文章推荐 | 周集体教授团队：以剩余污泥热碱解液为碳源时硫酸盐还原菌处理硫酸盐废水

针对在处理碱法烟气脱硫所产生的高浓度硫酸盐废水过程中存在的碳源不足问题，探究了以剩余污泥热碱解液作为硫酸盐还原菌混合菌群(SRBs)碳源的可行性。通过SRBs对在不同条件下破解剩余污泥产生的热碱解液的利用效果，确定最利于SRBs利用的剩余污泥热碱解条件为：pH=13，T=70℃，破解时间为10h；最佳硫酸盐(SO₄^2-)去除反应的工艺参数为：pH=7，T=35 ℃，ρ(COD)=10000 mg/L，ρ(SO₄^2-)=2500 mg/L。在最佳反应条件下，SO₄^2-去除率可以达到90%以上，COD利用率达到80%。将SRBs利用污泥热碱解液作为碳源去除SO₄^2-的效果与4种SRBs常见碳源(乳酸钠、丙酸钠、乙酸钠和葡萄糖)进行对比，实验证明：5种碳源均可被SRBs利用，热碱解液为碳源时SO₄^2-去除率最高，乳酸钠次之，乙酸钠最低。研究证明剩余污泥热碱解液可以作为SRBs的优质碳源，这可为处理SO₄^2-废水和污泥资源化处置提供新思路。

在生产活动中，通常利用液体吸收剂对烟气中的SO2进行吸收^[1]，从而产生大量含有高浓度硫酸盐且缺乏营养物质的废水^[2]。当利用碱性吸收液对烟气中SO₂进行吸收时，脱硫率可以达到99%，废液中硫酸盐浓度达到10000 mg/L以上^[3,4]。该类废水直接排放会引起水体及土壤结构发生变化，从而对环境造成污染。硫酸盐还原菌(SRBs)是一类以有机物作为电子供体，SO₄^2-、SO₃^2-等硫化物作为电子受体的兼性厌氧细菌^[5]，且具有一定的金属耐受性，被广泛应用于硫酸盐废水、酸性矿山废水的处理中^[6]。利用生物法处理硫酸盐废水过程中需要外加乳酸盐、乙酸盐或丙酸盐等作为SRBs的碳源，化学药剂的添加会导致运行成本增加并造成二次污染，因此寻求廉价易得的SRBs的优质碳源已成为近年来的研究热点。周磊等^[7]按照质量比10∶1将玉米芯和牛粪混合后进行发酵，利用产生的发酵液作为SRBs的复合碳源，证明该种复合碳源可以被SRBs充分利用。郭琼等^[8]证实利用圆币草发酵液作为SRBs碳源的效果优于葡萄糖和蔗糖，硫酸盐的最大还原率可达到60%。张琳琳等^[9]利用果皮发酵液作为SRBs的碳源处理酸性含铀硫酸盐废水，实验结果表明发酵液作为SRBs碳源具有可行性，且处理效果良好。但是上述研究中原材料的来源具有一定的局限性，寻找产量大且能够实现废物利用的SRBs有效碳源仍是需要深入研究的问题。

随着污水处理厂的增设，剩余污泥产量不断增长，预计2025年我国污水处理厂污泥年产量将超过9000万 t^[10]。污泥热水解技术可以使胞内有机质得到有效释放，污泥碱解技术可以加速溶胞过程，由2种技术结合形成的污泥热碱法是目前公认的破解效率较高的污泥资源化利用预处理方法^[11]。Gao等^[12]利用热碱法在pH=12、T=120℃，对剩余污泥进行4 h的热碱解，在此条件下，蛋白质的提取率可达到88.3%。徐静阳等^[13]将剩余污泥热碱解液用于微生物油脂生产中，实验结果表明菌体生长良好且油脂产量可以达到35%，证明菌体可以有效地利用热碱解液作为碳源。热碱解液还被广泛的应用于改善污泥厌氧消化^[14]。YU等^[15]研究表明在以猪粪为基质的厌氧消化反应过程中添加污泥热碱解液可以提高反应效率。以上研究表明热碱解技术可以有效破解剩余污泥，产生的热碱解液可以作为微生物的碳源。根据生物脱硫过程中产生的废水SO₄^2-浓度较高的特点以及高浓度的SO₄^2-有利于SRBs在与产甲烷菌群(MPB)竞争中成为优势菌群^[16]，本研究采用在高SO₄^2-浓度条件下进行实验，利用热碱法在不同条件下破解剩余污泥，将产生的污泥热碱解液作为SRBs去除SO₄^2-的碳源，旨在为处理缺少碳源的高浓度硫酸盐废水和污泥资源化利用提供新思路。

热碱解实验所用污泥采用金州西海污水处理厂产生的剩余污泥。剩余污泥取回后置于4 ℃冰箱冷藏保存，每次取用前经30目筛网去除砂粒等大颗粒杂质，进行洗泥处理，将含水率调至95%，检测TCOD、SCOD、蛋白质、多糖、TSS和VSS等基本指标，结果如表1所示。

1）菌群培养。

取20g过筛后的剩余污泥加入200 mL的SRBs专属培养基中，在初始pH=7、8、9、10的条件下富集培养，直至溶液变黑，有臭鸡蛋的气味散出，将湿润的醋酸铅试纸放在瓶口，醋酸铅试纸变黑，说明体系中有H₂S产生，证明混合菌液中含有SRBs。取20 mL混合菌液转移到200 mL新的培养基中重复培养2次，得到SRBs菌群，将其放入-80 ℃冰箱进行保存。每次使用前，以10%(体积比)的接种率利用SRBs专属培养基活化培养7 d。

SRBs专属培养基^[17]：K₂HPO₄ 0.5 g/L，NH₄Cl 1.0 g/L，CaCl₂ 0.05 g/L，MgCl₂·6H₂O 2.0 g/L，Na₂SO₄ 1.0 g/L，FeSO₄·7H₂O 0.5 g/L，乳酸钠1.1 mL/L，酵母膏1.0 g/L，抗坏血酸0.1 g/L，并用1 mol/L的NaOH调pH=7、8、9、10。

2）污泥热碱解。

污泥热碱解过程中细胞破解有效率随着热碱解pH升高而增大^[18]，本实验控制热碱解pH=13，以保证剩余污泥具有最好的污泥破解效果^[19]。取450 mL含水率95%的剩余污泥置于1 L烧杯中，利用4 mol/L的NaOH将剩余污泥pH调至13，置于恒温加热磁力搅拌水浴锅中，利用水浴锅控温，在转速为1200  r/min的条件下，对剩余污泥进行热碱解。

3）硫酸盐还原。

硫酸盐还原实验于250 mL装配有二通补料盖的厌氧发酵瓶中进行，加入1.2.2热碱解得到的污泥热碱解液、硫酸盐(Na₂SO₄和FeSO₄所含SO₄^2-的质量比为4∶1)、氮源等营养成分，调整ρ(C)∶ρ(N)∶ρ(P)=200∶5∶1，连接250 mL的铝箔集气袋收集气体。该实验装置以10%(体积比)的接种率接种1.2.1中培养好的菌群，曝气10 min后置于35 ℃的恒温摇床中反应，利用批式实验讨论以热碱解液为SRBs碳源的最佳SO₄^2-去除反应条件。参数设置依次为：污泥热碱解温度(T=50, 60, 70, 80, 90, 100 ℃)；污泥热碱解时间(t=4, 6, 8, 10, 12 h)；SO₄^2-去除反应初始COD、SO₄^2-浓度；反应初始pH(7、8、9、10)；不同碳源(污泥破解液、乳酸钠、乙酸钠、丙酸钠、葡萄糖)。

4）分析项目及方法。

COD测定采用快速消解分光光度法(哈希消解仪)^[20]，蛋白质测定采用考马斯亮蓝法^[21]，溶解性多糖测定采用测定苯酚—硫酸法^[22]，挥发性脂肪酸(VFAs)测定采用气相色谱法(天美GC7980)测定。

硫酸盐(SO₄^2-)测定采用离子色谱法测定(ICS-1100，Dionex，美国)，检测条件：淋洗液为含有8.0 mmol/L Na₂CO₃和1.0 mmol/L NaHCO₃，保护柱为IonPac AG14A(4×50 mm)型，分析柱IonPac AS14A(4×250 mm)型，温度为35 ℃，抑制器SRS(4mm)型电流为43 mA进样量为25 μL，在淋洗液流速为1 mL/min进行测定。

三维荧光光谱图(3D-EEM)采用荧光光谱仪(Cary Eclipse03030429)测定，设置激发波长(E_x)为200~450 nm，发射波长(E_m)为250~550 nm，扫描速度为9600  nm/min。

菌群分析采用宏基因技术，每组3个平行样本各取10mL均匀混合，送往生物工程(上海)股份有限公司进行宏基因组测序。

本实验首先利用热碱解条件为pH=13，T=50, 60, 70, 80, 90, 100℃，热碱解12 h产生的热碱解液作为SRBs的碳源。设定初始pH=9、T=35℃，ρ(COD)=10000 mg/L，ρ(SO₄^2-)=2500 mg/L，SO₄^2-去除效果如图1所示。

由图1可以看出：在相同的初始反应条件下，随着反应进行，SO₄^2-去除率不断提高。在热碱解温度为70 ℃条件下得到的热碱解液作为碳源，SO₄^2-去除率最高，在20 d能达到93.88%。6个反应体系中VFAs总量呈先上升再降低的趋势，约在第5天达到峰值，这是因为混合菌群中除SRBs外还存在大量其他菌种，由于不同功能微生物种群间的协同作用，可以将未破解完全的污泥破解液中的有机物进一步发酵或分解成小分子物质，然后再被利用^[23]。随着反应进行，易分解的大分子有机物耗尽，SO₄^2-去除率也随之降低。以热碱解温度T=50, 60, 70℃条件下生成的热碱解液作为碳源，在反应过程中产生的VFAs总量较高，其中在T=70℃的热碱解液作为碳源的体系中，VFAs总量达到峰值后，下降速率最快，说明该反应体系中菌群利用VFAs的速率快，菌群活性强，因此在该温度下SO₄^2-的去除率最高。在T=80, 90, 100℃体系下，随着热碱解温度升高VFAs总量峰值在不断降低，在热碱解温度为100 ℃时，VFAs总量峰值最低(约2000 mg/L)，这是因为随着热碱解温度提高，剩余污泥水解率提高，部分挥发性有机物散失，难以破解的大分子有机物难以被微生物进一步水解利用。

在上述反应条件下，对反应前后各体系中的COD含量进行测定。不同破解温度产生的热碱解液作为SRBs碳源的利用率(以COD计)如图2所示。

由图2可以看出：SRBs对在70 ℃条件下热碱解污泥产生的热碱解液利用率最高，对50, 60 ℃的热碱解液利用率要高于100 ℃下热碱解污泥产生的热碱解液。这是由于在相同COD浓度下，在100 ℃条件下产生的热碱解液相较于50, 60 ℃的热碱解液含有更多的微生物难以利用的大分子有机物^[23]，与该条件下VFAs结果一致。

1）不同破解时间产生的热碱解液作为SRBs碳源时SO₄^2-去除率。

设定剩余污泥热碱解的pH=13、T=70 ℃，分别设定热碱解时间t=4, 6, 8, 10, 12 h对剩余污泥进行热碱解。利用在不同破解时间产生污泥热碱解液作为碳源，设置SO₄^2-去除反应初始pH=7、T=35 ℃、ρ(COD)=10000 mg/L、ρ(SO₄^2-)=2500 mg/L，SO₄^2-去除效果如图3所示。

由图3可以看出：SO₄^2-去除率随着污泥热碱解时间的延长而升高，其中热碱解10, 12 h时SO₄^2-去除率为95.39%、90.90%。破解4h的污泥热碱解液作为碳源时SO₄^2-去除率最低，这是由于在此条件下剩余污泥水解不完全，热碱解液中的大分子有机物含量较多^[19]，微生物难以利用。

2）不同破解时间污泥热碱解液作为碳源的体系中蛋白质、多糖的变化。

在反应过程中，体系中有机物被微生物利用而发生变化，对体系反应前后的蛋白质、多糖进行测定，结果如图4所示。

由图4可以看出：破解10 h的污泥热碱解液在反应初始时的蛋白质和多糖含量分别为868.25, 1119.10 mg/L，反应结束后蛋白质和多糖含量分别为156.29, 494.37 mg/L，总量下降最多，结合SO₄^2-的去除率，可以看出破解10 h的污泥热碱解液中有利于SRBs利用的物质含量较多，因此该体系中SO₄^2-去除效果最好。

3）最佳破解时间下污泥热碱解液作为碳源反应过程中体系荧光特征。

由上述实验可以看出，污泥热碱解pH=13，T=70 ℃，破解10, 12 h产生的热碱解液作为碳源的体系中SO₄^2-的去除效果较好，利用三维荧光光谱法对反应第1天、第10天和第20天时2种体系中部分有机物进行分析，结果如图5所示。

在相同稀释比例下，荧光强度反应出部分有机物在体系中的相对含量。荧光强度越强则该类物质在体系中占比越多^[24]。荧光光谱图共由5部分组成，分别为酪氨酸类蛋白(Ⅰ区)、色氨酸类蛋白(Ⅱ区)、富里酸类(Ⅲ区)、可溶性微生物代谢产物(Ⅳ区)、腐殖酸类(Ⅴ区)，区域划分如表2所示。其中Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区是微生物可降解的物质，Ⅲ区、Ⅴ区的物质微生物不可利用^[25]。

由图5可以看出：反应第10天时5个区域的荧光强度相较于第1天的体系大幅度增加，这是由于在SBRs菌群作用下，体系中的物质发生转化，其中可微生物利用的Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区的荧光强度增强幅度最大。反应第20天，Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区的荧光强度相较于第1天和第10天的体系有明显减弱，而Ⅲ区、Ⅴ区的物质基本没有改变，说明在反应过程中产生的可微生物利用的物质被SRBs利用。

将图5a，b对比可知：在反应初始时，2个体系中增溶性有机物的含量相近。在反应第10天时，以破解10 h产生的热碱解液为碳源的体系中，微生物可利用的色氨酸类蛋白质的荧光强度要远高于12 h的体系。在反应第20天时，12 h体系中的荧光强度要高于10 h体系，此时10 h体系中微生物可利用的物质含量要低于12 h的体系，说明SRBs主要利用污泥热碱解液中的色氨酸类蛋白质生长繁殖，而10 h体系中该类物质更多，加快了SRBs生长以及对SO₄^2-的还原，这与上述实验结果一致。

在反应过程中，体系中热碱液被菌群利用而减少。表3为破解10 h的污泥热碱解液作为SRBs碳源时，在反应第1、10、20天5个区域增溶性有机物百分比的变化。可知：反应第1天和第20天时Ⅰ、Ⅱ区荧光响应百分比和为69.32%、56.46%，进一步说明热碱解液作为SRBs碳源的可行性。

1）反应初始浓度对SO₄^2-去除的影响。

SRBs和其他微生物存在碳源竞争，有机物和SO₄^2-浓度会直接影响SRBs在微生物群落中占比和活性^[26]。热碱解液体系组分复杂，为探究反应最佳初始COD和SO₄^2-的浓度，利用在热碱解pH=13、T=70 ℃，破解12 h的热碱解液作为反应体系碳源，SO₄^2-初始浓度不同，SO₄^2-去除率如图6所示。4个体系SO₄^2-去除率分别在20, 28, 32, 36 d时达到平稳。

有研究表明高C/S有利于SO₄^2-去除^[25]。由图6可以看出：在反应初始ρ(COD)相同时，C∶S=4∶1[ρ(COD)：ρ(SO₄^2-)]的体系中SO₄^2-的去除率更高，在A体系中能达到93.88%。在相同C/S条件下，初始SO₄^2-浓度低的反应体系中SO₄^2-去除率更高，这是因为在相同容积的反应器中，由于SRBs对SO₄^2-的还原作用，反应初始SO₄^2-浓度高的体系中产物硫化物的浓度相对较高，微生物的活性受到抑制。

2）反应初始pH值对SO₄^2-去除的影响。

pH对微生物的影响主要是因为H⁺和细胞膜中的酶以及细胞壁中的酶相互作用的结果^[27]，SRBs对环境具有很强的适应性，能够在pH为5~9.5内生存^[28]。SRBs产生的硫化物在酸性体系中主要以H₂S的形式存在(约99%)，在中性和碱性条件下硫化物主要以HS^-的形式存在。H₂S在没有特异性受体的情况下，可以通过微生物细胞膜进入细胞质，对SRBs活性产生抑制作用^[29]，适当提高pH有利于解除H₂S的抑制^[30]。SRBs在pH≥11的条件下活性不佳，且热碱解液的pH<11，故本实验选取SO₄^2-去除反应pH的范围为7~10。

利用在热碱解pH=13、T=70 ℃，破解12 h的热碱解液作为反应体系碳源，根据上述实验确定的最优SO₄^2-去除反应条件，设置SO₄^2-去除反应的参数为：T=35 ℃，ρ(COD)=10000 mg/L，ρ(SO₄^2-)=2500 mg/L，考察反应初始pH(pH=7、8、9、10)对体系中SO₄^2-去除率的影响，结果如图7所示。

由图7可以看出：随着反应时间的延长，SO₄^2-的去除率不断升高，在初始反应pH=7时，反应第20天SO₄^2-的去除率最高(接近100%)，pH=8的去除效果较好(约90%)，这与Sharma等^[31]的研究SRBs适宜生存pH条件为中性偏碱相符合。VFAs约在第5天达到峰值，其中反应初始pH=7时，由于菌群活性好，反应过程中VFAs总量达到的峰值最高，第5~16天的VFAs的下降速率为408.70 mg/(L·d)。因此在SO₄^2-去除反应中，SRBs最佳适宜pH=7。

SRBs在去除硫酸盐的过程中需要外加碳源以保证去除效果，最常用的碳源有乳酸盐、乙酸盐、葡萄糖等。为探究热碱解液作为SRBs碳源的优越性，分别以乳酸钠(RSN)、丙酸钠(BSN)、乙酸钠(YSN)、葡萄糖(PTT)以及在pH=13、T=70 ℃、t=10 h条件下热碱解剩余污泥产生的污泥破解液(PJT)作为碳源，根据上述实验确定的SO₄^2-去除最佳反应条件，设置SO₄^2-去除反应初始pH=7、ρ(COD)=10000 mg/L、ρ(SO₄^2-)=2500 mg/L，结果如图8所示。

由图8可以看出：在反应第4天，热碱解液为碳源的体系中SO₄^2-去除率为15.95%，低于另外4种碳源，主要原因是SRBs可以对这4种碳源直接利用，而污泥热碱解液中含有大量大分子有机物，需要被微生物分解才能用于SO₄^2-的还原反应。反应4 d后热碱解液为碳源的体系中SO₄^2-去除速率明显增加，这是由于此时体系中VFAs含量较高。反应第20天时热碱液为碳源体系SO₄^2-去除率达到90%以上，远高于其他4种碳源，其中乳酸钠为碳源的反应中SO₄^2-去除率约为73%，葡萄糖约为57%，丙酸钠约为50%，乙酸钠仅有29%左右，这是由于乙酸钠会水解成乙酸，而乙酸对SRBs具有一定的毒性作用^[7]。Nielsen等^[32]研究也表明热碱解液组分复杂，复合有机物作为SRBs碳源具有一定优越性。

综上可知，SRBs以在pH=13，T=70 ℃，热碱解10h产生的热碱解液利用效果最好，利用宏基因技术对该体系中的菌群进行检测，结果如表4所示。

由表4可以看出：体系中Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Spirochaetes为主要的4个门。其中Proteobacteria和Firmicutes中都有SRBs的分布，且能够在高浓度SO₄^2-条件下成为优势菌群^[33]，其中Proteobacteria可以利用有机物作为电子供体对SO₄^2-进行还原[34]，Firmicutes在高C/S的情况下占有优势^[35]，Bacteroidetes可以参与有机硫化物的降解作用^[36]。由此可以看出，最主要的3个门的菌群对体系中硫酸盐的还原作用起到决定作用，在菌群中占比为87.54%。

体系中含有多种与SO₄^2-还原相关的菌属。Sinirhodobacter是一种新型的反硝化细菌属^[37]，Desulfovibrio为脱硫弧菌属，是常见的一类在中温条件下生存的SRBs，两者具有协同作用，有研究将两者的混合菌群用于强化高盐废水中的硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的去除效果，在菌群的协同作用下可以去除50%的SO₄^2-[38]。Sulfuricurvum在碳和硫循环中起着重要作用^[39]。Rhodobacter也被证明了是1种与SO₄^2-还原反应过程相关的反硝化菌属^[40]。Geobacter被报道是一种脱硫菌属^[41]，Zhang等^[42]研究表明Geobacter可以对元素S进行还原。Petrimonas可以将蛋白质、碳水化合物转变成CH₃COO^-和CO₂^[43]，而且有研究发现Petrimonas和Desulfovibrio菌属可以通过协同作用还原SO₄^2-并降解多环芳烃^[44]。综上，以10 h产生的热碱解液为碳源体系中含有大量与SO₄^2-还原过程相关的菌属，对SO₄^2-的还原具有良好的协同作用。

1）热碱解处理剩余污泥有利于剩余污泥中的有机物的溶出，并作为SRBs的碳源。剩余污泥热碱解最佳条件为：pH=13，T=70 ℃，破解时间t=10 h。最佳SO₄^2-去除反应条件为：pH=7，ρ(COD)=10000 mg/L，ρ(SO₄^2-)=2500 mg/L，此时SRBs以热碱解液为碳源SO₄^2-的去除率可达到90%以上。

2）热碱解液作为SRBs碳源具有一定优越性。在相同SO₄^2-去除反应条件下，5种碳源对SO₄^2-的去除率影响顺序为热碱解液>乳酸钠>葡萄糖>丙酸钠>乙酸钠。利用宏基因技术对以热碱解液为碳源体系中菌群进行检测，结果表明体系中含有大量Desulfovibrio、Sinirhodobacter、Sulfuricurvum、Rhodobacter等与SO₄^2-还原相关的菌属，污泥热碱解液可以有效地作为硫酸盐废水处理过程中的补充碳源。

3）该研究不仅对污泥水解液的综合利用研究方法进行了有益探索，还为该技术的工程化应用提供了理论支持。