乙酸、丙酸和丁酸为SRB碳源时的利用率.pdf

第3 6 卷第4 期 冲国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o ．4 2 0 0 7 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ u l y2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 4 0 5 2 7 0 4 乙酸、丙酸和丁酸为S R B 碳源时的利用率 宋秀兰，李亚新 太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 摘要用以乳酸钠为碳源的培养基富集了硫酸盐还原菌 S R B ．研究了乙酸、丙酸和丁酸作为 S R B 碳源进行硫酸盐还原时，S R B 对硫酸盐的还原率及相应3 种挥发脂肪酸 V F A 的利用率． 结果表明乙酸、丙酸和丁酸作为S R B 碳源时，S R B 对硫酸盐还原率的大小依次为丙酸、丁酸、 乙酸，S R B 对各种V F A 理论利用率的大小依次为丙酸、丁酸、乙酸．由此确定利用污泥酸性发酵 产物作为S R B 碳源时，应向使污泥发酵产物中丙酸比例最大的方向控制． 关键词乙酸；丙酸；丁酸；硫酸盐还原菌；碳源 。 中图分类号X7 0 3文献标识码A U t i l i z a t i o nR a t i oo fA c e t i c ，P r o p i o n i ca n d N B u t y r i cA c i d sU s e da sC a r b o nS o u r c e so fS R B S O N GX i u l a n ，L IY a - x i n C o l l e g eo fE n v i r o n m e n tS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， T a i y u a n ，S h a n x i0 3 0 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t S u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a S R B w a se n r i c h e dw i t hc u l t u r em e d i au s i n gs o d i u ml a c t a t e a sc a r b o ns o u r c e ．S u l f a t er e d u c i n gr a t i oa n dd i f f e r e n tv o l a t i l ef a t t ya c i d su t i l i z a t i o nr a t i ow i t h S R Bw a rs t u d i e d ，w i t ha c e t i c ，p r o p i o n i ca n dn - b u t y r i ca c i d su s e da sc a r b o ns o u r c e sr e s p e c t i v e l y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u l f a t er e d u c i n gr a t i ow i t hS R Bd e c r e a s e si nt h eo r d e ro fp r o p i o n i c ，n b u t y r i ca n da c e t i ca c i d s ；t h eu t i l i z a t i o nr a t i oi nt h e o r yo fe v e r yk i n do fs h o r t c h a i nV o l a t i l eF a t t yA c i d s V F A w i t hS R Ba l s od e c r e a s e si nt h eo r d e ro fp r o p i o n i c ．n b u t y r i ca n da c e t i c a c i d s ．T om a k es u l f a t er e d u c i n gr e a c t o rm o r ee c o n o m i c a l ，p r o p i o n i ca c i dc o n t e n ts h o u l db et h e l a r g e s ti nt h es l u d g ef e r m e n t a t i o np r o d u c tc o m p o n e n tw i t hs l u d g ef e r m e n t a t i o np r o d u c ta sc a r b o ns o u r c e ． K e yw o r d s a c e t i ca c i d ；p r o p i o n i ca c i d ；n b u t y r i ca c i d ；s u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a ；c a r b o ns o u r c e 硫化系矿物开采过程中产生的大量含硫酸盐 酸性废水，如果不处理直接排放，将会危害环境及 人体健康；特别是硫酸盐对构筑物广泛应用的混凝 土的侵蚀，近些年来也引起了人们的关注[ 1 ] ．生物 法处理这类废水是含硫酸盐酸性废水污染控制的 前沿课题，其关键在于选择技术可行、经济合理的 碳源[ 2 ] ．P r a s a d 等[ 3 ] 认为未经厌氧消化的污水处 理厂污泥 以下简称污泥 是生物法处理硫酸盐酸 性废水适合的碳源．污泥是污水处理过程中产生的 固体废物，它是由多种微生物形成的菌胶团及其吸 附的有机物和无机物的集合体；如果得不到妥善处 理，将造成二次污染，如何将成分复杂、数量巨大的 污泥经过科学处理，使其减量化、稳定化、无害化和 资源化，成为国际环境工程界广泛关注的课题之 收稿日期2 0 0 6 0 9 一0 6 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 2 7 8 0 6 0 ；山西省留学归国人员研究基金项目 2 0 0 2 1 9 ；山西省自然科学基金项目 2 0 0 6 0 1 1 0 4 4 作者简介宋秀兰 1 9 6 7 一 ，女，山西省定襄县人，副教授，博士研究生，从事水污染控制工程理论和技术等方面的研究． E - m a i l x l s o n 9 1 2 3 1 6 3 ．C O W lT e l 0 3 5 卜6 0 1 0 0 1 4 ，8 6 9 0 2 3 1 万方数据 5 2 8中国矿业大学学报第3 6 卷 一[ 4 1 ；如何采用生物技术将污泥高效转化为有机碳 源，已受到国内外部分学者的重视[ 5 ] ．据报道，污泥 酸性发酵可产生乙酸、丙酸和丁酸等挥发脂肪酸 v o l a t i l e { a t t ya c i d s ，V F A E 6 - 8 3 ，而污泥发酵的条件 决定其发酵产物中各种V F A 的相对组成口] ．为了 最大限度地从污泥中获取适合生物法处理硫酸盐 酸性废水所需的碳源物质，本研究考察了乙酸、丙 酸、丁酸等V F A 作为硫酸盐还原菌 s u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a ，S R B 碳源进行硫酸盐还原试验时，各 种酸的利用率及其对硫酸盐的去除效果，从而确定 污泥酸性发酵产物作为S R B 碳源时的发酵方向． 1材料和方法 1 ．1 S R B 的富集培养 从太原硫酸厂取火车道下泥、地沟泥、路面干 土、下水道口泥作种源，用培养S R B 的培养基培 养，培养基成分p N H 。C 1 为1g ／L ，p K H 2 P O 。 为0 ．5 g ／L ，p N a 2 S 0 4 为1g ／L ，p M g S 0 4 7 H 2 0 为2g ／L ，p C a C I z 为0 ．0 6g ／L ，p 酵母汁 为1g ／L ，p F e S O 。 为0 ．5g ／L ，_ ；D 乳酸钠 为3 ．5 g ／L ，p 维生素C 为0 ．1g ／L ，p H 为7 ．5 ．培养过 程中发现接种路面干土第3 天就有气泡和黑色沉 淀F e S 产生，其它种源均未见有关现象，说明路面 干土中S B R 数量多．故确定路面于土为种源，并采 用序批式反应器扩大培养S R B ，2d 换一次水，进 水硫酸盐的质量浓度为0 ．7 ～3 ．5g ／L ，待硫酸盐 还原率达9 0 ％时，从瓶中取S R B 混合培养物作为 S R B 菌液供实验用． 1 ．2分析方法 1 硫酸盐浓度的测定采用铬酸钡光度法． 2 V F A 乙酸、丙酸、丁酸等 的测定采用国产 G C l 2 2 气相色谱仪的氢火焰离子检测器．气相色 谱分析条件色谱配置2m g P 4m m 不锈钢柱，内 装W H 。P O 。 为2 ％处理过的4 0 1 有机载体 1 7 7 ～1 4 9f f m ，载气N 流量为4 6m L ／m i n ，氢气流量 为4 1m L ／m i n ，空气流量为2 5 0m L ／m i n ，进样室 温为1 9 6 ℃．样品经离心过滤后，存于塑料离心管 内，加盖存于冰箱中，分析时用质量分数为1 0 ％磷 酸酸化到p H i 3 ，进样量2 肚L ． 3 S R B 对V F A 理论利用率是根据V F A 为 碳源时，S R B 的生物代谢反应式、硫酸盐进 出 水 浓度、V F A 进水浓度等计算求得． 1 ．3 硫酸盐的还原试验 取S R B 菌液3 0 0m L 分装于3 个5 0 0m L 玻 璃瓶中，有效容积为4 0 0m L ．每天换水2 0 0m L ，进 水硫酸盐的质量浓度约为3 0 0m g ／L ，分别以乳酸 钠 乙酸、乳酸钠 丙酸、乳酸钠 丁酸为碳源，将 碳源折算为C O D ，即瓶中按r e C O D r e S O 一 一1 1 投加，逐渐增大碳源中乙酸、丙酸和丁酸浓 度，7d 后，瓶中碳源全部换为乙酸、丙酸和丁酸． 在此基础上2d 换水一次 换水时尽量将上清液倒 尽 ，进水中，乙酸为碳源时，硫酸盐的质量浓度为 4 4 5 ．5 2 ～9 2 4 ．7 7m g ／L ，乙酸的质量浓度为1 7 1 ．3 1 ～4 3 8 ．7 7m g ／L ；丙酸为碳源时，硫酸盐的质量浓 度为2 2 6 ．6 5 ～8 6 8 ．1 7m g ／L ，丙酸的质量浓度为 2 0 9 ．0 8 ～8 3 4 ．5 7m g ／L ；丁酸为碳源时，硫酸盐的 质量浓度为4 5 8 ．7 3 ～8 1 5 。3 4m g ／L ，丁酸的质量浓 度为1 1 5 ．0 4 ～5 8 6 ．2 1m g ／L ，分析培养2d 前后瓶 中V F A 和硫酸盐． 2 结果与讨论 2 ．1乙酸为S R B 碳源时的硫酸盐还原试验 乙酸为碳源时，硫酸盐还原菌的生物代谢反应 式为 C H a 0 0 一4 - S O i 一一2 H C O f4 - H S 一． 1 试验结果如图1 所示，硫酸盐还原率为 2 ．1 6 ％～9 ．4 6 ％，乙酸实际利用率为2 9 ．4 5 ％～ 8 4 ．6 3 ％，S R B 对乙酸理论利用率为2 ．8 9 ％～ 2 4 ．0 9 ％，其中S R B 对乙酸理论利用率是根据反应 式 1 及有关实验值计算求得．结果表明，乙酸实际 利用率与S R B 对乙酸理论利用率相差较大，乙酸 实际利用率偏高．检测瓶中气体，发现有甲烷产生， 证明菌源中含有产甲烷菌，乙酸实际利用率偏高是 由于2 5 ．2 0 ％～8 1 ．1 4 ％乙酸被菌液中含有的甲烷 菌作为底物直接利用所致． 1 0 0 摹8 0 旃6 0 擘4 0 * 2 0 2 ．2丙酸为S R B 碳源时的硫酸盐还原试验 丙酸为碳源时，硫酸盐还原菌的生物代谢反应 式为 4 C H 3 C H z C O O 一 3 S O } _ 一 4 C H 3C O O 一4 - 3 H S 一4 - H 4 - 4 H C 0 f ． 2 试验结果如图2 所示，硫酸盐还原率为 6 0 ．9 7 ％～9 6 ．3 6 ％，丙酸实际利用率为8 1 ．6 0 ％～ 万方数据 第4 期 宋秀兰等乙酸、丙酸和丁酸为S R B 碳源时的利用率5 2 9 1 0 0 ％，S R B 对丙酸理论利用率为7 6 ．5 9 ％～ 1 0 0 ％，其中S R B 对丙酸理论利用率是根据反应式 2 及有关实验值计算求得．结果表明，丙酸实际利 用率与S R B 对丙酸理论利用率基本吻合，丙酸绝 大多数是被S R B 利用．这是因为产氢产乙酸菌利 用丙酸产酸的过程只有在氢分压低时才能进行，并 且对丙酸的转化率很慢，所以菌液中含有的产氢产 乙酸菌对丙酸的利用率很小．检测瓶中气体，发现 有少量的甲烷产生，证明菌源中含有产甲烷菌，这 是反应过程中产生的乙酸被产甲烷菌利用的结果． 1 2 0 1 0 0 辩 露4 0 2 0 0 时间／d 图2 丙酸为碳源时，S R B 对硫酸盐的还原率和丙酸利用率 F i g ．2 S u l f a t er e d u c i n gr a t i oa n du t i l i z a t i o nr a t i oo f p r o p i o n i ca c i df o rS R Bw i t hp r o p i o n i c a c i da sc a r b o ns o u r c e 2 ．3丁酸为S R B 碳源时的硫酸盐还原试验 丁酸为碳源时，硫酸盐还原菌的生物代谢反应 式为 2 C H 3 C H 2 C H 2 C O O 一十3 s O F 一 2 C H 。C O O 一 4 H C O f H 3 H S 一． 3 试验结果如图3 所示，硫酸盐还原率为 4 ．9 4 ％～3 3 ．7 8 ％，丁酸实际利用率为7 5 ．8 6 ％～ 1 0 0 ％，S R B 对丁酸理论利用率为1 2 ．0 3 ％～ 4 9 ．7 8 ％，其中S R B 对丁酸理论利用率是根据反应 式 3 及有关实验值计算求得． 1 2 0 垂1 窭 * 2 0 O 时间／d 图3 丁酸为碳源时，S R B 对硫酸盐的还原率和丁酸利用率 F i g ．3 S u l f a t er e d u c i n gr a t i oa n du t i l i z a t i o nr a t i oo f n b u t y r i ca c i df o rS R Bw i t hn b u t y r i c a c i da sc a r b o ns o u r c e 结果表明，丁酸为S R B 碳源时硫酸盐还原率 较丙酸为S R B 碳源时硫酸盐还原率低，说明丁酸 较丙酸不易被S R B 利用．丁酸实际利用率与S R B 对丁酸理论利用率相差较大，丁酸实际利用率偏 高．检测瓶中气体，发现有甲烷产生，但是产甲烷菌 只能利用简单的碳烃化合物，如H 。／c o 。、甲酸、乙 酸、甲醇、甲胺类等[ 10 | ，丁酸不可能被产甲烷菌直 接利用．这里认为丁酸被菌源中含有的产氢产乙酸 菌利用，因为在有消耗氢的S R B 存在的条件下，产 氢产乙酸菌利用丁酸的产乙酸过程可顺利进行，从 而导致了丁酸的实际利用率偏高． 综上所述，乙酸、丙酸和丁酸做S R B 碳源进行 硫酸盐还原时，S R B 对硫酸盐还原率从大到小依 次为丙酸、丁酸、乙酸，S R B 对乙酸、丙酸和丁酸 的理论利用率从大到小依次为丙酸、丁酸、乙酸． 产生这样的结果是因为不同的污泥来源，不同的驯 化条件下得到的生态系统中利用碳基质的S R B 的 分布有较大差别，从而表现为污泥对各种碳源具有 不同的消化能力n 1 。．本实验所用的S R B 混合培养 物是以乳酸钠为碳源培养的，乳酸钠水解会产生丙 酸和乙酸．在有乳酸钠、丙酸和乙酸存在的条件下， 出于快速利用底物和保存能量的目的，使一些利用 脂肪酸的一类S R B 迅速繁殖起来，成为优势种群， 通过“非完全氧化型”分解代谢方式利用乳酸钠、丙 酸和丁酸等V F A ，终产物为乙酸．因此，丙酸为碳 源时，S R B 对硫酸盐还原率最大，使生物还原反应 器有更高效率．故污泥酸性发酵产物做S R B 碳源 时，应向使污泥发酵产物中丙酸比例最大的方向控 制． 3 结论 1 乙酸做S R B 碳源，进行S O i 还原试验， S O i 还原率为2 ．1 6 ％～9 ．4 6 ％，乙酸的实际利用 率为2 9 ．4 5 ％～8 4 ．6 3 ％，乙酸的理论利用率为 2 ．8 9 ％～2 4 ．0 5 ％，乙酸的实际利用率偏高，这是因 为S R B 混合培养物中含有甲烷菌，消耗一部分乙 酸所致． 2 丙酸做S R B 碳源进行s o l 一还原试验， S O i 还原率为6 0 ．9 7 ％～9 6 ．3 6 ％，丙酸的实际利 用率为8 1 ．6 0 ％～1 0 0 ％，丙酸的理论利用率为 7 6 ．5 9 ％～1 0 0 ％，丙酸的实际利用率与丙酸的理论 利用率基本吻合． 3 丁酸做S R B 碳源进行s o l 一还原试验， S O 一还原率为4 ．9 4 ％～3 3 ．7 8 ％，丁酸的实际利用 率为7 5 ．8 6 ％～1 0 0 ％，丁酸的理论利用率为 1 2 ．0 3 ％～4 9 ．7 8 ％，丁酸的实际利用率偏高是因为 S R B 混合培养物中含有产氢产乙酸菌，利用丁酸 产生乙酸，其中部分乙酸又被产甲烷菌利用． 4 乙酸、丙酸、丁酸做S R B 碳源时，S R B 对它 们理论利用率大小依次为丙酸、丁酸、乙酸；S R B 对硫酸盐还原率大小依次为丙酸、丁酸、乙酸；故 丙酸为碳源时，S R B 对硫酸盐还原率最大，使生物 还原反应器有更高效率．故污泥酸性发酵产物做 万方数据 5 3 0 中国矿业大学学报第3 6 卷 S R B 碳源时，应向使污泥发酵产物中丙酸比例最 大的方向控制． 参考文献 E l i E 2 ] E 3 ] E 4 ] [ 5 ] 梁咏宁，袁迎曙．硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能 退化的影响[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 4 4 5 2 - 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p h a s ed i g e s t e rf o { d e n i t r i f i c a d i o n [ J ] ．J o u r n a lo fB i o t e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，1 1 4 3 2 8 9 2 9 7 ． S H A N A B L E HA ，J O N E SS ．P r o d u c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fv o l a t i l ef a t t ya c i d sf r o ms l u d g es u b j e c t e d t oh y d r o t h e r m a lt r e a t m e n t [ J ] ．W a t e rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，4 4 1 0 1 2 9 1 3 5 ． D J A F E RM ，L U C KF ，R O S EJP ，e ta 1 ．T r a n s f o r ～ m i n gs l u d g ei n t oar e c y c l a b l ea n dv a l u a b l ec a r b o n s o u r c eb yw e ta i ro x i d a t i o n [ J ] ．W a t e rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，4 1 8 7 7 8 3 ． 任南琪，王爱杰，马放．产酸发酵微生物生理生态 学[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 5 1 2 0 1 2 7 ． 马溪平．厌氧微生物学与污水处理[ M ] ．北京化 学工业出版社，2 0 0 5 2 4 2 8 ． 李亚新，苏冰琴．硫酸盐还原菌和酸性矿山废水的 生物处理[ J ] ．环境污染治理技术与设备，2 0 0 0 ，1 5 4 7 ． L IY a - x i n ，S UB i n g q i n ．R e d u c i n gb a c t e r i aa n db i o l o g i c a ls u l f a t et r e a t m e n to fa c i dm i n ed r a i n a g e [ J ] ． T e c h n i q u e sa n dE q u i p m e n tf o rE n v i r o n m e n t a lP o i l u - t i o nC o n t r o l ，2 0 0 0 ，1 5 4 7 ． 责任编辑邓群 万方数据