甘蔗渣碳源釋放規(guī)律及其硫酸鹽還原菌利用性試驗(yàn)

狄軍貞，李拓達(dá)，趙 微

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

利用硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria，SRB）進(jìn)行污水處理的過程中外加碳源是保證處理效果的手段之一，傳統(tǒng)碳源乳酸鈉、乙醇等不僅成本高、不易運(yùn)輸，而且液體碳源往往具有一定毒性[1-3]。為此，近年來相關(guān)學(xué)者紛紛提出很多可代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源的新型碳源，其中生物質(zhì)材料基于安全性和經(jīng)濟(jì)性成為研究的熱點(diǎn)[4-9]。張雅琳等[10]利用甘蔗渣發(fā)酵液為SRB生長碳源處理含低濃度Cu2+的模擬礦山淋濾水，SRB對(duì)硫酸根還原率可達(dá)92.4%。而生物質(zhì)在發(fā)酵過程中不僅浪費(fèi)時(shí)間，也占用大量空間，因此，有相關(guān)學(xué)者對(duì)生物質(zhì)材料浸泡液中碳源釋放規(guī)律進(jìn)行研究。邵留等[11]監(jiān)測(cè)玉米芯、甘蔗渣、花生殼等6種生物質(zhì)材料在16 d內(nèi)蒸餾水浸泡液中總有機(jī)碳（TOC）和總碳（TC），結(jié)果發(fā)現(xiàn)6種材料浸出液中TOC含量均占TC的90%以上，均能釋放出大量有機(jī)碳。張?chǎng)┑萚12]利用甘蔗渣等10種農(nóng)業(yè)廢棄物開展為期70 d的長效浸出實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溶液中含有的有機(jī)質(zhì)多為小分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)和糖類物質(zhì)，有利于微生物的代謝活動(dòng)，保證了其作為碳源的可利用性。但直接利用生物質(zhì)材料為SRB生長碳源的研究卻很少，且SRB利用生物質(zhì)材料處理廢水過程中，生物質(zhì)材料除了給SRB提供必要的生長碳源，其材料本身也具有較好的吸附性?？紤]到甘蔗渣具有的高纖維素含量及碳源溶出性和吸附性，因此，本研究將其與SRB結(jié)合處理含硫酸鹽廢水，探討甘蔗渣碳源釋放和對(duì)SRB生長代謝活性影響規(guī)律，以期為SRB利用新型生物質(zhì)碳源提供理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用菌土壤取自阜新市新邱區(qū)某煤矸石山下，為煤矸石覆蓋20～40 cm深的土壤中，后將土壤菌懸液通過修正的Postgate培養(yǎng)基[13]富集，通過數(shù)次培養(yǎng)直到SRB為優(yōu)勢(shì)菌種后用于試驗(yàn)。試驗(yàn)用甘蔗渣來自廣東惠州某制糖廠，甘蔗渣按試驗(yàn)設(shè)置粒徑進(jìn)行打磨、篩分。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同因素條件下甘蔗渣碳源釋放規(guī)律

不同pH對(duì)甘蔗渣碳源釋放規(guī)律的影響：選取5目甘蔗渣5 g投放于200 mL蒸餾水中，用1%的NaOH和1%的HCl調(diào)節(jié)各體系pH分別為3、4、5、6、7，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為1#～5#，密閉后放于35℃恒溫?fù)u床100 r·min-1，每隔一定時(shí)間檢測(cè)1#～5#體系中的還原糖、化學(xué)需氧量（COD）釋放量以及pH變化，考察不同pH條件下甘蔗渣碳源釋放規(guī)律。

不同粒徑對(duì)甘蔗渣碳源釋放規(guī)律的影響：選取5、14、32、60、100目的甘蔗渣5 g投放于200 mL蒸餾水中，分別編號(hào)為1#～5#。用1%的NaOH和1%的HCl調(diào)節(jié)各體系pH為7，密閉后放于35℃恒溫?fù)u床100 r·min-1，每隔一定時(shí)間檢測(cè)1#～5#體系中的還原糖、COD釋放量以及pH變化，考察不同粒徑條件下甘蔗渣碳源釋放規(guī)律。

不同投加量對(duì)甘蔗渣碳源釋放規(guī)律的影響：試驗(yàn)選取5目的甘蔗渣1、3、5、7、9 g投放于200 mL蒸餾水中，相應(yīng)編號(hào)為1#～5#。用1%的NaOH和1%的HCl調(diào)節(jié)各體系pH為7，密閉后放于35℃恒溫?fù)u床100 r·min-1，每隔一定時(shí)間檢測(cè)1#～5#體系中的還原糖和COD釋放量以及pH變化，考察不同投加量條件下甘蔗渣碳源釋放規(guī)律。

1.2.2 SRB以甘蔗渣為碳源時(shí)的生長活性正交試驗(yàn)

配制只含有SO42-的廢水，以SRB生物投加量，甘蔗渣的粒徑和投加量為因素，其中SRB為含F(xiàn)e2+培養(yǎng)基中生長60 h的SRB，此時(shí)其生物量最大為712 mg·L-1，分別投加5%、10%、15%的菌液體積，即100 mL廢水對(duì)應(yīng)投加生物量分別為35.6、71.2、106.8 mg，甘蔗渣的粒徑和投加量分別按照32、60、100目和2.5、3.5、4.5 g投加至100 mL廢水中，進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)，調(diào)節(jié)初始pH為7。評(píng)價(jià)指標(biāo)為SO2-4去除率、甘蔗渣還原糖水解速率和pH值，試驗(yàn)每24 h取樣檢測(cè)各指標(biāo)，并取96 h的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析，確定SRB以甘蔗渣為碳源條件下去除SO2-4的最優(yōu)配比。正交試驗(yàn)因素水平見表1，L9（33）試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析見表2。

1.2.3 SRB利用甘蔗渣為碳源時(shí)的生長代謝活性

根據(jù)正交試驗(yàn)分析得到的SRB以甘蔗渣為碳源時(shí)的最優(yōu)配比，即100 mL的廢水中SRB投加量為71.2 mg，甘蔗渣粒徑為100目，甘蔗渣投加量為4.5 g，用Na2SO4調(diào)節(jié)廢水中SO2-4初始濃度為1240 mg·L-1于500 mL錐形瓶中，密閉后放于恒溫?fù)u床100 r·min-1，35℃條件下培養(yǎng)，調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH為7，每隔一定時(shí)間測(cè)培養(yǎng)基中剩余硫酸根濃度、氧化還原電位（ORP）和還原糖釋放量。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

SO2-4：鉻酸鋇分光光度法（HJ/T 432—2007）；pH：采用PHS-3C型精密pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定；還原糖：苯酚-硫酸法；ORP：CT-8022氧化還原電位測(cè)量儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素條件下甘蔗渣碳源釋放規(guī)律

2.1.1 不同pH對(duì)甘蔗渣碳源釋放規(guī)律的影響

圖1（a）、圖1（b）是不同初始pH條件下甘蔗渣還原糖和COD釋放曲線圖，前10 h，由于甘蔗渣表層纖維素的快速溶出導(dǎo)致1#～5#體系中還原糖和COD釋放量快速上升，10 h后，各體系中還原糖和COD釋放量開始減少，最終1#～5#體系中還原糖和COD釋放量分別為25.7、24.6、24.1、23.8、21.9 mg·g-1和270、267、260、297、251 mg·L-1。圖1（c）是10～96 h還原糖水解速率擬合直線，前10 h，甘蔗渣表層纖維素快速水解，甘蔗渣釋碳不穩(wěn)定，10 h后還原糖發(fā)生水解反應(yīng)，從12～96 h還原糖水解速率擬合直線可以得出1#～5#體系還原糖水解速率斜率k分別為-0.014、-0.011、-0.007、-0.005、-0.004。還原糖水解速率擬合直線越平緩，斜率 ||k值越接近于0，說明還原糖水解速率越緩慢。從圖1（d）可見，不同初始pH條件下，試驗(yàn)第2 d以后，1#～5#體系中pH逐漸趨近于并保持在4～4.5范圍內(nèi)。

表2 L9（33）試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析Table 2 Results and analysis of L9（33）orthogonal test

圖1 不同初始pH條件下甘蔗渣各指標(biāo)變化規(guī)律Figure 1 The change rule of various indexes of bagasse under the initial pH condition

甘蔗渣纖維素水解生成還原糖，主要包括葡萄糖、果糖、纖維二糖等[12]。閆加賀[14]在生物質(zhì)材料兩步法水解轉(zhuǎn)化研究中發(fā)現(xiàn)葡萄糖在積累到一定濃度后會(huì)產(chǎn)生乙酸、乙酰丙酸、5-羥甲基糠醛等降解產(chǎn)物，乙酰丙酸為纖維素水解的終產(chǎn)物。楊茜[15]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)材料的纖維素轉(zhuǎn)化是一個(gè)連續(xù)一級(jí)反應(yīng)，纖維素在轉(zhuǎn)化成葡萄糖的同時(shí)，葡萄糖也在發(fā)生水解反應(yīng)。因此，在還原糖水解反應(yīng)中葡萄糖的水解反應(yīng)起主導(dǎo)作用。張?chǎng)┑萚12]發(fā)現(xiàn)甘蔗渣浸出液pH值均處于較低水平，其浸出液中乙酸含量明顯高于其他廢棄物，并推測(cè)乙酸可能是導(dǎo)致其浸出液pH較低的主要因素。在低pH條件下，由于H+的存在一方面對(duì)葡萄糖水解產(chǎn)酸反應(yīng)具有催化作用[16]，加快葡萄糖水解速率，另一方面，由于β-1，4糖苷鍵鏈接D-葡萄糖形成的纖維素在水解過程中，β-1，4糖苷鍵是一種對(duì)酸敏感的縮醛鍵，H+可對(duì)β-1，4糖苷鍵的氧原子進(jìn)行質(zhì)子化，使水分子進(jìn)攻α-C原子，導(dǎo)致β-1，4糖苷鍵發(fā)生斷裂[17-18]。由此低pH值1#體系中，纖維素水解速率和葡萄糖水解速率均較快，不利于還原糖的持續(xù)積累，而較高pH值5#體系中，纖維素水解速率和葡萄糖水解速率均較慢，有利于還原糖的持續(xù)積累。因此，在正交試驗(yàn)和SRB生長代謝活性試驗(yàn)中均采用pH值為7的反應(yīng)體系。

2.1.2 不同粒徑對(duì)甘蔗渣碳源釋放規(guī)律的影響

圖2（a）、圖2（b）是不同粒徑條件下甘蔗渣還原糖釋放量和COD釋放量變化曲線，前10 h，1#～5#體系中還原糖和COD釋放量快速的波動(dòng)上升，10 h后，各體系中還原糖和COD釋放量緩慢減少，最終1#～5#體系中還原糖和COD釋放量分別為25.1、21、16.8、27.8、32.5 mg·g-1和 735、619、549、948、1051 mg·L-1。圖2（c）是12～96 h甘蔗渣還原糖水解速率擬合直線，1#～5#體系還原糖水解速率擬合直線的斜率k分別為-0.012、-0.013、-0.044、-0.005、-0.017，其擬合直線越平緩，斜率 ||k值越接近于0，還原糖水解速率的減小幅度越小，葡萄糖水解反應(yīng)越緩慢。從圖2（d）可見，在1#～5#初始pH為7的條件下，第1 d后1#～5#體系的pH降至4.43～4.99。

圖2 不同粒徑甘蔗渣各指標(biāo)變化規(guī)律Figure 2 Changes in various indexes of different particle size bagasse

不同粒徑的甘蔗渣體系中均存在甘蔗渣纖維素生成還原糖的水解反應(yīng)，從圖2（a）可見，在甘蔗渣粒徑較小的4#、5#體系中，前10 h，其纖維素水解生成還原糖的速率較快，還原糖濃度逐漸升高，因此，葡萄糖濃度也在不斷的增加，當(dāng)葡萄糖積累到一定濃度時(shí)，纖維素水解生成葡萄糖的同時(shí)，葡萄糖也會(huì)水解成乙酸、乙酰丙酸、5-羥甲基糠醛等降解產(chǎn)物，表觀還原糖濃度有所下降，說明10 h后葡萄糖水解速率大于纖維素水解速率。有研究表明SRB不易利用乙酸等葡萄糖水解產(chǎn)物進(jìn)行生長代謝[19]，乙酸在非解離狀態(tài)下對(duì)SRB有一定的毒害作用。因此，葡萄糖水解速率越緩慢，甘蔗渣浸泡液中乙酸含量越低，葡萄糖濃度越高，越有利于SRB生長代謝活動(dòng)，在4#體系中，60目的甘蔗渣浸泡液中還原糖的水解速率擬合直線的斜率 ||k較其他體系更接近于0，其葡萄糖水解產(chǎn)酸反應(yīng)緩慢，浸泡液中可積累較多的葡萄糖供后續(xù)試驗(yàn)SRB的生長代謝。因此，選取60目甘蔗渣為最佳粒徑進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

2.1.3 不同投加量對(duì)甘蔗渣碳源釋放規(guī)律的影響

圖3（a）、圖3（b）是不同投加量條件下甘蔗渣還原糖和COD釋放量變化曲線圖，前10 h，1#～5#體系中還原糖和COD釋放量快速的波動(dòng)上升，10 h后，各體系中還原糖和COD釋放量有緩慢減少趨勢(shì)，最終1#～5#體系中還原糖和COD釋放量分別為25.97、25.21、19.1、23.19、15.2 mg·g-1和 107、356、582、723、771 mg·L-1。圖3（c）是12～96 h甘蔗渣還原糖水解速率擬合直線，1#～5#體系還原糖水解速率擬合直線的斜率k分別為-0.018、-0.008、-0.009、-0.003、-0.004，其中斜率 ||k值越接近于0，還原糖水解速率減小幅度越小，說明其在12～96 h內(nèi)具有較高的碳源供應(yīng)。從圖3（d）可見，在1#～5#初始pH為7的條件下，第1 d后1#～5#體系的pH有所下降。

不同甘蔗渣投加量的體系中，甘蔗渣纖維素水解生成還原糖的同時(shí)，葡萄糖也存在水解反應(yīng)，在4#體系中，其還原糖水解速率擬合直線斜率 ||k值較其他體系更接近于0，葡萄糖水解速率較慢，有利于葡萄糖的積累。同時(shí)不同投加量甘蔗渣水解液中pH變化規(guī)律相似，1#體系中第1 d后pH在5～6之間波動(dòng)，2#～5#體系中第1 d后pH在4～5之間波動(dòng)，說明甘蔗渣投加量越大，葡萄糖水解產(chǎn)酸越多，溶液中H+增加較多，不利于后續(xù)試驗(yàn)菌種SRB的生長代謝。因此，選取100 mL廢水投加3.5 g甘蔗渣進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

2.2 SRB以甘蔗渣為碳源時(shí)的生長活性正交試驗(yàn)

圖3 不同投加量甘蔗渣各指標(biāo)變化規(guī)律Figure 3 The variation of various indexes of different dosages of bagasse

2.2.2 正交試驗(yàn)還原糖水解速率結(jié)果分析

正交試驗(yàn)還原糖水解速率極差分析見表4。由表4極差R可知，3個(gè)因素對(duì)還原糖水解速率影響大小順序?yàn)椋篈＞B＞C。根據(jù)均值大小確定還原糖水解速率的最佳因素組合為A2B3C3。

2.2.3 正交試驗(yàn)pH結(jié)果分析

正交試驗(yàn)pH變化極差分析見表5。由表5極差R可知，3個(gè)因素對(duì)pH變化影響大小順序?yàn)椋篈＞B＞C。根據(jù)均值大小確定調(diào)節(jié)pH的最佳因素組合為A3B1C2。

綜上所述，正交試驗(yàn)最優(yōu)組合分別為A2B3C3、A2B3C3、A3B1C2，考慮到SO2-4去除效果及還原糖水解速率等問題，選取正交組合A2B3C3進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，即100 mL的廢水中SRB投加量為71.2 mg，甘蔗渣粒徑為100目，甘蔗渣投加量為4.5 g。

2.3 SRB利用甘蔗渣為碳源時(shí)生長代謝活性

圖4是SRB以甘蔗渣為碳源時(shí)SRB對(duì)SO2-4的去除率、甘蔗渣還原糖釋放量和SRB生長ORP變化規(guī)律，試驗(yàn)初始SO2-4濃度為1240 mg·L-1。由圖4可知，甘蔗渣水解液中的還原糖釋放量先上升后下降，是由于生物質(zhì)纖維素的水解過程中葡萄糖的快速積累會(huì)轉(zhuǎn)化成乙酸、丙醛、糠醛、乙酰丙酸等物質(zhì)及SRB對(duì)還原糖的利用，導(dǎo)致后期還原糖釋放量有下降現(xiàn)象，最終還原糖釋放量為64.03 mg·g-1。由于甘蔗渣對(duì)的快速吸附作用，前期去除率迅速增大，但是隨著纖維素的水解反應(yīng)，部分反溶回溶液當(dāng)中，使在24 h時(shí)去除率小幅度下降，但是隨著SRB對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的適應(yīng)，生長代謝活性增強(qiáng)，開始異化還原，去除率逐漸增大，最終去除率為75.23%。ORP逐漸下降，最終ORP為-224 mV，說明在試驗(yàn)后期，甘蔗渣也能為SRB提供較充足碳源。

表3 去除效果直觀分析（%）Table 3removal effect visual analysis（%）

表3 去除效果直觀分析（%）Table 3removal effect visual analysis（%）

類別均值1均值2均值3極差（R）A：SRB投加量52.927 53.657 52.263 1.394 B：甘蔗渣粒徑43.857 46.22 68.77 24.913 C：甘蔗渣投加量44.767 55.167 58.913 14.146

3 結(jié)論

（1）不同pH、不同甘蔗渣粒徑和不同投加量條件下的碳源釋放試驗(yàn)表明，在pH值為7的體系、甘蔗渣粒徑和投量分別為60目、3.5 g·100 mL-1廢水時(shí)，甘蔗渣中纖維素水解速率及葡萄糖水解速率均較慢，有利于還原糖的持續(xù)積累。

（2）在不同SRB投加量、不同甘蔗渣粒徑及其不同投加量條件下的正交試驗(yàn)表明，當(dāng)SRB投加量、甘蔗渣粒徑和其投加量分別為71.2 mg、100目和4.5 g時(shí)，體系中SO2-4去除效果最好、還原糖水解速率最小，為正交試驗(yàn)的最佳組合。

（3）SRB利用甘蔗渣為碳源時(shí)生長代謝活性試驗(yàn)表明，反應(yīng)進(jìn)行了96 h后，體系中SO2-4去除率和還原糖釋放量仍分別高達(dá)75.23%、64.03 mg·g-1，ORP低至-224 mV，說明甘蔗渣有持續(xù)供給碳源以保證SRB生長活性的能力。

表 4 還原糖水解速率直觀分析（mg·g-1·h-1）Table 4 Visual analysis of hydrolysis rate of reducing sugar（mg·g-1·h-1）

表5 pH直觀分析Table 5 pH visual analysis

圖4 以甘蔗渣為碳源時(shí)SRB生長活性Figure 4 SRB growth activity under carbon source of bagasse