不同碳硫比条件下底物类型对硫酸盐去除的差异性

张净瑞，朱葛夫* ，潘小芳，刘超翔，黄栩，刘琳

1.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021

2.中国科学院宁波环境观测研究站，浙江 宁波 315800

由于硫酸在食品加工、鞣革、制药、造纸、化工(印染、有色金属冶炼、蒸馏、电镀)、糖蜜发酵和采矿等领域的广泛应用，含有硫酸盐的废水已逐渐成为工业废水的重要组成部分，对人体的健康构成了较大的威胁［1-2］。至今对高浓度硫酸盐类废水仍没有经济有效的治理技术，大多数企业仍在超标排放或直接排放，对环境的污染呈加重趋势。因此，寻求针对该类废水经济有效的治理途径已成为近年来环境工程界甚为关注的热点。在众多处理工艺中，厌氧生物处理技术凭借其高负荷率、低能耗、低运行费用等突出的优越性日渐成为首选工艺［3］。

已有研究表明，厌氧生物系统中影响硫酸盐去除的因素主要有CODCr/SO42-、底物类型、水力停留时间(HRT)、温度、pH、氧化还原电位(ORP)、碱度、硫酸盐负荷率(Ns)等［4-8］。其中CODCr/SO42-对硫酸盐的还原起着决定性的作用，其通过影响厌氧系统中微生物的群落组成进而决定硫酸盐的去除效果;调整厌氧系统的CODCr/SO42-使得硫酸盐还原菌(SRB)在与其他厌氧菌的竞争中处于优势，才能保证良好的硫酸盐去除效果。SRB 的生理、生态特征多样，可以利用的底物类型有100 种之多，常见的厌氧中间代谢产物乳酸、丁酸、丙酸、乙酸、丙酮酸、甘露糖等部分糖类和乙醇等醇类物质均可以作为SRB 的代谢底物［9-11］，H2也是大部分SRB 可以利用的电子供体［12］。在不同的底物条件下，SRB 的代谢活性也各不相同。但关于底物和CODCr/SO42-对硫酸盐去除的影响却鲜有系统的研究。

不同种类废水在厌氧发酵过程中的代谢产物有显著差异，因此研究不同种类的厌氧中间代谢产物对硫酸盐去除的影响，可为厌氧脱硫反应器的运行、调控提供技术指导。基于以上分析，以常见的厌氧中间代谢产物乳酸、乙醇、丙酸、丁酸和乙酸为碳源，考察了不同CODCr/SO42-条件下5 种底物对硫酸盐去除的差异性，以期为厌氧脱硫工艺系统中硫酸盐的快速去除提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

静态试验采用锥形瓶为基本反应器(图1)，总体积为250 mL;每个锥形瓶均设有水样、气体取样管口;锥形瓶置于恒温水浴锅中，温度控制在35 ℃。

1.2 接种污泥及方法

图1 试验装置Fig.1 Apparatus of enrichment of sulfate-reducing bacteria

接种污泥取自厦门市集美区第二污水处理厂二沉池好氧活性污泥(SS 为19.56 g/L，VSS 为10.17 g/L);按1∶20 的比例进行接种，并添加1 mL/L 的营养盐。营养盐成分:H3BO3为50 mg/L;CuCl2为30 mg/L;MnSO4·H2O 为50 mg/L;AlCl3为50 mg/L;CoCl2·6H2O 为50 mg/L;NiCl2为50 mg/L;ZnCl2为50 mg/L［13］。接种后将基质通入N215 min，以充分除去反应装置中的O2。培养基设置乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸5 种底物，每种底物设置2 个平行，以Na2SO4调节SO42-浓度，以NH4Cl 为氮源，以KH2PO4为磷源，保证培养基中的C∶N∶P 为200∶5∶1;通过添加NaHCO3的方式调节系统初始pH 为6.5。

1.3 分析项目及方法

CODCr、pH、SS、VSS、碱度采用《水和废水监测分析方法》中的标准方法测定［14］。生物气体采用配备有热导检测器(TCD)的气相色谱(福立GC9790Ⅱ)进行测定，以N2为载气，进样口、检测器和聚四氟乙烯柱的运行温度分别为120、150 和120 ℃;用气密性注射器(400 μL，Agilent Syringe)以手动进样的方式进样。SO42-浓度采用配备有离子交换柱(IonPac AS11:250 mm×4 mm)和保护柱(50 mm×4 mm)的离子色谱仪(ICS -3000，DIONEX)测定。样品在进入离子色谱仪前先以5 000 r/min 离心10 min，再经0.45 μm 的水系滤膜过滤。

1.4 方法与步骤

试验共进行3 个阶段，每个阶段的初始碱度均为1 500 mg/L(以CaCO3计，全文同)，保持SO42-浓度为2 000 mg/L，通过调节CODCr来改变CODCr/SO42-。每个CODCr/SO42-条件下运行5 个周期，每个周期为4 d，在每个周期结束后取样测定各项指标，数据均为2 个平行试验的平均值(表1)。每个试验阶段结束后将污泥进行沉降，按原比例接种到下个阶段的反应器中。

表1 试验操作条件Table 1 Operational conditions of the experiment

2 结果与讨论

图2 5 种底物对硫酸盐、CODCr去除率及碱度和pH 的影响Fig.2 Effect of CODCr removal，alkalinity and pH with different substrates

2.1 CODCr/为2.0 时的去除效果

由图2(a)和图2(b)可知，随着驯化时间的推移，各系统CODCr和硫酸盐去除率都呈缓慢上升趋势，到第20 天，乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸为底物的CODCr去除率分别为62.41%、57.34%、66.26%、58.75%和44.49%，而相对应的硫酸盐去除率仅为38.47%、15.40%、31.84%、23.01%和23.57%。与本研究类似，Jing Z. 等［15］研究发现，在利用UASB处理含硫酸盐废水时，以乙醇和乙酸为底物，控制CODCr/SO42-为1 时，硫酸盐的去除率仅为30%。与CODCr的去除率相比，5 种底物的硫酸盐去除率均处于较低水平。为了检测厌氧系统的运行情况，在第20 天测定气体组分，乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸5 种底物中甲烷浓度依次为19.86%、30.54%、44.19%、22.37%和40.06%，说明接种污泥中存在一定数量的产甲烷菌(MPB)，MPB 在厌氧条件下与SRB 竞争乙酸、氢气等底物，硫酸盐去除率较低可能是因为SRB 还没有完全适应高浓度的硫酸盐，在与MPB 竞争中处于劣势，导致大部分碳源被MPB所利用。Li Y.Y.等［16］在研究苯甲酸的厌氧降解时发现，当CODCr/为1.5 时，69% 的电子流被MPB 利用，这与本研究一致。

在前20 天的5 个周期内均是以乙醇为底物的系统硫酸盐去除率最高，说明SRB 对乙醇的适应性最好;而以乳酸为底物的系统硫酸盐去除率增加缓慢，一直维持在15%左右;以乙酸为底物的系统硫酸盐去除率稳定在22%左右。刘广民等［17］研究利用CSTR 连续流试验，探讨了35 ℃条件下SRB 对不同底物的利用情况，结果表明，SRB 容易利用的底物是乙醇和乳酸，而对乙酸的利用率很低，与本研究有一定的偏差;B. K. Das 等［18］的研究也证实乳酸是异养型SRB 最适宜利用的底物。而该试验阶段SRB 对乳酸的易利用性却没有表现出来，可能是因为乳酸的化学结构比乙醇复杂，在厌氧降解过程中存在一定的滞后性，SRB 对乳酸的适应期相对较长。

由图2(a)可知，CODCr/SO42-提高到2.5 之后(20 ～40 d)，5 种底物系统硫酸盐的去除率都有了明显的提高，可能是因为在该CODCr/SO42-条件下有机底物不再成为限制硫酸盐还原的因素，并且随着驯化时间的增加，系统中SRB 对高浓度的硫酸盐逐渐适应，代谢活性逐渐增强，再加上SRB 与MPB相比，生长迅速，对底物的亲和度高，利用相同底物的吉布斯自由能较低，出于快速利用底物并保存能量的目的，SRB 能够迅速成为优势种群，在与MPB的竞争中逐渐处于主导地位。其与该阶段气体含量的变化一致，图3 是CODCr/SO42-为2.5 时起始、结束周期CH4所占比例。从图3 可以看出，随着驯化时间的增加，CH4所占比例不断下降。表2 是CODCr/SO42-为2.5 时5 种底物的起始、结束周期气体体积及比产气速率。由表2 可知，随着驯化周期的延长，比产甲烷速率迅速减小，说明整个培养过程是SRB 活性不断增强，MPB 活性不断减弱的结果。结束周期的比产甲烷速率远小于Jing Z. 等［15］利用乙醇、乙酸为碳源研究MPB 和SRB 的竞争时获得的比产甲烷速率(0.18 ～0.24 L/g，以CODCr计)，而硫酸盐的去除率仅为30%。试验获得的比产气速率与文献［19］的比产气速率(0.437 5 ～0.583 3 L/g，以CODCr计)有一定差异，二者间的差异可能与污泥中微生物的组成和效能有关。

图3 为2.5 时起始、结束周期5 种底物中CH4 所占比例Fig.3 Variation of CH4 proportion at the of 2.5 with different substrates

表2 CODC为2.5 时5 种底物起始、结束周期产生的气体体积及比产气速率Table 2 The gas volume and relative rate of gas production at the 2.5 with different substrates

表2 CODC为2.5 时5 种底物起始、结束周期产生的气体体积及比产气速率Table 2 The gas volume and relative rate of gas production at the 2.5 with different substrates

底物起始周期体积/mL 比产气速率/(L/g，以CODCr计)比产甲烷速率/(L/g，以CODCr计)结束周期体积/mL 比产气速率/(L/g，以CODCr计)比产甲烷速率/(L/g，以CODCr计)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 天时以乙醇、乳酸、丙酸为底物的厌氧系统硫酸盐去除率快速增加到81.27%、90.29%、80.69%。与该结果相似，张奎等［20］用食用红糖作为有机碳源，当进水CODCr/SO42-小于2.0 时，硫酸盐去除率小于81%;当进水CODCr/SO42-为2.0 ～2.5 时，硫酸盐去除率为81% ～90%。要想使3 个系统保持较高的硫酸盐去除率(80%以上)，CODCr/SO42-需控制在2.5 以上。但王爱杰等［21］利用连续流和静态试验以糖蜜废水作为有机碳源，保持进水碱度为300 ～500 mg/L，得到硫酸盐去除率在80%以上的生态因子范围是大于2，这与本研究有一定出入。研究结果的不同可能与底物类型、种泥来源和进水碱度有关。当CODCr/SO42-大于2.5 后，以丁酸、乙酸为底物的厌氧系统硫酸盐的去除率仅上升到58.84%和50.72%，说明在2 个系统中硫酸盐还原作用还没有处于主导地位，CODCr/SO42-为2.0 不是这2 个系统最适的生态因子范围。

从图2(a)可以看出，CODCr/SO42-为3.0 时(40 ～60 d)，以乙醇、乳酸和丙酸为底物的系统硫酸盐的去除率增加较为缓慢，分别稳定在87.03%、94.05%和89.61%。以乳酸为底物的系统硫酸盐的去除率最高，以丙酸为底物的系统次之，说明乳酸和丙酸是硫酸盐还原的适宜底物。这与W.Liamleam 等［22］研究认为，相对于乙醇和乙酸，乳酸和丙酸是SRB 最适宜利用的底物的结果类似。

CODCr/SO42-为3.0 时，以丁酸、乙酸为底物的系统硫酸盐的去除率急剧增加，到第60 天达到88.78%、73.69%，明显高于一些研究结果。如S.I.C.Lopes 等［23］用蔗糖为碳源研究CODCr/SO42-对硫酸盐还原效果的影响时发现，当CODCr/SO42-从1上升到4 的时候，硫酸盐的去除率从30%上升到65%。随着CODCr/SO42-的升高，硫酸盐去除率迅速增加，3.0 是丁酸和乙酸系统维持较高硫酸盐去除率的最低

李玲等［24］以葡萄糖为底物处理含硫酸盐废水，在CODCr/SO42-为3 时，得到的硫酸盐去除率为90%，SRB 具有高活性时pH 为8 左右;此时以丁酸为底物的系统pH 为7.98 ～8.22，碱度为2 132 ～2 448 mg/L;以乙酸为底物的系统pH 为8.24 ～8.90，碱度为3 029 ～3 847 mg/L。O.Gutierrez 等［25］以市政污水为底物研究了pH 对SRB 的影响，结果表明，SRB 的最适pH 为7.6 ±0.1，pH 为8.6 和9.0分别能使SRB 的活性降低30%和50%。这与本试验结果有一定的出入。

由图2(c)和图2(d)可知，随着硫酸盐去除率的增加，5 个系统的pH 和碱度均呈缓慢上升的趋势。刘成［26］利用尾矿碱度处理矿山酸性废水的试验表明，硫酸盐还原作用会导致体系碱度的增加，同时伴随着pH 升高。Hao T.等［27］的研究也证实了硫酸盐还原过程伴随着pH 的上升。从图2(c)还可以看出，以乳酸为底物的系统碱度明显高于其他的系统，说明该系统的稳定性最好，与其较高的硫酸盐去除率一致。以乙醇、乳酸和丙酸为底物的系统硫酸盐的去除率较高时(85%以上)，pH 分别为8.23 ～8.33，8.18 ～8.33 和7.98 ～8.24;碱度分别为3 210 ～3 432，5 268 ～5 423 和2 769 ～2 947 mg/L。但王爱杰等［21］利用连续流和静态试验以糖蜜废水作为有机碳源，保持进水碱度为300 ～500 mg/L，得到硫酸盐去除率在80%以上的生态因子范围是pH为6.0 ～6.2，碱度为1 500 ～2 000 mg/L，与本研究有较大差别。pH 通过影响底物的代谢途径改变硫酸盐的还原效率［5］，pH 的变化还会影响硫化物在溶液中的存在形式，即可溶性硫化物与H2S 的分配比例，进而影响SRB 的活性［28-29］。研究结果的不同可能与污泥来源和底物类型有关。

以乙醇、乳酸和丙酸为底物的系统在第60 天时硫酸盐的去除率分别达到87.03%、94.05% 和89.61%，当CODCr/SO42-为2.5 和3.0 时，3 个系统均能维持较高的硫酸盐去除率;以丁酸、乙酸为底物的系统在第60 天时硫酸盐的去除率分别达到88.78%和73.69%，CODCr/SO42-为3.0 时达到该去除率的最小值，可见，乙酸是最不适合硫酸盐还原的底物。硫酸盐的去除率与底物的可利用性有关，易被SRB 利用且可供养的SRB 种类广泛的底物能在短时间内达到较高的硫酸盐去除率。乳酸和乙醇能够被绝大多数的SRB 利用，通过非完全氧化型方式被分解为乙酸［30］，能够实现硫酸盐的快速去除;同时由于乳酸的化学结构比乙醇复杂，在厌氧降解过程中存在一定的滞后性，表现为在试验初期以乙醇为底物的系统硫酸盐去除率一直领先，SRB 对乳酸的适应期却相对较长，但在经过一段时间的驯化后以乳酸为底物的系统硫酸盐的去除率能迅速达到90%以上。与其他底物相比，以乙酸为底物的系统硫酸盐的去除率最低，原因可能是乙酸的化学结构简单，仅能够被完全氧化型的SRB 利用，而这种SRB 的种类和数量较少。S. J. W. H.Oude Elferink等［31］的研究也指出，乙酸是最不适合硫酸盐还原的底物，在丙酸、乙酸同时存在的情况下SRB 优先利用丙酸。

3 结论

(1)在厌氧系统中，底物对硫酸盐的去除有重要影响。在35 ℃条件下，乳酸是最适合硫酸盐还原的底物，而乙酸是最不适合的底物;在试验的起始阶段，SRB 对乙醇的适应性最好，以乙醇为底物能缩短厌氧脱硫反应器的启动时间。

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