胡守恒,徐建平,何雙雙

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

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電場強(qiáng)化SRB生物膜降解硫酸根條件優(yōu)化

胡守恒,徐建平?,何雙雙

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

摘要:對(duì)硫酸鹽還原菌生物膜進(jìn)行電場強(qiáng)化條件研究,結(jié)果表明最優(yōu)條件為:連接電阻500Ω、溫度35℃、p H為7、碳硫比為2．當(dāng)連接電阻大于500Ω時(shí),隨著連接電阻的增大硫酸根去除速率降低;當(dāng)溫度偏離35℃或p H偏離7時(shí),硫酸根去除速率逐漸降低;當(dāng)硫酸根一定時(shí),隨著碳源增加,硫酸根去除率增加;碳硫比增加至4時(shí),硫酸根去除率不再增加．電場強(qiáng)化與非電場強(qiáng)化硫酸鹽還原菌生物膜降解硫酸根的研究表明,電場強(qiáng)化要比非電場強(qiáng)化硫酸鹽還原菌生物膜降解硫酸根速率快,去除率提高約10%．

關(guān) 鍵 詞:電場強(qiáng)化;SRB生物膜:降解硫酸根;條件優(yōu)化

硫酸鹽還原菌在高硫酸鹽有機(jī)廢水、酸性礦井廢水、電鍍廢水處理中的應(yīng)用,以其“以廢治廢”、處理重金屬種類多、處理徹底等特點(diǎn)[1-2]而取得廣泛的共識(shí)．近年來,將硫酸鹽還原菌與電化學(xué)相結(jié)合,組成微生物電解池和微生物燃料電池來提高廢水處理率,也極大地提高了其應(yīng)用潛力．

在廢水處理領(lǐng)域,生物膜法以其抗沖擊負(fù)荷、無需污泥回流、易于微生物生存、運(yùn)行穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]得到推廣．將硫酸鹽還原菌生物膜與微生物電解池相結(jié)合,通過研究硫酸根隨時(shí)間的變化情況考察電阻、溫度、p H和碳硫比等因素與電場強(qiáng)化生物膜降解硫酸根規(guī)律的關(guān)系．

1 材料與方法

1．1 硫酸鹽還原菌的培養(yǎng)

硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB),取自合肥工業(yè)大學(xué),以Starkey培養(yǎng)基進(jìn)行加富培養(yǎng)．Starkey培養(yǎng)基配方為:NaSO2－40．5 g,NH4Cl 1．0 g,K2HPO40．5 g,無水CaCl20．06 g,70%乳酸鈉5 m L, MgSO4·7H2O 2．0 g,抗壞血酸0．4 g,蒸餾水1 000 m L．

1．2 硫酸鹽還原菌生物膜制備

碳?xì)蛛姌O預(yù)處理:碳?xì)诸A(yù)先剪成4×4 cm正方形,置于0．1 mol/L的鹽酸溶液中浸泡24 h,然后置于去離子水中浸泡清洗2 h,備用．

碳?xì)稚锬る姌O制備:將碳?xì)謶腋≈糜赟tarkey培養(yǎng)基中,接種10%SRB菌液,使用萬用電表記錄碳?xì)蛛姌O開路電位變化,紅表筆接碳?xì)蛛姌O,黑表筆接飽和甘汞電極．

1．3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

連接電阻優(yōu)化實(shí)驗(yàn):以Starkey培養(yǎng)基為基礎(chǔ),使用1．5 V南孚堿性干電池提供電壓,陽極接碳棒,陰極接碳?xì)稚锬る姌O,分別連接0,100Ω、500Ω、1 000Ω、1 500Ω和2 000Ω,每隔2 h采用鉻酸鋇分光光度法(HJ/T 342-2007)測定硫酸根;條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn):以Starkey培養(yǎng)基為基礎(chǔ),分別調(diào)節(jié)p H、溫度和碳硫比,每隔2 h采用鉻酸鋇分光光度法測定硫酸根;對(duì)比實(shí)驗(yàn):在連接電阻優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以電場強(qiáng)化和非電場強(qiáng)化作對(duì)比實(shí)驗(yàn),每隔2 h采用鉻酸鋇分光光度法測定硫酸根．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 生物膜制備

生物膜制作條件:接種10%菌液至Starkey培養(yǎng)基中,p H 5、溫度35℃進(jìn)行開路培養(yǎng),每隔1 min記錄開路電位,得碳?xì)蛛姌O開路電位變化圖如圖1所示．生物膜的形成是為對(duì)抗不利環(huán)境而自發(fā)進(jìn)行的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制,主要包括4個(gè)明顯的階段:起始的附著、細(xì)胞與細(xì)胞之間的吸附與增殖、生物膜的成熟及最后細(xì)菌的脫離過程[4]．由圖1可知,第1～2 d,開路電位穩(wěn)定降低為起始附著階段,與吸附動(dòng)力學(xué)曲線的趨勢相似;第3 d開路電位急劇降低為細(xì)胞與細(xì)胞之間進(jìn)行吸附與增殖,類似于生物的對(duì)數(shù)生長期;第4 d開路電位穩(wěn)定下來,標(biāo)志著生物膜的成熟,可以用于硫酸根降解探索試驗(yàn)．

2．2 SRB生物膜降解硫酸根規(guī)律

(1)不同電阻條件下生物膜降解硫酸根的規(guī)律．初始條件為p H 5、溫度35℃、碳硫比2∶1,設(shè)置連接電阻0,100Ω,500Ω,1 000Ω,1 500Ω和2 000Ω,每隔2 h連續(xù)取水樣4 d,每天取7次水樣測硫酸根剩余量,得不同連接電阻降解硫酸根對(duì)比圖如圖2所示．對(duì)常壓供氫體系硫酸鹽還原菌進(jìn)行電場強(qiáng)化研究表明,當(dāng)電流≤1．5 m A時(shí),隨著電流的增大硫酸根還原速率增大[5]．由圖2可知,當(dāng)連接電阻為0或100Ω 時(shí),硫酸根還原率僅有30%和36%,據(jù)推測由于:

式中,R連接為連接電阻;R為包括溶液傳質(zhì)電阻、SRB生化反應(yīng)電阻和碳?xì)謿W姆內(nèi)阻;I為電解池實(shí)際通過電流．I＞1．5 m A不利于SRB菌的生長;當(dāng)連接電阻＞500Ω時(shí),隨著連接電阻的增大硫酸根還原率降低,可能由于處在I＜1．5 m A范圍內(nèi),隨著電阻增大電流減小,使得硫酸根還原速率減小;連接電阻為500Ω時(shí)為最適連接電阻．

圖1 碳?xì)蛛姌O開路電位變化圖

圖2 不同連接電阻降解硫酸根對(duì)比圖

(2)溫度生物膜降解硫酸根的影響．初始條件為連接電阻500Ω、p H 5、碳硫?yàn)?∶1,設(shè)置溫度為25℃、30℃、35℃、40℃和45℃,每隔2 h連續(xù)取水樣4 d,每天取7次水樣測硫酸根剩余量,最后換算成硫酸根還原率,得不同溫度下硫酸根去除率圖如圖3所示．由圖3可知,當(dāng)溫度＜35℃時(shí),隨著溫度的升高,硫酸根還原率升高;當(dāng)溫度＞35℃時(shí),隨著溫度的升高,硫酸根還原率降低;當(dāng)溫度為35℃時(shí),硫酸根還原率最高．與馬忠友[6]對(duì)混合SRB菌群還原硫酸鹽生理特性的研究結(jié)果相類似．

(3)p H對(duì)生物膜降解硫酸根的影響．初始條件為連接電阻500Ω、碳硫比2∶1、溫度35℃,設(shè)置p H為4、5、6、7、8、9和10,每隔2 h連續(xù)取水樣4 d,每天取7次水樣測硫酸根剩余量,得不同初始p H值降解硫酸根對(duì)比圖如圖4所示．由圖4可知,當(dāng)p H為5～8時(shí),硫酸根還原率相近;當(dāng)p H＜7時(shí),隨著p H的升高,硫酸根還原率隨著p H升高而升高;當(dāng)p H＞7時(shí),硫酸根還原率隨著p H升高而降低;當(dāng)p H為4或10 時(shí),SRB生物膜的適應(yīng)期較長,在圖4中表現(xiàn)為處理率較低．

(4)C/S對(duì)生物膜降解硫酸根的影響．初始條件為連接電阻500Ω、溫度35℃、p H 5,設(shè)置碳硫1∶1、2∶1、3∶1、4∶1,每隔2 h連續(xù)取水樣4 d,每天取7次水樣測硫酸根剩余量,得不同碳硫比降解硫酸根對(duì)比圖如圖5所示．由圖5可知,當(dāng)硫酸根添加量一定時(shí),硫酸根還原率隨著碳源量的增加而增加,增加至碳硫比為4∶1時(shí),硫酸根還原率不再增加反而有下降的趨勢;碳硫比為2和3時(shí),硫酸根還原速率很接近．

(5)電場強(qiáng)化與非電場強(qiáng)化降解硫酸根對(duì)比研究．初始條件為電場強(qiáng)化連接電阻500Ω、非電場強(qiáng)化不連接電阻也不連接電池、溫度35℃、p H 5、碳硫比1∶2,每隔2 h連續(xù)取水樣4 d,每天取7次水樣測硫酸根剩余量,得電場強(qiáng)化與非電場強(qiáng)化降解硫酸根對(duì)比圖如圖6所示．對(duì)硫酸鹽還原菌電解系統(tǒng)陰極的硫酸根還原特性的研究結(jié)果表明[7],硫酸鹽還原菌能夠利用陰極電子還原硫酸根,當(dāng)外加電壓0．8 V時(shí)要比0．4 V還原硫酸根速率高．由圖6可知,在最初的1 d,電場強(qiáng)化要比非電場強(qiáng)化降解硫酸根快,而且要比非電場強(qiáng)化更早地降解到最大量;當(dāng)最后達(dá)到穩(wěn)定時(shí),電場強(qiáng)化要比非電場強(qiáng)化降解的硫酸根提高10%左右,主要是由于連接電池時(shí),電池提供了額外的電子參與了生化反應(yīng),加速了硫酸根還原速率,也提高了硫酸根還原量．

圖3 不同溫度下硫酸根去除率圖

圖4 不同初始p H值降解硫酸根對(duì)比圖

圖5 不同碳硫比降解硫酸根對(duì)比圖

圖6 電場強(qiáng)化與非電場強(qiáng)化降解硫酸根對(duì)比圖

3 結(jié)論

硫酸鹽還原菌生物膜與微生物電解池相結(jié)合降解硫酸根的研究結(jié)果表明:最適連接電阻為500Ω,當(dāng)連接電阻＞500Ω時(shí),隨著電阻的增大,硫酸根還原速率降低;最優(yōu)溫度為35℃,當(dāng)偏離這個(gè)溫度,硫酸根還原率降低;SRB菌最適生長p H為7,當(dāng)p H＜7時(shí),隨著p H升高硫酸根還原速率升高,當(dāng)p H＞7時(shí),隨著p H升高硫酸根還原速率降低;最適碳硫比為2,當(dāng)硫酸根一定時(shí),隨著碳源量增加硫酸根還原速率增加,碳硫比增加至4∶1時(shí),硫酸根還原速率不再增加．在最初的第1 d,電場強(qiáng)化要比非電場強(qiáng)化降解硫酸根快,而且要比非電場強(qiáng)化更早地降解到最大量;當(dāng)最后達(dá)到穩(wěn)定時(shí),電場強(qiáng)化要比非電場強(qiáng)化降解的硫酸根提高約10%,主要是由于連接電池時(shí),電池提供了額外的電子參與了生化反應(yīng),加速了硫酸根還原速率,也提高了硫酸根還原量．

參考文獻(xiàn):

[1] 方艷,閔小波,柴立元,等．硫酸鹽還原菌(SRB)污泥固定化小球還原硫酸鹽的動(dòng)力學(xué)研究[J]．工業(yè)安全與環(huán)保,2007, 33(3):1-4．

[2] 汪愛河,胡凱光,廖建軍．硫酸鹽還原菌處理重金屬廢水研究進(jìn)展[J]．濕法冶金,2006,25(4):172-174．

[3] 張磊,郎建峰,牛姍姍．生物膜法在污水處理中的研究進(jìn)展[J]．水科學(xué)與工程技術(shù),2010(5):38-41．

[4] 唐俊妮,史賢明,王紅寧,等．細(xì)菌生物膜的形成與調(diào)控機(jī)制[J]．生物學(xué)雜志,2009,26(2):48-53．

[5] 徐慧緯,張旭,楊?yuàn)檴?等．常壓供氫體系電場強(qiáng)化硫酸鹽還原生物-電化學(xué)效應(yīng)研究[J]．環(huán)境科學(xué),2009,30(7):1 931-1 936．

[6] 馬忠友,鄧盾,汪建飛,等．一組混合菌群還原硫酸鹽的特性[J]．中國農(nóng)業(yè)通報(bào),2013,29(8):184-188．

[7] 符詩雨,劉廣立,駱海萍,等．微生物電解系統(tǒng)生物陰極的硫酸鹽還原特性研究[J]．環(huán)境科學(xué),2014,35(2):626-632．

The optimization of SRB biofilm enhanced by electric field degrading sulfate

HU Shou-heng,XU Jian-ping?,HE Shuang-shuang
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:The study of the Optimization of SRB biofilm enhanced by electric field degrading sulfate shows that Connection resistance 500Ω,the temperature 35℃,p H 7,carbon and sulfur ratio of 2 are optimal conditions．When the connection resistance is greater than 500Ω,the sulfate removal rate decreases with the connection resistance increasing;the sulfate removal rate decreased with the temperature deviating from 35℃and the p H deviating from 7;The sulfate removal stops decreasing until carbon and sulfur ratio of 4 with carbon source increasing．The research between SRB biofilm enhanced by electric field and which was not degrading sulfate indicates that the removal rate of the former increased by about 10% than the latter．

Key words:enhanced by electric field;SRB biofilm;degradation of sulfate;conditions Optimization

中圖分類號(hào):X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:2015-11-11

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274001)

作者簡介:胡守恒(1991-),男,安徽亳州人,碩士研究生．

通訊作者:徐建平(1956-),男,安徽蕪湖人,教授,碩導(dǎo)．