CN104293728A

CN104293728A - 一种产氢产乙酸菌与硫酸盐还原菌优势菌群的构建方法

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Publication number: CN104293728A
Application number: CN201410526984.7A
Authority: CN
Inventors: 朱葛夫; 张净瑞; 刘超翔
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: CN104293728B

Abstract

一种产氢产乙酸菌和硫酸盐还原菌优势菌群的构建方法，该方法可有效缓解低碳硫比条件下硫酸盐去除率较低的问题，属于污水生物处理与回用领域。该方法以厌氧代谢常见的中间产物丙酸为底物,通过调控pH、ORP、碱度来构建产氢产乙酸菌和硫酸盐还原菌优势菌群。产氢产乙酸菌代谢的末端产物乙酸和氢气可以进一步被硫酸盐还原菌利用，硫酸盐还原菌在拉动产氢产乙酸反应的同时,可实现硫酸盐的高效去除。该方法缓解了低碳硫比条件下硫酸盐去除率较低的问题具有启动迅速、结构简单、运行稳定、操作灵活、无需曝气、无需调节碱度以及运行费用较低等优点。

Description

一种产氢产乙酸菌与硫酸盐还原菌优势菌群的构建方法

技术领域

本发明专利涉及一种产氢产乙酸菌与硫酸盐还原菌优势菌群的构建方法，该方法可实现低碳硫比条件下硫酸盐的高效去除，属于污水生物处理与回用领域，是专门设计的一种耦合产氢产乙酸菌和硫酸盐还原菌来高效去除低碳硫比条件下硫酸盐的方法。

背景技术

近年来，随着工业的迅速发展和城市的不断扩张，人类面临着越来越严峻的水资源短缺与污染的挑战，治理水污染，已成为刻不容缓的任务；与此同时随着硫酸在制药、食品加工、造纸、制革、化工等生产加工领域的广泛应用，含有硫酸盐的污水成为近些年来污染水体的重要的组成部分，在威胁人体健康的同时，还进一步加深了我国水资源短缺的矛盾，因此处理含有硫酸盐的污水迫在眉睫。在不断的探索研究过程中，硫酸盐厌氧生物处理工艺凭借其经济性、安全环保性被广泛应用在含硫酸盐废水的处理之中，逐渐成为含硫酸盐废水处理的首选工艺。国内外学者利用厌氧工艺（单相厌氧、两相厌氧）对硫酸盐废水进行了大量的研究，也取得了很多成果：影响硫酸盐去除效率的生态因子主要包括碳硫比（C/S）、氧化还原电位（ORP）、温度，pH、底物类型、碱度、水力停留时间（HRT）等，其中碳硫比对硫酸盐的去除率有决定性的作用。低C/S条件下硫酸盐还原菌（SRB）在对底物的竞争中占有优势,降低C/S能在一定程度上提高硫酸盐的去除率，但过低的C/S却不利于硫酸盐去除率的提高：因为可利用碳源过少抑制了SRB的生长；另一方面如果硫酸盐浓度过高，产生的H₂S会抑制乙酸、丙酸、乳酸的进一步降解。现有的报道研究中，C/S大多数都在4以上，寻求有关低C/S废水经济有效的治理途径成为近年来环境工程界甚为关注的热点。

产氢产乙酸菌的功能生态位在产酸发酵菌和产甲烷菌之间，在传统的厌氧工艺中起着承上启下的关键作用，但由于热动力学的限制，产氢产乙酸菌的代谢反应无法自发进行，必须依靠噬氢菌(产甲烷菌、同型产乙酸菌、硫酸盐还原菌等)的代谢来拉动，其中主要是通过和产甲烷菌互营共生来实现。但该互营降解只有少量的能量产生，而这仅有的能量还必须与其伴生菌共享，这就使得产氢产乙酸菌与产甲烷菌的生长速度和生物量的合成都非常缓慢，加上在低C/S条件下，由于碳源受限，共生体的生长更容易受到抑制。

含有硫酸盐的废水能刺激SRB的生长，已有的研究表明SRB能够与产甲烷菌竞争乙酸、氢气、甲醇等电子供体，并且SRB对这些底物有较好的亲和性、能够使氢分压降低的幅度更大，基于此我们考虑用SRB代替产甲烷菌与产氢产乙酸菌构建新型的共营关系。相对于产甲烷菌可利用底物的局限性，SRB可利用电子供体要广泛的多，能催化多种氧化还原反应，因此，用SRB与产氢产乙酸菌构成的优势生物群落理论上能达到更高的降解效率。

故本发明以厌氧降解的中间代谢产物丙酸为底物，通过培养优势的产氢产乙酸菌和SRB，SRB利用乙酸和氢气还原硫酸盐的同时可拉动产氢产乙酸反应，依据反应式（1）、（2）、（4），1mol丙酸通过产氢产乙酸菌途径可还原1.75mol硫酸盐，这远远高于SRB以单一的丙酸为底物还原硫酸盐的效率：依据反应式（3）1mol丙酸仅能还原0.75mol的硫酸盐（反应式见表1）。所以产氢产乙酸菌与硫酸盐还原菌优势菌群的构建可同时实现丙酸与硫酸盐的高效去除，为解决低C/S条件硫酸盐的去除提供了新的思路。

硫酸盐还原过程所涉及的反应

反应式序号

CH₃CH₂COO^-+3H₂O ------ CH₃COO^-+HCO₃ ^-+H⁺ +3H₂(1)

4H₂+SO₄ ^2-+H⁺ ------ HS^-+4H₂O (2)

2CH₃CH₂COO^-+1.5SO₄ ^2- ------1.5HS^-+0.5H⁺+2HCO₃ ^-+2CH₃COO^- (3)

CH₃COO^-+SO₄ ^2- ------ HS^-+2HCO₃ ^- (4)

发明内容

本发明的目的在于针对目前低C/S条件下硫酸盐去除效率偏低的现象，提供一种可提高硫酸盐去除率的方法。

本发明采用的构建产氢产乙酸菌和SRB优势菌群的方法可同时实现低C/S条件下丙酸和硫酸盐的高效降解。其中优势SRB菌群的富集以厦门市集美区第二污水处理厂二沉池好氧活性污泥作为种泥（固体悬浮物SS=19.56 g/L），按1：20的比例进行接种，分别以厌氧代谢常见的中间产物乙酸、丙酸、丁酸、乙醇、乳酸为底物，添加硫酸钠进行定向驯化，主要通过测定硫酸盐的去除率、H₂S的产量来判断SRB富集成功与否。而产氢产乙酸菌优势菌群来源于实验室稳定运行的ABR反应器的第三格室，通过对各个格室COD去除率、气体产量、挥发酸成分的分析，推断产氢产乙酸菌为优势菌群。最后分别取出富集成功的SRB和优势产氢产乙酸菌种泥各10 mL进行混合培养，以丙酸为底物调节进水化学需氧量（COD）为3000 mg/L，以Na₂SO₄调节硫酸盐浓度为1000 mg/L，采用250 mL的锥形瓶进行静态实验，COD和硫酸盐的去除率分别可达到95%和90%以上。

本发明的主要特点在于：

（1） SRB采用5种不同的底物同时进行富集驯化，并创造性地将从不同底物系统驯化成功的污泥均匀混合，作为SRB优势菌群的种泥，具有及时高效、启动迅速的特点；

（2）以厌氧代谢中间产物挥发酸和气体含量变化作为产氢产乙酸菌活性强弱的判定依据，该判定方法方便快捷；

（3）两种菌泥的耦合参数的调控能同时满足产氢产乙酸菌和硫酸盐还原菌的生长条件，本方法具有结构简单、操作灵活、启动迅速、运行稳定、无需曝气，无需调节碱度以及运行费用低等优点。

（4）通过pH值、碱度和ORP值来调控丙酸降解、硫酸盐去除的最适条件，该方法简单易行。

附图说明

图1是本发明专利的装置图，其中，1水浴锅，2反应瓶，3反应液取样口，4发酵气导管，5气体计量管，6 气体取样及排空，7 水准瓶，8 橡胶软管。

本装置设置的液体、气体取样口，除了方便取样，操作方便外，液体取样口还可以用来通入氮气，将装置内的氧气充分排出，保证其厌氧环境。

图2 是ABR运行稳定时各格室主要参数。

图3是主要监测项目及方法。

具体实施方式

以下通过实例对本发明的内容进一步详细说明。

1、SRB优势菌群种泥的获取

初始驯化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（固体悬浮物SS=19.56 g/L）；按1:20的比例进行接种，以250 mL的锥形瓶为反应容器（有效体积为200 mL）。每个锥形瓶均设有液体、气体取样管口(如图1)；管口外面的橡胶管用夹子夹住，保证厌氧环境；水浴锅的温度设置为35℃。

分别以乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸5种底物为碳源，以Na₂SO₄调节SO₄ ^2-的浓度为2000 mg/L，分别添加乙醇、乳酸、丙酸使得三个系统的C/S =2.5；添加丁酸、乙酸使得这两个系统的C/S =3。以NH₄Cl为氮源，KH₂PO₄为磷源，保证培养基中C：N：P=200:5:1；通过添加NaHCO₃的方式调节系统初始pH为6.5，初始碱度为1500 mg/L;并添加1 mL/L的营养盐。营养盐成分如下：H₃BO₃50 mg/L；CuCl₂30 mg/L；MnSO₄·H₂O 50 mg/L； AlCl₃50 mg/L；CoCl₂·6H₂O 50 mg/L；NiCl₂50 mg/L；ZnCl₂50 mg/L。接种后将基质通入氮气15分钟，以除去实验装置中的氧气，保证系统的厌氧环境。富集完成后以乳酸、乙醇、丙酸、丁酸、乙酸为底物的硫酸盐的去除率分别为90.28%、81.26%、80.68%、88.77%、73.69%；五种底物的pH范围为7.5~8.5；氧化还原电位（ORP）的范围为- 300 mV~ - 460 mV。

本发明专利利用不同的底物实现了SRB的快速富集，通过调整不同底物的最适C/S比，使得每个系统中SRB均处于优势状态，减弱了其他菌群如产甲烷菌和SRB之间对电子供体和受体的竞争，使得SRB处于竞争优势，从而能使SRB群体在系统中得到选择性增值，最终使系统达到良好的去除硫酸盐的效果。接着分别从富集成功的五组不同底物的锥形瓶中取出等体积的污泥，进行充分混合。这种均匀混合的方法，可提高SRB对底物的利用范围，增强SRB的活性及菌群多样性，保证了硫酸盐的高效降解。

2. 产氢产乙酸菌优势菌群判定的依据

采用逐渐提高负荷的方法，通过90天的驯化，ABR反应器对红糖的去除取得了较好效果，在进水COD为4500 mg/L时，COD的去除率最高可达到96.08%。

ABR反应器稳定运行时各格室的参数如图2。从图2可明显地看出，第一格室的pH并没有达到产酸发酵菌群的最适范围，酸化并不典型；乙酸、丙酸的浓度在第二格室有了迅速的提高也说明了在第二格室继续进行了一定程度的产酸发酵；丙酸在经过第三格室后，浓度下降了一半左右，说明氧化丙酸的产氢产乙酸菌的降解作用突出；同时乙酸的浓度从431.31 mg/L下降到105.39 mg/L，说明产甲烷代谢活跃，第三格室甲烷的百分含量也为此提供理论依据，但考虑到相比于甲烷的乙酸转化途径，CO₂和H₂更容易被产甲烷菌吸收转化为甲烷，而第三格室的氢气百分比含量在这种情况下还能与第二格室持平就说明氢气的产生远大于消耗，因此可以判断第三格室中氧化丙酸的产氢产乙酸菌群的数量相对较多，代谢活性相对较高。第四格室中氢气未能检出，说明第四格室产生的氢气被产甲烷菌所利用，产甲烷作用在第四格室占据主导地位。从而可以证明第三格室主要进行了产氢产乙酸过程，以产氢产乙酸菌为优势菌群的驯化过程成功完成。

3. 污泥耦合参数

硫酸盐还原菌种泥：从均匀混合的优势硫酸盐还原菌污泥取出种泥10 mL，污泥SS=17.52 g/L。

产氢产乙酸菌种泥：从稳定运行的ABR反应器第三格室中取出10 mL的污泥；其SS=19.48 g/L。

分别将取出的两种菌泥各10 mL添加到配制好的200 mL基质中，基质以丙酸为底物调节COD为3000 mg/L，以Na₂SO₄调节硫酸盐浓度为1000 mg/L，以NH₄Cl为氮源， KH₂PO₄为磷源，使得培养基中C：N：P=200：5：1；由于并添加1 mL/L的营养盐（营养盐成分同硫酸盐还原菌富集实验），以NaHCO₃调节初始碱度为1500 mg/L，采用250 mL的锥形瓶进行静态实验。反应装置同硫酸盐还原菌富集实验装置，从液体取样口通入氮气15分钟，充分除去反应装置中的氧气，保证厌氧环境。水浴锅的温度设置为35℃。

将从不同底物富集的硫酸盐还原菌污泥均匀混合的方法，可提高SRB对底物的利用范围，增强SRB的活性及菌群多样性，减少了反应的启动时间，保证了硫酸盐的高效降解。

此外，由于SRB还原硫酸盐的过程是使碱度增加的过程，随着反应的进行pH会逐渐升高。由于起始的基质中添加丙酸的缘故，使得初始的pH在6左右，但随着反应的推进，pH会逐渐升高到7.5左右，反应过程并不需要调节pH和碱度，操作简单方便。

4.产氢产乙酸菌与SRB优势菌群的生态特征：

通过几个周期的连续监测，在稳定运行后，COD和硫酸盐的去除率分别可达到95%和90%以上。此时溶液的pH范围为7.2~7.8，碱度的范围为1500 mg/L~2100 mg/L，ORP的范围为- 350 mV~ - 430 mV。

在运行过程中需要监测和调控的项目如图3。

Claims

1.一种产氢产乙酸菌与硫酸盐还原菌优势菌群的构建方法，其特征在于优势菌群的构建按以下步骤：（1）采用5种不同的底物对SRB进行富集，并创造性地将以不同底物驯化的菌泥取相同体积均匀混合作为优势SRB种泥；（2）以厌氧代谢中间产物挥发酸和气体的含量变化为产氢产乙酸菌优势菌群驯化成功与否的判定依据；（3）两种菌泥耦合参数的设置能同时满足产氢产乙酸菌和硫酸盐还原菌的生长条件；（4）通过pH值、碱度和ORP值来表征两种优势菌群的的生态特征。

2.根据权利要求1，对SRB富集的特征在于分别以乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、乙酸5种底物为碳源，以Na₂SO₄调节SO₄ ^2-的浓度为2000 mg/L，分别添加乙醇、乳酸、丙酸使得三个系统的COD/SO₄ ^2-=2.5；添加丁酸、乙酸使得这两个系统的COD/SO₄ ^2-=3，分别用五个不同的底物对SRB进行驯化，创造性地将驯化成功的菌泥均匀混合作为优势SRB种泥。

3.根据权利要求1，产氢产乙酸菌优势菌群判定的特征在于：丙酸的浓度在ABR第三格室大幅度下降，氢气的产生远大于消耗，说明产氢产乙酸菌优势菌群驯化成功。

4.根据权利要求1，两种菌泥耦合的特征在于：从稳定运行的ABR反应器第三格室中取出10 mL的驯化成功的优势产氢产乙酸污泥；同时取出10 mL均匀混合后的优势SRB种泥，将两者充分混合。

5.根据权利要求1，当COD和硫酸盐的去除率分别达到95%和90%以上时，两种优势菌群的的生态特征在于pH：7.2~7.8，碱度：1500 mg/L~2100 mg/L，ORP：- 350 mV~ - 430 mV。

6.根据权利要求4，菌泥耦合的参数特征在于：分别将两种菌泥各10 mL添加到配制好的200 mL基质中，基质以丙酸为底物调节COD为3000 mg/L，以Na₂SO₄调节硫酸盐浓度1000 mg/L，以NaHCO₃调节初始碱度为1500 mg/L，以NH₄Cl为氮源，磷元素由KH₂PO₄提供，使得培养基中C：N：P=200：5：1；并添加1 mL/L的营养盐（营养盐成分同硫酸盐还原菌富集实验），采用250 mL的锥形瓶放置在恒温水浴锅中进行静态实验。

7.根据权利要求6恒温水浴锅的参数特征在于：温度控制为35℃，转速控制为120 r/min。