脱氮硫杆菌的生物学特性及其在脱硫工艺中的应用

脱氮硫杆菌的生物学特性及其在脱硫工艺中的应用

近年来，经济高效的厌氧生物科学技术在浓度高、难以分解的废水处理中得到了广泛应用，并取得了良好的效果。然而，对于油、制药、制革、垃圾渗透等富有盐源的废水，在处理厌氧过程中产生了大量有毒副产物，尤其是像b2s这样的硫酸盐，这已成为阻碍厌氧技术发展的限制因素。传统的去污率高、二次污染严重、剩余污泥处理困难等优点，随着生物脱硅过程中的免费化剂化，单质硫回收矿质资源的优势越来越受到重视。其中，脱氮硫菌（thiobadians）是该菌的主要来源，比丝绸硫菌、硫合环硫菌和其他硫菌的硫菌种子区的硫污染更适合项目应用。已成为提取贫困工程菌的主要研究对象。废水脱氮的常规方法是生物硝化处理后再进行异氧反硝化,在处理过程中常因缺少电子供体而外加有机物如甲醇,以便进行异氧反硝化,而脱氮硫杆菌作为自养菌可利用硫化物作为电子供体氧化硫化物获取能量,同时还原硝酸盐为氮气,从而实现反硝化作用.本文综述了脱氮硫杆菌在废水脱硫、脱氮处理工艺中的应用,并在此基础上提出了同步脱氮、脱硫的新设想,希望能为开发废水处理新工艺提供新思路.1脱氮硫菌1.1菌株生长特性迄今为止,人们已经证实硫杆菌属(Thiobacillus)有8种:脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificans)、排硫硫杆菌(Thiobacillusthioparus)、那不勒斯硫杆菌(Thiobacillusnaples)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans)、新型硫杆菌(Thiobacillusnovellas)、中间硫杆菌(Thiobacillusintermedius)、代谢不全硫杆菌(Thiobacillusperometabolis).其中脱氮硫杆菌是较为特殊的一个种,它能在胞外聚集单质硫,在厌氧条件下以硝酸盐作为电子受体进行生长.脱氮硫杆菌为革兰氏阴性菌,细胞形态为短杆状,长度约0.5×(1.0~3.0)μm,具有内褶结构,端生鞭毛,运动性强,专性自养,兼性厌氧,最适pH值为中性,在8~37℃范围内均能生长,最适生长温度为28~30℃,是中温菌.广泛分布在土壤、淡水、海水、矿山的排水、阴沟污水、含硫温泉以及硫沉积的地方.1.2脱氮硫杆菌的代谢途径脱氮硫杆菌可以利用不同的硫化物作为底物,通过氧化作用获取能量.作为自养菌,它以二氧化碳为碳源来合成细胞成分,组成细胞成分的氮源主要来自氨盐,所需矿质元素为钙、镁、磷、铁、钾等自养菌常规所需的元素.表1列出了脱氮硫杆菌获取能量的8种典型生化反应.由前(7)式可见,在有氧条件下,脱氮硫杆菌以O2为电子受体,可根据不同供氧量生成不同产物.可以推断,若在有氧条件下,利用脱氮硫杆菌氧化硫化物生成单质硫,控制较低的溶解氧值是关键因素.否则,继续曝气会生成氧化态硫化合物.由表1第(8)式可见,在厌氧条件下,脱氮硫杆菌以NO3-为电子受体,氧化单质硫为硫酸盐的同时还原硝酸盐为氮气.从吉布斯自由能看,该反应过程产生能量很少.可以推断,若以硫化物作为电子供体,细胞可以获得更高的能量.这为寻求脱氮硫杆菌新的代谢途径提供了思路.2无机硫化在细胞体内的转化目前,利用硫杆菌作为工程菌种的生物脱硫工艺因电子受体的不同可分为好氧和厌氧两种.前者是以氧(O2)作为电子受体的生物脱硫工艺,后者是以硝酸盐(NO3-)作为电子受体的生物脱硫工艺.两种工艺中,无机硫化物在细胞体内的转化途径如下1hs-系膜束缚[S0]↔[S0];2其他脱氮硫杆菌的培养[S0]→SO32-→SO42-.Hansen等发现一株既能将硫化物氧化为单质硫又能将其氧化为硫酸盐的脱氮硫杆菌纯菌株,试验表明底物浓度是该菌株氧化硫化物的限制因素.当反应体系中S2-质量浓度>2mg/L时,才有单质硫积累;否则,反应体系中的S2-将直接氧化为SO42-.这主要是由于脱氮硫杆菌为满足不同的能量需求而产生的硫化物氧化途径的差异(见表1).2.1好氧反应器运行考察受水剂为其它非氧化硫氧的反应脱氮硫杆菌在有氧条件下的生物脱硫过程为2HS−+O2→2S0+2OH−,2S0+3O2→2SO42−+2H+.2ΗS-+Ο2→2S0+2ΟΗ-,2S0+3Ο2→2SΟ42-+2Η+.众所周知,控制硫化物氧化过程的限制性因素(如溶解氧、水力停留时间、硫化物负荷等)在适宜的范围,是提高工艺系统反应速率和运行稳定性的关键.Buisman通过好氧反应器运行考察了在充分曝气条件下,O2对硫化物转化为硫酸盐过程(S2-→S0→SO42-)的影响,结果见表2.由表2可见,进水硫化物的质量浓度是影响硫化物转化的关键,即使在溶解氧充足的条件下,随着进水S2-质量浓度的升高会达到一个阈值,当超越这一阀值时,SO42-的生成率会迅速下降,而S0的产量会迅速提高.同时,硫化物转化为单质硫的阈值还与HRT、反应器内的生物量等条件密切相关,尤其是硫氧(S2-/O2)比也是生物脱硫工艺的一个重要的控制指标.欲实现目的产物尽量为单质硫,应控制反应体系中最佳的硫氧比值.左剑恶等也采用好氧生物膜反应器探讨硫酸盐还原相出水的生物脱硫情况,其水质条件为:进水COD为3000~4500mg/L,硫化物(S2-)质量浓度为200mg/L,硫化物的容积负荷为12kg/(m3·d),HRT为22min,DO为5.0~5.5mg/L,pH值为7~8的条件下,硫化物的去除率可达90%以上,被去除的硫化物几乎全部转化为单质硫,有机物的去除率在10%左右.2.2脱硫废水的处理在厌氧条件下,脱氮硫杆菌能以硫化物作为电子供体,以NO3-作为电子受体,进行氧化还原反应获取能量.而且,在此过程中可以实现对废水中硫化物和硝酸盐的有效去除,并回收单质硫.因此,近几年来,利用脱氮硫杆菌进行生物脱硫的研究倍受关注.Kerry选用脱氮硫杆菌(ATCC23642)对CSTR反应器进行接种,采用人工配水调节进水中S2-、NO3-、SO42-、NH4+的浓度对SO42-/H2S、NO3-/H2S、OH-/H2S以及生物量/H2S等参数进行探讨,结果表明,脱氮硫杆菌对H2S具有很高的去除率.Gommers等人利用脱氮硫杆菌Thiobacillusdenitrificans进行试验.结果表明:该细菌能以废水中的NO3-为电子受体,将硫化物氧化为单质硫,NO3-则被还原为氮气;反应器对废水中硫化物、乙酸和NO3-的去除效果都较好,负荷分别达到:硫化物2~3kg/(m3·d),乙酸4~6kg/(m3·d),NO3-5kg/(m3·d);氧化生成的单质硫被进一步氧化为SO42-的情况很少发生.试验中还发现,在缺少NO3-时,细菌能利用单质硫作为电子受体,并将其还原为硫化物.3s1-/ws国内外学者对脱氮硫杆菌的脱氮作用也进行了大量的研究,分别从水力停留时间、污泥负荷、硫化物浓度对NO3-还原能力的影响等方面对脱氮硫杆菌的脱氮能力进行了考察.杨秀山利用ANANOX(Anaerobic-Anoxic-Oxic)系统中的缺氧相对脱氮硫杆菌利用气相中产生的NO3-和甲烷相中产生的二价硫进行反硝化能力的测试,研究表明,脱氮率(NO3-/VSS)可达3.5mg/(g·h),当污泥负荷率(S2-/VSS)低于28.5mg/(g·d)、821mg/L时NO3-被还原的质量浓度与反应器中的S2-质量浓度呈正相关性,当超过这一负荷时,S2-对脱氮硫杆菌的活性有明显的抑制作用;并根据反应器的流态分布对反应器不同位置的的异氧反硝化菌和脱氮硫杆菌进行MPN法计数,所得结果与该部位的反硝化处理效率进行对比,表明在适当生态位下脱氮硫杆菌能够保证优势地位且具有很高的个体脱氮效率.Koenig利用底泥中富集得到的脱氮硫杆菌对以硫磺颗粒为填料的UASB进行接种,处理含高NO3-质量浓度的垃圾填埋渗滤液污水,结果表明:当HRT=5.17h时,NO3--N的处理质量浓度可高达400mg/L,处理效率接近100%,在自养反硝化过程中,除产生大量氮气外,还有一定量的CO2.刘玲花以脱氮硫杆菌为工程菌,硫与石灰石为填料的滤柱去除地下水中的NO3-,在进水NO3--N质量浓度为25mg/L,滤速为1.5m/h,HRT=1.05h,t=22~24℃条件下,硝酸盐的去除率>98%,生物量可达到每mL滤料108~109个.4-2d正交试验目前,脱氮硫杆菌在水处理中的应用主要集中在:1)好氧脱硫;2)厌氧脱硫;3)厌氧反硝,还没有关于利用脱氮硫杆菌在厌氧条件下具有脱硫和脱氮的独特生理特性、进行同步、脱氮脱硫,并将脱硫产物控制在单质硫阶段的相关报道.控制适宜的生态条件,尤其是硫氮比(即S2-/NO3-比值),使硫化物氧化(S2-→S0)和硝酸盐还原(NO3-→N2)两过程中的电子转移达到平衡可以实现同步脱氮、除硫回收单质硫的目标.而且,该工艺具备以下优点:1)无需对反应器进行曝气,可降低运行成本;2)无需外加有机物作为电子受体,既降低成本又避免了增大反应器的负荷,造成二次污染;3)生成的单质硫可进行资源回收,取得良好的经济效益.近年来,从酶学和遗传学角度研究生物脱硫过程的分子机理也取得了一定的进展.已证明在菌株中存在特定的酶催化基因,它们已被克隆和测序,并获得了纯化的表达产物.今后有关同步脱氮、脱硫工艺研究和应用应重视以下几方面:1)利用现代生物技术构建活性更高、遗传稳定性更好的同步脱