韓 煦，周天旭，劉 勇

（1.天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津 300387；2.天津理工大學化學與化工學院，天津 300384）

不同碳源對ZVI-SRB-SO42-體系中生物活性的影響

韓 煦1，周天旭1，劉 勇2

（1.天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津 300387；2.天津理工大學化學與化工學院，天津 300384）

選取不同有機物作為碳源，考察碳源對于高硫酸鹽（SO42-）環(huán)境中硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing bacteria，SRB）生物活性的影響；通過零價鐵（Zero-valent iron，ZVI）的添加考察ZVI對于SRB生物活性的促進作用.結(jié)果表明：碳源會對SRB的生物活性產(chǎn)生很大影響，導致產(chǎn)生不同的SO42-還原效率；在SRB分別以檸檬酸鈉、乳酸鈉和可溶性淀粉為碳源時，通過添加ZVI可以明顯提高SRB的生物活性；乳酸鈉最適合作為SRB處理高SO42-濃度廢水的碳源，當乳酸鈉作為碳源時，SRB-ZVI體系對于SO42-初始質(zhì)量濃度低于8 500 mg/L的廢水具有良好的處理效果，即使廢水中SO42-初始質(zhì)量濃度達到11 000 mg/L時，SRB-ZVI體系對于SO42-的還原效率依然可以達到81.8%.

碳源；零價鐵；硫酸鹽還原菌；生物活性；硫酸鹽還原

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，包括糖漿、制革、食品、采礦和造紙等越來越多的生產(chǎn)領(lǐng)域會產(chǎn)生大量的含硫酸鹽（SO42-）廢水，而大量的SO42-排入環(huán)境中會導致水體酸化，影響水生生物的生長；污染土壤，形成難溶的SO42-沉淀，使土壤板結(jié)[1].目前，一些化學和物理化學的方法已經(jīng)被應用于去除水中的SO42-，例如反滲透和鋇鹽或者鈣鹽沉淀等，但這些處理方法都具有所需化學試劑和剩余化學污泥處理成本高的缺點[2].而基于SRB的SO42-廢水生物處理方法具有處理成本低和污泥品質(zhì)好等優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注.SRB是一類有機化能營養(yǎng)的嚴格厭氧細菌，主要包括：脫硫弧菌屬、脫硫微菌屬、脫硫桿菌屬、脫硫疊球菌屬和脫硫腸狀菌屬等[3].SRB可以將電子供體（氫和碳源）的氧化與電子受體（SO42-）的還原結(jié)合起來支持自己的新陳代謝[4].其中碳源對于SO42-生物還原過程是必不可少的.不同的碳源可以產(chǎn)生不同的SRB生物量[5]，并且影響SRB與產(chǎn)甲烷菌（Methane producing bacteria，MPB）對于基質(zhì)的競爭結(jié)果.因此，選擇不同的碳源將顯著影響SO42-生物還原過程.目前，已有多種不同類型的有機物被用作碳源來促進SRB代謝過程，例如：護根物、木屑、動物糞便、植物肥料、乳清和其他農(nóng)業(yè)廢棄物[6-9].此外，一些合成的有機化合物特別是低相對分子質(zhì)量的化合物也可以被用作碳源，例如：乳酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽、丙酮酸鹽和丁酸鹽[10-12].Rodriguez[13]等采用UASB工藝處理酸性礦山廢水時，以乙醇作為碳源，當COD/SO42-控制在1.0時，SRB對于SO42-的去除率可以達到85.6%.Zhao等[14]在研究中發(fā)現(xiàn)，當初始SO42-質(zhì)量濃度和COD分別為2 000和4 000 mg/L時，以乳酸鹽為碳源的SRB生物反應器在15 d內(nèi)對于SO42-的去除效率達到了99%.為了考察碳源對于SRB的SO42-耐受性的影響，以期選擇出更加適合SRB生長代謝的碳源，降低廢水處理成本，本研究分別選擇乳酸鈉、乙酸鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖和可溶性淀粉作為碳源；并且添加零價鐵ZVI，驗證其對于SRB活性的促進作用.本文中COD/SO42-被控制在2.0.

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

所用材料包括：原始污泥，取自天津紀莊子污水處理廠好氧區(qū).

所用試劑包括：磷酸氫二鉀、氯化鈣、氯化銨、硫酸鈉和鹽酸，天津市風船化學試劑科技有限公司產(chǎn)品；乳酸鈉、零價鐵和酵母提取物，天津市光復科技發(fā)展公司產(chǎn)品；氯化鉀、氯化鎂、氫氧化鈉和抗壞血酸，天津市北方天醫(yī)化學試劑廠產(chǎn)品.以上試劑除酵母提取物外均為分析純（AR），并且使用之前沒有經(jīng)過進一步地處理與純化.所使用的零價鐵為市售的普通鐵粉.

1.2 濕態(tài)污泥的馴化

SRB濕態(tài)污泥的馴化階段被分為5個周期，而每個馴化周期被控制在10 d左右.SRB濕態(tài)污泥的馴化采用改進的Postgate’s B液體培養(yǎng)基，其成分包括（單位：g/L）：Na2SO4（初始2個周期1.479；第3到第5個周 期 2.958）、K2HPO4·3H2O 0.655、NH4Cl 1.0、CaCl20.816、MgCl2·6H2O 3.383、KCl 0.685、酵母提取物1.0、抗壞血酸0.1和乳酸鈉5.0，并用1 mol/L的NaOH溶液或者鹽酸調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH值到7.0.SRB濕態(tài)污泥的馴化采用1.2 L的塑料馴化反應器在室溫條件下進行，如圖1所示.質(zhì)量分數(shù)為13%的污泥被接種到培養(yǎng)基中，隨后充入2 min氮氣排除培養(yǎng)基和反應器中的氧以提供厭氧環(huán)境，利用磁力攪拌器保持污泥懸濁液的完全混合.SRB的生長情況可以通過污泥顏色從棕到黑的變化和SO42-濃度的變化來監(jiān)測.

圖1 污泥馴化反應器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sludge cultivation reactor

1.3 SO42-生物還原實驗

該實驗被分為兩個階段并且均在250 mL反應瓶中進行.

（1）碳源對SRB生物活性的影響實驗分為5組進行，每組實驗中分別選取檸檬酸鈉、乙酸鈉、乳酸鈉、葡萄糖和可溶性淀粉作為碳源，以提供COD來支持SRB的代謝過程；通過提高SO42-初始濃度來考察碳源對于高SO42-環(huán)境中SRB生物活性的影響.在第一個實驗周期中，每組實驗分別取一定量SRB污泥加入到150 mL含有一定濃度相應碳源的蒸餾水中，用1 mol/L的HCl和NaOH調(diào)節(jié)其pH值，隨后取50 mL與污泥懸濁液有相同pH值的Na2SO4溶液，將二者混合后，向各反應瓶中充入1 min氮氣后立即蓋緊瓶塞以提供SRB所需的厭氧環(huán)境，每組實驗中SO42-質(zhì)量濃度為3 500 mg/L，而污泥質(zhì)量濃度和COD均控制在7 000 mg/L.同時，另取相同數(shù)量的反應瓶加入相同濃度的碳源、SRB污泥以及Na2SO4后額外加入一定濃度的ZVI作為對照實驗來考察ZVI對于SRB生物活性的促進作用.將所有反應瓶放置在搖床上進行160 r/min振蕩反應，每隔一段時間，吸取4 mL樣品用13 000 r/min離心機離心4 min，將所得到的上清液進行SO42-濃度和COD的測定以判斷SRB的生物活性.在第一個實驗周期結(jié)束后，將所有反應瓶中的污泥懸濁液離心，將污泥沉淀物取出用于第二個實驗周期.在第二個實驗周期中，每組實驗中初始SO42-質(zhì)量濃度和COD分別為5 000和10 000 mg/L，其他條件與第一個周期相同.通過比較每組實驗中SO42-的去除效率來甄選出最優(yōu)碳源用于后續(xù)的實驗.

（2）在SRB和SRB-ZVI體系對SO42-的耐受性實驗中，將SO42-初始質(zhì)量濃度分別進一步提升到6 000、8 500和11 000 mg/L，考察單獨的SRB體系和SRBZVI體系分別對于SO42-的耐受極限，其中初始COD/ SO42-始終被控制在2.0，其他條件均與第一個周期相同.

本文實驗中，SRB-ZVI體系中ZVI的初始質(zhì)量濃度均為0.3 g/L.

1.4 分析方法

SO42-濃度采用BaCl2分光光度法進行測定[15]；COD的測定則采用快速密閉消解法[16].

2 結(jié)果與討論

2.1 碳源對于SO42-生物還原效率的影響

碳源對于SO42-生物還原效率的影響如圖2所示.

圖2 碳源對于SO42-生物還原過程的影響Fig.2 Effects of carbon sources on SO42-bio-reduction

由圖2（a）可知，在第一個實驗周期中SO42-初始質(zhì)量濃度為3 500 mg/L，在反應初始階段，以檸檬酸鈉、乙酸鈉、葡萄糖和可溶性淀粉為碳源的體系中SO42-濃度相比于乳酸鈉為碳源的體系并未出現(xiàn)明顯的變化.這主要是因為在SRB馴化培養(yǎng)階段采用乳酸鈉作為碳源，因此當SRB以其它有機物作為碳源時需要對新環(huán)境有一個適應過程，導致在反應開始階段SO42-還原速率下降.然而隨著反應進行，SRB對于檸檬酸鈉和可溶性淀粉體系的適應性增強，SRB的生物活性得到明顯提升.在第6天的反應結(jié)束時，兩個體系中的SO42-平均還原速率分別從延遲期的238.2（檸檬酸鈉）和331.1 mg/（L·d）（可溶性淀粉）提高到576.3和567.1 mg/（L·d），并且SO42-還原效率分別達到98.8%和97.2%.此外，在乳酸鈉體系中，整個反應周期中SO42-還原過程并沒有出現(xiàn)延遲期，反應結(jié)束時模擬廢水中的SO42-被完全還原.然而，當SRB以乙酸鈉和葡萄糖作為碳源的時候，體系中SO42-的還原效率受到了明顯抑制，反應結(jié)束時分別僅有57.8% （乙酸鈉）和34.8%（葡萄糖）的SO42-被還原.

由圖2（b）可知，當SO42-初始質(zhì)量濃度提高到5 000 mg/L時，乳酸鈉體系中SRB的生物活性維持在較高水平，在反應結(jié)束時仍有94.7%的SO42-被去除.然而，在SRB以檸檬酸鈉和可溶性淀粉作為碳源的體系中，SO42-還原效率相比于第一個實驗周期出現(xiàn)了明顯的下降，在反應結(jié)束時分別僅有69.4% （檸檬酸鈉）和68.5% （可溶性淀粉）的SO42-被還原.在乙酸鈉和葡萄糖體系中，SO42-還原效率雖然相對于第一個周期略有升高，但也分別僅達到67.9% （乙酸鈉）和48.2%（葡萄糖）.由此可知，SO42-初始質(zhì)量濃度的提高會對單獨SRB體系中的生物活性產(chǎn)生抑制作用，進而導致SO42-還原效率的下降.

由方程式（1）可知，SRB可以在乳酸鈉氧化與SO42-還原過程中獲得大量能量用于自身的生長代謝，進而提高SRB的生物活性.因此，乳酸鈉更適合作為SRB的碳源.Postgate[17]在之前的研究中同樣指出SRB更喜歡以乳酸鹽作為碳源.

乙酸鹽雖然也是一種可以被SRB直接利用的碳源，但其對于產(chǎn)甲烷菌（Methane producing bacteria，MPB） 來說也是一種重要的基質(zhì)，Laanbroek和Pfenning[18]指出MPB所產(chǎn)生的甲烷中70%來自于乙酸鹽的氧化.并且總的來說，即使在乙酸鹽充足的條件下，SRB在與MPB對于基質(zhì)的競爭中也處于劣勢[19].因此，當乙酸鹽作為碳源時，SRB的活性受到抑制，導致SO42-生物還原效率下降.

而在葡萄糖為碳源的體系中，最終pH值相對于初始pH值均有一定程度的下降，這主要是因為葡萄糖厭氧降解過程中積累了大量的揮發(fā)性脂肪酸，使得反應體系酸化，而較低的pH值對SRB的生長代謝產(chǎn)生了不利影響[20]，從而導致了較低的SO42-生物還原效率.

2.2 ZVI對于SRB生物活性的促進作用

以不同有機物作為碳源時SRB-ZVI系統(tǒng)對SO42-的去除效果如圖3所示.

通過比較圖2（a）和圖3（a）可以看出，在SO42-初始質(zhì)量濃度為3 500 mg/L的條件下，以檸檬酸鈉、乳酸鈉和可溶性淀粉為碳源的SRB-ZVI體系中SO42-還原效率相對于單獨的SRB體系并沒有明顯的變化.同時，在乙酸鈉和葡萄糖為碳源的體系中，SRB-ZVI的SO42-還原效率相對于單獨SRB的情況有小幅提高，分別從57.8% （乙酸鈉）和34.8% （葡萄糖）提高到69.5%和48.3%.

圖3 不同有機物作為碳源時SRB-ZVI系統(tǒng)對SO42-去除能力Fig.3 Sulfate removal capacities of SRB-ZVI under different organic matters as carbon sources

比較圖2（b）和圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，當SO42-初始質(zhì)量濃度提高到5 000 mg/L及ZVI存在的條件下，反應第一天結(jié)束時各個反應體系中的SO42-濃度均減少了超過1 200 mg/L，SRB+ZVI體系的SO42-還原效率高于單獨SRB體系，表明ZVI可以提高SRB對于SO42-負荷變化的適應能力.隨著反應的進行，在乙酸鈉和葡萄糖為碳源的SRB-ZVI體系中SO42-還原速率開始逐漸下降，反應結(jié)束時分別僅有69.1% （乙酸鈉）和55.3%（葡萄糖）的SO42-被還原，相對于單獨的SRB體系并沒有顯著的提升.然而，在檸檬酸鈉和可溶性淀粉體系中，反應結(jié)束時SRB-ZVI的SO42-還原效率分別達到了91.1%和93.6%，相對于單獨SRB體系的69.4% （檸檬酸鈉）和68.5% （可溶性淀粉）均有了明顯提高.

由此可以看出，ZVI的添加并沒有使SRB在與MPB對于碳源基質(zhì)的競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位，從而導致SO42-的還原效率沒有明顯提高.而在以葡萄糖為碳源的SRB-ZVI體系中的最終pH相對于初始pH依然出現(xiàn)明顯的下降，表明ZVI的添加并沒有抑制反應體系酸化，因此該體系中的SRB生物活性依然受到明顯抑制，導致SO42-還原效率依然維持在較低的水平上.

ZVI對于SRB生物活性的促進作用主要是通過以下幾個方面來實現(xiàn)的：

（1）ZVI在酸性環(huán)境中與H2O反應可生成OH來消耗水中的H+（如方程式（2）所示），提高了廢水的pH值，以提供更適合SRB生長的酸堿環(huán)境.

（2）ZVI與H2O反應生成的H2可以被氫營養(yǎng)SRB當作電子供體，如方程式（3）所示，來加強SO42-生物還原過程[5].

（3）ZVI反應釋放出的Fe2+可與SO42-還原過程產(chǎn)生的S（-II）反應生成沉淀，降低S（-II）毒性對于SRB的抑制作用，如方程式（4）所示：

雖然ZVI是工業(yè)廢水處理過程中常用的反應材料，能有效地去除含氯化合物以及包括重金屬在內(nèi)的其他污染物[21-22].然而，本研究在預實驗中發(fā)現(xiàn)，ZVI對于SO42-的直接還原作用并不明顯，在6 d的實驗中非生物體系內(nèi)SO42-的濃度沒有發(fā)生變化.因此可以得出結(jié)論，ZVI對于SO42-的直接還原作用可以忽略.而在SRB-ZVI體系中，當SRB分別以檸檬酸鈉、乳酸鈉和可溶性淀粉作為碳源時，SO42-還原效率相對于單獨SRB體系均有一定程度的提高；但ZVI對于乙酸鈉和葡萄糖體系中的SRB生物活性的促進作用并不明顯.這表明碳源在SO42-生物還原過程中起到主要的作用，在碳源選擇合適的條件下，ZVI對于SRB的生物活性起到促進加強作用

2.3SRB和SRB-ZVI體系中COD的變化

SRB和SRB-ZVI體系中COD的變化趨勢如圖4所示.

由圖4可知，當初始SO42-質(zhì)量濃度和COD分別為 5 000和10 000 mg/L時，以乳酸鈉為碳源的SRB和SRB-ZVI體系中COD均有明顯下降，6 d的反應結(jié)束時COD去除率均達到82%以上.當檸檬酸鈉和可溶性淀粉作為碳源時，SRB體系中COD的去除率分別為64.1%（檸檬酸鈉）和61.6%（可溶性淀粉），而SRB-ZVI體系中COD的去除率分別提高到了79.1%和82.6%.而當乙酸鈉和葡萄糖作為碳源時，SRB和SRB-ZVI體系中的COD去除率并沒有呈現(xiàn)出明顯差別.由此表明：SO42-還原效率與COD去除率相輔相成，較高的SO42-還原效率會消耗更多的COD；SRB的生物活性在COD去除和SO42-還原過程中起到了主要作用，ZVI能夠加強SRB在高SO42-環(huán)境中的生物活性.

圖4 SRB和SRB-ZVI體系中COD的變化趨勢Fig.4 Variations of COD in SRB and SRB-ZVI systems

2.4 SRB對于SO42-的耐受極限

在第一階段的實驗中發(fā)現(xiàn)，乳酸鈉最適合作為SRB的碳源，因此將乳酸鈉作為SO42-耐受性實驗中所用的碳源，SRB體系和SRB-ZVI體系對于SO42-的耐受性如圖5所示.

圖5 SRB污泥對于SO42-的耐受性實驗Fig.5 Experiments of sulfate tolerance of SRB sludge

由圖5可知，當SO42-初始質(zhì)量濃度進一步提高到6 000 mg/L時，SRB體系的SO42-還原效率明顯下降，在第3個反應周期結(jié)束時僅有58.7%的SO42-被還原，然而SRB-ZVI體系依然可以保持98.9%的SO42-還原效率.由于在第3個反應周期中SRB體系的生物活性受到明顯抑制，因此其不再用于第4個反應周期中.在第4個反應周期中，SO42-初始質(zhì)量濃度被提高到8 500 mg/L，SRB-ZVI的SO42-還原效率下降到93%；當SO42-初始質(zhì)量濃度達到11 000 mg/L，SRB-ZVI體系的生物活性有了更明顯的下降，在27 d的反應中SO42-還原速率降低到81.8%.這表明單獨SRB系統(tǒng)的生物活性隨著SO42-初始濃度的升高和使用次數(shù)的增加而出現(xiàn)明顯的下降，而通過ZVI的添加可以顯著改善SRB的生物活性與SO42-耐受能力，但當SO42-初始質(zhì)量濃度超過8 500 mg/L時，SRB-ZVI體系的SO42-還原效率也出現(xiàn)明顯的下降.因此，本工藝適用于處理SO42-初始質(zhì)量濃度在8 500 mg/L以下的廢水.

3 結(jié)論

（1）碳源是影響SRB生物活性的一個關(guān)鍵性因素，不同的碳源會導致不同的SO42-還原效率.實驗結(jié)果表明，在本文所選的5種有機物中，乳酸鈉最適合作為SRB的碳源.

（2）SRB-ZVI體系中的生物活性在SO42-還原過程中起到主要作用.ZVI促進了SRB的生物活性，但其對于SO42-的直接還原作用并不明顯.當SRB分別以檸檬酸鈉、乳酸鈉和可溶性淀粉作為碳源時，通過ZVI的添加可以顯著加強SRB的生物活性，進而提高SO42-的還原效率.

（3）乳酸鈉作為碳源時，在ZVI存在的條件下，SRB對于SO42-具有較高的耐受性，對于SO42-初始質(zhì)量濃度低于8 500 mg/L的廢水具有良好的處理效果.即使當SO42-初始質(zhì)量濃度達到11 000 mg/L時，SRBZVI體系對于SO42-的還原效率依然可達到81.8%.

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Effects of carbon sources on bioactivity of ZVI-SRB-SO42-systems

HAN Xu1，ZHOU Tian-xu1，LIU Yong2
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

The different organic matters were chosen as carbon sources to assess the effects of carbon sources on the bioactivity of sulfate-reducing bacteria （SRB）in high sulfate environment.And then，zero-valent iron（ZVI）was added to examine the role of ZVI in promoting SRB bioactivity.The results indicated that carbon sources could bring great impacts on SRB bioactivity and result in various sulfate bio-reduction efficiencies.In addition，SRB bioactivity was strengthened when sodium citrate，sodium lactate and soluble starch were chosen as the sole carbon source in the presence of ZVI，respectively.The results also confirmed sodium lactate was the optimum carbon source for SRB in the treatment of wastewater containing high concentration of sulfate，and SRB-ZVI system exhibited a good performance in the treatment of wastewater when initial sulfate concentration is below 8 500 mg/L.The sulfate bio-reduction efficiency of SRB-ZVI system can reach 81.8% even when the initial sulfate concentration achieved 11 000 mg/L.

carbon source；zero-valent iron；sulfate-reducing bacteria；bioactivity；sulfate reduction

X703.1

A

1671－024X（2015）02－0058－06

2014-11-28

國家自然科學基金資助項目（41373114）

韓 煦（1978—），男，博士，副教授，研究方向為重金屬離子在鐵錳礦物中的遷移和轉(zhuǎn)化.E-mail：hanxu_mail2013@163.com