。隨著分子生物學技術的發展，Kristian等[7]采用 PCR 分析方法將 SRB 的種類分為六大類群，分別是：脫硫腸菌屬(Desulfotomaculum)、脫硫葉菌屬(Desulfobubus)、脫硫桿菌屬(Desulfobacterium)、脫硫細菌屬 (Desulfobacter)、脫硫球菌-脫硫線菌-脫硫八疊菌屬(Desulfococcus-Desulfonema-Desulfosarcina)和脫硫弧菌-脫硫微菌屬(Desulfovibrio-Desulfomicrobium)。根據Alexander等[8]對SRB的最新分類,可將SRB分為細菌界和古細菌界兩大類，而在這兩類中又以細菌界占主導地位。

2.2 硫酸鹽還原菌的檢測方法

SRB的檢測方法主要分為三大類：基于特征化合物的檢測方法、基于遺傳標記物的分子生物學檢測方法和基于細胞的檢測方法[9]。基于特征化合物的檢測方法包括MPN法[10]、瓊脂深層培養法[11]、融化瓊脂管法[12]以及SRB特征化合物及代謝產物(S2-、S及APS輔酶等)的直接測定法[13-15],該類檢測方法過程繁雜，很難對分離物進行精確鑒定并反映SRB發育的狀況，導致SRB多樣性的信息失真。隨著分子生物學的迅速發展，基于遺傳標記的分子生物學檢測技術目前已十分成熟，聚合酶鏈反應(PCR)[16]、核酸分子雜交[17]、限制性片段長度多態性(RFLP)[18]和變形梯度凝膠電泳(DGGE)[19]等技術已廣泛運用于SRB的檢測，該類分子生物學檢測技術能夠快速、準確地檢測復雜環境中的SRB，但在靈敏度、實用性和操作簡單等方面存在一些不足。而基于細胞的檢測方法則很好地彌補了上述方法的不足，該類檢測方法包括酶鏈免疫吸附測定[20]、熒光抗體技術[21]和生物傳感器技術[9]等。總之，SRB檢測技術的發展對于環境質量的控制和微生物廢水處理具有重要意義。

3 硫酸鹽還原菌處理有機廢水的應用現狀

3.1 醇類有機物的降解

3.2 羧酸類有機物的降解

近30年來，SRB能夠利用的有機碳源和電子供體的種類不斷增加，大量試驗研究發現甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和長鏈脂肪酸及苯甲酸等羧酸類有機物也可作為SRB的能源和電子供體[28]。其中，乳酸是優先選擇的電子供體，可以供多種 SRB生存所需，促進系統中微生物多樣性，保持系統穩定[29]。乳酸生物降解后生成揮發性脂肪酸，如乙酸、丙酮酸、丙酸和丁酸[30]。硫酸鹽廢水厭氧生物處理過程中，SRB和產甲烷菌(MB)會競爭利用乙酸，乙酸是有機物厭氧分解過程中關鍵中間產物，以乙酸為碳源的硫酸鹽還原反應效果顯著[31]。丙酸和丁酸是硫酸鹽還原過程中重要的發酵產物，可通過SRB與其他細菌的協同作用或直接被SRB降解[32]。

Cao等[33]研究了不同的揮發性脂肪酸(甲酸、乙酸、丙酸、乳酸、蘋果酸、丙酮酸)作為SRB的電子供體對SRB活性的影響，結果表明：6種揮發性脂肪酸均可作為SRB的底物，并能夠將硫酸鹽有效還原。其中以甲酸為電子供體的SRB活性最強，硫酸鹽還原率達到97%。SRB降解小分子揮發性脂肪酸的機理十分復雜，主要可概括如下[34]：

此外，Widdel等[36]研究發現Desulfonemalimicolagen.nov.,sp.nov.能夠以多達14個碳的長鏈脂肪酸作為碳源和電子供體，Desulfonemamagnumsp.nov.能夠降解多達10個碳的長鏈脂肪酸，如琥珀酸、延胡索酸、蘋果酸、4-羥基苯酸、馬尿酸、苯乙酸和3-苯丙酸等。

3.3 烴類有機物的降解

微生物降解烴的過程實際上就是微生物參與的一系列氧化還原反應，烴類物質進入細胞膜后，主要通過三種類型的氧化還原體系被降解，包括好氧呼吸、厭氧呼吸以及微生物發酵。通常環境中烴類物質的降解是由多種烴類降解微生物協同完成的，尤其像多環芳烴等這些復雜結構的烴類，都是通過微生物的共代謝作用完成降解。降解烴類的微生物在自然界中分布廣泛，其在土壤、湖泊、海洋等環境中都能被分離出來。Olaf等[37]從海洋烴類污染環境中分離得到了一種具短鏈烴類降解活性的SRB，富集培養后進行降解試驗，結果表明：SRB能夠以乙烷、丙烷和丁烷作為生長基質還原硫酸鹽。其反應式如下：

Aeckersberg等[38]分別從油槽和海洋沉積物中分離得到了一株可利用長鏈烷烴的SRB，并分別命名為Hxd3和Pnd3，Hxd3菌株可降解長鏈烷烴的范圍為C12～C20，Pnd3降解的范圍為C14～C17。Cravo等[39]從烴類污染的海洋沉積物中分離得到了一株名為CV2803T的SRB(Desulfatibacillumaliphaticivoransgen.nov.,sp.nov.)，通過構建水生微宇宙，在24 g/L NaCl、pH值為7.5、溫度為28～35℃的條件下，研究了SRB對烴類的降解作用，結果表明：CV2803T菌株能夠氧化長鏈烷烴(C13～C18)和烯烴(C7～C23)。So等[40]從石油污染的湖泊沉積物中分離了一株能夠降解烷烴(C13～C18)、脂肪酸(C4～C16)、烯烴(C16～C16)和烯醇類(C15～C16)的SRB。冀忠倫等[41]采用PCR-DGGE技術在長慶油田原油集輸系統中發現了能夠穩定生長的5種SRB。大量研究發現，SRB能夠降解甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯，鄰乙基甲苯、乙苯、萘、四氫化萘、2-甲基萘等芳香烴類有機物[42-43]。其反應式為

3.4 大分子有機化合物的降解

SRB不能直接降解大分子有機化合物，如淀粉、纖維素、蛋白、核苷酸(DNA、RNA) 和脂肪等，但可通過與其他微生物的共代謝作用完成降解[44]。蛋白質、多糖及脂肪等大分子有機化合物首先通過水解性細菌分別水解成為氨基酸、單糖和長鏈脂肪酸等單體；隨后，這些單體在發酵性細菌的作用下分解為乙酸、丙酸、乳酸、丁酸和H2等，從而被硫酸鹽還原菌有效利用。

4 存在的問題

自20世紀70年代起國外開始采用單相厭氧工藝處理高濃度硫酸鹽廢水，但由于SRB對產甲烷菌(MPB)產生的初級抑制作用以及硫酸鹽還原產生的H2S對MPB和其他厭氧菌的次級抑制作用，反應器運行成功的實例很少。針對單相厭氧工藝中SRB還原硫酸鹽所產生的不利影響，很多學者自 20 世紀 90 年代起提出了多種改進工藝，包括硫酸鹽還原與硫化物光合氧化聯用工藝、單相吹脫工藝、硫酸鹽還原與硫化物化學氧化聯用工藝、兩相厭氧工藝、生物膜法工藝、兩相厭氧與硫化物生物氧化聯用工藝等[51-52]。目前，采用兩相厭氧工藝處理硫酸鹽廢水已得到諸多共識，但是還原性硫化物的釋放是厭氧處理高價含硫化合物廢水時伴生的主要問題，即硫酸鹽作為電子受體被SRB還原為硫化物(包括H2S、S2-和HS-)，由于硫化物的強腐蝕性、高毒性、惡臭和高耗氧量等問題，必須采取有效措施控制其向環境中的排放量。此外，SRB處理有機廢水的過程中會產生大量的有機中間產物，從而導致有機廢水處理效率低下，不能滿足對水質要求較高的污水處理。

對于含硫酸鹽有機污水，理想的處理方式是將硫酸鹽最終轉化為單質硫并回收高純度硫，從而實現污水達標治理的同時獲得可利用資源的目標。Wang等[53]在提出碳氮硫同步脫除工藝系統概念的基礎上，首次提出了一體式碳氮硫同步脫除工藝，即將有機物、硫酸鹽及硝酸鹽的去除集成在一個反應器內，同時累積單質硫，從而形成高度集成的工藝模式，以進一步降低高濃度含硫廢水處理工藝系統的復雜性，降低運行和操作費用。但是，在一體式系統中，由于微生物之間的次級抑制作用，導致無論在高硫氮負荷還是低硫氮負荷下自養反硝化脫硫細菌均很難發揮最佳效能。同時，在生物轉化脫硫過程中實現單質硫的高效轉化及單質硫提取回收的資源化技術途徑還有所欠缺，尚需在工藝操作方面進行大量的深入研究。因此，如何消除硫化物對厭氧微生物的抑制作用，又可在同一個反應器內實現從硫酸鹽到單質硫的轉化，并去除有機物是后續研究中的重點內容。

隨著分子生物學技術的發展，SRB的生態多樣性、生理學及其生物化學研究逐漸深入。但是，目前的研究仍停留在基礎階段，SRB代謝機制的研究至今仍不夠透徹。同時，SRB種類繁多，而應用到實際廢水處理中的SRB僅占極少部分，目前該方面的研究主要集中在少數幾種代表性的微生物，如Desulfovibriodesulfuricans、Desulfovibriovulgaris和Desulfovibriogigas等。

5 結論與展望

目前關于SRB的研究主要側重于硫酸鹽的還原，鑒于SRB生長基質的多樣性，以工業有機廢水、生活污水、有機廢棄物中有機質作為電子供體，以達到有機物和硫酸鹽的同步去除，是今后硫酸鹽廢水處理的一個發展方向。

SRB處理含硫酸鹽有機廢水的技術已經比較成熟，但其代謝產物較為復雜，今后應運用新工藝對其進行深度處理，以進一步提高出水水質。同時，針對SRB和硫酸鹽有機廢水的特點，需進一步突破傳統的生物脫硫概念與技術，開發出集硫酸鹽還原—有機物氧化—單質硫分離于一體的工藝及設備，為含硫酸鹽有機廢水的處理和資源化提供新的途徑。

隨著生物技術的不斷發展，SRB處理高濃度有機廢水的技術在實際中將得到廣泛應用，如用遺傳學的方法改造以獲得高活性菌株，用不同SRB以及SRB與其他菌的協同作用提高廢水硫酸鹽和有機物的去除率并改善出水質量等。可見，SRB的開發與利用將具有廣闊的發展前景。

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Theory and Research Progress of Organic Wastewater Containing Sulphate Treated by Sulphate-reducing Bacteria and Its Application

WU Qingqing,QIU Xianhua,XIONG Zhenshen,CHEN Suhua

(KeyLaboratoryofJiangxiProvinceforPersistantPollutantsControlandResourcesRecycle,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Because of the production of sulphide,which is highly reactive,corrosive and toxic,organic wastewater containing sulphate is one of the focus in the control of water pollution.Sulphate-reducing bacteria (SRB) are anaerobic microorganisms that use sulphate as a terminal electron acceptor by degrading organic compounds,which plays an important part in the treatment of sulphate-containing wastewater.SRB have been studied for more than 100 years,but it is only with the emergence of new genomic techniques and molecular biology that we have begun to obtain accurate information on their way of life.Therefore,this paper intends to provide a research review of mechanism and methods for treatment of organic wastewater containing sulphate by SRB,particularly introduces the classification of SRB and its application in organic wastewater treatment and proposes the application prospects of SRB after the analysis of its application in alcohol,carboxylic acid,hydrocarbon and organic macromolecules wastewater treatment.Finally,the paper gives a discussion on the problems of the treatment of organic wastewater containing sulphate by SRB.To realize resource utilization,future research should break through the traditional concept of bio-desulfurization and contend to develop a high efficiency process for the simultaneous removal of organic compounds and sulfate, and control the elemental sulfur production as a final product.

organic wastewater containing sulphate;sulphate-reducing bacteria(SRB);simultaneous removal of carbon and sulphur

李義連(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事地表水及地下水污染控制與修復以及溫室氣體的地質解決方法等方面的研究。E-mail：yl.li988@yahoo.com.cn

1671-1556(2015)01-0090-07

2014-05-06

2014-11-21

南昌航空大學博士啟動基金項目(EA200602029)；江西省持久性污染物控制與資源循環利用重點實驗室開放基金項目(ST201322008)；南昌航空大學研究生創新專項資金項目(YC2013008)

吳慶慶(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為水污染控制。E-mail：1005330340@qq.com

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10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.016