电场强化SRB生物膜降解硫酸根条件优化

胡守恒,徐建平,何双双

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)



电场强化SRB生物膜降解硫酸根条件优化

胡守恒,徐建平∗,何双双

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)

摘要:对硫酸盐还原菌生物膜进行电场强化条件研究,结果表明最优条件为:连接电阻500Ω、温度35℃、p H为7、碳硫比为2．当连接电阻大于500Ω时,随着连接电阻的增大硫酸根去除速率降低;当温度偏离35℃或p H偏离7时,硫酸根去除速率逐渐降低;当硫酸根一定时,随着碳源增加,硫酸根去除率增加;碳硫比增加至4时,硫酸根去除率不再增加．电场强化与非电场强化硫酸盐还原菌生物膜降解硫酸根的研究表明,电场强化要比非电场强化硫酸盐还原菌生物膜降解硫酸根速率快,去除率提高约10%．

关 键 词:电场强化;SRB生物膜:降解硫酸根;条件优化

硫酸盐还原菌在高硫酸盐有机废水、酸性矿井废水、电镀废水处理中的应用,以其“以废治废”、处理重金属种类多、处理彻底等特点[1-2]而取得广泛的共识．近年来,将硫酸盐还原菌与电化学相结合,组成微生物电解池和微生物燃料电池来提高废水处理率,也极大地提高了其应用潜力．

在废水处理领域,生物膜法以其抗冲击负荷、无需污泥回流、易于微生物生存、运行稳定、环境适应性强等特点[3]得到推广．将硫酸盐还原菌生物膜与微生物电解池相结合,通过研究硫酸根随时间的变化情况考察电阻、温度、p H和碳硫比等因素与电场强化生物膜降解硫酸根规律的关系．

1 材料与方法

1．1 硫酸盐还原菌的培养

硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB),取自合肥工业大学,以Starkey培养基进行加富培养．Starkey培养基配方为:NaSO2－40．5 g,NH4Cl 1．0 g,K2HPO40．5 g,无水CaCl20．06 g,70%乳酸钠5 m L, MgSO4·7H2O 2．0 g,抗坏血酸0．4 g,蒸馏水1 000 m L．

1．2 硫酸盐还原菌生物膜制备

碳毡电极预处理:碳毡预先剪成4×4 cm正方形,置于0．1 mol/L的盐酸溶液中浸泡24 h,然后置于去离子水中浸泡清洗2 h,备用．

碳毡生物膜电极制备:将碳毡悬浮置于Starkey培养基中,接种10%SRB菌液,使用万用电表记录碳毡电极开路电位变化,红表笔接碳毡电极,黑表笔接饱和甘汞电极．

1．3 实验方案设计

连接电阻优化实验:以Starkey培养基为基础,使用1．5 V南孚碱性干电池提供电压,阳极接碳棒,阴极接碳毡生物膜电极,分别连接0,100Ω、500Ω、1 000Ω、1 500Ω和2 000Ω,每隔2 h采用铬酸钡分光光度法(HJ/T 342-2007)测定硫酸根;条件优化实验:以Starkey培养基为基础,分别调节p H、温度和碳硫比,每隔2 h采用铬酸钡分光光度法测定硫酸根;对比实验:在连接电阻优化实验和条件优化实验的基础上,以电场强化和非电场强化作对比实验,每隔2 h采用铬酸钡分光光度法测定硫酸根．

2 试验结果与分析

2．1 生物膜制备

生物膜制作条件:接种10%菌液至Starkey培养基中,p H 5、温度35℃进行开路培养,每隔1 min记录开路电位,得碳毡电极开路电位变化图如图1所示．生物膜的形成是为对抗不利环境而自发进行的环境适应机制,主要包括4个明显的阶段:起始的附着、细胞与细胞之间的吸附与增殖、生物膜的成熟及最后细菌的脱离过程[4]．由图1可知,第1～2 d,开路电位稳定降低为起始附着阶段,与吸附动力学曲线的趋势相似;第3 d开路电位急剧降低为细胞与细胞之间进行吸附与增殖,类似于生物的对数生长期;第4 d开路电位稳定下来,标志着生物膜的成熟,可以用于硫酸根降解探索试验．

2．2 SRB生物膜降解硫酸根规律

(1)不同电阻条件下生物膜降解硫酸根的规律．初始条件为p H 5、温度35℃、碳硫比2∶1,设置连接电阻0,100Ω,500Ω,1 000Ω,1 500Ω和2 000Ω,每隔2 h连续取水样4 d,每天取7次水样测硫酸根剩余量,得不同连接电阻降解硫酸根对比图如图2所示．对常压供氢体系硫酸盐还原菌进行电场强化研究表明,当电流≤1．5 m A时,随着电流的增大硫酸根还原速率增大[5]．由图2可知,当连接电阻为0或100Ω 时,硫酸根还原率仅有30%和36%,据推测由于:

式中,R连接为连接电阻;R为包括溶液传质电阻、SRB生化反应电阻和碳毡欧姆内阻;I为电解池实际通过电流．I＞1．5 m A不利于SRB菌的生长;当连接电阻＞500Ω时,随着连接电阻的增大硫酸根还原率降低,可能由于处在I＜1．5 m A范围内,随着电阻增大电流减小,使得硫酸根还原速率减小;连接电阻为500Ω时为最适连接电阻．

图1 碳毡电极开路电位变化图

图2 不同连接电阻降解硫酸根对比图

(2)温度生物膜降解硫酸根的影响．初始条件为连接电阻500Ω、p H 5、碳硫为2∶1,设置温度为25℃、30℃、35℃、40℃和45℃,每隔2 h连续取水样4 d,每天取7次水样测硫酸根剩余量,最后换算成硫酸根还原率,得不同温度下硫酸根去除率图如图3所示．由图3可知,当温度＜35℃时,随着温度的升高,硫酸根还原率升高;当温度＞35℃时,随着温度的升高,硫酸根还原率降低;当温度为35℃时,硫酸根还原率最高．与马忠友[6]对混合SRB菌群还原硫酸盐生理特性的研究结果相类似．

(3)p H对生物膜降解硫酸根的影响．初始条件为连接电阻500Ω、碳硫比2∶1、温度35℃,设置p H为4、5、6、7、8、9和10,每隔2 h连续取水样4 d,每天取7次水样测硫酸根剩余量,得不同初始p H值降解硫酸根对比图如图4所示．由图4可知,当p H为5～8时,硫酸根还原率相近;当p H＜7时,随着p H的升高,硫酸根还原率随着p H升高而升高;当p H＞7时,硫酸根还原率随着p H升高而降低;当p H为4或10 时,SRB生物膜的适应期较长,在图4中表现为处理率较低．

(4)C/S对生物膜降解硫酸根的影响．初始条件为连接电阻500Ω、温度35℃、p H 5,设置碳硫1∶1、2∶1、3∶1、4∶1,每隔2 h连续取水样4 d,每天取7次水样测硫酸根剩余量,得不同碳硫比降解硫酸根对比图如图5所示．由图5可知,当硫酸根添加量一定时,硫酸根还原率随着碳源量的增加而增加,增加至碳硫比为4∶1时,硫酸根还原率不再增加反而有下降的趋势;碳硫比为2和3时,硫酸根还原速率很接近．

(5)电场强化与非电场强化降解硫酸根对比研究．初始条件为电场强化连接电阻500Ω、非电场强化不连接电阻也不连接电池、温度35℃、p H 5、碳硫比1∶2,每隔2 h连续取水样4 d,每天取7次水样测硫酸根剩余量,得电场强化与非电场强化降解硫酸根对比图如图6所示．对硫酸盐还原菌电解系统阴极的硫酸根还原特性的研究结果表明[7],硫酸盐还原菌能够利用阴极电子还原硫酸根,当外加电压0．8 V时要比0．4 V还原硫酸根速率高．由图6可知,在最初的1 d,电场强化要比非电场强化降解硫酸根快,而且要比非电场强化更早地降解到最大量;当最后达到稳定时,电场强化要比非电场强化降解的硫酸根提高10%左右,主要是由于连接电池时,电池提供了额外的电子参与了生化反应,加速了硫酸根还原速率,也提高了硫酸根还原量．

图3 不同温度下硫酸根去除率图

图4 不同初始p H值降解硫酸根对比图

图5 不同碳硫比降解硫酸根对比图

图6 电场强化与非电场强化降解硫酸根对比图

3 结论

硫酸盐还原菌生物膜与微生物电解池相结合降解硫酸根的研究结果表明:最适连接电阻为500Ω,当连接电阻＞500Ω时,随着电阻的增大,硫酸根还原速率降低;最优温度为35℃,当偏离这个温度,硫酸根还原率降低;SRB菌最适生长p H为7,当p H＜7时,随着p H升高硫酸根还原速率升高,当p H＞7时,随着p H升高硫酸根还原速率降低;最适碳硫比为2,当硫酸根一定时,随着碳源量增加硫酸根还原速率增加,碳硫比增加至4∶1时,硫酸根还原速率不再增加．在最初的第1 d,电场强化要比非电场强化降解硫酸根快,而且要比非电场强化更早地降解到最大量;当最后达到稳定时,电场强化要比非电场强化降解的硫酸根提高约10%,主要是由于连接电池时,电池提供了额外的电子参与了生化反应,加速了硫酸根还原速率,也提高了硫酸根还原量．

参考文献:

[1] 方艳,闵小波,柴立元,等．硫酸盐还原菌(SRB)污泥固定化小球还原硫酸盐的动力学研究[J]．工业安全与环保,2007, 33(3):1-4．

[2] 汪爱河,胡凯光,廖建军．硫酸盐还原菌处理重金属废水研究进展[J]．湿法冶金,2006,25(4):172-174．

[3] 张磊,郎建峰,牛姗姗．生物膜法在污水处理中的研究进展[J]．水科学与工程技术,2010(5):38-41．

[4] 唐俊妮,史贤明,王红宁,等．细菌生物膜的形成与调控机制[J]．生物学杂志,2009,26(2):48-53．

[5] 徐慧纬,张旭,杨姗姗,等．常压供氢体系电场强化硫酸盐还原生物-电化学效应研究[J]．环境科学,2009,30(7):1 931-1 936．

[6] 马忠友,邓盾,汪建飞,等．一组混合菌群还原硫酸盐的特性[J]．中国农业通报,2013,29(8):184-188．

[7] 符诗雨,刘广立,骆海萍,等．微生物电解系统生物阴极的硫酸盐还原特性研究[J]．环境科学,2014,35(2):626-632．

The optimization of SRB biofilm enhanced by electric field degrading sulfate

HU Shou-heng,XU Jian-ping∗,HE Shuang-shuang
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:The study of the Optimization of SRB biofilm enhanced by electric field degrading sulfate shows that Connection resistance 500Ω,the temperature 35℃,p H 7,carbon and sulfur ratio of 2 are optimal conditions．When the connection resistance is greater than 500Ω,the sulfate removal rate decreases with the connection resistance increasing;the sulfate removal rate decreased with the temperature deviating from 35℃and the p H deviating from 7;The sulfate removal stops decreasing until carbon and sulfur ratio of 4 with carbon source increasing．The research between SRB biofilm enhanced by electric field and which was not degrading sulfate indicates that the removal rate of the former increased by about 10% than the latter．

Key words:enhanced by electric field;SRB biofilm;degradation of sulfate;conditions Optimization

中图分类号:X703

文献标识码:A

收稿日期:2015-11-11

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51274001)

作者简介:胡守恒(1991-),男,安徽亳州人,硕士研究生．

通讯作者:徐建平(1956-),男,安徽芜湖人,教授,硕导．