高温气升式一氧化碳补给反应器中水力停留时间对硫酸盐还原反应的影响

关键词： 一氧化碳   氢衍生物   氢气   甲烷   硫酸盐还原   气举反应器

摘要：

目前在使用CO作为电子供体的硫酸盐还原中一氧化碳（CO）转换微生物在厌氧污泥中发挥了关键作用。在气举反应器（55℃）中CO转化率在不同的水力停留时间（ HRT为）下做测试。实验在HRT为> 9h时H2和CO衍生物大部分由甲烷消耗（高达90％），使得硫酸盐还原效率低于15 ％。在HRT < 4小时，H2和CO衍生物的消耗由硫酸盐还原控制，即高达95％的氢气用于硫酸盐还原。在HRT为3小时硫酸盐还原率为17mmolL-1D-1，其中有超过87％的氢气用于硫酸盐还原。然儿在这种实验条件下多次的反复实验表明HRT>5.5小时后甲烷的控制力将超过硫酸盐还原。硫酸盐还原率受CO的供给量影响，其转换效率（约85％）在高负荷的CO合作下有可能造成一个低的生物存活率。

1 导言

判断用生物硫酸盐还原处理有机质含量低的废水是否划算在很大程度上取决于所选择的外部电子供体。合成气，混合氢气和一氧化碳，曾有人建议把它作为可选者的廉价纯氢气分析（ van houten和lettinga ，1996年; Du Preez和maree ，1994年）。然而，CO强烈的毒性使硫酸盐还原（默尔斯多夫等，1992）直接应用合成气为硫酸盐还原电子给体受到了限制。

最近发现有些中度嗜热硫酸盐还原微生物比此前认为的CO更具有耐受性（ parshina等人，2005年）也许可以直接利用合成气进行生物脱硫。尤其是，把游离羧基脱硫肠状菌从上流式厌氧污泥床（ UASB反应器）反应器处理造纸废水中分离（ parshina等人，2005年）看来很有希望用嗜热生物技术进行烟气脱硫。在55 ℃下CO与H2迅速的反应，在CO稳定的时候细菌生长率超过160kpa达0.6h-1（倍增时间1.7h ;未发表的结果）。虽然在pH 7.4时硫酸盐还原受到抑制，H2和CO的合作衍生物作用于硫酸盐还原，硫化物浓度超过了10毫米。

范houten等人。（1996）测试了合成气潜在的利用价值，在H2/CO2中不断的加入CO（直到20％），并在气举反应器中加入好温细菌体（30℃）.含20％的CO的在氢气中的原料气，硫酸盐还原率高达100mmoll-1D-1，但直接利用CO为硫酸盐还原的电子给体当时并没有予以证明。杜布里兹和maree（1994年）在35 ℃固定床反应器只用CO取得了硫酸盐还原率最高达25mmoll-1D-1。高温（50-55℃）在气举反应器里只提供CO和从隔离的汽化室接种的颗粒污泥获得了硫酸盐还原率20mmoll-1D-1（sipma等人，2006）然而，这些硫酸盐还原率分别只得到了一短期期（1-2天），由于竞争为H2和CO合作衍生之间的嗜热硫酸-减速机和产甲烷菌。这种竞争导致产甲烷为主的H2消费在气举反应堆运行的水力停留时间（HRTS）6至14h 。类似的竞争影响，在温度为55℃，导致已报告的甲烷和别的一些培养基所控制，即甲醇（ vallero等人，2003年）或H2/CO2.（van houten等人，1997年）。尝试测试CO补给气升式反应器在高温（高达65 ℃）导致降低CO转化能力，而甲烷没有清除（sipma等人，2006年）。此外，甲烷产生了周期4.5h，并在环境条件如pH值，温度和盐的浓度下分别被查出有更强有力的冲击（ sipma等人，2006a ）。

本文介绍了水力停留时间在气升式CO补给反应器硫酸盐还原接种厌氧颗粒污泥的性能的影响。实验在水力停留时间小于甲烷的周期时可以使占主导地位的生物量发展。此外，在反应器中它还将减少硫化物浓度，从而减少硫化氢毒性的作用及CO利用硫酸盐还原菌。

2 材料与方法

一个气升式环流反应器（内部直径0.1米;工作液体体积4.0升）与内部导流管0.45米用在这方面的工作（图一）。反应堆加热循环水（ 55 ℃ ），从恒温浴（julaboseelbach，德国）通过外面覆盖的反应器。温度在反应堆测量仅低于污水，用一个PT-100电极（工业技术，英国）。在头21天，反应器的混合液体温度是54 ℃，之后由于增加了进水流量，pH值使温度减少到约52 ℃。小心控制pH电极（Hilkomij BV, Rijswijk, the Netherlands），使用0.1米氢氧化钠与磷pH值控制器控制pH值到6.9（endress和hauser，naarden，荷兰）。

由热式质量流量计式5850e和控制单元型5878使CO缓慢的循环（Brooks, Veenendaal,荷兰）。用一个压缩机型号N726 FT.18使气相在流速为250Lh-1下循环（KNF Neuberger, Freiburg, Germany）。煤气回收利用，一个空栏是用来作为凝聚和泡沫的收集。气体管材为4×6MM或6×8MM聚四氟乙烯（橡胶BV公司hilversum ，荷兰）以及所有气体连接制成的聚偏氟乙烯（谢尔特银，阿多夫，瑞士）。

少量气体氮气加入反应堆，以保证系统恒定，从而防止氧气由于气体用完从管道线进入。由于抽放气体压缩机消耗引入的CO，应用氮气流量分别为11 mmol-1 h-1（第0-35天），7mmol-1h-1（第36-73天）和3mmol-1在其余该实验为3mmol-1氢这样足以防止任何时候氧气进管道。

直接向稀释水增加养分，以防止养分产生限制，由于增加了稀释水流量。在稀释水成中加入的养分为（毫米）：二水磷酸氢0.9;磷酸氢二钾1.3;氯化铵8.6;氯化钠7.9; 二水氯化钠1.2; 六水氯化镁0.8；酵母0.1gL-1，并进一步补充1.5mL-l的酸性微量元素溶液和1.5mll-1碱性微量元素溶液根据施塔姆斯等人（1993）。硫酸和养分供应用Gilson Minipuls 3。（Gilson国际BV公司，海牙，荷兰）和稀释水量用沃森马罗503（法尔茅斯，联合王国）。

2.2 生物质来源

该反应堆是接种50克（湿重）造纸厂废水处理厌氧污泥（industriewater eerbeek，eerbeek ，荷兰）。

2.3 实验设计

从一开始直到73日，有少量的醋酸（ 1.5and 2.4毫米）是提供给反应堆饲料作为额外的碳源。硫酸盐是另行以反应器流率1.0ld-1 （0至21天 ）和1.3ld-1 （22-116天）供给 。硫酸盐浓度在此原液中为70毫米（ 0-26天），140毫米（27-73天） 和175毫米（91-116天） 。

为了改变水力停留时间，流动的水被稀释的多种多样。直到第21天，流通的稀释水是介乎于7到9Ld-1 （HRT为10.4和8.6h之间） ，从每天21至106之间和20到45Ld-1 （HRT在4.3和1.9h之间），并从第一天起106起，流通稀释水是逐步下降，从14至5Ld-1（HRT由5.9增加到13.3h ）。该反应堆暂停了两次（47-55和74-90）。在第56天探讨在初步接触后CO消耗的差不多的情况下水力停留时间的影响.因此，反应器在HRT 5.4h时启动 ，以刺激反应器里的生物量浓度，在第57天它减少到4小时 ，在第67天再下降至2.8到3.0小时。第91天在补给反应器里恢复水力停留时间为2.9h ，在102天进一步降低到1.9至2.4h 。

2.4  一组实验

测试CO转化率，H2/CO2生产量或消耗量，并利用醋酸（带和不带8毫米的硫酸盐）一组实验2 - 5毫升反应液体放入117毫升血清瓶丁基塞子密封。这组实验的培养基为（毫米） ：氯化铵5.6 ，二水氯化钙0.7，六水氯化镁0.5，氯化钠5.1，九水硫酸钠0.3，酵母提取物500mgL-1，酸性和碱性微量元素溶液各1mlL-1（施塔姆斯等人，1993年）。当使用醋酸（6毫米）或150kpaCO作为饲料时，培养基缓冲在pH7.0。用8.2毫米磷酸二氢钾和11.4毫米二水磷酸氢钠与H2/CO2（ 80/20％ ，在总压150kpa ）23.8毫米碳酸氢钠被用来缓冲在环境pH为7.0和磷酸盐浓度下降至2毫米。

实验提出一组特别的微生物，一组实验用25毫米磺酸盐乙烷或0.07毫米万古霉素的方法抑制，分别活性和产甲烷菌（欧伦-土地和capone ，1988年）。该繁殖均在控制温度（55 ℃）的振动筛孵化器型射频干扰RFI-125（Infors AG, Basel，瑞士）在200rpm下各组实验进行三次。

2.5 分析

如weijma等人所描述的那样（2000）上部分气体混合物在一个气相色谱仪被分析，惠普5890（惠普，Palo Alto ，美国）。根据weijma等人（2000）醋酸及其他挥发性脂肪酸（VFA）在惠普5890a气相色谱仪进行了分析（惠普，Palo Alto，美国）。根据Truper and Schlegel（1964）硫化物被衡量 。如同前面所述（sipma等人，2004年）硫酸在DX600集成电路系统（戴安公司，Salt Lake City ，美国）中衡量 。使用spectronic 601分光光度计（米尔顿罗伊ivyland ，美国）通过测量在600nm（OD600）光密度监测生物供给量 。

分析所用的化学品由Merck (Darmstadt, Germany) 购买。一氧化碳（纯度为99.9 ％ ），氮气（纯度99.999 ％）及H2/CO2（80％：20％）。

3 结果

3.1  水力停留时间和CO在CO转化率和硫酸盐还原中所起到的影响

图A显示在反应堆运行时施加水力停留时间和OD600来测试他们的影响能力。图B描绘了硫酸盐负荷率。在头20天内，由于大量的悬浮固体量有用的OD测量不能表现出应有的作用，目前来自颗粒污泥的排放液体用作接种。快速减少水力停留时间结果，如图中反映的过程中的OD600价值减少生物数量急剧降低，特别是在21日一天（图A）。增加HRT逐步到16h（106-114天），如图中显示的OD600价值在反应器中极大地提高了生物体浓度（图A ）。

图C通过不断增加CO的含有绿来测试CO转化效率。在4天内CO的转换效率超过了87％ 。在21日突然快速减少的水力停留时间到了3小时，产生了CO转化率一个短期的下降，但在3天内取得了87％的效率（图C）。与21日水力停留时间相当短的时候相比转换效率有点低，这可能是由于生物量的限制（图A ）。

在第68天越来越高的CO含量从60到105mmolL-1D-1也使CO转化效率有一个相当大的降低，即从98％至86％（图C），但总的CO转化量从50增加到了90mmol L-1D-1。CO转化率稳定在约90mmol L-1D-1，提示生物量在第102和106天水力停留时间大约为2.0 h时的限制。在CO含量达到77mmol L-1D-1时CO转化率超过了93％（图2）。从第106天起增加水力停留时间使得CO转化效率超过了98％ 。

图3显示CO的转化产生了大量的氢和甲烷。H2在尾气中很难被察觉，尤其是开始后或恢复了CO的供给后甲烷产量的迅猛增长第11天与21天之间甲烷产率达15mmolL-1D-1。这表明几乎所有的CO减少等值用于沼气生产，在CO的负荷为60mmolL-1D-1，在第21天水力停留时间降低至3小时后，观察到废气中的H2在4天内使微生物死亡，但在第26天甲烷已经恢复到了最大产率8mmolL-1D-1。

图a图b显示，用进水与出水中测得的硫酸盐浓度差来表明硫酸盐的转化率。硫平衡表明在出水液体中的硫化物普遍偏高（图C）。硫化氢显然并没有在很大程度上影响硫平衡，这可以归因于低硫化物浓度（小于3毫米），低排气流量，中性pH值（6.9-7.0），导致低的硫化氢分数（小于38％），以及相对较高的硫化氢溶解度（佩里等人，1997年）。在第26天之后，硫酸盐负荷率明显上升（图B），甲烷生成率逐渐下降低于1mmol L-1D-1（图C）。因此，污水硫化物浓度增加至约2毫米并且硫酸盐还原率达到最高17mmolL-1D-1（图A ）。显然，在如此低的水力停留时间下高温硫酸盐减速器也有能力超过甲烷。

3.2  没有催化剂后启动策略的影响

供给CO之后首先未供给期间（46-56日），沼气产生率大概6mmolL-1D-1。反应堆似乎相当敏感，可以看出，在第64天CO转化率骤降，在第65天后又增加了氢气生产（图C）。最初的甲烷产量似乎保持不变，但在第67天，它突然下降（图三），其次是硫酸盐还原率明显增加（图D ）。恢复CO供给反应堆后（第56天）迅速的升高水力停留时间到5.4h促进了沼气生产，但是在水力停留时间为3小时恢复CO供给（第91天）促进了硫酸盐还原（图C和D）。然而，即使在水力停留时间低于3小时，甲烷产量也增加缓慢，约1.5mmolL-1D-1（图C），这很可能是在第98到106之间向反应器增加了CO供给的结果（图C）。从第106天起不断增加的水力停留时间造成产甲烷率迅速增加（图C） 。

3.3  醋酸盐作为补充碳的作用

图5的结果显示纯醋酸在高的水力停留时间的作用下加入没有明显改变生物反应器内生物质的含量，也没有影响到CO的转换效率。而当在一个低水力停留时间下进行观察。无刺激性的醋酸像OD600在HRT小于3小时一样被测试是否为生物体的增长供给了养料（图A）。在第42天乙酸代谢在一组试验中被研究 一个反应器里存在含有硫酸盐的生物一个没有。经过20天不明显消耗醋酸的培养

3.4  等量降低的电子流量

图6A显示电子流从CO流向产生的沼气、硫酸盐还原和产生的醋酸。只在前21天和第91到116天之间发现了产生的纯醋酸（图5）。因此，一个电子从CO流向产生的醋酸，只能是经过评测这些时段（图6）。电子流向H2没有显示在图6上，因为只有废气中有大量的氢气时才能观察到（图3）。一般来说，CO产生的电子流不与H2反应的低于总电子流的2％。这种电子平衡（图6B）显示CO在它的产物中保持的很好。这组在第33，42和45天在反应器里采样的微生物做的实验的结果显示CO转化为氢气，而20天内在细菌繁殖器里观察不到CO的消耗（数据未显示）。然而，存在H2/CO2（比80/20 150kpa）和少量的CO（5-20kpa）在万古霉素中抑制实验，消耗完H2/CO2后CO消耗的很慢(20kPa在20天里)。或许这些产甲烷有能力在CO中成长很慢。

4  讨论

4.1 气升式CO补给反应器中低水力停留时间下提高硫酸盐还原的研究

这项研究中观察到的现象显示气升式CO补给反应器在水力停留时间低于4小时的结果几乎是一个完整的硫酸盐还原系统：氢气消耗硫酸盐还原菌增加使之达到了95％的由CO形成的H2（图6）。以前的研究表明，实验条件，如pH值，温度和盐的浓度在气升式CO补给反应器中作为条件来促进硫酸盐还原均失败了（ sipma等人，2006年）。观察到在这些实验中硫酸盐最大还原率20mmolL-1D-1不超过2天，这是由于硫酸盐减速器中的甲烷争斗CO衍生的H2。这与高水力停留时间（≥9h）中的结果相一致，产生的氢气大部分被甲烷所利用（高达90％），而硫酸盐还原所利用的只达15％，导致硫酸盐还原率低于4mmol L-1D-1（图A）。

反应器中的水力停留时间如此低使得生物量浓度很低，而这显然影响了硫酸盐还原率。CO的转换效率和CO从气体中脱离也同样受影响，发现在水力停留时间在大约4小时（最大限度98％;图2C）与水力停留时间约10小时（最大限度99％ ;图2C型）此现象相似， CO含量的上升使微生物数量受到限制而使CO转化率反而降了，即在CO浓度105mmol-1D-1时CO的转化率也达到最大限度88％（第73天;图2C）。因此，有足够的生物量是一个先决条件，以实现用CO作为电子给体来实现更高的硫酸盐还原率。

5结论

在50-55℃，水力停留时间小于4小时条件下使用一氧化碳作为外部电子供体，硫酸盐还原率能稳定在95 ％以上，CO得均匀的不断供给硫酸盐还原。

在水力停留时间大于4小时条件下甲烷在与硫酸盐还原竞争合作衍生的H2中占绝对优势，这表明需要消除甲烷或调整实验条件以最大限度地减少甲烷的数量。

尽管业界普遍认为具有毒性的一氧化碳作用与硫酸盐还原，但是不仅CO有毒性，硫化氢也有毒性但其使硫酸盐在一个应用合成气或一氧化碳作为外部电子供体的生物系统中得到了最大还原能力。