不同碳硫比條件下底物類型對硫酸鹽去除的差異性

張凈瑞，朱葛夫* ，潘小芳，劉超翔，黃栩，劉琳

1.中國科學院城市環境研究所，福建 廈門 361021

2.中國科學院寧波環境觀測研究站，浙江 寧波 315800

由于硫酸在食品加工、鞣革、制藥、造紙、化工(印染、有色金屬冶煉、蒸餾、電鍍)、糖蜜發酵和采礦等領域的廣泛應用，含有硫酸鹽的廢水已逐漸成為工業廢水的重要組成部分，對人體的健康構成了較大的威脅［1-2］。至今對高濃度硫酸鹽類廢水仍沒有經濟有效的治理技術，大多數企業仍在超標排放或直接排放，對環境的污染呈加重趨勢。因此，尋求針對該類廢水經濟有效的治理途徑已成為近年來環境工程界甚為關注的熱點。在眾多處理工藝中，厭氧生物處理技術憑借其高負荷率、低能耗、低運行費用等突出的優越性日漸成為首選工藝［3］。

已有研究表明，厭氧生物系統中影響硫酸鹽去除的因素主要有CODCr/SO42-、底物類型、水力停留時間(HRT)、溫度、pH、氧化還原電位(ORP)、堿度、硫酸鹽負荷率(Ns)等［4-8］。其中CODCr/SO42-對硫酸鹽的還原起著決定性的作用，其通過影響厭氧系統中微生物的群落組成進而決定硫酸鹽的去除效果;調整厭氧系統的CODCr/SO42-使得硫酸鹽還原菌(SRB)在與其他厭氧菌的競爭中處于優勢，才能保證良好的硫酸鹽去除效果。SRB 的生理、生態特征多樣，可以利用的底物類型有100 種之多，常見的厭氧中間代謝產物乳酸、丁酸、丙酸、乙酸、丙酮酸、甘露糖等部分糖類和乙醇等醇類物質均可以作為SRB 的代謝底物［9-11］，H2也是大部分SRB 可以利用的電子供體［12］。在不同的底物條件下，SRB 的代謝活性也各不相同。但關于底物和CODCr/SO42-對硫酸鹽去除的影響卻鮮有系統的研究。

不同種類廢水在厭氧發酵過程中的代謝產物有顯著差異，因此研究不同種類的厭氧中間代謝產物對硫酸鹽去除的影響，可為厭氧脫硫反應器的運行、調控提供技術指導。基于以上分析，以常見的厭氧中間代謝產物乳酸、乙醇、丙酸、丁酸和乙酸為碳源，考察了不同CODCr/SO42-條件下5 種底物對硫酸鹽去除的差異性，以期為厭氧脫硫工藝系統中硫酸鹽的快速去除提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

靜態試驗采用錐形瓶為基本反應器(圖1)，總體積為250 mL;每個錐形瓶均設有水樣、氣體取樣管口;錐形瓶置于恒溫水浴鍋中，溫度控制在35 ℃。

1.2 接種污泥及方法

圖1 試驗裝置Fig.1 Apparatus of enrichment of sulfate-reducing bacteria

接種污泥取自廈門市集美區第二污水處理廠二沉池好氧活性污泥(SS 為19.56 g/L，VSS 為10.17 g/L);按1∶20 的比例進行接種，并添加1 mL/L 的營養鹽。營養鹽成分:H3BO3為50 mg/L;CuCl2為30 mg/L;MnSO4·H2O 為50 mg/L;AlCl3為50 mg/L;CoCl2·6H2O 為50 mg/L;NiCl2為50 mg/L;ZnCl2為50 mg/L［13］。接種后將基質通入N215 min，以充分除去反應裝置中的O2。培養基設置乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸5 種底物，每種底物設置2 個平行，以Na2SO4調節SO42-濃度，以NH4Cl 為氮源，以KH2PO4為磷源，保證培養基中的C∶N∶P 為200∶5∶1;通過添加NaHCO3的方式調節系統初始pH 為6.5。

1.3 分析項目及方法

CODCr、pH、SS、VSS、堿度采用《水和廢水監測分析方法》中的標準方法測定［14］。生物氣體采用配備有熱導檢測器(TCD)的氣相色譜(福立GC9790Ⅱ)進行測定，以N2為載氣，進樣口、檢測器和聚四氟乙烯柱的運行溫度分別為120、150 和120 ℃;用氣密性注射器(400 μL，Agilent Syringe)以手動進樣的方式進樣。SO42-濃度采用配備有離子交換柱(IonPac AS11:250 mm×4 mm)和保護柱(50 mm×4 mm)的離子色譜儀(ICS -3000，DIONEX)測定。樣品在進入離子色譜儀前先以5 000 r/min 離心10 min，再經0.45 μm 的水系濾膜過濾。

1.4 方法與步驟

試驗共進行3 個階段，每個階段的初始堿度均為1 500 mg/L(以CaCO3計，全文同)，保持SO42-濃度為2 000 mg/L，通過調節CODCr來改變CODCr/SO42-。每個CODCr/SO42-條件下運行5 個周期，每個周期為4 d，在每個周期結束后取樣測定各項指標，數據均為2 個平行試驗的平均值(表1)。每個試驗階段結束后將污泥進行沉降，按原比例接種到下個階段的反應器中。

表1 試驗操作條件Table 1 Operational conditions of the experiment

2 結果與討論

圖2 5 種底物對硫酸鹽、CODCr去除率及堿度和pH 的影響Fig.2 Effect of CODCr removal，alkalinity and pH with different substrates

2.1 CODCr/為2.0 時的去除效果

由圖2(a)和圖2(b)可知，隨著馴化時間的推移，各系統CODCr和硫酸鹽去除率都呈緩慢上升趨勢，到第20 天，乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸為底物的CODCr去除率分別為62.41%、57.34%、66.26%、58.75%和44.49%，而相對應的硫酸鹽去除率僅為38.47%、15.40%、31.84%、23.01%和23.57%。與本研究類似，Jing Z. 等［15］研究發現，在利用UASB處理含硫酸鹽廢水時，以乙醇和乙酸為底物，控制CODCr/SO42-為1 時，硫酸鹽的去除率僅為30%。與CODCr的去除率相比，5 種底物的硫酸鹽去除率均處于較低水平。為了檢測厭氧系統的運行情況，在第20 天測定氣體組分，乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸5 種底物中甲烷濃度依次為19.86%、30.54%、44.19%、22.37%和40.06%，說明接種污泥中存在一定數量的產甲烷菌(MPB)，MPB 在厭氧條件下與SRB 競爭乙酸、氫氣等底物，硫酸鹽去除率較低可能是因為SRB 還沒有完全適應高濃度的硫酸鹽，在與MPB 競爭中處于劣勢，導致大部分碳源被MPB所利用。Li Y.Y.等［16］在研究苯甲酸的厭氧降解時發現，當CODCr/為1.5 時，69% 的電子流被MPB 利用，這與本研究一致。

在前20 天的5 個周期內均是以乙醇為底物的系統硫酸鹽去除率最高，說明SRB 對乙醇的適應性最好;而以乳酸為底物的系統硫酸鹽去除率增加緩慢，一直維持在15%左右;以乙酸為底物的系統硫酸鹽去除率穩定在22%左右。劉廣民等［17］研究利用CSTR 連續流試驗，探討了35 ℃條件下SRB 對不同底物的利用情況，結果表明，SRB 容易利用的底物是乙醇和乳酸，而對乙酸的利用率很低，與本研究有一定的偏差;B. K. Das 等［18］的研究也證實乳酸是異養型SRB 最適宜利用的底物。而該試驗階段SRB 對乳酸的易利用性卻沒有表現出來，可能是因為乳酸的化學結構比乙醇復雜，在厭氧降解過程中存在一定的滯后性，SRB 對乳酸的適應期相對較長。

由圖2(a)可知，CODCr/SO42-提高到2.5 之后(20 ～40 d)，5 種底物系統硫酸鹽的去除率都有了明顯的提高，可能是因為在該CODCr/SO42-條件下有機底物不再成為限制硫酸鹽還原的因素，并且隨著馴化時間的增加，系統中SRB 對高濃度的硫酸鹽逐漸適應，代謝活性逐漸增強，再加上SRB 與MPB相比，生長迅速，對底物的親和度高，利用相同底物的吉布斯自由能較低，出于快速利用底物并保存能量的目的，SRB 能夠迅速成為優勢種群，在與MPB的競爭中逐漸處于主導地位。其與該階段氣體含量的變化一致，圖3 是CODCr/SO42-為2.5 時起始、結束周期CH4所占比例。從圖3 可以看出，隨著馴化時間的增加，CH4所占比例不斷下降。表2 是CODCr/SO42-為2.5 時5 種底物的起始、結束周期氣體體積及比產氣速率。由表2 可知，隨著馴化周期的延長，比產甲烷速率迅速減小，說明整個培養過程是SRB 活性不斷增強，MPB 活性不斷減弱的結果。結束周期的比產甲烷速率遠小于Jing Z. 等［15］利用乙醇、乙酸為碳源研究MPB 和SRB 的競爭時獲得的比產甲烷速率(0.18 ～0.24 L/g，以CODCr計)，而硫酸鹽的去除率僅為30%。試驗獲得的比產氣速率與文獻［19］的比產氣速率(0.437 5 ～0.583 3 L/g，以CODCr計)有一定差異，二者間的差異可能與污泥中微生物的組成和效能有關。

圖3 為2.5 時起始、結束周期5 種底物中CH4 所占比例Fig.3 Variation of CH4 proportion at the of 2.5 with different substrates

表2 CODC為2.5 時5 種底物起始、結束周期產生的氣體體積及比產氣速率Table 2 The gas volume and relative rate of gas production at the 2.5 with different substrates

表2 CODC為2.5 時5 種底物起始、結束周期產生的氣體體積及比產氣速率Table 2 The gas volume and relative rate of gas production at the 2.5 with different substrates

底物起始周期體積/mL 比產氣速率/(L/g，以CODCr計)比產甲烷速率/(L/g，以CODCr計)結束周期體積/mL 比產氣速率/(L/g，以CODCr計)比產甲烷速率/(L/g，以CODCr計)乙醇439.6 0.520 4 0.208 2 321.7 0.317 7 0.003 2乳酸 369.7 0.410 8 0.156 1 258.4 0.252 1 0.027 7丙酸 427.6 0.456 1 0.054 7 332.8 0.313 2 0.002 5丁酸 356.3 0.438 5 0.021 9 327.5 0.354 0 0.001 7乙酸388.4 0.501 2 0.215 5 314.3 0.359 2 0.028 7

在第40 天時以乙醇、乳酸、丙酸為底物的厭氧系統硫酸鹽去除率快速增加到81.27%、90.29%、80.69%。與該結果相似，張奎等［20］用食用紅糖作為有機碳源，當進水CODCr/SO42-小于2.0 時，硫酸鹽去除率小于81%;當進水CODCr/SO42-為2.0 ～2.5 時，硫酸鹽去除率為81% ～90%。要想使3 個系統保持較高的硫酸鹽去除率(80%以上)，CODCr/SO42-需控制在2.5 以上。但王愛杰等［21］利用連續流和靜態試驗以糖蜜廢水作為有機碳源，保持進水堿度為300 ～500 mg/L，得到硫酸鹽去除率在80%以上的生態因子范圍是大于2，這與本研究有一定出入。研究結果的不同可能與底物類型、種泥來源和進水堿度有關。當CODCr/SO42-大于2.5 后，以丁酸、乙酸為底物的厭氧系統硫酸鹽的去除率僅上升到58.84%和50.72%，說明在2 個系統中硫酸鹽還原作用還沒有處于主導地位，CODCr/SO42-為2.0 不是這2 個系統最適的生態因子范圍。

從圖2(a)可以看出，CODCr/SO42-為3.0 時(40 ～60 d)，以乙醇、乳酸和丙酸為底物的系統硫酸鹽的去除率增加較為緩慢，分別穩定在87.03%、94.05%和89.61%。以乳酸為底物的系統硫酸鹽的去除率最高，以丙酸為底物的系統次之，說明乳酸和丙酸是硫酸鹽還原的適宜底物。這與W.Liamleam 等［22］研究認為，相對于乙醇和乙酸，乳酸和丙酸是SRB 最適宜利用的底物的結果類似。

CODCr/SO42-為3.0 時，以丁酸、乙酸為底物的系統硫酸鹽的去除率急劇增加，到第60 天達到88.78%、73.69%，明顯高于一些研究結果。如S.I.C.Lopes 等［23］用蔗糖為碳源研究CODCr/SO42-對硫酸鹽還原效果的影響時發現，當CODCr/SO42-從1上升到4 的時候，硫酸鹽的去除率從30%上升到65%。隨著CODCr/SO42-的升高，硫酸鹽去除率迅速增加，3.0 是丁酸和乙酸系統維持較高硫酸鹽去除率的最低

李玲等［24］以葡萄糖為底物處理含硫酸鹽廢水，在CODCr/SO42-為3 時，得到的硫酸鹽去除率為90%，SRB 具有高活性時pH 為8 左右;此時以丁酸為底物的系統pH 為7.98 ～8.22，堿度為2 132 ～2 448 mg/L;以乙酸為底物的系統pH 為8.24 ～8.90，堿度為3 029 ～3 847 mg/L。O.Gutierrez 等［25］以市政污水為底物研究了pH 對SRB 的影響，結果表明，SRB 的最適pH 為7.6 ±0.1，pH 為8.6 和9.0分別能使SRB 的活性降低30%和50%。這與本試驗結果有一定的出入。

由圖2(c)和圖2(d)可知，隨著硫酸鹽去除率的增加，5 個系統的pH 和堿度均呈緩慢上升的趨勢。劉成［26］利用尾礦堿度處理礦山酸性廢水的試驗表明，硫酸鹽還原作用會導致體系堿度的增加，同時伴隨著pH 升高。Hao T.等［27］的研究也證實了硫酸鹽還原過程伴隨著pH 的上升。從圖2(c)還可以看出，以乳酸為底物的系統堿度明顯高于其他的系統，說明該系統的穩定性最好，與其較高的硫酸鹽去除率一致。以乙醇、乳酸和丙酸為底物的系統硫酸鹽的去除率較高時(85%以上)，pH 分別為8.23 ～8.33，8.18 ～8.33 和7.98 ～8.24;堿度分別為3 210 ～3 432，5 268 ～5 423 和2 769 ～2 947 mg/L。但王愛杰等［21］利用連續流和靜態試驗以糖蜜廢水作為有機碳源，保持進水堿度為300 ～500 mg/L，得到硫酸鹽去除率在80%以上的生態因子范圍是pH為6.0 ～6.2，堿度為1 500 ～2 000 mg/L，與本研究有較大差別。pH 通過影響底物的代謝途徑改變硫酸鹽的還原效率［5］，pH 的變化還會影響硫化物在溶液中的存在形式，即可溶性硫化物與H2S 的分配比例，進而影響SRB 的活性［28-29］。研究結果的不同可能與污泥來源和底物類型有關。

以乙醇、乳酸和丙酸為底物的系統在第60 天時硫酸鹽的去除率分別達到87.03%、94.05% 和89.61%，當CODCr/SO42-為2.5 和3.0 時，3 個系統均能維持較高的硫酸鹽去除率;以丁酸、乙酸為底物的系統在第60 天時硫酸鹽的去除率分別達到88.78%和73.69%，CODCr/SO42-為3.0 時達到該去除率的最小值，可見，乙酸是最不適合硫酸鹽還原的底物。硫酸鹽的去除率與底物的可利用性有關，易被SRB 利用且可供養的SRB 種類廣泛的底物能在短時間內達到較高的硫酸鹽去除率。乳酸和乙醇能夠被絕大多數的SRB 利用，通過非完全氧化型方式被分解為乙酸［30］，能夠實現硫酸鹽的快速去除;同時由于乳酸的化學結構比乙醇復雜，在厭氧降解過程中存在一定的滯后性，表現為在試驗初期以乙醇為底物的系統硫酸鹽去除率一直領先，SRB 對乳酸的適應期卻相對較長，但在經過一段時間的馴化后以乳酸為底物的系統硫酸鹽的去除率能迅速達到90%以上。與其他底物相比，以乙酸為底物的系統硫酸鹽的去除率最低，原因可能是乙酸的化學結構簡單，僅能夠被完全氧化型的SRB 利用，而這種SRB 的種類和數量較少。S. J. W. H.Oude Elferink等［31］的研究也指出，乙酸是最不適合硫酸鹽還原的底物，在丙酸、乙酸同時存在的情況下SRB 優先利用丙酸。

3 結論

(1)在厭氧系統中，底物對硫酸鹽的去除有重要影響。在35 ℃條件下，乳酸是最適合硫酸鹽還原的底物，而乙酸是最不適合的底物;在試驗的起始階段，SRB 對乙醇的適應性最好，以乙醇為底物能縮短厭氧脫硫反應器的啟動時間。

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