SRB反应器快速启动

王亚东 常馨

（商丘市水务公司）

摘 要：利用产酸相反应器作为生物脱硫和有机物分解的微生态系统，通过 动态试验与静态试验，控制、量化硫酸盐还原菌（SRB）的限制性生理生态因子的强度，使产酸菌（AB）与硫酸还原菌（SRB）协同代谢废水中的有机物，从而揭示该生态中SRB与AB的种间关系，寻求生系统中 SRB的生态学规律，人为调控微生境，创造SRB与AB的重叠生态位条件，粗线条描绘其实实现生态位图谱，初步探索硫酸盐还原菌的生理生态学理论。研究证明，在污泥接种量6.5gVSS/L的前提下，将进水COD质量浓度、HRT和PH值分别控制在3000--5000mg/l、8.0--10.6h和4.5--7.0的范围时，可在20d内完成产酸相的快速启动，并可在45d左右实现对乙醇型发酵菌群的驯化。（本文主要介绍动态试验）

关键词：产酸相反应器；启动；驯化；培养

1 总论

1.1   硫酸盐有机废水的研究现状

　　现今，高浓度难降解有机工业废水的治理已迫在眉睫其中。高浓度硫酸盐废水主要来自于蒸馏、造纸、食品加工、化工、抗生素、味精、制酒、制糖等工业，其特点为硫酸盐还原产物H₂S等处理设施和污水管道具有强烈的腐蚀性，且其气味恶臭，严重影响环境卫生，破坏水体的生态平衡，造成大批的鱼类的死亡和水生植物的灭迹。这些废水中的三高（高SO₄^2-、高COD、高¸NH₄⁺-N）特性适用于采用厌氧处理工艺，高浓度硫酸盐在降解过程中对厌氧微生物引起的初级抑制和次级抑制往往使处理难以正常进行。究其原因是处理系统中的产酸菌（AB）、硫酸盐还原菌（SRB）、产氢产乙酸菌（HPA）和产甲烷菌（MPA）没有充分发挥各自最佳的工作状态，没有形成有效的降解污染物的“生物链”式生化反应，尤其是硫酸盐还原菌（SRB）的作用格外重要。

　　目前，SRB的生态学研究是国内外学者关注的热点。尽管人们对SRB的生理学、生物化学和生态学的认识日趋深入和完整，但研究多处于单因子水平，未与废水处理的工艺和运行状况有机结合。以往研究主要集中在以下几方面：（1）SRB的营养多样性。SRB是一类较独特的生理群组，它的营养多样性水平相当高。根据废水中SRB底物利用的不同，SRB可分为四类：a .氧化氢的硫酸盐还原菌（HRSB）；b.氧化乙酸的硫酸盐还原菌（PSRB）。c.氧化较高级脂肪酸的硫酸盐还原菌（FASRB）；d.氧化芳香族化合物的硫酸盐还原菌（PSRB）。（2）通过纯培养和混合培养SRB降解环境污染物。SRB可代谢一些可引起“三致”的卤代物，通过还原菌脱卤反应，避免毒物在环境中积累。（3）在厌氧反应器中，SRB与MPB对共同底物资源的竞争。

1.2 目的及意义

　　硫酸盐废水的厌氧处理是一个人工控制的微生物生态系统，其实质是污染物被微生物生化代谢的过程。因此，从生态学、生物化学、生理生态学等角度研究硫酸盐还原菌在反应器生态系统中的结构与功能作用，可以为硫酸盐废水的有效治理提供必要的理论依据，对处理工艺的工程控制和运行提供有益的指导。而且，对产酸脱硫反应器中硫酸盐还原菌的生理生态学研究，目前在国内外尚属空白，其研究成果具有重要的理论价值。

　　本课题根据“产酸脱硫—硫化物氧化—有机物矿化”的高浓度硫酸盐废水处理系统工艺指导思想，利用两相厌氧工艺的产酸相反应器作为富集硫酸盐还原菌的产酸脱硫微生态系统，通过动态与静态试验，控制、量化硫酸盐还原菌（SRB）的限制性因子的强度，消除SRB对产酸菌（AB）和产氢产乙酸菌（HPA）的初级抑制和次级代谢抑制，使AB、SRB、HPA形成“生物链”式的协同代谢关系。从而实现人为调控微生境、创建SRB的实际生态位的目的。

1.3  研究内容

　　产酸脱硫反应器中硫酸盐还原菌的生理生态学研究目前在国内外尚属空白，本研究从种群生态学、群落生态学及生理生态学角度揭示产酸脱硫系统的生态学规律，并且通过量化SRB的限制性生态因子（致变因子、因变因子）的强度，寻求其与SRB生理代谢调节之间的关系，实现人为创建的最佳生态条件。主要研究内容：

　　产酸脱硫反应器中的群落生态学研究

　　（1） 产酸脱硫反应器的群落结构与组成；

　　（2） 群落的动态特征与群落的演替方向；

　　（3） 顶极群落的优势种群组成与种间关系；

　　产酸脱硫反应器中SRB的种群生态学研究

　　（1）SRB的种群的功能与地位；

　　（2）SRB的种群动态与群落演替；

　　（3）SRB的种群调节；

　　产酸脱硫系统中影响SRB的因变因子与致变因子的量化与调控对策

　　（1）致变因子（COD/SO₄^2- 比、负荷率、底物种类等）；

　　（2）因变因子（PH值、ALK、ORP、氢分压、硫化物等）；

    产酸脱硫系统的生理生态学分析

　　（1） SRB的代谢与产能模式；

　　（2） AB的代谢模式；

　　（3） SRB的电子流分量；

　　（4） SRB与AB的“共代谢”机制；

　　（5） 氢分压的平衡调节；

　　基于BP神经网络的产酸脱硫微生态系统建模与仿真。

　　本实验主要研究 致变因子（COD/SO₄^2- 比、负荷率、底物种类等），因变因子（PH值、ALK、ORP、氢分压、硫化物等）。

2  SRB的重要生态因子的量化与调控对策

2.1 COD/SO₄^2-值

　　COD/SO₄^2-值是判定SRB代谢状态、硫化物抑制程度的关键因素。但我们认为COD/SO₄^2-之值不能单独作为控制指标，它只反映氧化剂和还原剂的相对量，可作为SRB种群与其它种群竞争的条件，却不能决定硫化物的绝对产量，而硫化物恰恰抑制SRB的主导因素。尽管COD/SO₄^2-值不能单独作为控制指标，但是COD浓度和SO₄^2-浓度之一为定值时，与SRB   受抑制存在密切关系。

2.1.1  硫酸盐致变COD/SO₄^2-值对SRB的影响

　　硫酸盐致变COD/SO₄^2-值就是以COD为定值，考察由于硫酸盐浓度的改变导致不同的COD/SO₄^2-值对SRB的影响。利用静态试验，可知随COD/SO₄^2-值减小的实质是提高了硫酸盐的投加量，充足的底物使SO₄^2-绝对去除量增加。但随COD/SO₄^2-值的降低，SO₄^2-去除率呈下降趋势，尤其是在COD/SO₄^2-值小于3之后，这种下降趋势更加迅速。可见，硫酸盐投加量提高，虽然利于SRB对底物的利用，但过量的SO₄^2-不被SRB充分利用，加之硫化物对SRB的抑制使其活性降低。COD/SO₄^2-值大于3.0时，SO₄^2-去除率保持较高水平且相对稳定；COD/SO₄^2-值小于3.0时，SO₄^2-去除率迅速下降

2.1.2 COD致变COD/SO₄^2-值对SRB的影响

　　COD致变COD/SO₄^2-值就是以 SO₄^2-浓度为定值，考察由于COD浓度的改变导致不同的COD/SO₄^2-值对SRB的影响。利用静态试验，可知硫酸盐去除率随COD/SO₄^2-值的提高而增加，与硫酸盐致变COD/SO₄^2-值对SRB的影响的变化趋势相同，并且数值也比较接近。说明COD/SO₄^2-值反映了COD对SO₄^2-的还原能力。COD/SO₄^2-=3.0是转折点，COD/SO₄^2->3.0时，反应系统对SO₄^2-去除率可以稳定在高达90%以上的水平，说明此时系统中的COD还原能力过剩；COD/SO₄^2-值<3.0 时，SO₄^2-相对过剩，COD还原能力不足，致使生物活性和系统对SO₄^2-的去除率下降，且COD/SO₄^2-值越小，这种下降趋势越严重。

　　根据COD/SO₄^2-值对系统SO₄^2-去除率的影响实验结果，要想使产酸脱硫反应系统保持较高的SO₄^2-去除率（大于90%）和运行稳定性，须将系统的COD/SO₄^2-值控制在不小于3.0的水平。

2.2 SO₄^2-负荷率与污泥负荷率

　　SO₄^2-负荷率直接反映了底物与SRB之间的平衡关系，是产酸脱硫反应器的重要控制指标参数和生态指标。当反应器拥有的SRB生物量 和生物活性一定时，欲获得理想的运行效果，负荷率必须控制在一定的限度内，否则将会引起生物活性的下降和系统运行的失败。

    我们的目的是利用产酸脱硫反应系统中的SO₄^2-最大限度去除硫酸盐，但酸盐的还原往往伴随有H₂S产生，会对SRB等微生物产生反馈抑制。这就要求我们在控制系统运行过程中，SO₄^2-的负荷率的提高要以系统微生物未受到H₂S明显抑制为度，充分发挥系统对硫酸盐去除率和COD的去除率的潜能。

    产酸脱硫反应器的污泥保有量高，污泥停留时间远远大于水力停留时间，因此污泥浓度高，允许的污泥负荷率相对较高。污泥活性不仅取决于各细菌种群的数量与组成，还于群体能否在污泥中组成一定的生物链和有序的生态系直接相关。产酸脱硫反应器运行的各阶段，生态条件满足时，乙酸型顶极群落是一条可以完全降解底物的“生物链”维持着微生态系统的平衡。

    对污泥活性影响最大的是硫化物的抑制。溶解性硫化物引起SRB的次级抑制，其中自由H₂S是抑制作用的主导成分。在游离的H₂S浓度相同的情况下，反应器内污泥浓度高则相应单位生物量承受的H₂S负荷就小，群落，所受的次级抑制程度要小。高污泥浓度对硫化物抑制的缓解作用可从污泥综合活性的概念来解释。污泥综合活性由单个细胞的活动能力和细胞总量两个因素决定。硫化物使单个细胞的活性 降低，但污泥活性可因污泥总量的增加得到补偿。污泥浓度高时，受H₂S抑制的种群生物量占总生物量的比例就少。相对地，反应器内剩余的具有活性的生物量就多。

    反应体系中混合液的紊流程度也是影响污泥负荷率的重要因素。产酸脱硫反应器为连续搅拌槽式反应器，搅拌速率不但影响混合液的流动状况，决定微生物与底物的接触机会，而且对代谢速率、气体释放速率等都有较大影响。

    本研究整个动态试验阶段，搅拌器在转速为110—120r/min时，反应器内的污泥絮体能够完全悬浮，硫酸盐负荷率在4.0—7.0kgSO₄^2-/m³.d的条件下，污泥保有量处于较高水平，反应区的底部与中部污泥浓度相差很小。

2.3  HRT

    在本研究的动态试验中，硫酸盐负荷率的改变是通过调节HRT实现的。

    根据资料实验结果证明，SO₄^2- 浓度一定时，产酸脱硫反应器的最佳HRT为6-8h左右，在此范围内SRB有最大的硫酸盐去除率和适宜的还原能力。超过此HRT范围，硫化物对反应体系的反馈控制使SRB的硫酸盐还原能力降低，硫酸盐去除率下降。再者，产酸脱硫反应器为完全混合式，缩短HRT在一定程度上降低了系统的PH值，可加速H₂S的吹速作用。但超过一定限度（SO₄^2-负荷率大于7kg/m³.d),则PH值的降低使更多H₂S溶于液相中，并引发其它“因变因子”的调整，使优势种群的生态态位发生变迁，系统处于“亚稳”状态。要使产酸脱硫反应系统获得较好的SO₄^2- 去除率，需根据进水的SO₄^2-浓度和水量，将SO₄^2-负荷率控制在7kg/m3.d以下，同时维持HRT在6-8h 。

2.4  温度

    温度是影响有机体生存和生化反应最重要的因素之一，它对生物体的表现在对生物酶的影响。各种酶在最适宜的温度范围内，酶促反应速度快，随着温度的生长上升，生化反应速率增加1-2倍。过高过低的温度，都可抑制酶的活性，甚至使酶失活。另一方面，机体的重要组成如蛋白质、核酸等对温度都较敏感，温度如果过高可能会遭受不可逆的破坏。因此，只有在一定范围内，机体的代谢活动与繁殖才随着温度的上升而增加，当温度上升到一定程度，开始对机体产生不利影响，如果在继续升高，则细胞功能急剧下降以至死亡。

　　微生物都有其生长的温度范围，通常最适温度是指微生物迅速生长繁殖的温度，而且不同种群的最适温度范围不一样的。特别注意的是，最适生长温度不一定是代谢活动最好的温度。根据资料表明，当产酸脱硫反应器温度控制在35℃左右时，活性污泥具有最快的代谢速度，其酸化率和产气率可达到最大。

2.5  PH值与碱度（ALK）

　　产酸反应器运行的重要目标是人为创建适于硫酸盐还原菌富集的条件，去除高浓度硫酸盐。PH值与ALK是影响SRB活性及发挥最佳代谢功能的重要生态因子之一，主要体现在：（1） PH值引起细胞膜电荷的变化，从而影响SRB对底物的吸收。（2） 影响SRB代谢过程中各种酶的活性与稳定性，改变生态环境中底物的可给性以及毒物的毒性。（3）透过细胞膜的有机酸在SRB细胞内重新电离，改变胞内的PH值，影响许多生化反应的进行及ATP的合成。各SRB种群有其生长与代谢的最适PH值，超过这个PH范围往往导致细胞生理活性的丧失。另外，同一SRB种群由于生境中的PH值与ALK不同，其生长繁殖速率及代谢途径均可能发生改变。可以说，PH值不仅对SRB个体影响很大，而且对彼此相互联系、相互影响、有序协调的SRB种群所组成的顶极群落影响更加复杂和显著。

　　系统中的PH值与ALK存在密切的关系。碱度的变化，势必引起PH值的改变；而对系统进行PH值调节时，其ALK也将随之改变。因此，PH值的研究往往与ALK的研究联系在一起。

　　碱度（ALK）标志着某一反应体系在一定范围内对H⁺ 变化的中和能力。在厌氧处理系统中，微生物发酵往往产生大量的H₂CO₃挥发酸，需要系统中有适宜的碱度来中和，以防止PH值下降，维持厌氧微生物的活性。厌氧处理系统中的碱度一般认为主要是碳酸氢盐碱度。

    测定产酸脱硫反应器的总碱度时，所采用的滴定终点PH=3.7，总碱度应该包括水中的[HS^-]、[HCO₃^-]、[CO₃^2-]、[Ac^-]、[OH^-]、[S^2-]等，但因反应器的PH值范围在5.5-6.4，上述碱物质中[OH^-]、[S^2-]的浓度极小，可以忽略不计。因此，可以认为缓冲体系中的总碱度为：

                [ALK]_总=[HS^-]+[HCO₃^-]+[CO₃^2-]+[Ac^-]

2.6  氧化还原电位（ORP）

    SRB属于严格厌氧菌，其生长的氧化还原电位必须低于-100v。氧气（空气）、氧化剂、氧化态物质对SRB都有很强的抑制作用。实验结果表明，尽管经过不同条件下的运行阶段，但反应器中ORP 始终低于-300v,呈现出一种稳定趋势。

    在本实验中ORP的测定采用了一种比较先进的仪器，Quick Check ^TM  Model 108 ORP Pocket Meter .操作简单、方便、快捷、准确。节省了很多的时间，而一般都是采用PH来检测ORP，非常不方便。

2.7分析项目和方法 

3. 产酸相反应器的快速启动

3.1   实验设计与实验装置

　　本课题研究主要针对诸如味精生产废水之类的高浓度硫酸盐废水处理中SO₄^2-的生理生态学进行研究。根据研究内容和目的的需要，本课题在研究过程中采用的主要实验模型有动态和静态两种。（本文主要介绍动态实验）

3.1.1  动态实验模型

　　动态实验模型采用自行设计的反应器，属连续搅拌槽式（CSTR）结构， 内设气--液--固三相分离器，总容积27L，反应区有效容积 15.6 L。反应器通过水封和搅拌器封保证内部相对厌氧环境。该反应器结构设计合理，可使生物脱硫过程中产生的H₂S迅速释放，从而保证反应系统运行的稳定性和高效性。反应器模型由有机玻璃制成，外弦加热丝，通过温控装置将反应器内温度控制在35℃。

3.1.2 种泥

　　产酸脱硫反应器接种的污泥是取自哈尔滨工业大学环境生物技术研究中心厌氧生物处理反应器排除的污泥，并和取自平顶山污水处理厂的污泥混合在一起作为种泥。通过生物相的观察发现，以上两种来源不同的污泥中，其生物种类均十分丰富。       

3.1.3  实验废水      

　　实验废水采用食品加工厂的糖蜜（主要成分为单糖和二糖）加水稀释而成，废水配制时投加一定量的农用复合肥，使水中的COD、N、P的质量比保持在200—500：5：1左右，以保证污泥在生长过程中对N、P的营养要求。并加入硫酸钠作为硫酸盐还原菌的电子受体。

3.1.4  相关控制参数

　　采用较高的有机负荷对产酸相反应器的启动进程和厌氧活性污泥的驯化比较有利。在本次试验中，模型反应器启动时的水利停留时间（HRT）按阶段分别设定为50h和30h，进水COD为5000mg/L,SO₄^2-为500mg/L,PH值控制在6—9，温度控制在35℃。

3.1.5  实验结果与分析

　　模型反应器接种量为3.303gVSS/L,VSS/SS为75%，整个启动过程分为两个阶段，前13天为第一阶段，HRT为50h；第13天之后的运行为第二阶段，HRT为30h。

图1.  模型器在污泥驯化期间生物量及产气量的变化

　　启动前5d,反应器中的生物量有所减少，这是由于部分微生物不适应厌氧环境而被淘汰所致。随着运行时间的推移，反应器中的生物量逐渐增加。根据驯化过程的VSS与产气量的变化情况分析，厌氧活性污泥的活性也同样经历了一个由递减到逐渐增加的变化过程。这些现象都证明，种泥在接种到产酸相反应器之后的驯化过程中经历了一个从不适应到适应，从适应到活性逐渐增强的演变历程。

　　在污泥驯化的整个阶段中，COD去除率从开始的23.9%下降到6.8%，然后上升到27.2%又下降到9.6%，最后在上升到15.2%。这一变化过程证明，有机负荷的提高对反应器内污泥的微生物组成产生了显著影响，不同微生物种群在环境条件变化时因竞争作用而此消彼长，不同优势菌群生理代谢特性的差异和代谢强度的不同，导致了产酸相对COD去除率的变化。

　　图3反应了污泥驯化期间模型反应器之进水和出水的PH值变化情况。在污泥驯化的前12天保持在7.0—8.0，而反应器出水的PH值在8天内迅速从启动时的6.74降到6.10。之后，尽管进水的PH在8.6—7.0之间频繁变化，HRT也由50h降到30h，反应器出水的PH均维持在6.0左右，这说明了此时的产酸相反应器具备了良好的酸碱缓冲性能。适宜的酸碱环境，加速了乙醇型菌群在竞争中优势地位的建立。到了污泥驯化后期，反应器的出水更加稳定，

图2.  模型反应器在污泥驯化期间的COD去除率的变化

图3.   模型反应器在污泥驯化期间的进、出水PH变化

　　说明此时产酸相反应器内已建立了生态稳定的微生物群落。

　　图4为产酸厌氧反应器从开始启动直到现在的硫酸盐去除率的变化情况。从图中可以看出第一阶段的去除率较高但不稳定，从第二阶段开始到现在去除率一直稳定在60%左右，这说明本次的快速启动还是成功的。

图4.  模型器在污泥驯化期间硫酸盐去除率的变化

3.1.6 结论

  （1）厌氧活性污泥和好氧活性污泥均可作为产酸相反应器的启动种泥，但必须保证种泥生物相的多样性和足够数量的可驯化细菌种群。

  （2）较高的种泥量有利于反应器的快速启动。研究证明，在污泥种量6.5gVSS/L时，产酸相可在30天左右快速启动成功，COD去除率可达15%左右。

  （3）反应器启动时采用较高的有机负荷更有利于污泥的快速驯化，进水有机物的适宜质量浓度为3000—5000mgCOD/L。

参考文献：

[1]：李建政，任南琪，秦智，郭爽编著。产酸相快速启动和乙醇型发酵菌群驯化，中国图书出版社，2002年。

[2]：王爱杰编著。产酸脱硫反应器中硫酸盐还原菌的生态学研究。博士学位论文，2002年。