信號分子OHHL對厭氧同步脫氮除硫的影響

徐金蘭，張苗佳，丁可帥，張小艷

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

硫元素廣泛存在于地殼中，很多行業(yè)在化工原料生產(chǎn)過程中都會產(chǎn)生硫化物廢水，含硫污染物會刺激呼吸道，影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，長期接觸硫化物嚴(yán)重影響人體健康，甚至導(dǎo)致死亡[1].可見，水體中硫化物的危害不容忽視，研究含硫廢水的處理工藝具有重要的意義.目前，生物脫氮除硫工藝條件溫和、能耗低、投資少，是一種經(jīng)濟(jì)性和可行性高的水體脫氮除硫的方法[2-4].但是，其大多數(shù)的研究主要集中在N/S、S/Fe、溫度、硫化物濃度、進(jìn)水氨氮、pH及外加碳源等對厭氧脫氮除硫工藝的影響[5].

信號分子是指生物體內(nèi)的某些化學(xué)分子，信號分子濃度影響細(xì)胞傳遞信息[6-7]，激發(fā)特定基因的表達(dá)，調(diào)控生物行為.目前，很多對信號分子調(diào)控作用的研究集中在調(diào)節(jié)微生物去除水體生物中的氮磷等物質(zhì)[8]，而關(guān)于信號分子對廢水厭氧脫氮除硫工藝影響的研究并不多見.由厭氧生物脫氮除硫的主要反應(yīng)見式(1)、式(2)[9-11]

(1)

(2)

本實驗猜想在厭氧脫氮除硫體系中加入信號分子，可以提高功能菌的活性及菌量，加速反應(yīng)的進(jìn)行，提高脫氮除硫效率.故本文研究了在兩種進(jìn)水硫化物濃度下，信號分子N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone(OHHL)(圖1)濃度對異養(yǎng)反硝化調(diào)節(jié)廢水厭氧脫氮除硫的影響.

圖1 OHHL結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of OHHL

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗厭氧活性污泥取自陜西省西安市某啤酒廠污水處理站，脫氮硫桿菌的菌種分離自西安市硫酸廠含硫土壤[20].實驗所用的信號分子OHHL購買自美國sigma-aldrich公司.

實驗廢水制備：將去離子水煮沸并降至室溫，在其中加入一定量的Na2S·9H2O和NaNO3人工配制模擬廢水，使進(jìn)水N/S值保持在0.67，同時投加一定量Fe、Co、Ni、Zn等微量元素.

1.2 信號分子對生物脫氮除硫的影響

1.3 電子平衡計算方法

由于硫化物轉(zhuǎn)換成硫酸根時，每mol轉(zhuǎn)移8e-；硫化物轉(zhuǎn)換成單質(zhì)硫時，每mol轉(zhuǎn)移2e-；硝氮轉(zhuǎn)換成氮氣時，每mol轉(zhuǎn)移5e-.

因此， 計算總共失去的電子數(shù)=生成的硫酸根摩爾數(shù)×8 +生成的單質(zhì)硫摩爾數(shù)×2；

如，當(dāng)消耗的硫化物mmol=6.19，消耗的硝氮mmol=2.83，生成的硫酸根mmol=0.4，生成的單質(zhì)硫mmol=1.11時，電子衡算=(0.4×8+1.11×2-2.83×5)÷(6.19×8)=-17.62%.

但應(yīng)注意，如果有其他中間產(chǎn)物需要將其考慮在內(nèi)時：電子衡算=(生成的硫酸鹽×8 + 生成的單質(zhì)硫×2 + 生成的硫代硫酸鹽×4 - 消耗的硝氮×5)÷(消耗的硫化物×8).

1.4 分析方法

1.5 生物種群分析

采用FISH法測定體系中的細(xì)菌含量及分布，樣品的制備及測定過程采用Amann[22]的方法.測定總菌探針為EUB 338 (GCTGCCTCCCGTAGGAGT)，購買自上海生工.FISH圖中細(xì)菌菌量的算法采用daime軟件計算[23].

2 結(jié)果與討論

2.1 信號分子OHHL濃度對脫氮除硫的影響

當(dāng)進(jìn)水硫化物濃度為100 mg/L，反應(yīng)36 h，投加1.5 μM信號分子的硫化物和硝酸鹽的去除量分別高達(dá)99.1 mg(99.1%)、38.3 mg(96.5%)，遠(yuǎn)高于未投加信號分子及信號分子投加濃度為1.0 μM、2.0 μM時的相應(yīng)值(72.4～97.1 mg 和25.9～34.8 mg )，此時，體系中單質(zhì)硫的產(chǎn)量最高，可達(dá)57.0 mg/L (圖2).可見，投加信號分子可以促進(jìn)污染水體中硫化物和硝酸鹽的去除，且信號分子投加濃度為1.5 μM時兩者的去除量均可達(dá)到最高，單質(zhì)硫產(chǎn)率最佳(50%).這可能是該濃度的信號分子有效提高了細(xì)菌數(shù)量，從而促進(jìn)了脫氮除硫過程的進(jìn)行.Chen等人[16]的研究中，在進(jìn)水硫化物負(fù)荷為2 100 mg S/(L·d)時，單質(zhì)硫的轉(zhuǎn)化率僅為10%～40%，低于我們的研究.此外，當(dāng)進(jìn)水硫化物濃度為200 mg/L，反應(yīng)進(jìn)行至36 h，投加1.5 μM信號分子的硫化物去除量可達(dá)196 mg (98.0%)，而硝酸鹽的去除率僅為46.4 mg (66.6%)，當(dāng)水力停留時間延長至72 h，硝酸鹽的去除率才可達(dá)到63.9 mg (91.7%)(圖2).這可能是由于高濃度的進(jìn)水硫化物濃度對功能菌的脫氮過程有所抑制.此時單質(zhì)硫產(chǎn)率為40%，略低于進(jìn)水硫化物為100 mg/L(50%)的體系.

圖2 信號分子對脫氮除硫的影響 (a1,b1,c1) 進(jìn)水硫化物濃度100 mg/L(a2,b2,c2) 進(jìn)水硫化物濃度200 mg/LFig. 2 Effect of signal molecule on nitrate and sulfide removal (a1, b1, c1) influent sulfide concentration of 100 mg/L (a2, b2, c2) influent sulfide concentration of 200 mg/L

此外，反應(yīng)初期(12 h)四組反應(yīng)器出水硫化物的濃度分別為48.9～49.4 mg/L、109.3～118.8 mg/L，相應(yīng)的硫化物去除率分別為50.6%～51.0%、40.6%～45.3%.可以看出，投加與未投加信號分子的體系對硫化物的初始去除效果(12 h)差異不大.在反應(yīng)時間為12 h之后才體現(xiàn)出較為明顯的差異，這說明信號分子的作用是在反應(yīng)進(jìn)行12 h之后才發(fā)揮作用的.李軍等人[17]利用厭氧生物濾池進(jìn)行硫自養(yǎng)反硝化研究，反應(yīng)30 d時硫化物和硝酸鹽的去除率才能達(dá)到80%～90%以上，這一結(jié)果遠(yuǎn)低于我們的研究(投加信號分子反應(yīng)36 h硫化物的去除率接近100%).同時，硫化物濃度為200 mg/L時初始硫化物的去除率比濃度為100 mg/L的體系降低10%.這可能是由于硫化物濃度為100 mg/L時的體系適宜于功能菌的快速繁殖，實驗初期快速反應(yīng)，從而加快硫化物的轉(zhuǎn)化速率.這與鄭香鳳等人[18]的研究相符，他們的研究表明，硫的去除率隨進(jìn)水硫化物濃度增大而降低.

2.2 信號分子OHHL對硫、氮轉(zhuǎn)化的影響

由圖3可見，在進(jìn)水硫化物濃度為100 mg/L條件下，反應(yīng)時間為36 h時，投加信號分子濃度為1.5 μM時出水硫酸鹽濃度為22 mg/L，遠(yuǎn)低于未投加信號分子和投加信號分子濃度為1.0 μM和2.0 μM時的相應(yīng)值(34 mg/L、31 mg/L)，此時單質(zhì)硫的產(chǎn)率最高(57%)，亞硝酸幾乎不存在(0.1 mg/L).可見，投加1.5 μM信號分子時，可以促進(jìn)脫氮除硫的進(jìn)行，產(chǎn)生大量單質(zhì)硫.延長反應(yīng)時間至48 h時，硫酸鹽濃度得到大幅度提高(提高22 mg/L)，單質(zhì)硫產(chǎn)率快速降低至46%，相應(yīng)地氮氣產(chǎn)量得到明顯提高(增加9 mL).這是由于延長反應(yīng)時間時，體系中生成的單質(zhì)硫與硝酸鹽發(fā)生反應(yīng)，從而使得體系中產(chǎn)生了大量的硫酸鹽和氮氣.而未加信號分子和投加其他濃度的信號分子條件下，硫酸鹽濃度均大量提高(10 ～19 mL)，遠(yuǎn)高于信號分子投加濃度為1.5 μM條件下的相應(yīng)值，這是由于在36～48 h時，單質(zhì)硫和硝酸鹽發(fā)生反應(yīng)，使得體系中產(chǎn)生的單質(zhì)硫被大量轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，同時產(chǎn)生大量氮氣(增加9～12 mL).這可能是由于信號分子投加濃度為1.5 μM條件下體系中的細(xì)菌數(shù)量較高，從而保持較高的硫化物和硝酸鹽的去除效果.在進(jìn)水硫化物濃度為200 mg/L條件下，呈現(xiàn)出相似的規(guī)律.但是硫酸鹽濃度在反應(yīng)進(jìn)行至24 h時達(dá)到最低(僅為1.7 mg/L)，而后隨著水力停留時間的延長，硫酸鹽濃度明顯增多，這是由于在24 h后促進(jìn)了單質(zhì)硫與硝酸鹽的反應(yīng).但是單質(zhì)硫的產(chǎn)量依舊在36 h時達(dá)到最高，此時的亞硝酸鹽濃度較高(12 mg/L)，這可能是由于在24～36 h時的脫氮除硫反應(yīng)的反應(yīng)速率要高于單質(zhì)硫與硝酸鹽的反應(yīng)速率，同時體系中發(fā)生了硝化反應(yīng)的原因.

圖3 信號分子對氮、硫轉(zhuǎn)化的影響 (a1,b1,c1)進(jìn)水硫化物濃度100 mg/L (a2,b2,c2)進(jìn)水硫化物濃度200 mg/LFig.3 Effect of signal molecule on nitrogen and sulfur transformation (a1, b1, c1) influent sulfide concentration of 100 mg/L (a2, b2, c2)influent sulfide concentration of 200 mg/L

2.3 電子平衡及微生物群落分析

表1 電子衡算方程

圖4 電子平衡計算結(jié)果(36 h)Fig.4 Electronic balance calculation (36 h)

圖5 反應(yīng)36 h時100 mg/L硫化物濃度體系總菌的FISH掃描圖(掃描倍數(shù)：10×200)Fig.5 Scanning images of the most bacteria after 36 h with 100 mg/L of S2--S (magnification:10×200)

3 結(jié)論

(1)投加信號分子OHHL時硫化物和硝酸鹽的去除量和單質(zhì)硫的產(chǎn)量均得到了大幅度提高.

(2)當(dāng)信號分子OHHL投加濃度為1.5 μM時的去除量最高，可達(dá)99.0%和96.1%，單質(zhì)硫產(chǎn)量高達(dá)60 mg/L.

(3)熒光原位雜交技術(shù)測定結(jié)果表明，投加信號分子主要提高了體系中的總菌數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)了異養(yǎng)反硝化作用，提高了硫化物和硝酸鹽的去除效率.

(4)進(jìn)水硫化物濃度為200 mg/L時，36 h即可有效去除硫化物，而硝酸鹽需要水力停留時間延長至72 h才能達(dá)到91.7%的去除效率.