王亞東 常馨

（商丘市水務公司）

摘 要：利用產酸相反應器作為生物脫硫和有機物分解的微生態系統，通過 動態試驗與靜態試驗，控制、量化硫酸鹽還原菌（SRB）的限制性生理生態因子的強度，使產酸菌（AB）與硫酸還原菌（SRB）協同代謝廢水中的有機物，從而揭示該生態中SRB與AB的種間關系，尋求生系統中 SRB的生態學規律，人為調控微生境，創造SRB與AB的重疊生態位條件，粗線條描繪其實實現生態位圖譜，初步探索硫酸鹽還原菌的生理生態學理論。研究證明，在污泥接種量6.5gVSS/L的前提下，將進水COD質量濃度、HRT和PH值分別控制在3000--5000mg/l、8.0--10.6h和4.5--7.0的范圍時，可在20d內完成產酸相的快速啟動，并可在45d左右實現對乙醇型發酵菌群的馴化。（本文主要介紹動態試驗）

關鍵詞：產酸相反應器；啟動；馴化；培養

1 總論

1.1   硫酸鹽有機廢水的研究現狀

　　現今，高濃度難降解有機工業廢水的治理已迫在眉睫其中。高濃度硫酸鹽廢水主要來自于蒸餾、造紙、食品加工、化工、抗生素、味精、制酒、制糖等工業，其特點為硫酸鹽還原產物H₂S等處理設施和污水管道具有強烈的腐蝕性，且其氣味惡臭，嚴重影響環境衛生，破壞水體的生態平衡，造成大批的魚類的死亡和水生植物的滅跡。這些廢水中的三高（高SO₄^2-、高COD、高¸NH₄⁺-N）特性適用于采用厭氧處理工藝，高濃度硫酸鹽在降解過程中對厭氧微生物引起的初級抑制和次級抑制往往使處理難以正常進行。究其原因是處理系統中的產酸菌（AB）、硫酸鹽還原菌（SRB）、產氫產乙酸菌（HPA）和產甲烷菌（MPA）沒有充分發揮各自最佳的工作狀態，沒有形成有效的降解污染物的“生物鏈”式生化反應，尤其是硫酸鹽還原菌（SRB）的作用格外重要。

　　目前，SRB的生態學研究是國內外學者關注的熱點。盡管人們對SRB的生理學、生物化學和生態學的認識日趨深入和完整，但研究多處于單因子水平，未與廢水處理的工藝和運行狀況有機結合。以往研究主要集中在以下幾方面：（1）SRB的營養多樣性。SRB是一類較獨特的生理群組，它的營養多樣性水平相當高。根據廢水中SRB底物利用的不同，SRB可分為四類：a .氧化氫的硫酸鹽還原菌（HRSB）；b.氧化乙酸的硫酸鹽還原菌（PSRB）。c.氧化較高級脂肪酸的硫酸鹽還原菌（FASRB）；d.氧化芳香族化合物的硫酸鹽還原菌（PSRB）。（2）通過純培養和混合培養SRB降解環境污染物。SRB可代謝一些可引起“三致”的鹵代物，通過還原菌脫鹵反應，避免毒物在環境中積累。（3）在厭氧反應器中，SRB與MPB對共同底物資源的競爭。

1.2 目的及意義

　　硫酸鹽廢水的厭氧處理是一個人工控制的微生物生態系統，其實質是污染物被微生物生化代謝的過程。因此，從生態學、生物化學、生理生態學等角度研究硫酸鹽還原菌在反應器生態系統中的結構與功能作用，可以為硫酸鹽廢水的有效治理提供必要的理論依據，對處理工藝的工程控制和運行提供有益的指導。而且，對產酸脫硫反應器中硫酸鹽還原菌的生理生態學研究，目前在國內外尚屬空白，其研究成果具有重要的理論價值。

　　本課題根據“產酸脫硫—硫化物氧化—有機物礦化”的高濃度硫酸鹽廢水處理系統工藝指導思想，利用兩相厭氧工藝的產酸相反應器作為富集硫酸鹽還原菌的產酸脫硫微生態系統，通過動態與靜態試驗，控制、量化硫酸鹽還原菌（SRB）的限制性因子的強度，消除SRB對產酸菌（AB）和產氫產乙酸菌（HPA）的初級抑制和次級代謝抑制，使AB、SRB、HPA形成“生物鏈”式的協同代謝關系。從而實現人為調控微生境、創建SRB的實際生態位的目的。

1.3  研究內容

　　產酸脫硫反應器中硫酸鹽還原菌的生理生態學研究目前在國內外尚屬空白，本研究從種群生態學、群落生態學及生理生態學角度揭示產酸脫硫系統的生態學規律，并且通過量化SRB的限制性生態因子（致變因子、因變因子）的強度，尋求其與SRB生理代謝調節之間的關系，實現人為創建的最佳生態條件。主要研究內容：

　　產酸脫硫反應器中的群落生態學研究

　　（1） 產酸脫硫反應器的群落結構與組成；

　?。?） 群落的動態特征與群落的演替方向；

　?。?） 頂極群落的優勢種群組成與種間關系；

　　產酸脫硫反應器中SRB的種群生態學研究

　?。?）SRB的種群的功能與地位；

　?。?）SRB的種群動態與群落演替；

　?。?）SRB的種群調節；

　　產酸脫硫系統中影響SRB的因變因子與致變因子的量化與調控對策

　?。?）致變因子（COD/SO₄^2- 比、負荷率、底物種類等）；

　　（2）因變因子（PH值、ALK、ORP、氫分壓、硫化物等）；

    產酸脫硫系統的生理生態學分析

　?。?） SRB的代謝與產能模式；

　?。?） AB的代謝模式；

　　（3） SRB的電子流分量；

　?。?） SRB與AB的“共代謝”機制；

　?。?） 氫分壓的平衡調節；

　　基于BP神經網絡的產酸脫硫微生態系統建模與仿真。

　　本實驗主要研究 致變因子（COD/SO₄^2- 比、負荷率、底物種類等），因變因子（PH值、ALK、ORP、氫分壓、硫化物等）。

2  SRB的重要生態因子的量化與調控對策

2.1 COD/SO₄^2-值

　　COD/SO₄^2-值是判定SRB代謝狀態、硫化物抑制程度的關鍵因素。但我們認為COD/SO₄^2-之值不能單獨作為控制指標，它只反映氧化劑和還原劑的相對量，可作為SRB種群與其它種群競爭的條件，卻不能決定硫化物的絕對產量，而硫化物恰恰抑制SRB的主導因素。盡管COD/SO₄^2-值不能單獨作為控制指標，但是COD濃度和SO₄^2-濃度之一為定值時，與SRB   受抑制存在密切關系。

2.1.1  硫酸鹽致變COD/SO₄^2-值對SRB的影響

　　硫酸鹽致變COD/SO₄^2-值就是以COD為定值，考察由于硫酸鹽濃度的改變導致不同的COD/SO₄^2-值對SRB的影響。利用靜態試驗，可知隨COD/SO₄^2-值減小的實質是提高了硫酸鹽的投加量，充足的底物使SO₄^2-絕對去除量增加。但隨COD/SO₄^2-值的降低，SO₄^2-去除率呈下降趨勢，尤其是在COD/SO₄^2-值小于3之后，這種下降趨勢更加迅速?？梢?，硫酸鹽投加量提高，雖然利于SRB對底物的利用，但過量的SO₄^2-不被SRB充分利用，加之硫化物對SRB的抑制使其活性降低。COD/SO₄^2-值大于3.0時，SO₄^2-去除率保持較高水平且相對穩定；COD/SO₄^2-值小于3.0時，SO₄^2-去除率迅速下降

2.1.2 COD致變COD/SO₄^2-值對SRB的影響

　　COD致變COD/SO₄^2-值就是以 SO₄^2-濃度為定值，考察由于COD濃度的改變導致不同的COD/SO₄^2-值對SRB的影響。利用靜態試驗，可知硫酸鹽去除率隨COD/SO₄^2-值的提高而增加，與硫酸鹽致變COD/SO₄^2-值對SRB的影響的變化趨勢相同，并且數值也比較接近。說明COD/SO₄^2-值反映了COD對SO₄^2-的還原能力。COD/SO₄^2-=3.0是轉折點，COD/SO₄^2->3.0時，反應系統對SO₄^2-去除率可以穩定在高達90%以上的水平，說明此時系統中的COD還原能力過剩；COD/SO₄^2-值<3.0 時，SO₄^2-相對過剩，COD還原能力不足，致使生物活性和系統對SO₄^2-的去除率下降，且COD/SO₄^2-值越小，這種下降趨勢越嚴重。

　　根據COD/SO₄^2-值對系統SO₄^2-去除率的影響實驗結果，要想使產酸脫硫反應系統保持較高的SO₄^2-去除率（大于90%）和運行穩定性，須將系統的COD/SO₄^2-值控制在不小于3.0的水平。

2.2 SO₄^2-負荷率與污泥負荷率

　　SO₄^2-負荷率直接反映了底物與SRB之間的平衡關系，是產酸脫硫反應器的重要控制指標參數和生態指標。當反應器擁有的SRB生物量 和生物活性一定時，欲獲得理想的運行效果，負荷率必須控制在一定的限度內，否則將會引起生物活性的下降和系統運行的失敗。

    我們的目的是利用產酸脫硫反應系統中的SO₄^2-最大限度去除硫酸鹽，但酸鹽的還原往往伴隨有H₂S產生，會對SRB等微生物產生反饋抑制。這就要求我們在控制系統運行過程中，SO₄^2-的負荷率的提高要以系統微生物未受到H₂S明顯抑制為度，充分發揮系統對硫酸鹽去除率和COD的去除率的潛能。

    產酸脫硫反應器的污泥保有量高，污泥停留時間遠遠大于水力停留時間，因此污泥濃度高，允許的污泥負荷率相對較高。污泥活性不僅取決于各細菌種群的數量與組成，還于群體能否在污泥中組成一定的生物鏈和有序的生態系直接相關。產酸脫硫反應器運行的各階段，生態條件滿足時，乙酸型頂極群落是一條可以完全降解底物的“生物鏈”維持著微生態系統的平衡。

    對污泥活性影響最大的是硫化物的抑制。溶解性硫化物引起SRB的次級抑制，其中自由H₂S是抑制作用的主導成分。在游離的H₂S濃度相同的情況下，反應器內污泥濃度高則相應單位生物量承受的H₂S負荷就小，群落，所受的次級抑制程度要小。高污泥濃度對硫化物抑制的緩解作用可從污泥綜合活性的概念來解釋。污泥綜合活性由單個細胞的活動能力和細胞總量兩個因素決定。硫化物使單個細胞的活性 降低，但污泥活性可因污泥總量的增加得到補償。污泥濃度高時，受H₂S抑制的種群生物量占總生物量的比例就少。相對地，反應器內剩余的具有活性的生物量就多。

    反應體系中混合液的紊流程度也是影響污泥負荷率的重要因素。產酸脫硫反應器為連續攪拌槽式反應器，攪拌速率不但影響混合液的流動狀況，決定微生物與底物的接觸機會，而且對代謝速率、氣體釋放速率等都有較大影響。

    本研究整個動態試驗階段，攪拌器在轉速為110—120r/min時，反應器內的污泥絮體能夠完全懸浮，硫酸鹽負荷率在4.0—7.0kgSO₄^2-/m³.d的條件下，污泥保有量處于較高水平，反應區的底部與中部污泥濃度相差很小。

2.3  HRT

    在本研究的動態試驗中，硫酸鹽負荷率的改變是通過調節HRT實現的。

    根據資料實驗結果證明，SO₄^2- 濃度一定時，產酸脫硫反應器的最佳HRT為6-8h左右，在此范圍內SRB有最大的硫酸鹽去除率和適宜的還原能力。超過此HRT范圍，硫化物對反應體系的反饋控制使SRB的硫酸鹽還原能力降低，硫酸鹽去除率下降。再者，產酸脫硫反應器為完全混合式，縮短HRT在一定程度上降低了系統的PH值，可加速H₂S的吹速作用。但超過一定限度（SO₄^2-負荷率大于7kg/m³.d),則PH值的降低使更多H₂S溶于液相中，并引發其它“因變因子”的調整，使優勢種群的生態態位發生變遷，系統處于“亞穩”狀態。要使產酸脫硫反應系統獲得較好的SO₄^2- 去除率，需根據進水的SO₄^2-濃度和水量，將SO₄^2-負荷率控制在7kg/m3.d以下，同時維持HRT在6-8h 。

2.4  溫度

    溫度是影響有機體生存和生化反應最重要的因素之一，它對生物體的表現在對生物酶的影響。各種酶在最適宜的溫度范圍內，酶促反應速度快，隨著溫度的生長上升，生化反應速率增加1-2倍。過高過低的溫度，都可抑制酶的活性，甚至使酶失活。另一方面，機體的重要組成如蛋白質、核酸等對溫度都較敏感，溫度如果過高可能會遭受不可逆的破壞。因此，只有在一定范圍內，機體的代謝活動與繁殖才隨著溫度的上升而增加，當溫度上升到一定程度，開始對機體產生不利影響，如果在繼續升高，則細胞功能急劇下降以至死亡。

　　微生物都有其生長的溫度范圍，通常最適溫度是指微生物迅速生長繁殖的溫度，而且不同種群的最適溫度范圍不一樣的。特別注意的是，最適生長溫度不一定是代謝活動最好的溫度。根據資料表明，當產酸脫硫反應器溫度控制在35℃左右時，活性污泥具有最快的代謝速度，其酸化率和產氣率可達到最大。

2.5  PH值與堿度（ALK）

　　產酸反應器運行的重要目標是人為創建適于硫酸鹽還原菌富集的條件，去除高濃度硫酸鹽。PH值與ALK是影響SRB活性及發揮最佳代謝功能的重要生態因子之一，主要體現在：（1） PH值引起細胞膜電荷的變化，從而影響SRB對底物的吸收。（2） 影響SRB代謝過程中各種酶的活性與穩定性，改變生態環境中底物的可給性以及毒物的毒性。（3）透過細胞膜的有機酸在SRB細胞內重新電離，改變胞內的PH值，影響許多生化反應的進行及ATP的合成。各SRB種群有其生長與代謝的最適PH值，超過這個PH范圍往往導致細胞生理活性的喪失。另外，同一SRB種群由于生境中的PH值與ALK不同，其生長繁殖速率及代謝途徑均可能發生改變。可以說，PH值不僅對SRB個體影響很大，而且對彼此相互聯系、相互影響、有序協調的SRB種群所組成的頂極群落影響更加復雜和顯著。

　　系統中的PH值與ALK存在密切的關系。堿度的變化，勢必引起PH值的改變；而對系統進行PH值調節時，其ALK也將隨之改變。因此，PH值的研究往往與ALK的研究聯系在一起。

　　堿度（ALK）標志著某一反應體系在一定范圍內對H⁺ 變化的中和能力。在厭氧處理系統中，微生物發酵往往產生大量的H₂CO₃揮發酸，需要系統中有適宜的堿度來中和，以防止PH值下降，維持厭氧微生物的活性。厭氧處理系統中的堿度一般認為主要是碳酸氫鹽堿度。

    測定產酸脫硫反應器的總堿度時，所采用的滴定終點PH=3.7，總堿度應該包括水中的[HS^-]、[HCO₃^-]、[CO₃^2-]、[Ac^-]、[OH^-]、[S^2-]等，但因反應器的PH值范圍在5.5-6.4，上述堿物質中[OH^-]、[S^2-]的濃度極小，可以忽略不計。因此，可以認為緩沖體系中的總堿度為：

                [ALK]_總=[HS^-]+[HCO₃^-]+[CO₃^2-]+[Ac^-]

2.6  氧化還原電位（ORP）

    SRB屬于嚴格厭氧菌，其生長的氧化還原電位必須低于-100v。氧氣（空氣）、氧化劑、氧化態物質對SRB都有很強的抑制作用。實驗結果表明，盡管經過不同條件下的運行階段，但反應器中ORP 始終低于-300v,呈現出一種穩定趨勢。

    在本實驗中ORP的測定采用了一種比較先進的儀器，Quick Check ^TM  Model 108 ORP Pocket Meter .操作簡單、方便、快捷、準確。節省了很多的時間，而一般都是采用PH來檢測ORP，非常不方便。

2.7分析項目和方法 

3. 產酸相反應器的快速啟動

3.1   實驗設計與實驗裝置

　　本課題研究主要針對諸如味精生產廢水之類的高濃度硫酸鹽廢水處理中SO₄^2-的生理生態學進行研究。根據研究內容和目的的需要，本課題在研究過程中采用的主要實驗模型有動態和靜態兩種。（本文主要介紹動態實驗）

3.1.1  動態實驗模型

　　動態實驗模型采用自行設計的反應器，屬連續攪拌槽式（CSTR）結構， 內設氣--液--固三相分離器，總容積27L，反應區有效容積 15.6 L。反應器通過水封和攪拌器封保證內部相對厭氧環境。該反應器結構設計合理，可使生物脫硫過程中產生的H₂S迅速釋放，從而保證反應系統運行的穩定性和高效性。反應器模型由有機玻璃制成，外弦加熱絲，通過溫控裝置將反應器內溫度控制在35℃。

3.1.2 種泥

　　產酸脫硫反應器接種的污泥是取自哈爾濱工業大學環境生物技術研究中心厭氧生物處理反應器排除的污泥，并和取自平頂山污水處理廠的污泥混合在一起作為種泥。通過生物相的觀察發現，以上兩種來源不同的污泥中，其生物種類均十分豐富。       

3.1.3  實驗廢水      

　　實驗廢水采用食品加工廠的糖蜜（主要成分為單糖和二糖）加水稀釋而成，廢水配制時投加一定量的農用復合肥，使水中的COD、N、P的質量比保持在200—500：5：1左右，以保證污泥在生長過程中對N、P的營養要求。并加入硫酸鈉作為硫酸鹽還原菌的電子受體。

3.1.4  相關控制參數

　　采用較高的有機負荷對產酸相反應器的啟動進程和厭氧活性污泥的馴化比較有利。在本次試驗中，模型反應器啟動時的水利停留時間（HRT）按階段分別設定為50h和30h，進水COD為5000mg/L,SO₄^2-為500mg/L,PH值控制在6—9，溫度控制在35℃。

3.1.5  實驗結果與分析

　　模型反應器接種量為3.303gVSS/L,VSS/SS為75%，整個啟動過程分為兩個階段，前13天為第一階段，HRT為50h；第13天之后的運行為第二階段，HRT為30h。

圖1.  模型器在污泥馴化期間生物量及產氣量的變化

　　啟動前5d,反應器中的生物量有所減少，這是由于部分微生物不適應厭氧環境而被淘汰所致。隨著運行時間的推移，反應器中的生物量逐漸增加。根據馴化過程的VSS與產氣量的變化情況分析，厭氧活性污泥的活性也同樣經歷了一個由遞減到逐漸增加的變化過程。這些現象都證明，種泥在接種到產酸相反應器之后的馴化過程中經歷了一個從不適應到適應，從適應到活性逐漸增強的演變歷程。

　　在污泥馴化的整個階段中，COD去除率從開始的23.9%下降到6.8%，然后上升到27.2%又下降到9.6%，最后在上升到15.2%。這一變化過程證明，有機負荷的提高對反應器內污泥的微生物組成產生了顯著影響，不同微生物種群在環境條件變化時因競爭作用而此消彼長，不同優勢菌群生理代謝特性的差異和代謝強度的不同，導致了產酸相對COD去除率的變化。

　　圖3反應了污泥馴化期間模型反應器之進水和出水的PH值變化情況。在污泥馴化的前12天保持在7.0—8.0，而反應器出水的PH值在8天內迅速從啟動時的6.74降到6.10。之后，盡管進水的PH在8.6—7.0之間頻繁變化，HRT也由50h降到30h，反應器出水的PH均維持在6.0左右，這說明了此時的產酸相反應器具備了良好的酸堿緩沖性能。適宜的酸堿環境，加速了乙醇型菌群在競爭中優勢地位的建立。到了污泥馴化后期，反應器的出水更加穩定，

圖2.  模型反應器在污泥馴化期間的COD去除率的變化

圖3.   模型反應器在污泥馴化期間的進、出水PH變化

　　說明此時產酸相反應器內已建立了生態穩定的微生物群落。

　　圖4為產酸厭氧反應器從開始啟動直到現在的硫酸鹽去除率的變化情況。從圖中可以看出第一階段的去除率較高但不穩定，從第二階段開始到現在去除率一直穩定在60%左右，這說明本次的快速啟動還是成功的。

圖4.  模型器在污泥馴化期間硫酸鹽去除率的變化

3.1.6 結論

  （1）厭氧活性污泥和好氧活性污泥均可作為產酸相反應器的啟動種泥，但必須保證種泥生物相的多樣性和足夠數量的可馴化細菌種群。

  （2）較高的種泥量有利于反應器的快速啟動。研究證明，在污泥種量6.5gVSS/L時，產酸相可在30天左右快速啟動成功，COD去除率可達15%左右。

  （3）反應器啟動時采用較高的有機負荷更有利于污泥的快速馴化，進水有機物的適宜質量濃度為3000—5000mgCOD/L。

參考文獻：

[1]：李建政，任南琪，秦智，郭爽編著。產酸相快速啟動和乙醇型發酵菌群馴化，中國圖書出版社，2002年。

[2]：王愛杰編著。產酸脫硫反應器中硫酸鹽還原菌的生態學研究。博士學位論文，2002年。