硫酸盐还原菌颗粒污泥的生长、传质与脱硫脱碳性能研究.pdfVIP

摘要

硫酸盐还原菌（sulfatereducingbacteria,SRB）以硫酸盐为电子受体将其还原

为硫化物，实现硫酸盐废水的生物处理。SRB厌氧颗粒污泥具有运行成本低、抗

冲击性强以及微生物种群多样化等优点，被认为是硫酸盐废水脱硫脱碳的有效方

法之一。但是，SRB厌氧颗粒污泥的生长受诸多因素的影响，系统启动时间较长，

微生物空间分布与群落结构等生物信息缺乏以及底物在SRB颗粒污泥体系中的

传质方式与效果等方面的研究较少。针对这些问题，本文以强化硫酸盐废水处理

效率为目的，研究SRB颗粒污泥粒径变化的影响因素和SRB颗粒污泥中微生物

的空间分布、群落结构及代谢途径，提出SRB颗粒污泥的快速培养方法，揭示

SO42-在SRB颗粒污泥体系和单个颗粒污泥内部的传质方式，并建立单个SRB颗

粒污泥内SO42-传质速率的计算方法，为实现硫酸盐废水的高效处理提供理论依

据。

利用灰色关联方法研究了SRB颗粒污泥中蛋白与多糖质量比（PN/PS）、相

对疏水性和表面电荷密度等因素对颗粒污泥粒径影响的重要程度；采用荧光原位

杂交（FISH）技术鉴定了SRB颗粒污泥内微生物的种类及空间分布，研究了SRB

颗粒污泥的生长过程。结果表明，PN/PS通过对SRB颗粒污泥表面电荷密度与

相对疏水性的影响而间接影响颗粒粒径的大小。当颗粒污泥粒径小于2.5mm时，

SO42-可以传递到颗粒污泥内部中心区域，SRB菌群沿污泥颗粒径向均有分布；

但当粒径超过2.7mm时，SO42-在颗粒污泥中的传质受到一定限制，颗粒污泥内

部产生空腔和裂纹，并破碎成为新的颗粒污泥生长的核心或载体。

利用宏基因组测序技术研究了SRB颗粒污泥在生长过程中微生物群落的组

成、功能基因及代谢通路的变化规律。结果表明，SRB颗粒污泥中SRB菌群主

要为不完全氧化型的Desulfomicrobium（脱硫微菌属，25%），古菌群落中主要为

氢营养型的Methanobacterium（甲烷杆菌属，81.9%），使得SO42-去除率高达95%

以上，而COD去除率只有40%，但可通过两相厌氧工艺进一步提高COD去除

率。另外，SRB菌群中与硫酸盐还原相关的功能基因主要包括Sat、AprA、AprB、

DsrA、DsrB、CysNC、CysD、CysN、CysC、CysH、CysJ、CysI和Sir等。硫酸

盐的存在有利于异化硫酸盐还原相关的功能基因相对丰度的增加，但对同化硫酸

盐还原相关的功能基因丰度和微生物的代谢通路类型影响不明显。

为了缩短SRB颗粒污泥生长时间并强化颗粒污泥性能，提出了两种强化培

养SRB颗粒污泥的方法。其一是对于普通厌氧颗粒污泥，可通过调控进水

COD/[SO42-]比强化SRB颗粒污泥的培养。当进水COD/[SO42-]比由1.5升高至

5.0时，SRB相对丰度由8.8%增至23.3%，反应体系SO42-去除率由60%提高至

90%以上，表明调控COD/[SO42-]比可改善颗粒污泥中SRB菌群相对丰度进而影

I

响颗粒污泥的脱硫效率。其二是对SRB活性污泥可添加壳聚糖（CTS）絮凝剂强

化SRB颗粒污泥性能。结果表明，添加CTS可降低污泥表面负电荷密度，提升

颗粒污泥EPS含量和相对疏水性能并改善孔隙结构。提高反应器主体溶液流动

性和颗粒污泥的孔隙率均有利于添加CTS所形成的SRB颗粒污泥脱硫脱碳性能

的提高。

基于以上研究，分析了SRB颗粒污泥体系中SO42-的传质方式，提出一种计

算单个颗粒污泥中SO42-传质速率的新方法。结果表明，反应器具有较高的向上

流速时，SRB颗粒污泥体系同时存在扩散和对流两种传质方式；通过考察电子供

体类型、反应温度、初始pH值、初始SO42-浓度和主体溶液向上流速对SRB颗

粒污泥体系中SO42-传质效果和去除率的影响，以修正的Fick定律为基础，提出

了计算单个SRB颗粒污泥内部SO42-传质速率的新方法。以上研究结果对SRB

颗粒污泥的快速制备和硫酸盐废水的高效处理具有较大的理论意义和实用价值。

关键词：SRB颗粒污泥，荧光原位杂交，宏基因组测序，COD/[SO42-]，壳聚糖，

传质