趙宇莎

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610207)

1 前言

厭氧生物處理即厭氧消化是指在厭氧(無氧)條件下，厭氧微生物將復(fù)雜的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳和水、硫化氫等簡單物質(zhì)的過程。厭氧生物處理技術(shù)動力消耗小、污泥產(chǎn)量少、能產(chǎn)生生物能(沼氣)以及對某些難降解有機(jī)物有較好的處理效果。因此，厭氧生物處理技術(shù)被大量用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)有機(jī)物的處理。但厭氧消化是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，厭氧消化過程中抑制物的抑制作用導(dǎo)致厭氧過程有機(jī)酸積累，甲烷產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時導(dǎo)致厭氧體系崩潰。本文綜述了厭氧消化過程中硫抑制機(jī)理，以期為含硫有機(jī)物厭氧消化的預(yù)防和控制提供參考。

2 厭氧消化硫抑制研究進(jìn)展

2.1 抑制機(jī)理

厭氧消化底物中含硫物質(zhì)如硫酸鹽、亞硫酸鹽經(jīng)硫酸鹽還原菌(SRB)還原為硫化物，含硫蛋白質(zhì)經(jīng)微生物降解形成含硫氨基酸和硫化氫。研究認(rèn)為含硫化合物中硫酸鹽和亞硫酸鹽等對厭氧消化毒害作用較小，硫抑制主要是由于硫酸鹽還原產(chǎn)物(硫化氫H2S)對細(xì)胞的毒害作用以及硫酸鹽還原菌與厭氧消化主要菌群對基質(zhì)的競爭。

2.1.1 硫化物的毒害作用

研究認(rèn)為硫酸鹽和亞硫酸鹽等對厭氧消化毒害作用較小，硫化氫被認(rèn)為是主要的毒性物質(zhì)，硫化氫對厭氧菌尤其是產(chǎn)甲烷菌有很強(qiáng)的毒性，硫化物對不同厭氧菌群的抑制敏感性如下：產(chǎn)甲烷菌>產(chǎn)乙酸菌>發(fā)酵微生物[1-2]，Khan[3]發(fā)現(xiàn)幾種含硫化合物對產(chǎn)甲烷細(xì)菌的毒性強(qiáng)度為：硫化物>亞硫酸鹽>硫代硫酸鹽>硫酸鹽。硫化氫可以進(jìn)入細(xì)胞膜導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性并影響硫的同化[2]。研究表明[4]，硫化物抑制濃度范圍為100-800mg/L，H2S產(chǎn)生抑制效果濃度范圍為50-400mg/L。在不同條件下硫化物對厭氧菌毒性作用有很大的不同，尤其是pH的變化。Koster[5]等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH在6.4-7.2時，產(chǎn)甲烷菌硫抑制與硫化氫濃度高度相關(guān)；pH在7.8-8.0時，抑制情況主要由總硫化物濃度決定，這主要是pH影響了H2S的解離。

2.1.2 硫酸鹽還原菌與厭氧菌群的競爭

硫酸鹽還原菌具有代謝多樣性，可以利用多種底物，包括硫酸鹽、芳香族化合物、醇類、揮發(fā)性脂肪酸、氫氣和長鏈脂肪酸。研究表明，硫酸鹽還原菌對不同電子供體的親和性為：氫氣>丙酸>其他。因此，硫酸鹽還原菌可以與參與厭氧消化的各種微生物群體競爭，在硫酸鹽還原過程中，硫酸鹽還原菌與產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、氫利用型產(chǎn)甲烷菌和乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌存在競爭關(guān)系。硫酸鹽還原菌對丙酸由很強(qiáng)的親和性，與產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌相比，丙酸氧化產(chǎn)硫過程比產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸途徑更易發(fā)生。從熱力學(xué)和動力學(xué)的角度，在與氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌群競爭過程中，硫酸鹽還原菌占優(yōu)勢。關(guān)于硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌競爭乙酸存在矛盾，一些報道稱硫酸鹽還原菌占優(yōu)勢，而另一些報道表明產(chǎn)甲烷菌占優(yōu)勢。

2.2 硫抑制的調(diào)控

已有一些方法用于厭氧消化之前和厭氧消化過程中來控制硫抑制。已報道的方法可以分為物理、化學(xué)、生物方法?？刂茩C(jī)制主要為抑制硫化物的生成、去除硫化物、馴化微生物對硫化物的耐受能力。

抑制硫化物的生成可采用微氧法，與氧的接觸會抑制硫酸鹽還原菌的生長，并且引入氧氣能將硫酸鹽還原產(chǎn)物氧化生成單質(zhì)硫。采用鉬酸鹽和硝酸鹽同樣能抑制硫酸物的形成，但這些物質(zhì)本身對厭氧消化是否由抑制作用目前還值得研究。硫化物的去除方法包括物理化學(xué)方法(吹脫)、化學(xué)法(混凝、氧化、沉淀)或生物法(硫化物部分氧化為單質(zhì)硫)。相比于內(nèi)部吹脫，外部吹脫裝置簡單方便。投加金屬離子可以硫化物生成沉淀降低溶解性硫酸鹽濃度，但是長時間的添加可能會導(dǎo)致沉積物的堵塞。Gommers[6]等利用脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該細(xì)菌能以廢水中的NO為電子受體，將硫化物氧化為單質(zhì)硫，NO則被還原為氮?dú)?，反?yīng)器對廢水中的硫化物、乙酸和NO的去除效果都較好。

3 結(jié)語

硫化氫作為厭氧消化過程中有毒物質(zhì)的主要形式，有效的減少硫化氫的生成和增加硫化氫的去除效率，微好氧脫硫和生物防治是最為有效的方法。結(jié)合厭氧消化工藝，通過調(diào)控厭氧消化操作條件(例如溫度、pH等)結(jié)合其他的控制方法可能是未來調(diào)控硫抑制的有效方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] Appels L,Baeyens J,Degrève J,et al.Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge[J].Progress in Energy & Combustion Science,2008,34(6):755-781.

[2] O'Flaherty V,Mahony T ?,O'Kennedy R,et al.Effect of pH on growth kinetics and sulfide toxicity thresholds of a range of methanogenic,syntrophic,and sulfate-reducing bacteria[J].Process Biochemistry,1998,33(5):555-569.

[3] 胡紀(jì)萃.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù)[M].中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[4] Parkin G F，Lynch N A，Kuo W.et al.Interaction bot3veerl sulfate reducers and methanogens fed acetate and propionate[J].J Water Pollut Control Fed，1990，62：780—788.

[5] Koster I W,Rinzema A,Vegt A L D,et al.Sulfide inhibition of the methanogenic activity of granular sludge at various pH-levels[J].Water Research,1986,20(12):1561-1567.

[6] Commers P J，Buleveld w，Zuiderwijk F J，et a1.Simultaneous sul.fide and acetate oxidation in a demtrifying fluidized bed reactor[J].WaterRes，1988，22：1075—1083.