脱氮硫杆菌在废水脱硫、脱氮处理工艺中的应用

哈尔滨工业大学学报第36卷l脱氮硫杆菌1．1脱氮硫杆菌的基本生理特征迄今为止，人们已经证实硫杆菌属(肌i06。cⅢus)有8种：脱氮硫杆菌(豫i06ncⅢ“s如n衙i疗cnns)、排硫硫杆菌(孤i06ⅡcⅢM5￡^iopⅡrM5)、那不勒斯硫杆菌(弛i。6ncⅢnsnnp‰)、氧化硫硫杆菌(豫106口cⅢH5f^io∞idⅡm)、氧化亚铁硫杆菌(弛i06ⅡcⅢw忙rro“idnm)、新型硫杆菌(％i06ⅡcizfwM口e‰s)、中间硫杆菌(孤i06Ⅱci￡z瑚妇ermediHs)、代谓}不全硫杆菌(豫106dcⅢusperome撕60胁)．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O．5×(1．0～3．O)¨m，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。c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脱氮硫杆菌的代谢特征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o。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．表1脱氮硫杆菌获取能量的典型反应方程式氧化反麻△G／kJ—mnI1)(I)H2S+0502一so+2H+(2)2so+202+0H一_．S20]2一+H+(3)so十02十H20}S032一十2H+(4)s0+15()!+H20}s042一+2H+(5)2s20，2+()5()2+2H+_．s4062一+H20(6)s20j2一+I502十2H20叶2H2s042(7)soj2一+0502一s(J42(8)5g’+6Nq一十8Ik0+5H2so。2+6【)H+3N2—2102—7l2—2500—500O10．9—4187—2500由表l第(8)式可见，在厌氧条件下，脱氮硫杆菌以N0，一为电子受体，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脱氮硫杆菌在生物脱硫中的应用目前，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(o：)作为电子受体的生物脱硫工艺，后者是以硝酸盐(No，一)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1)Hs一一膜束缚[so]一[so]；2)膜束缚[so]一s0，2‘一so。2‘．Hansen等⋯J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s“质量浓度>2m再／IJ时，才有单质硫积累；否则，反应体系中的s2将直接氧化为sO。。．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以o：作为电子受体生物脱硫脱氪硫杆菌在有氧条件下的生物脱硫过程为2HS一+02—2So+20H一，2s0+302_2S042一+2H+．众所周知，控制硫化物氧化过程的限制性冈素(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”。．Buism一”1通过好氧反应器运行考察了在充分曝气条件下，O：对硫化物转化为硫酸盐过程(s。一s”一s0。”)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s。质量浓度的升高会达到一个阈值，当超越这一阀值时，s0；。的生成率会迅速下降，而s”的产量会迅速提高．同时，硫化物转化为单质硫的闯值还与HRT、反应器内的生物量等条件密切相关，尤其是硫氧(s。／O：)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”1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。其水质条件万方数据第4期王爱杰，等：脱氮硫杆菌在废水脱硫、脱氮处理工艺中的应用·425为：进水c0D为3000～4500m昏／L，硫化物(s2)质量浓度为200mg／L，硫化物的容积负荷为12k∥(1n。·d)，HRT为22min，DO为5．O一5．5n-∥