硫酸鹽還原過(guò)程中分子氫的產(chǎn)生和去路

硫酸鹽還原過(guò)程中分子氫的產(chǎn)生和去路

許多科學(xué)家證明，采用兩相厭氧工藝系統(tǒng)的酸相處理比傳統(tǒng)工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在，在這個(gè)方向上的研究也很普遍。對(duì)于典型的酸相反應(yīng)，酸細(xì)菌（ab）不可避免地在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生分子氫，因此很難將反應(yīng)系統(tǒng)的氫分壓降低到很低的水平。然而，在許多研究中，由于ab和硫酸還原菌（srb）之間的協(xié)同作用，系統(tǒng)的氫分壓可以維持在10-3的水平上。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題缺乏系統(tǒng)的分析。本工作的目標(biāo)是通過(guò)酸-鹽儲(chǔ)存反應(yīng)裝置處理硫酸鹽廢水的連續(xù)流，分析硫酸鹽還原過(guò)程中不同程度的氫分配，闡明微生物的作用下三種成分氫轉(zhuǎn)移的路徑以及反應(yīng)系統(tǒng)中氫分壓的平衡和調(diào)節(jié)規(guī)律。1試驗(yàn)安裝和方法1.1反應(yīng)器啟動(dòng)連續(xù)流試驗(yàn)裝置采用CSTR型產(chǎn)酸-硫酸鹽還原反應(yīng)器,總?cè)莘e22.0L,有效容積9.7L,內(nèi)裝0.3-0.5mm顆?；钚蕴?反應(yīng)器外側(cè)纏繞加熱控制裝置保持溫度35±1℃.反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)COD/SO42-=5.0,采用人工配水,以糖蜜廢液作為有機(jī)碳源(COD),硫酸鈉做電子受體(SO42-).接種生物量VSS約15.0g/L,調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度300mg/L,水力停留時(shí)間(HRT)10h.啟動(dòng)成功后,根據(jù)需要調(diào)節(jié)進(jìn)水SO42-濃度和COD濃度.1.2培養(yǎng)基的改進(jìn)SRB計(jì)數(shù)采用“中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——SY/T0532/93,油田注入水細(xì)菌分析方法——絕跡稀釋法”(部頒標(biāo)準(zhǔn)).SRB分離與純化的培養(yǎng)基采用Postgate培養(yǎng)基的改進(jìn)配制方法,細(xì)菌計(jì)數(shù)、分離純化、鑒定的操作均采用改進(jìn)的Hungate技術(shù).1.3淀滴定法和硫酸法COD采用重鉻酸鉀法,pH和堿度采用酸度計(jì)測(cè)定及電位滴定法,硫化物采用硫離子選擇電極沉淀滴定法,硫酸鹽采用光度法,以上分析均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行;脂肪酸采用氣相色譜法(SP——502型氣相色譜儀帶氫火焰檢測(cè)器,山東魯南化工儀器廠),氫氣采用氣相色譜法(SP——6800型氣相色譜儀帶熱導(dǎo)檢測(cè)器,山東魯南化工儀器廠).主要分析項(xiàng)目與方法見(jiàn)文獻(xiàn).2結(jié)果與討論2.1在硫酸還原過(guò)程中，氫分子的生成2.1.1ab脫氫過(guò)程中分子氫的釋放和產(chǎn)氫機(jī)制圖1是產(chǎn)酸脫硫反應(yīng)器進(jìn)水中投加硫酸鹽(1000mg/L)和不投加硫酸鹽時(shí)產(chǎn)氫量的對(duì)比情況.當(dāng)不投加硫酸鹽時(shí),反應(yīng)體系中的SRB應(yīng)沒(méi)有活性,故產(chǎn)氫量的變化反映的是AB的特性.可見(jiàn),氫氣的含量逐漸增加,至25h趨于穩(wěn)定.進(jìn)水中投加硫酸鹽時(shí),反應(yīng)體系中的AB和SRB是共同作用的.可見(jiàn),反應(yīng)初期(5h內(nèi))氫氣量呈增加趨勢(shì),此后,體系的氫氣被逐漸消耗,至15h時(shí)氫氣量降低為0.根據(jù)經(jīng)典微生物生理代謝理論,AB體內(nèi)缺乏電子傳遞體系,發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)脫氫作用所產(chǎn)生的“多余”電子,必須有適當(dāng)?shù)耐緩降玫浇鉀Q,才能保證代謝過(guò)程的正常進(jìn)行.通過(guò)發(fā)酵途徑直接產(chǎn)生分子氫是解決氧化還原過(guò)程中產(chǎn)生的“多余”電子所采取的一種調(diào)節(jié)機(jī)制.AB的直接產(chǎn)氫過(guò)程均發(fā)生于丙酮酸脫羧作用中.此外,NADH/NAD+平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)氫也是AB產(chǎn)氫的途徑之一.經(jīng)EMP途徑分解糖蜜分子產(chǎn)生的NADH+H+,一般可通過(guò)與一定比例的丙酸、丁酸、乙醇等發(fā)酵相耦聯(lián)而得以氧化為NAD+,從而保證代謝過(guò)程中NADH/NAD+的平衡.但當(dāng)NADH+H+的氧化過(guò)程相對(duì)于其形成過(guò)程較慢時(shí),必然會(huì)造成NADH+H+的積累,為了保證代謝過(guò)程的正常進(jìn)行,AB可以通過(guò)釋放H2的方式將過(guò)量的NADH+H+氧化.從生理生態(tài)學(xué)角度分析,AB將過(guò)量的質(zhì)子用以產(chǎn)生分子氫是生態(tài)條件的要求.AB生長(zhǎng)繁殖的最適pH在7.0左右,而在產(chǎn)酸脫硫過(guò)程中大量有機(jī)揮發(fā)酸的產(chǎn)生,使生境中的pH迅速降低,對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響.此時(shí),AB要么阻止酸性末端產(chǎn)物的生成,要么通過(guò)一定的生化反應(yīng),按照與生境中pH成比例地降低H+在生境中的濃度,大量分子氫的產(chǎn)生與釋放,正是這種生理需求的調(diào)節(jié)機(jī)制.2.1.2微生物所導(dǎo)致的氧化反應(yīng)王愛(ài)杰等人提出,產(chǎn)酸相反應(yīng)器處理硫酸鹽廢水時(shí),體系中存在5種微生物類群:產(chǎn)酸菌(AB)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌(HPA)、利用乙酸的SRB(ASRB)、利用氫的SRB(HSRB)和利用脂肪酸的SRB(FSRB,包括利用丙酸的p-SRB、利用乳酸的l-SRB和利用丁酸的b-SRB).不同種群微生物間存在圖2所示的協(xié)作關(guān)系.其中,HPA能將AB的代謝產(chǎn)物丙酸、丁酸、戊酸、乳酸和醇類等,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸,同時(shí)釋放分子氫.HPA是嚴(yán)格厭氧菌或是兼性厭氧菌,目前只有少數(shù)被分離,沃爾夫互營(yíng)單胞菌(Syntrophomonaswolfei)、沃林互營(yíng)桿菌(Syntrophobacterwolinii).產(chǎn)酸脫硫反應(yīng)器中,在“生物鏈”上,AB——HPA——HSRB形成級(jí)聯(lián)式生化反應(yīng),同時(shí)HPA又是“基質(zhì)鏈”上氫和乙酸的傳遞者.因此,HPA的活性會(huì)很強(qiáng),但并不意味著系統(tǒng)的氫分壓高.2.1.3-三氫關(guān)鍵作用Barton等人在1995年提出了關(guān)于FSRB產(chǎn)氫的經(jīng)典論述,指出FSRB產(chǎn)氫實(shí)際上是種間氫轉(zhuǎn)移的過(guò)程,即為了維持較低的氫分壓,分子氫可以從產(chǎn)生H2的菌體轉(zhuǎn)移給利用H2的菌體.他舉例解釋了脫硫單胞菌屬(Desulfbacter)不能發(fā)酵乳酸和乙醇,但當(dāng)它與攝取H2的MPB共培養(yǎng)時(shí),在沒(méi)有硫酸鹽的情況下,可以靠乳酸和乙醇等生長(zhǎng).這種合營(yíng)關(guān)系中,SRB充當(dāng)了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,與MPB之間進(jìn)行著復(fù)雜的種間氫轉(zhuǎn)移過(guò)程.2.2hsrb與hpa的相互作用在一般的厭氧系統(tǒng)中,降低氫分壓的工作必須依靠產(chǎn)甲烷菌來(lái)完成,而產(chǎn)酸脫硫反應(yīng)器中HSRB與HPA和AB的偏利共生關(guān)系,恰恰為降低氫分壓提供了前提.圖3是HRT為2.0-10.0h的條件下,用于硫酸鹽還原消耗的COD和用于產(chǎn)氫消耗的COD的百分率.可見(jiàn),隨著硫酸鹽濃度水平的提高,用于產(chǎn)氫消耗的COD呈下降趨勢(shì).硫酸鹽質(zhì)量濃度達(dá)2000mg/L時(shí),體系的氫分壓已降低到相當(dāng)?shù)偷乃?究其原因是HSRB扮演著種間H2“消費(fèi)者”的角色,作為“生物鏈”的第三級(jí),它通過(guò)協(xié)同代謝的方式及時(shí)消耗掉種間H2,從而促使AB和HPA的生化反應(yīng)正向進(jìn)行.本研究分離到的HSRB有脫硫弧菌屬、脫硫單胞菌屬、脫硫絲菌屬、脫硫球菌屬,HSRB與HPA在偏利共生的過(guò)程中巧妙地維持著系統(tǒng)的氫平衡,使氫分壓處于較低的水平.分析認(rèn)為,由于HSRB對(duì)分子態(tài)氫的直接利用而大幅度降低了系統(tǒng)的氫分壓,對(duì)AB和HPA的生化反應(yīng)起著重要的調(diào)控作用.在此互營(yíng)系統(tǒng)中,一旦生態(tài)條件(如pH、ORP等)改變使HSRB放慢對(duì)分子態(tài)氫的利用速率時(shí),HPA對(duì)丙酸的利用速率必然放慢,接著依次是丁酸和乙醇.但不一定出現(xiàn)VFA積累,因?yàn)閘-SRB、b-SRB、p-SRB會(huì)依據(jù)生境的改變調(diào)整其營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位寬度,使級(jí)聯(lián)式反應(yīng)維持一種有序的平衡.3產(chǎn)酸脫硫脫硫反應(yīng)器中分子氫的含量及穩(wěn)定性1)產(chǎn)酸脫硫反應(yīng)器中HPA和AB均可產(chǎn)生分子氫,但系統(tǒng)卻始終保持著較低的氫分壓,其原因是HSRB能夠快速、有效地利用分子氫.而較低的氫分壓又加速了AB和HPA的生化反應(yīng)的進(jìn)程,促使反應(yīng)體系正向平衡.2)若不存在FSRB時(shí),AB為阻止大量VFA產(chǎn)生造成生境pH的降低,勢(shì)必產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的分子氫.但產(chǎn)酸脫硫脫硫反應(yīng)器中FSRB、HPA與AB的偏利共生使AB產(chǎn)生VFA不成為限制條件,FSRB、HPA對(duì)VFA的迅速利用反而促使AB的產(chǎn)酸速率