生長(zhǎng)因子對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響研究

王婷，周俊，徐為中，張雪英

（1.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京211816；2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京211816）

生長(zhǎng)因子對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響研究

王婷1，周俊2，徐為中1，張雪英1

（1.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京211816；2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京211816）

采用實(shí)驗(yàn)室模擬手段，研究了靜態(tài)條件下硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）對(duì)硫酸鹽廢水的處理效果，考察了菌液接種量、初始pH、碳源種類(lèi)、m（COD）/m（）等生態(tài)因子對(duì)處理效果的影響。結(jié)果表明，增加菌液量、提升pH、提高m（COD）/m均可提升去除率；以乳酸鈉、葡萄糖、甘油、甲酸作為碳源時(shí)，SRB利用這4種碳源對(duì)的還原率由大到小依次為甲酸＞乳酸鈉＞甘油＞葡萄糖。該研究對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

硫酸鹽還原菌；生長(zhǎng)因子；硫酸鹽廢水

近年來(lái)，化工、制藥、造紙、制革、食品加工等領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，與此同時(shí)伴隨著大量含高濃度硫酸鹽工業(yè)廢水的排放。硫酸鹽本身雖然無(wú)害，但在厭氧環(huán)境中會(huì)在硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）的作用下產(chǎn)生H2S，產(chǎn)生的H2S會(huì)影響環(huán)境質(zhì)量，腐蝕儀器設(shè)備，引起水體酸化危害水生生物。另外，硫酸鹽廢水排入農(nóng)田會(huì)損壞土壤結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生潛在的腐蝕性，使土壤板結(jié)，降低農(nóng)作物產(chǎn)量及質(zhì)量。目前，針對(duì)這類(lèi)廢水的傳統(tǒng)處理方法為物理、化學(xué)方法，主要包括沉淀法、電滲析法、離子交換法、液膜分離等。以SRB為代表的生物法與傳統(tǒng)方法相比具有成本低、能耗少、效果好、沒(méi)有二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸成為國(guó)內(nèi)外硫酸鹽廢水處理的研究熱點(diǎn)，有著廣闊的發(fā)展前景〔1〕。

SRB是一類(lèi)形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)多樣化的細(xì)菌，其以有機(jī)物作為生化代謝的能量和電子供體，通過(guò)異化作用以硫酸鹽為電子受體將其還原〔2〕。影響SRB還原硫酸鹽的因素很多，各種生物因子、非生物因子都會(huì)直接影響到SRB活性及種類(lèi)，進(jìn)而影響到對(duì)硫酸鹽的去除效果。本研究在靜態(tài)條件下，考察了接種菌液量、初始pH、碳源種類(lèi)、m（COD）/m（SO42-）等生態(tài)因子對(duì)SRB還原硫酸鹽的影響，得到SRB處理硫酸鹽廢水的最佳條件。該研究對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 SRB菌液

取南京某污水處理廠的濃縮污泥，厭氧培養(yǎng)1個(gè)月，然后使用Postgate C培養(yǎng)基〔3〕進(jìn)行定向馴化及富集，得到試驗(yàn)用菌液。將其置于4℃以下冰箱中保存，試驗(yàn)前為保證菌種活性，接種入培養(yǎng)基中培養(yǎng)3 d再使用。

1.2 培養(yǎng)基組成

所用培養(yǎng)基為略加改動(dòng)的Postgate C培養(yǎng)基，其成分：KH2PO40.5 g/L，NH4Cl 1.0 g/L，CaCl2·2H2O 0.06 g/L，Na2SO40.5 g/L，MgSO4·7H2O 2.0 g/L，酵母膏1.0 g/L，檸檬酸鈉0.3 g/L，乳酸鈉3.5 g/L，（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 0.3 g/L，抗壞血酸0.1 g/L。用NaOH與HCl調(diào)節(jié)pH為7.2。

1.3 馴化及富集方法

在1 L厭氧發(fā)酵瓶中加入800mL上述培養(yǎng)基，再加入?yún)捬跖囵B(yǎng)1個(gè)月的污泥200 mL，密封，在37℃下進(jìn)行恒溫培養(yǎng)。由于培養(yǎng)基中含有Fe2+，其與SRB的代謝產(chǎn)物S2-作用生成黑色的FeS沉淀，因此可觀察到瓶中液體逐漸變黑，同時(shí)瓶口散發(fā)出H2S的臭雞蛋氣味，說(shuō)明SRB菌大量繁殖。每5天倒掉800mL菌液，加入800mL新的培養(yǎng)基，如此馴化10 d。增加培養(yǎng)基中的Na2SO4至4.5 g，取馴化后的菌液按照體積分?jǐn)?shù)為5%的接種量接種在培養(yǎng)基中，在37℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行富集培養(yǎng)。按照馴化的方法更換培養(yǎng)基（其中Na2SO44.5 g），富集培養(yǎng)10 d，得到高效SRB〔4〕。

1.4 分析項(xiàng)目及方法

pH采用pH計(jì)（pH400，上海安萊立思儀器科技有限公司）進(jìn)行測(cè)定濃度采用硫酸鋇比濁法（GB/T 8538—2008）進(jìn)行測(cè)定，COD采用微波消解法進(jìn)行測(cè)定。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 菌液接種量對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響

取3只250mL的具塞錐形瓶，分別向其中加入125mLPostgate C培養(yǎng)基的2倍濃縮液，分別補(bǔ)充去離子水112.5、100、87.5mL，搖勻，再分別加入富集的SRB菌液12.5、25、37.5mL，使得菌液接種量分別為5%、10%、15%。用塞子蓋住，搖勻，用封口膜封口，使其處于厭氧環(huán)境。然后放入恒溫培養(yǎng)箱中，于37℃下靜置培養(yǎng)。連續(xù)7 d取樣，測(cè)定pH、COD及濃度。相同條件下做平行樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.5.2 初始pH對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響

分別向4個(gè)250mL具塞錐形瓶中加入212.5mL Postgate C培養(yǎng)基，然后加入37.5mL SRB富集菌液，使得菌液接種量為15%。調(diào)節(jié)pH分別為5、6、7、8，用塞子蓋住，搖勻，用封口膜封口，使其處于厭氧環(huán)境。然后放入恒溫培養(yǎng)箱中，于37℃下靜置培養(yǎng)。連續(xù)7 d取樣，測(cè)定pH、COD及度。相同條件下做平行樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.5.3 碳源對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響

將Postgate C培養(yǎng)基中的乳酸鈉按照COD一致的原則，換成乳酸鈉、葡萄糖、甘油、甲酸，其他成分不變，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH至7.2。分別向4個(gè)250mL具塞錐形瓶中加入不同碳源的培養(yǎng)基212.5mL，再分別向其中加入37.5mLSRB富集菌液。用塞子蓋住，搖勻，用封口膜封口，使其處于厭氧環(huán)境。然后放入恒溫培養(yǎng)箱中，于37℃下靜置培養(yǎng)。連續(xù)7 d取樣，測(cè)定pH、COD及濃度。相同條件下做平行樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 菌液接種量對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響

菌液接種量對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各體系pH的變化趨勢(shì)大體相似。反應(yīng)1 d后體系的pH均小幅度下降，這是由于SRB及產(chǎn)甲烷菌（Methane Producing Bacteria，MPB）代謝產(chǎn)生小分子有機(jī)酸，故試驗(yàn)初期pH有所下降；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各體系的pH又表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)，其中SRB菌液接種量為5%、10%的體系pH上升至8.0左右，SRB菌液接種量為15%的體系pH上升至8.2左右。在SRB的作用下，的還原過(guò)程可用如下化學(xué)方程式表達(dá)：

其中：CH2O代表有機(jī)化合物。此過(guò)程中消耗H+，同時(shí)SRB代謝消耗大分子有機(jī)物分解所產(chǎn)生的有機(jī)酸，故系統(tǒng)的pH逐漸上升。由于SRB菌液接種量為15%的體系菌量最大，代謝快，所以pH上升幅度稍大。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各體系去除率呈先急劇上升后趨于平緩的變化趨勢(shì)，COD去除率呈逐漸升高的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)7 d的處理，SRB菌液接種量分別為5%、10%、15%的體系的去除率分別為78.7%、79.7%、98.8%，COD去除率則分別為32.0%、38.5%、52.8%，說(shuō)明SRB菌液接種量越大，與COD的去除率越高。

圖1 不同菌液接種量下相關(guān)參數(shù)的變化

2.2 初始pH對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響

初始pH對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同pH下相關(guān)參數(shù)的變化

由圖2可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各體系pH大體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)初始pH=5時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，去除率上升緩慢，經(jīng)過(guò)7 d的處理，去除率僅為19.6%。當(dāng)初始pH分別為6、7、8時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)去除率的變化趨勢(shì)很明顯，其中初始pH=8的體系去除率上升趨勢(shì)最明顯，去除率達(dá)到89.5%。這是由于SRB生長(zhǎng)的pH范圍一般在5.5～9.0〔6〕，當(dāng)pH較低時(shí)，大部分硫化物以H2S的形式存在，對(duì)SRB產(chǎn)生抑制作用，所以硫酸鹽還原速率較慢〔7〕。國(guó)內(nèi)學(xué)者大多采用pH為6.5～7.5，國(guó)外的一些學(xué)者認(rèn)為，硫酸鹽還原菌更適宜在較高的pH下分解有機(jī)物，pH在8.0左右比較理想〔8〕。而本試驗(yàn)最佳pH為8，與文獻(xiàn)相符。初始pH對(duì)COD去除的影響不大，處理7 d后，COD去除率均在30%～35%之間。分析可能的原因是，在較低的pH條件下，雖然SRB生長(zhǎng)受到抑制，但此時(shí)MPB等微生物生長(zhǎng)良好，其代謝過(guò)程中會(huì)消耗一定的COD；而在中性或偏堿性環(huán)境中，SRB處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使得MPB生長(zhǎng)受到抑制，SRB在生長(zhǎng)過(guò)程中又消耗一定的COD，故不同的pH條件下，體系中COD去除率相差不大。

2.3 碳源對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響

碳源對(duì)SRB處理硫酸鹽廢水的影響如圖3所示。

圖3 不同碳源下相關(guān)參數(shù)的變化

由圖3可知，系統(tǒng)運(yùn)行1 d后，以乳酸鈉、葡萄糖、甘油作為碳源的體系的pH都有所下降，此后乳酸鈉體系的pH逐漸上升至8.0左右，而葡萄糖及甘油體系的pH分別維持在4.4及5.6左右。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，甲酸作為碳源體系的pH一直呈上升趨勢(shì)，由于甲酸本身是小分子有機(jī)酸，被SRB利用每還原1mol的就會(huì)產(chǎn)生4mol的，從而導(dǎo)致體系的pH升高而沒(méi)有下降的過(guò)程。從去除效果來(lái)看，不同的碳源對(duì)去除率的影響較大，體系運(yùn)行7 d后，SRB利用這4種碳源對(duì)的去除率由大到小依次為甲酸（99.1%）＞乳酸鈉（97.0%）＞甘油（53.1%）＞葡萄糖（1.0%）。這是由于相對(duì)分子質(zhì)量低的甲酸能夠優(yōu)先被SRB利用；而葡萄糖作為碳源，代謝過(guò)程中產(chǎn)生了高濃度的有機(jī)酸，抑制了SRB的生長(zhǎng)，使得SRB在與MPB的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，故葡萄糖作為碳源體系的去除率幾乎為0。SRB對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的甘油的利用率相對(duì)較低，這是因?yàn)楫?dāng)存在復(fù)雜的碳源或者當(dāng)基質(zhì)充分時(shí)，SRB的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)并不明顯，往往缺乏對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)力〔6〕。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各體系COD的去除率呈升高趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)7 d的處理，不同碳源的COD去除率由大至小依次為甲酸（58.3%）＞乳酸鈉（54.7%）＞甘油（45.6%）＞葡萄糖（38.9%）。葡萄糖作為碳源體系的COD去除率在處理中期有下降的現(xiàn)象，可能是由于某些厭氧菌因不適應(yīng)環(huán)境條件而死亡，菌體自溶導(dǎo)致COD濃度增大，去除率下降。

從圖4可以看出，不同體系的pH的變化趨勢(shì)相似，先下降隨后逐漸上升，符合乳酸鈉作為碳源的pH變化規(guī)律。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，m（COD）/ m（）為1、2的體系的去除率呈先上升后下降的趨勢(shì)，m（COD）/m為3、4的體系的S去除率則呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。m（COD）/m越大，去除率越大。當(dāng)體系中的電子供體（COD）充足時(shí)，可以使系統(tǒng)有較高的去除率，并保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；電子供體不足時(shí)，體系中可利用的碳源不能滿足SRB菌還原較多的需要，導(dǎo)致去除率較低，后期引起去除率出現(xiàn)下降，并且m（COD）/m越小，下降趨勢(shì)越明顯〔10〕。從圖4還可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各體系COD去除率逐漸升高；m（COD）/m越小，即初始COD濃度越小，COD去除率越大?？梢?jiàn)處理含硫酸鹽廢水時(shí)，碳硫比是COD和硫酸鹽去除的一個(gè)重要控制因素。根據(jù)公式（2）和（3），1mol完全被還原成S2-，需要8mol電子，這8mol電子相當(dāng)于64 g COD（2molO2）。由此可見(jiàn)，能夠被完全還原所需的最低m（COD）/m）=64 g/96 g≈0.67〔3〕。

圖4 不同m（COD）/m（SO42-）下相關(guān)參數(shù)的變化

由于體系中其他厭氧菌的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該增加COD的投加量，但投加量不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)因COD濃度大而增加后續(xù)處理單元的負(fù)荷。所以，實(shí)際應(yīng)用中m（COD）/m（）最好在3左右，既保證的去除率，又能使COD不至于過(guò)大。

通過(guò)圖1～圖4可發(fā)現(xiàn)，采用SRB處理含硫酸鹽廢水，COD去除率的變化趨勢(shì)與去除率的變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明COD的去除與的去除具有一定相關(guān)性。給每組試驗(yàn)中的不同參數(shù)所對(duì)應(yīng)的體系編號(hào)，分別標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，對(duì)其COD去除率與去除率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

ⅢⅣ接種量0.890 3 0.850 2 0.959 7—pH 0.959 9 0.832 5 0.911 4 0.883 3碳源0.941 4 0.442 5 0.795 1 0.853 1 m（COD）/m（SO42-）0.775 8 0.917 0 0.953 8 0.937 9生長(zhǎng)因子相關(guān)系數(shù)R2ⅠⅡ

3 結(jié)論

（1）SRB還原硫酸鹽的最佳接種量為15%，此條件下SO42-去除率可高達(dá)98.8%，COD去除率可達(dá)52.8%。此外，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同菌液接種量體系的pH先略有下降，再持續(xù)上升至8.0～8.2。

（2）初始pH在6～8時(shí)，SRB處理硫酸鹽廢水的效果較好，當(dāng)初始pH=8.0時(shí)，S去除率最高，達(dá)到89.5%，COD去除率為35.2%。

（4）以乳酸鈉、葡萄糖、甘油、甲酸作為碳源時(shí)，SRB利用這4種碳源對(duì)S及COD的去除率由大到小依次為甲酸＞乳酸鈉＞甘油＞葡萄糖，其中甲酸與乳酸鈉作為碳源體系對(duì)S及COD的處理效果接近，S去除率都達(dá)到95%以上，COD去除率在55%～60%。此外，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，除葡萄糖及甘油作為碳源體系的pH降低后保持穩(wěn)定以外，其他碳源體系的pH都有所上升。

（5）采用SRB處理含硫酸鹽廢水，COD去除率的變化趨勢(shì)與S除率的變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明COD的去除與的去除具有一定相關(guān)性。

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Research on the effectofgrow th factors on the treatm entof wastewater containing sulfate by SRB

Wang Ting1，Zhou Jun2，XuWeizhong1，Zhang Xueying1
（1.CollegeofEnvironment，Nanjing University of Technology，Nanjing211816，China；2.CollegeofBiotechnology and PharmaceuticalEngineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China）

Bymeans of laboratory simulation，the treatment effect of sulfate reducing bacteria（SRB）on sulfatecontainingwastewater，under static condition，has been studied.The influences of ecological factors，such asmicrobial inoculation amount，initialpH，carbon sourcesspecies，m（COD）/m，etc.on the treatmentofsulfate containing wastewater are investigated.The results show that theremoving rate could be improved by increasing the amountof bacteria，pH and the ratio of m（COD）/mUsing sodium lactate，glucose，glycerol and formic acid as carbon sources，therecovering rate sequence，of the four kinds of carbon sources，from high to low，are as follows：formic acid＞sodium lactate＞glycerol＞glucose.The research on the application of SRB to the treatmentof wastewater containing sulfate has certain directive significance.

sulfate reducingbacteria；growth factor；sulfatewastewater

X703

A

1005-829X（2016）06-0038-05

王婷（1989—），碩士。電話：18672349893，E-mail：540467533@qq.com。

2016-03-29（修改稿）