生长因子对SRB处理硫酸盐废水的影响研究

王婷，周俊，徐为中，张雪英

（1.南京工业大学环境学院，江苏南京211816；2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京211816）

生长因子对SRB处理硫酸盐废水的影响研究

王婷1，周俊2，徐为中1，张雪英1

（1.南京工业大学环境学院，江苏南京211816；2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京211816）

采用实验室模拟手段，研究了静态条件下硫酸盐还原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）对硫酸盐废水的处理效果，考察了菌液接种量、初始pH、碳源种类、m（COD）/m（）等生态因子对处理效果的影响。结果表明，增加菌液量、提升pH、提高m（COD）/m均可提升去除率；以乳酸钠、葡萄糖、甘油、甲酸作为碳源时，SRB利用这4种碳源对的还原率由大到小依次为甲酸＞乳酸钠＞甘油＞葡萄糖。该研究对SRB处理硫酸盐废水的工程应用具有一定的指导意义。

硫酸盐还原菌；生长因子；硫酸盐废水

近年来，化工、制药、造纸、制革、食品加工等领域得到迅速发展，与此同时伴随着大量含高浓度硫酸盐工业废水的排放。硫酸盐本身虽然无害，但在厌氧环境中会在硫酸盐还原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）的作用下产生H2S，产生的H2S会影响环境质量，腐蚀仪器设备，引起水体酸化危害水生生物。另外，硫酸盐废水排入农田会损坏土壤结构，产生潜在的腐蚀性，使土壤板结，降低农作物产量及质量。目前，针对这类废水的传统处理方法为物理、化学方法，主要包括沉淀法、电渗析法、离子交换法、液膜分离等。以SRB为代表的生物法与传统方法相比具有成本低、能耗少、效果好、没有二次污染等优点，因此逐渐成为国内外硫酸盐废水处理的研究热点，有着广阔的发展前景〔1〕。

SRB是一类形态、营养多样化的细菌，其以有机物作为生化代谢的能量和电子供体，通过异化作用以硫酸盐为电子受体将其还原〔2〕。影响SRB还原硫酸盐的因素很多，各种生物因子、非生物因子都会直接影响到SRB活性及种类，进而影响到对硫酸盐的去除效果。本研究在静态条件下，考察了接种菌液量、初始pH、碳源种类、m（COD）/m（SO42-）等生态因子对SRB还原硫酸盐的影响，得到SRB处理硫酸盐废水的最佳条件。该研究对SRB处理硫酸盐废水的工程应用具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 SRB菌液

取南京某污水处理厂的浓缩污泥，厌氧培养1个月，然后使用Postgate C培养基〔3〕进行定向驯化及富集，得到试验用菌液。将其置于4℃以下冰箱中保存，试验前为保证菌种活性，接种入培养基中培养3 d再使用。

1.2 培养基组成

所用培养基为略加改动的Postgate C培养基，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，柠檬酸钠0.3 g/L，乳酸钠3.5 g/L，（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 0.3 g/L，抗坏血酸0.1 g/L。用NaOH与HCl调节pH为7.2。

1.3 驯化及富集方法

在1 L厌氧发酵瓶中加入800mL上述培养基，再加入厌氧培养1个月的污泥200 mL，密封，在37℃下进行恒温培养。由于培养基中含有Fe2+，其与SRB的代谢产物S2-作用生成黑色的FeS沉淀，因此可观察到瓶中液体逐渐变黑，同时瓶口散发出H2S的臭鸡蛋气味，说明SRB菌大量繁殖。每5天倒掉800mL菌液，加入800mL新的培养基，如此驯化10 d。增加培养基中的Na2SO4至4.5 g，取驯化后的菌液按照体积分数为5%的接种量接种在培养基中，在37℃的恒温培养箱中进行富集培养。按照驯化的方法更换培养基（其中Na2SO44.5 g），富集培养10 d，得到高效SRB〔4〕。

1.4 分析项目及方法

pH采用pH计（pH400，上海安莱立思仪器科技有限公司）进行测定浓度采用硫酸钡比浊法（GB/T 8538—2008）进行测定，COD采用微波消解法进行测定。

1.5 试验方法

1.5.1 菌液接种量对SRB处理硫酸盐废水的影响

取3只250mL的具塞锥形瓶，分别向其中加入125mLPostgate C培养基的2倍浓缩液，分别补充去离子水112.5、100、87.5mL，摇匀，再分别加入富集的SRB菌液12.5、25、37.5mL，使得菌液接种量分别为5%、10%、15%。用塞子盖住，摇匀，用封口膜封口，使其处于厌氧环境。然后放入恒温培养箱中，于37℃下静置培养。连续7 d取样，测定pH、COD及浓度。相同条件下做平行样，试验结果取平均值。

1.5.2 初始pH对SRB处理硫酸盐废水的影响

分别向4个250mL具塞锥形瓶中加入212.5mL Postgate C培养基，然后加入37.5mL SRB富集菌液，使得菌液接种量为15%。调节pH分别为5、6、7、8，用塞子盖住，摇匀，用封口膜封口，使其处于厌氧环境。然后放入恒温培养箱中，于37℃下静置培养。连续7 d取样，测定pH、COD及度。相同条件下做平行样，试验结果取平均值。

1.5.3 碳源对SRB处理硫酸盐废水的影响

将Postgate C培养基中的乳酸钠按照COD一致的原则，换成乳酸钠、葡萄糖、甘油、甲酸，其他成分不变，调节培养基pH至7.2。分别向4个250mL具塞锥形瓶中加入不同碳源的培养基212.5mL，再分别向其中加入37.5mLSRB富集菌液。用塞子盖住，摇匀，用封口膜封口，使其处于厌氧环境。然后放入恒温培养箱中，于37℃下静置培养。连续7 d取样，测定pH、COD及浓度。相同条件下做平行样，试验结果取平均值。

2 试验结果及讨论

2.1 菌液接种量对SRB处理硫酸盐废水的影响

菌液接种量对SRB处理硫酸盐废水的影响如图1所示。

从图1可以看出，随着反应时间的延长，各体系pH的变化趋势大体相似。反应1 d后体系的pH均小幅度下降，这是由于SRB及产甲烷菌（Methane Producing Bacteria，MPB）代谢产生小分子有机酸，故试验初期pH有所下降；随着试验的进行，各体系的pH又表现为上升的趋势，其中SRB菌液接种量为5%、10%的体系pH上升至8.0左右，SRB菌液接种量为15%的体系pH上升至8.2左右。在SRB的作用下，的还原过程可用如下化学方程式表达：

其中：CH2O代表有机化合物。此过程中消耗H+，同时SRB代谢消耗大分子有机物分解所产生的有机酸，故系统的pH逐渐上升。由于SRB菌液接种量为15%的体系菌量最大，代谢快，所以pH上升幅度稍大。随着反应时间的延长，各体系去除率呈先急剧上升后趋于平缓的变化趋势，COD去除率呈逐渐升高的趋势，经过7 d的处理，SRB菌液接种量分别为5%、10%、15%的体系的去除率分别为78.7%、79.7%、98.8%，COD去除率则分别为32.0%、38.5%、52.8%，说明SRB菌液接种量越大，与COD的去除率越高。

图1 不同菌液接种量下相关参数的变化

2.2 初始pH对SRB处理硫酸盐废水的影响

初始pH对SRB处理硫酸盐废水的影响见图2。

图2 不同pH下相关参数的变化

由图2可以看出，随着反应时间的延长，各体系pH大体呈上升趋势。当初始pH=5时，随着反应时间的延长，去除率上升缓慢，经过7 d的处理，去除率仅为19.6%。当初始pH分别为6、7、8时，随着反应时间的延长去除率的变化趋势很明显，其中初始pH=8的体系去除率上升趋势最明显，去除率达到89.5%。这是由于SRB生长的pH范围一般在5.5～9.0〔6〕，当pH较低时，大部分硫化物以H2S的形式存在，对SRB产生抑制作用，所以硫酸盐还原速率较慢〔7〕。国内学者大多采用pH为6.5～7.5，国外的一些学者认为，硫酸盐还原菌更适宜在较高的pH下分解有机物，pH在8.0左右比较理想〔8〕。而本试验最佳pH为8，与文献相符。初始pH对COD去除的影响不大，处理7 d后，COD去除率均在30%～35%之间。分析可能的原因是，在较低的pH条件下，虽然SRB生长受到抑制，但此时MPB等微生物生长良好，其代谢过程中会消耗一定的COD；而在中性或偏碱性环境中，SRB处于竞争优势，使得MPB生长受到抑制，SRB在生长过程中又消耗一定的COD，故不同的pH条件下，体系中COD去除率相差不大。

2.3 碳源对SRB处理硫酸盐废水的影响

碳源对SRB处理硫酸盐废水的影响如图3所示。

图3 不同碳源下相关参数的变化

由图3可知，系统运行1 d后，以乳酸钠、葡萄糖、甘油作为碳源的体系的pH都有所下降，此后乳酸钠体系的pH逐渐上升至8.0左右，而葡萄糖及甘油体系的pH分别维持在4.4及5.6左右。随着反应时间的延长，甲酸作为碳源体系的pH一直呈上升趋势，由于甲酸本身是小分子有机酸，被SRB利用每还原1mol的就会产生4mol的，从而导致体系的pH升高而没有下降的过程。从去除效果来看，不同的碳源对去除率的影响较大，体系运行7 d后，SRB利用这4种碳源对的去除率由大到小依次为甲酸（99.1%）＞乳酸钠（97.0%）＞甘油（53.1%）＞葡萄糖（1.0%）。这是由于相对分子质量低的甲酸能够优先被SRB利用；而葡萄糖作为碳源，代谢过程中产生了高浓度的有机酸，抑制了SRB的生长，使得SRB在与MPB的竞争中处于劣势，故葡萄糖作为碳源体系的去除率几乎为0。SRB对结构复杂的甘油的利用率相对较低，这是因为当存在复杂的碳源或者当基质充分时，SRB的热力学、动力学优势并不明显，往往缺乏对碳源的竞争力〔6〕。随着试验的进行，各体系COD的去除率呈升高趋势。经过7 d的处理，不同碳源的COD去除率由大至小依次为甲酸（58.3%）＞乳酸钠（54.7%）＞甘油（45.6%）＞葡萄糖（38.9%）。葡萄糖作为碳源体系的COD去除率在处理中期有下降的现象，可能是由于某些厌氧菌因不适应环境条件而死亡，菌体自溶导致COD浓度增大，去除率下降。

从图4可以看出，不同体系的pH的变化趋势相似，先下降随后逐渐上升，符合乳酸钠作为碳源的pH变化规律。随着反应时间的延长，m（COD）/ m（）为1、2的体系的去除率呈先上升后下降的趋势，m（COD）/m为3、4的体系的S去除率则呈现显著上升趋势。m（COD）/m越大，去除率越大。当体系中的电子供体（COD）充足时，可以使系统有较高的去除率，并保持相对稳定状态；电子供体不足时，体系中可利用的碳源不能满足SRB菌还原较多的需要，导致去除率较低，后期引起去除率出现下降，并且m（COD）/m越小，下降趋势越明显〔10〕。从图4还可以看出，随着反应时间的延长，各体系COD去除率逐渐升高；m（COD）/m越小，即初始COD浓度越小，COD去除率越大。可见处理含硫酸盐废水时，碳硫比是COD和硫酸盐去除的一个重要控制因素。根据公式（2）和（3），1mol完全被还原成S2-，需要8mol电子，这8mol电子相当于64 g COD（2molO2）。由此可见，能够被完全还原所需的最低m（COD）/m）=64 g/96 g≈0.67〔3〕。

图4 不同m（COD）/m（SO42-）下相关参数的变化

由于体系中其他厌氧菌的竞争，实际应用中应该增加COD的投加量，但投加量不应过大，否则会因COD浓度大而增加后续处理单元的负荷。所以，实际应用中m（COD）/m（）最好在3左右，既保证的去除率，又能使COD不至于过大。

通过图1～图4可发现，采用SRB处理含硫酸盐废水，COD去除率的变化趋势与去除率的变化趋势相似，说明COD的去除与的去除具有一定相关性。给每组试验中的不同参数所对应的体系编号，分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，对其COD去除率与去除率进行相关性分析，结果见表1。

ⅢⅣ接种量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生长因子相关系数R2ⅠⅡ

3 结论

（1）SRB还原硫酸盐的最佳接种量为15%，此条件下SO42-去除率可高达98.8%，COD去除率可达52.8%。此外，随着反应时间的延长，不同菌液接种量体系的pH先略有下降，再持续上升至8.0～8.2。

（2）初始pH在6～8时，SRB处理硫酸盐废水的效果较好，当初始pH=8.0时，S去除率最高，达到89.5%，COD去除率为35.2%。

（4）以乳酸钠、葡萄糖、甘油、甲酸作为碳源时，SRB利用这4种碳源对S及COD的去除率由大到小依次为甲酸＞乳酸钠＞甘油＞葡萄糖，其中甲酸与乳酸钠作为碳源体系对S及COD的处理效果接近，S去除率都达到95%以上，COD去除率在55%～60%。此外，随着反应时间的延长，除葡萄糖及甘油作为碳源体系的pH降低后保持稳定以外，其他碳源体系的pH都有所上升。

（5）采用SRB处理含硫酸盐废水，COD去除率的变化趋势与S除率的变化趋势相似，说明COD的去除与的去除具有一定相关性。

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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—），硕士。电话：18672349893，E-mail：540467533@qq.com。

2016-03-29（修改稿）