硫酸盐有机废水乙醇型发酵生物脱硫方法 技术领域：本发明涉及厌氧微生物处理硫酸盐有机废水中，在同一个构筑物内实现产酸发酵和以硫酸盐还原为目的的脱硫方法。
背景技术：制糖、制药、食品加工等企业的工业废水中含有大量的硫酸盐和碳水化合物，对此类硫酸盐废水进行微生物脱硫处理的方法和工艺已有许多报道，典型的处理工艺包括传统的厌氧消化法、两相、三相甚至四相串联工艺。这些处理工艺中，利用硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)还原硫酸盐的单元是各个工艺的首要环节。对这一环节来讲，最简单经济的处理方法是利用产酸相实现硫酸盐的还原。产酸脱硫反应器在功能上实现了产酸发酵和硫酸盐的还原作用。在产酸脱硫系统中，主要存在两大菌群——产酸菌(Acidogenes，AB)和硫酸盐还原菌。含硫酸盐和碳水化合物的废水进入产酸脱硫系统后，产酸菌首先将碳水化合物发酵为小分子产物，然后硫酸盐还原菌利用其中的某些发酵产物还原硫酸盐。在产酸脱硫系统中产酸菌不同的发酵类型会产生不同的发酵产物，而硫酸盐还原菌对不同发酵产物(或称底物)利用能力上存在较大差异，所以，如何控制产酸菌的发酵类型以达到为硫酸盐还原菌提供更多适宜底物的问题，已成为提高硫酸盐还原效果的瓶颈技术。但是，目前尚无产酸脱硫系统中产酸菌发酵类型的研究报道，特别是控制产酸菌发酵类型以提高硫酸盐还原菌处理能力的研究更未见报道。
发明内容：为解决目前在处理硫酸盐有机废水中，难以提高硫酸盐还原菌处理能力的问题，本发明提供一种硫酸盐有机废水乙醇型发酵生物脱硫方法。本发明的方法按以下步骤进行：(1)采用连续流完全混合搅拌槽式反应器，并在反应器中加入活性炭填料；(2)活性污泥地驯化：选择含兼性和厌氧微生物的活性污泥为种泥，将种泥放入容器中与活性炭混合，用糖蜜和硫酸钠配水培养驯化，上述配水中COD浓度为2800～3200mg/L，SO42-浓度为1800～2200mg/L，在培养驯化过程中控制pH值4.5～5.3，并每隔3～5天搅拌一次，每隔5～10天换一次水，驯化25～33天后有硫化氢产生现象，泥水混合液底部的氧化还原电位ORP为-200～-250mV，驯化完成；(3)乙醇型发酵生物脱硫反应系统的启动：反应器启动时，进水用糖蜜和硫酸钠配制而成，COD为3200～3600mg/L、SO42-为640～680mg/L，保持COD/SO42-＝(4～6)∶1，第1～10天进水流量9～11L/天，HRT为25.9～21.2小时；第11天以后提高流量到20～24L/天，HRT为11.6～9.7小时，反应器运行到20天后，ORP稳定在-320～-300mV，SO42-去除率达80～90％，出水中S2-浓度达1.8～2.2mmol/L，出水pH值为5.5～6.0，反应器启动完成；(4)反应器的运行控制：控制pH值在6.2～6.9和碱度1400～1600mg/L下使反应系统运行，且系统抗酸度冲击能力较强；控制COD/SO42-值＝2.5～3.5∶1时，底物乙醇完全利用，同时保证硫酸根去除率达80～90％；SRB充分利用酸化产物乙醇的HRT为6.2～10.6h；在保证硫酸根去除率不低于80％时，系统的COD容积负荷可达21.72Kg·COD/m3·d、SO42-容积负荷可达7.58Kg·SO42-/m3·d。上述过程所用的活性炭为颗粒状，粒径0.3～0.5mm。在产酸脱硫系统中，通过控制污泥的驯化方法和反应器的启动与运行条件，将产酸相控制为乙醇型发酵，硫酸盐还原菌利用乙醇型发酵产物氢气和乙醇还原硫酸盐，达到了在一个构筑物中实现产酸发酵和硫酸盐还原的目的。利用乙醇型发酵进行生物脱硫有两方面优势：1.可以使产酸脱硫系统中产酸菌与硫酸盐还原菌形成相互依存的生态机制。一方面，产酸菌为硫酸盐还原菌提供底物。产酸菌乙醇型发酵的特征是发酵产物为氢气和以乙醇、乙酸为主的挥发酸，实验表明，产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌最容易利用的底物是氢气，容易利用的底物是乙醇和乳酸，较难利用丙酸、丁酸和乙酸(即底物利用顺序为：氢气＞乙醇、乳酸＞＞丙酸、丁酸＞乙酸)。产酸菌乙醇型发酵为硫酸盐还原菌提供了非常适宜的底物——氢气和乙醇，所以，产酸菌乙醇型发酵是硫酸盐还原菌需要的发酵类型；另一方面，硫酸盐还原菌迅速地利用掉产酸菌的发酵产物，减少了发酵产物对产酸菌活性的抑制，利于产酸菌保持稳定的乙醇型发酵。产酸脱硫系统中产酸菌与硫酸盐还原菌形成这种相互依存的生态机制，有利于产酸脱硫系统的稳定运行。2.硫酸盐还原菌将产酸菌乙醇型发酵的产物乙醇转化为乙酸，是后续产甲烷相非常适宜的底物。
附图说明：图1是产酸脱硫系统中产酸菌产生氢气和硫酸盐还原菌利用氢气过程的曲线图；图2是产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌对乙醇的利用和转化图；图3是产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌对乳酸的利用和转化图；图4是产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌对乙酸的利用和转化图；图5是产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌对丙酸的利用和转化图；图6是产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌对丁酸的利用和转化图；图7是产酸脱硫系统中硫酸盐还原菌利用不同挥发酸还原硫酸盐的能力；图1中：1是反应过程中不加硫酸盐的实验曲线，2是反应初加入硫酸盐的实验曲线，3是反应初不加入而反应进行16h后加入硫酸盐的实验曲线；图2至图7中的a是底物不加硫酸盐；b是底物加硫酸盐；c是底物本底值。
具体实施方式：本实施方式的过程是：
1、乙醇型发酵生物脱硫反应系统采用的反应器装置：反应装置采用连续流完全混合搅拌槽式反应器(CSTR)，总容积22.0L，有效容积9.7L，通过加入活性炭填料方式增加生物量和减少污泥流失。活性炭的还可强化泥水混合，增加传质速率。活性炭为颗粒状，粒径0.3～0.5mm，比重1.41g/cm3，堆密度0.54g/cm3，加入活性炭2.2L。气体硫化氢采用NaOH溶液吸收。反应器外侧缠绕加热装置控制温度35±1℃。
2、乙醇型发酵生物脱硫反应系统中活性污泥的驯化：乙醇型发酵生物脱硫反应系统中活性污泥的种泥可以是城市污水处理厂二沉池底部污泥或河渠沉底部积物。驯化前的种泥中含有大量多种类型的微生物，包括好氧、兼性和厌氧微生物(具体菌群参见《水污染控制微生物学》，任南琪等编著，黑龙江科学技术出版社，1993年12月第1版)。驯化的目的是要获得以所需要的产酸菌群和硫酸盐还原菌群为主的微生物菌群，而其它不适应驯化条件的微生物，包括好氧微生物、部分兼性微生物和部分厌氧微生物(如产甲烷菌等)被逐步淘汰。驯化方法是：在实验室将种泥和活性炭混合，用糖蜜和硫酸钠配水(COD浓度为2800～3200mg/L，SO42-浓度为1800～2200mg/L)培养驯化，控制pH值4.5～5.3，并每隔3～5天搅拌一次。5～10天换水一次，换水时只倒掉2/3的上清液，尽量减少污泥在空气中的暴露时间。驯化25～33天后明显有硫化氢产生现象(臭味)，泥水混合液底部的氧化还原电位(ORP)为-200～-250mV左右，驯化完成。
3.乙醇型发酵生物脱硫反应系统的启动：反应器启动时的污泥接种量VSS11.7g/L，进水用废糖蜜加硫酸钠人工配制，控制进水COD为3200～3600mg/L、SO42-为640～680mg/L，保持COD/SO42-值(4～6)∶1。第1～10天进水流量9～11L/天，HRT为25.9～21.2小时；第11天以后提高流量到20～24L/天，HRT为11.6～9.7小时，反应器运行到20天后，ORP稳定在-310mV左右、挥发酸总量增至1500mg/L、SO42-去除率达80％以上、出水中S2-浓度也达2.0mmol/L，反应器启动成功。此时，COD去除率为15～20％、出水pH值为5.5～6.0。
4.产酸脱硫反应系统中产酸菌乙醇型发酵的表征：为表征体系中产酸菌(以下简称AB)的特征，以糖蜜为碳源进行了间歇对比实验，如图1。对于不加硫酸盐的实验体系，因无硫酸根，使硫酸盐还原菌(以下简称SRB)的电子传递链受到阻断，所以SRB的活性基本被抑制。但AB不受影响，此时反应体系表现出的是AB的特性(图1的‘1’)。相应的，加硫酸盐的体系表现的是AB与SRB的联合作用结果(图1的‘2’)。图1的‘3’中，16h之前表现出的是AB单独作用结果，而16h之后表现了SRB单独作用的结果。
由图1的‘1’可见，AB是产氢的，并且反应初期(5h内)产氢速率较快，以后氢气含量变化渐缓，16h后由于可被AB利用的底物消耗完全使氢气含量基本稳定。在AB产氢同时，SRB开始利用氢气(图1的‘2’)。反应初期SRB利用氢气的速率小于AB产氢速率，使图1的‘2’初期氢气含量呈增加趋势。随反应的进行，AB产氢速率渐小、SRB耗氢速率增大。当产氢与耗氢速率相等时，体系氢气含量最高，图1的‘2’曲线出现峰值。由于SRB对氢气的不断消耗，体系中氢气含量呈减少趋势直至消耗完全。
表1产酸菌发酵作用与硫酸盐还原菌还原作用的液相挥发酸产物比较*
序 挥发酸(mg/L) SO42-
S2-
号 去除率
乙醇 乙酸 丙酸 丁酸 戊酸 总量 mg/L
* (％)
1 601.4 636.6 171.9 224.3 54.1 1689.3 - -
2 282.9 1035.0 223.9 181.8 28.1 1753.7 96.7 13.4
3 413.8 933.8 218.6 224.9 43.2 1836.3 72.4 9.6
*底物糖蜜，COD＝3000mg/L，硫酸根浓度600mg/L；‘1’反应过程中不加硫酸盐，‘2’反应初加入硫酸盐，‘3’反应初不加入而反应进行16h后加入硫酸盐。
AB产酸发酵后产生的液相挥发酸组成结果见表1的实验‘1’，可见，AB的液相末端产物中乙醇占35.6％、乙酸占37.7％，按照乙醇、乙酸所占比例应属于乙醇型发酵。
5.乙醇型发酵生物脱硫反应系统中SRB对不同底物的利用能力：分别以不同挥发酸为底物，进行产酸脱硫反应器中SRB利用不同挥发酸还原硫酸盐实验，对不同挥发酸利用和转化结果见图2至图6，对硫酸盐的还原结果见图7。
乙醇和乳酸为底物体系中硫酸盐去除率分别为99.9％和97.8％，乙酸、丙酸和丁酸为底物的体系中硫酸盐去除率仅为7.5％、22.2％、12.0％。
乙醇为底物时消耗的乙醇大部分转化为乙酸，乙酸占生成挥发酸总量的92.5％(图2)。乳酸转化为乙酸和丙酸，分别占生成挥发酸总量的53.5％和41.3％(图6)。乙酸、丙酸和丁酸加或不加硫酸盐的2个反应体系中所含挥发酸总量分别小于各自原始加入的背景值含量，这是微生物生长同化作用的结果。
反应器中SRB利用氢气的明显例证是图1的实验‘3’，AB产氢达稳定后的第16小时加入硫酸盐，SRB开始发挥作用，氢气被SRB利用还原硫酸根，氢气含量逐渐减少直至为零。由表1的实验‘3’可见，反应结束时，液相末端产物中乙醇含量为413.8mg/L，此值高于硫酸盐还原反应进行得比较彻底的实验‘2’(乙醇含量282.9mg/L)而低于实验‘1’(只发生产酸反应，乙醇含量601.4mg/L)。氢气完全消耗时乙醇仍然剩余的实验结果说明，SRB利用氢气的能力高于乙醇。实验‘3’的乙醇含量少于实验‘1’，说明SRB在利用氢气的同时也利用部分乙醇。表1中实验‘2’的硫酸根去除率高达96.7％、硫离子浓度为13.4mg/L，实验‘3’的硫酸根去除率仅为72.4％、硫离子浓度为9.6mg/L，这种对硫酸根还原效果的差异与乙醇被利用量的多少有关。
综上，在产酸脱硫反应器中，SRB容易利用氢气、乙醇和乳酸，较难利用乙酸、丙酸和丁酸。SRB利用底物的顺序为：氢气＞乙醇、乳酸＞＞丙酸、丁酸和乙酸，这与还原硫酸根的热力学规律一致。
AB的发酵产物乙醇被利用后转化为乙酸，但SRB对乙酸的转化率极低，反应系统内出现乙酸的积累，这为后续产甲烷相提供了最合适底物。
6.乙醇型发酵生物脱硫反应系统运行控制参数：首先用NaHCO3调节pH值和碱度，考察了pH值、碱度对反应系统运行效果的影响(见表2)。确定出pH值6.2～6.9、碱度1400～1600mg/L时运行稳定、运行效果好。然后在此pH值和碱度条件下进一步考察了COD/SO42-值、HRT和容积负荷对反应系统运行效果的影响，结果分别见表3、表4和表5。
表2 pH值、碱度对反应系统运行效果的影响**
pH值 碱度范围 SO42-去除率 出水S2- ORP 运行效果及
范围 (mg/L) 平均值(％) 平均值(mmol/L) (mV) 稳定性评价
4.8-5.3 445-620 62.5 1.47 -270--275 效果差，不稳定
5.4-5.7 650-800 95.3 4.23 -305--315 效果好，边缘稳定
6.2-6.9 1400-1600 97.4 4.54 -340--355 效果好，稳定
**HRT＝10.6h，COD浓度3200-3600mg/L，SO42-浓度640-680mg/L。
表3 COD/SO42-值对反应器运行效果的影响***
SO42- 挥发酸组成重量百分比(％)
COD/SO42-值 出水S2- 出水 出水碱度
去除率
乙醇 乙酸 丙酸+丁酸+戊酸
()内为实测值 mmol/L
pH mg/L
(％)
5∶1(4.5∶1) 97.4 4.54 10.8 60.1 29.1 1497
4∶1(3.6∶1) 97.1 6.35 4.7 70.6 24.7 1608
3∶1(2.7∶1) 88.3 7.15 0.0 70.6 29.4 6.2-6.9 1631
2∶1(1.9∶1) 65.0 8.19 0.0 71.5 28.5 1883
1∶1(0.9∶1) 38.8 8.10 0.0 73.6 26.4 1939
***HRT＝10.6h，固定COD浓度(3200-3600mg/L)，COD/SO42-值的变化通过改变SO42-浓度实现进水调节碱度。
表4 HRT对反应器运行效果的影响(平均值)****
HRT SO42-去除 出水S2- 出水 挥发酸组成重量百分比(％)
(h) 率(％) mmol/L pH 乙醇 乙酸 丙酸 丁酸 戊酸
10.6 88.3 7.15 6.34 0.00 70.25 11.39 16.19 2.18
8.1 85.7 6.70 6.51 0.00 68.18 9.76 19.79 2.27
6.2 80.7 6.09 6.47 0.00 66.95 9.61 20.94 2.51
5.2 70.6 5.11 6.28 9.15 57.39 8.99 21.52 2.96
****COD和硫酸根浓度平均为3222.0mg/L和1213.1mg/L，COD/SO42-值＝3∶1。
表5容积负荷对反应器运行效果的影响(平均值)*****
进水 进水 COD负荷 SO42-负荷 SO42-去除 出水S2-
HRT
COD SO42- (Kg·COD/m (Kg·SO42-/m 率 (mmol
(h)
(mg/L) (mg/L) 3·d) 3·d) (％) /L)
3222.0 1213.1 6.2 12.09 4.55 80.7 6.09
4815.8 1760.7 7.0 16.44 6.01 83.6 8.88
7906.7 2831.2 8.7 21.72 7.58 82.2 13.17
*****保持COD/SO42-值＝3∶1，改变进水COD和SO42-浓度。
从表2至表5可以看出反应系统最佳运行参数：
(1)在pH值6.2～6.9和碱度1400～1600mg/L下可长期稳定运行，且系统抗酸度冲击能力较强。
(2)COD/SO42-值＝3∶1时，底物乙醇完全利用，同时保证硫酸根去除率达80～90％。
(3)SRB充分利用酸化产物乙醇的最小HRT为6.2h。
(4)使硫酸根去除率不低于80％时，系统的COD容积负荷可达21.72Kg·COD/m3·d、SO42-容积负荷可达7.58Kg·SO42-/m3·d。
7.乙醇型发酵生物脱硫反应系统微生物菌群构成：产酸脱硫反应系统是一个微生物生态系统，主要存在产酸菌和硫酸盐还原菌两大种群。反应器中产酸菌的数量为3.5×1012/mL个左右，硫酸盐还原菌的数量为1.2×108/mL个左右。我们对这个微生物系统进行了优势种群的分离与鉴定，鉴定出产酸菌优势属5个，硫酸盐还原菌优势属4个，结果见表6。
表6 乙醇型产酸发酵脱硫反应系统微生物优势菌群****** 类型优势种群(属名) 产酸菌 (Acidogenes，AB) 拟杆菌属(Baterroides)梭杆菌属(Fusobactenum) 梭状芽孢杆菌属(Bacterroides) 气单胞菌属(Aeromnas)微杆菌属(Dialister) 硫酸盐还原菌 (Sulfate Reducing Bacteria，SRB) 脱硫弧菌属(Desulfovibrio)脱硫杆菌属(Desulfobacterium)脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)脱硫球菌属(Desulfococcus)
******根据《伯杰细菌鉴定手册》(第八版)，科学出版社。