硫酸盐废水处理中微生物代谢类型调控方法 技术领域：本发明涉及高浓度工业废水生物处理领域。
背景技术：化工、制药、制革、造纸、发酵和采矿等行业排放的高浓度硫酸盐废水是亟待解决的环境污染源之一。利用两相厌氧生物处理工艺治理硫酸盐废水已得到环境工程界的普遍共识。该工艺系统由三个单元组成，即硫酸盐还原单元、硫化物氧化单元和产甲烷单元。其中，硫酸盐还原单元是整个工艺系统的限速步骤，它本质上是两相厌氧工艺系统的产酸相，是在有机物的酸性发酵阶段利用硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)还原废水中富含的硫酸盐。在此单元中，主要存在两类微生物—产酸细菌(Acidogenes，AB)和硫酸盐还原菌。AB通过水解和酸化作用将废水中的有机物转化为小分子有机酸和醇等发酵产物，从而为SRB提供了还原硫酸盐的电子供体。AB营不同的发酵类型会产生不同的发酵产物，而SRB对不同发酵产物的利用能力也存在较大差异。因此，硫酸盐还原单元往往运行效果不稳定，硫酸盐去除率一般低于80％。解决这一问题的瓶颈因素是如何通过外部调控手段，使微生物群落出现最佳代谢类型，加速AB和SRB两种群间的协同代谢关系。但是，目前国内外尚无对生物脱硫工艺系统中微生物代谢类型的深入研究和报道。
发明内容：为了解决高浓度硫酸盐废水处理能力低下的难题，本发明提供一种基于微生物生理生态学原理的工程控制对策，实现微生物群落地乙酸型代谢方式，从而大幅度提高废水中硫酸盐的去除率。硫酸盐废水处理中微生物代谢类型调控方法操作步骤包括(1)采用连续流完全混合搅拌槽式产酸脱硫反应器，内设气-液-固三相分离器，并投加轻质填料；(2)驯化活性污泥；(3)快速启动生物脱硫反应系统；(4)控制微生物群落的代谢类型为乙酸型代谢方式：当COD/SO42-＞5.0时，Ns＜10.0kg/m3·d，pH＝5.0～6.0，ORP＜-300 mV，ALK＞1000mg/L；当5.0＞COD/SO42-＞2.0时，Ns＜7.5kg/m3·d，pH＝6.0～6.5，-400mV＜ORP＜-300mV，1500mg/L＜ALK＜2000mg/L；当2.0＞COD/SO42-＞1.0时，Ns＜7.5kg/m3·d，pH＝6.0～7.0，-400mV＜ORP＜-300mV，1500mg/＜ALK＜2000mg/L；另外一种操作方法为控制生物脱硫反应系统的运行条件：COD/SO42-≥2.0，Ns≤7.5kg/m3·d，pH＝6.0～7.0，ORP＝-320～-450mV，ALK＝1500～2000mg/L。本发明依据微生物生理生态学原理，调控微生物群落稳定在最佳代谢类型，从而打破了废水处理中微生物的代谢类型不可预测和不可控制观点的束缚，使废水中的硫酸盐去除率达90％～100％。与传统工艺相比，本发明对硫酸盐废水的处理能力可以提高20％以上。控制工艺系统微生物形成乙酸型代谢方式的原因如下：AB代谢产生乙醇、乙酸、H2和三碳以上的挥发酸(VFA，如丙酸、丁酸和乳酸)。乙醇可以被SRB迅速转化为乙酸；H2可被利用H2的硫酸盐还原菌(HSRB)作底物；VFA可被利用三碳以上挥发酸的硫酸盐还原菌(FSRB)，包括利用丙酸的硫酸盐还原菌(p-SRB)、利用乳酸的硫酸盐还原菌(1-SRB)和利用丁酸的硫酸盐还原菌(b-SRB)做底物产生大量乙酸，VFA亦可被产氢产乙酸菌(HPA)利用产生乙酸和H2；乙酸被利用乙酸的硫酸盐还原菌(ASRB)做底物；H2又可被HSRB利用，因此，AB、SRB和HPA之间通过这种底物供给式关系构建起一条生物链(见图8)。只有以乙酸为液相末端产物时才能形成完整的硫酸盐厌氧氧化过程，其最终产物为CO2和H2S，从而尽可能实现污染物的彻底去除。控制工艺系统产酸细菌营乙醇型发酵对生物脱硫有两个益处：(1)乙醇型发酵是硫酸盐还原菌需要的发酵类型。由于产酸细菌和硫酸盐还原菌具有相互依存的生态机制，硫酸盐还原菌能迅速地利用掉产酸细菌的发酵产物，减少酸性末端产物对微生物活性的抑制，也利于反应器的稳定运行；(2)硫酸盐还原菌将产酸细菌乙醇型发酵的产物乙醇转化为乙酸，为后续产甲烷相提供适宜的底物，从而加速工艺系统生化反应的进程。通过控制产酸脱硫反应系统的运行条件，可以使废水中的硫酸盐去除率达90％以上。
附图说明：图1是产酸脱硫反应器及工艺路线图，图2是乙醇为碳源底物时液相末端产物中挥发酸的分布示意图，图3是丙酸为碳源底物时液相末端产物中挥发酸的分布示意图，图4是乳酸为碳源底物时液相末端产物中挥发酸的分布示意图，图5是以乙酸作为唯一碳源时SRB的硫酸盐去除率示意图，图6是以丁酸作为唯一碳源时SRB的硫酸盐去除率示意图，图7是不同碳源为底物时硫酸盐去除率示意图，图8是硫酸盐还原过程中微生物的生物链式协同代谢关系示意图，图9是不同试验阶段挥发酸的产量与分布示意图，图10是营乙酸型代谢的微生物群落结构模式示意图。
具体实施方式：
1.确定反应器的工艺形式：反应器的工艺形式如图1所示，定名为产酸脱硫反应器(该反应器即为ZL 98240801.3实用新型专利)，为投加轻质填料连续流搅拌槽式反应器(CSTR)，总容积22.0L，有效容积9.7L，内设气-液-固三相分离器和搅拌器。反应器外侧缠绕加热控制装置保持温度35±1℃。投加活性炭或核桃皮等轻质填料以增加生物量并减少污泥流失。活性炭还有强化泥水混合，增加传质速率的功能。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。
2.驯化活性污泥：产酸脱硫反应器的接种活性污泥取自富含硫酸盐的环境，如制药、造纸、发酵等企业生产废水排放口的底泥、沟渠底部沉积物或城市污水处理厂二沉池底泥。污泥驯化的目的是获得目标微生物群落，其结构组成以产酸细菌种群和硫酸盐还原菌种群为主(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月第一版)，而将不适应工况条件的微生物，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)逐步淘汰掉。
活性污泥驯化方法如下：将种泥与活性炭混合，采用人工配制的硫酸盐废水作为培养液，其COD浓度为3000mg/L，SO42-浓度为2000mg/L。控制培养液pH值大于5.0，厌氧培养。5天换一次培养液，操作时尽量减少污泥在空气中的暴露时间。驯化期为25～30天，驯化完成时泥水混合液底部的氧化还原电位(ORP)为-200～-250mV。
3.快速启动产酸脱硫反应系统：启动产酸脱硫反应系统即启动产酸脱硫反应器，启动反应器时，一级控制参数为活性污泥接种量、原水COD/SO42-比、原水碱度；二级控制参数为反应器pH值和氧化还原电位(ORP)、液相末端产物中挥发酸(VFA)和SO42-去除率。活性污泥接种生物量(MLVSS)为10000～13000mg/L，采用人工配水，以糖蜜废液作为有机碳源(COD)，硫酸钠做电子受体(SO42-)。控制原水中COD/SO42-比值为5.0(COD＝3000mg/L，SO42-＝600mg/L)。投加NaHCO3调节进水碱度(ALK)为500mg/L，气体硫化氢采用NaOH溶液吸收。第1～10d进水流量10.0L/d，水力停留时间(HRT)为20h，第11d后提高流量到20L/d，HRT为10h。反应器的启动期约20d，各项指标达到下列标准：pH值为5.5～6.0、ORP为-300mV左右、液相末端产物中挥发酸(VFA)总量约为1500mg/L、SO42-去除率达到80％、硫化物产量达到2.0mmol/L。
4.定量化调控微生物的限制性生态因子
产酸脱硫反应器是一个人工创建的微生物生态系统，依据产酸细菌和硫酸盐还原菌的生理生态学规律，定量化调控限制性生态因子-COD/SO42-比、硫酸盐负荷率(Ns)、pH值、氧化还原电位(ORP)和碱度(ALK)。当硫酸盐去除率大于90％时，反应器内各因子的定量化指标和调控手段如表1所示。
表1产酸脱硫反应器中限制性生态因子的定量化与调控
限制性生态因子 定量化指标 生态因子的调控手段
COD/SO42-比 ≥2.0 ①提高COD浓度或②降低SO42-浓度
硫酸盐负荷率 ①HRT＝6～8h和②MLVSS＝15000～20000mg/L
≤7.5
(Ns，kg/m3·d) 和③反应器中H2S浓度小于225mg/L
①Ns≤7.5kg/m3·d和②COD/SO42-≥2.0和
pH值 6.0～7.0
③进水中ALK≥300mg/L
ORP
①Ns和COD/SO42-比同上；②pH＝6.0～7.0和
-320～-450
(mV)
③控制厌氧状态或④投加还原剂、铁粉
①Ns和COD/SO42-比同上和②pH＝6.0～7.0；
ALK
1500～2000 且③液相末端产物中VFA浓度小于2000mg/L
(mg/L)
和乙酸在VFA中的分布比例为50％～80％
5.控制产酸脱硫反应器中产酸细菌的代谢途径为乙醇型发酵
在硫酸盐还原过程中控制产酸细菌的代谢类型为乙醇型发酵是由硫酸盐还原菌(SRB)对不同底物的利用能力所决定的。图5～图7是SRB对不同底物的利用情况和利用不同底物时的硫酸盐去除率。可见，乙醇和乳酸为底物时硫酸盐去除率分别为99.9％和97.8％，乙酸、丙酸和丁酸为底物时硫酸盐去除率仅为7.5％、22.2％、12.0％。因此，SRB利用底物的顺序为：乙醇＞乳酸＞＞丙酸＞丁酸＞乙酸，这与硫酸盐还原的热力学规律一致。依据微生物生理代谢特性，产酸发酵细菌的代谢产物以乙醇为主时，其代谢类型为乙醇型发酵。
5.1产酸细菌营乙醇型发酵的运行控制参数
调控产酸细菌营乙醇型发酵的关键参数是pH值、碱度(ALK)、COD/SO42-比、HRT和容积负荷率。表2～表5分别为上述参数在不同水平时对SRB的影响。
表2pH值和碱度对反应器运行效果的影响
碱度 SO42-去除率 硫化物产生量 ORP 运行效果及
pH值
(mg/L) (％) (S2-，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
6.2～7.0 1400～1600 97.4 4.54 -340～-355 效果好，稳定
注：HRT＝10.6h，COD＝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-去产生的S2- 挥发酸组成重量百分比(％) 碱度
COD/SO42- PH值
除率(％) (mmol/L) 乙醇 乙酸 丙酸+丁酸+戊酸
(mg/L)
4.5∶1 97.4 4.54 10.8 60.1 29.1 1497
3.6∶1 97.1 6.35 4.7 70.6 24.7 1608
2.7∶1 88.3 7.15 0.0 70.6 29.4 6.2-7.0 1631
1.9∶1 65.0 8.19 0.0 71.5 28.5 1883
0.9∶1 38.8 8.10 0.0 73.6 26.4 1939
注：HRT＝10.6h，COD＝3200-3600mg/L，通过改变SO42-浓度调节COD/SO42-比。调节进水碱度。
表4 HRT对反应器运行效果的影响(平均值) HRT
产生的S2- 挥发酸组成重量百分比(％)
SO42-去除率(％)
PH值 (h)
(mmol/L)
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
注：COD和SO42-浓度平均为3600.0mg/L和1200.0mg/L，COD/SO42-＝3∶1。
表5容积负荷率对反应器运行效果的影响(平均值)
原水COD 原水SO42- HRT COD负荷 SO42-负荷率 SO42-去除率 产生的S2-
(mg/L) (mg/L) (h) (kg/m3·d) (kg-/m3·d) (％) (mmol/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
由此，得出产酸细菌营乙醇型发酵时反应器的最佳运行参数：pH值为6.2～6.9，碱度为1400～1600mg/L，COD/SO42-＝2.5～3.5，HRT大于6.2h，COD负荷率低于22.0kg/m3·d，SO42-负荷率小于7.6kg-/m3·d的条件，可保证产酸细菌营乙醇型发酵。
6.控制微生物群落营乙酸型代谢方式
6.1调控微生物群落营乙酸型代谢方式的关键参数是COD/SO42-比、硫酸盐负荷率、pH值、ORP和ALK。表6是上述参数的调控水平。
表6微生物群落营乙酸型代谢方式的运行控制条件
控制条件
试验阶段
SO42-浓度 SO42-负荷率
ORP 碱度
COD/SO42- pH值
(mg/L) Ns，Kg/m3·d)
(mV) (mg/L)
高COD/SO42-比 ＞5.0 ＜1000 ＜10.0 5.0～6.0 ＜-300 ＞1000
中COD/SO42-比 2.0～5.0 1000～2500 ＜7.5 6.0～6.5 -300～-400 1500～2000
COD/SO42-比 1.0～2.0 2500→5000 ＜7.5 6.0～7.0 -300～-400 1500～2000
6.2微生物群落营乙酸型代谢方式的判据
表7比较了相同运行条件下，废水中投加硫酸盐和不投加硫酸盐时，产酸脱硫反应器连续流试验微生物代谢类型的差异。按申请者的划分，不投加硫酸盐时产酸相反应器的发酵类型为乙醇型。产酸脱硫反应器中有一很明显的现象，即尽管各试验阶段的运行条件有所不同，但液相末端产物中乙酸均为主要成分，其分布比例占50.6～72.2％。
表7产酸脱硫反应器投加和不投加硫酸盐时酸性末端产物分布的比较
液相末端产物中挥发性脂肪酸(VFA)的分布/mmol·L-1 乙酸的分布
产酸脱硫反应器
乙酸 丙酸 丁酸 乳酸 乙醇 比例/％
COD/SO42-＝5.0 17.6±0.61 6.7±0.12 7.1±0.08 2.8±0.11 0.5±0.02 50.6±1.86
投加硫酸盐 COD/SO42-＝3.0 22.0±3.38 2.3±0.16 7.4±0.07 1.4±0.01 0.7±0.01 64.7±3.15
(乙酸型代谢) COD/SO42-＝4.2 22.6±3.78 1.9±0.04 4.9±0.02 1.8±0.01 0.2±0.04 72.2±2.33
COD/SO42-＝2.0 22.3±1.41 4.4±0.03 8.7±0,03 4.2±0.05 2.1±0.04 58.5±1.41
不投加硫酸盐(乙醇型发酵) 12.6±2.25 2.3±0.85 2.5±0.67 1.3±0.79 13.4±2.74 39.42±3.43
图9也直观地反映出不同试验阶段挥发酸的产量和乙酸的分布比例。其中，阶段1的COD/SO42-比为2.0，阶段2的COD/SO42-比为3.0，阶段3的COD/SO42-比为6.0，阶段4的COD/SO42-比为4.0。申请者定义这种乙酸在液相末端产物中的分布比例占绝对优势的酸化过程为“乙酸型”代谢方式。
依据图8，乙酸在液相末端产物中的分布比例是否能占主导，取决于两方面：(1)p-SRB、1-SRB和b-SRB的竞争能力是否超过ASRB；(2)ASRB对乙酸的利用能力。
6.2.1 ASRB对乙酸的利用能力
图2～图7已证明，SRB利用不同碳源的能力分别为乙醇＞乳酸＞丙酸＞丁酸＞乙酸。即SRB利用乙酸的硫酸盐还原速率最低。这一方面是由SRB利用乙酸的标准自由能所决定的，更重要的原因是产酸脱硫反应器中底物浓度(COD)不是限制因子，在底物资源丰富的生境中，出于快速利用底物和保存能量的目的，必然是p-SRB、1-SRB和b-SRB等在竞争过程中逐渐形成优势种群，通过非完全氧化型分解代谢方式利用乙醇、丙酸、乳酸、丁酸等，终产物为乙酸。因此，只要关键参数控制得当，乙酸必然是这种生物链式协同代谢关系的产物。而且，乙酸型代谢方式本质上是乙酸在末端产物中大量积累所致。
6.2.2 ASRB的竞争能力
判断一个种群是否占居优势的指标主要依据其数量和活性。表8为不同试验阶段稳定期SRB种群计数结果。可见，优势种群的数量关系为：1-SRB＞p-SRB＞b-SRB＞ASRB。这与末端产物中VFA的组成刚好对应。即ASRB种群的竞争能力远远低于p-SRB、1-SRB和b-SRB。
表8不同试验阶段SRB种群计数
不同SRB种群计数(个/nl)
COD/SO42-
1-SRB p-SRB HSRB b-SRB ASRB HPA
3.0 4.1×1015 2.8×1015 3.3×1014 2.7×1013 7.4×1010 1.3×1012
5.0 8.9×1015 2.1×1015 1.7×1014 6.5×1012 1.4×1010 4.1×1012
2.0 7.7×1013 3.5×1013 4.3×1012 9.5×1011 3.7×1011 2.6×1011
ASRB种群对乙酸的利用能力低于p-SRB、1-SRB和b-SRB等以挥发酸为碳源的SRB种群，它的竞争能力又远远低于其它SRB种群。这构成了判定乙酸型代谢方式的充要条件。
6.3营乙酸型代谢方式的微生物群落结构
表9是不同COD/SO42-比条件下，产酸脱硫反应器稳定期的群落生态特征和优势种群鉴定结果。据此，建立起营乙酸型代谢方式的微生物群落结构模式图，如图10所示。
表9不同COD/SO42-比条件下微生物群落生态特征及其优势种群
群落的生态特征
群落类型
ORP ALK 乙酸的平均
优势种群 pH值
(mV) (mg·L-1) 分布比例
低碳硫比亚AB：微杆菌属/消化球菌属/拟杆菌属/发酵单胞属
5.1±0.8 -280±30 1200±57 50.6±1.8
稳定型群落SRB：脱硫弧菌属/脱硫杆菌属/脱硫丝菌属
AB：拟杆菌属/微杆菌属/气单胞菌属/梭杆菌属/
低碳硫比
发酵单胞菌属 5.7±2.4 -320±35 2000±85 58.5±1.4
稳定型群落
SRB：脱硫杆菌属/脱硫球菌属/脱硫丝菌属
AB：链球菌属/拟杆菌属/气单胞菌属/梭杆菌属/
中碳硫比 梭状芽孢杆菌属
6.2±1.2 -380±25 1500±122 64.7±3.1
稳定型群落SRB：脱硫肠状菌属/脱硫弧菌属/脱硫杆菌属/
脱硫球菌属/脱硫丝菌属
AB：拟杆菌属/气杆菌属/纤毛杆菌属/梭杆菌属、
高碳硫比
气单胞菌属/梭状芽孢杆菌属/链球菌属 6.9±1.7 -430±40 1700±145 72.2±2.3
稳定型群落
SRB：脱硫球菌属/脱硫肠状菌属/脱硫杆菌属