ABSTRACT

The HA was added to sludge containing a large amount of SRB and reacted under anaerobic conditions. The results showed that HA strongly inhibited the production of H₂S and sulfides by SRB. The effect is that 80 to 200 mg/L of HA has an inhibitory effect on H₂S production of more than 80% and an inhibitory effect on sulfide production of more than 50%. HA can promote the use of SRB for electron donors. The total utilization of SRB for 200 mg/L HA for electron donors is 97.88%, which is 20.62% higher than that for SRB without HA. The addition of AQDS shake flask experiments indirectly verified that dosing HA disrupted the SRB-reduced $S{O}_4^{2-}$ electron transport system and became the ultimate electron acceptor for SRB metabolism. HA has a significant inhibitory effect on two key enzymes in the metabolism of SRB:APS reductase and sulfite reductase, with inhibitory effects of 44.59% and 42.53%, respectively.

Keywords:Humic Acid, Sulfate-Reducing Bacteria, Hydrogen Sulfide, Electron Transport System, Microorganism, Enzyme Activity

腐殖酸对硫酸盐还原菌厌氧还原硫酸盐的 抑制效果及其机理研究

马彬彬¹，吴敏^1*，王致远²，李恭霞²，赵刘柱²，陈世阳³

¹同济大学，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海

²上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海

³同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海

收稿日期：2019年12月1日；录用日期：2019年12月19日；发布日期：2019年12月26日

摘 要

在含大量SRB的污泥中投加HA，在厌氧条件下进行摇瓶反应，结果表明：HA对SRB产生H₂S和硫化物有强烈的抑制效果，80~200 mg/L的HA在对产生H₂S的抑制效果超过80%，对硫化物的产生抑制效果超过50%；HA能够促进SRB对电子供体的利用，投加200 mg/L HA的SRB对电子供体的总利用率为97.88%，相比未投加HA的SRB提高了20.62%；投加AQDS的摇瓶实验间接验证了投加HA扰乱了SRB还原 $S{O}_4^{2-}$ 的电子传递体系，并成为SRB代谢的最终电子受体；HA对SRB代谢过程中的两种关键酶APS还原酶和 $S{O}_3^{2-}$ 还原酶都有显著的抑制作用，其抑制效果分别为44.59%和42.53%。

关键词 :腐殖酸，硫酸盐还原菌，硫化氢，电子传递体系，微生物，酶活性

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

城市污水处理厂在完成污水处理的同时，也会产生大量恶臭气体，其主要成分是含硫化合物和含氮化合物。其中，含硫化合物中的硫化氢(H₂S)被认为是污水处理厂所产生的最为普遍且影响最大的恶臭物质。H₂S不仅会影响周边环境的质量，而且会严重威胁周边居民身心健康，H₂S还会对污水管道和处理设备产生腐蚀，缩短其使用寿命，影响污水处理厂的正常生产活动 [1]。

目前污水处理厂常用末端处理来控制恶臭气体，但存在显著缺陷：增设恶臭气体收集、处理系统会增加污水处理厂建设和运营的费用，并且加盖封闭会给处理构筑物内相关设备的运行、保养和维修带来不便，甚至会造成设备腐蚀问题 [1]。

综上所述，污水处理厂现行末端除臭技术存在着显著缺陷。因此，迫切需要研究开发城市污水处理厂H2S恶臭气体的原位控制技术。据研究，蒽醌及蒽醌衍生物和腐殖酸模式物等腐殖质类物质均对硫酸盐还原菌(SRB)生长有抑制作用 [3] [4]。鉴于此，本文利用一种水中的天然有机物——腐殖酸(HA)抑制SRB的生长代谢以减少H₂S气体的产生量，研究HA对SRB厌氧产生H₂S的抑制效果，揭示腐殖酸对SRB厌氧产生H₂S的抑制机理，为城市污水处理厂恶臭气体H₂S的控制提供一种新思路。

2. 材料与方法

2.1. 试验所用材料

2.1.1. 试验所用污泥及其培养方法

试验所用活性污泥取自上海市某污水处理厂二沉池。将污泥用自来水反复冲洗，去除里面粗大固体颗粒，然后将处理后的污泥倒入血清瓶密封保存于4℃冰箱中，2 h后将上层清液倾倒，得到经重力沉降的污泥备用。

在1 L的培养瓶中加入上述备用污泥、0.192 g乙酸钠、0.15 g葡萄糖以及培养液(表1)，并加培养液使混合液体积为1 L，使每个培养瓶中的COD浓度、pH和硫酸盐( ${\text{SO}}_4^{2-}$ )浓度分别为3000 mg/L、7和600 mg/L，然后持续通入氮气约5 min，以维持氧化还原电位(ORP)在−300 mV左右。将瓶口用橡胶塞密封后放入转速为150 rpm、温度为35℃的恒温摇床中持续培养。每隔24 h静置20 min后倒掉上清液，补充适量乙酸钠、葡萄糖和硫酸盐，重新加入培养液使混合液体积为1 L。重复以上操作，直至培养瓶中的污泥全变为黑色，连续监测气态H₂S产量稳定达到800 ppm以上，认为SRB驯化完成。

表1. 培养液组分及含量

2.1.2. 试验用水及腐殖酸

试验用水为人工模拟废水，其中各物质组分浓度见表2。

试验所用腐殖酸(HA)购置于上海麦克林生化科技有限公司，HA中黄腐酸(FA)含量 ≥ 90%，分子式为C₉H₉NO₆，相对分子质量为227.17，CAS号为1415-93-6。

表2. 实验用水组分及含量

2.2. 试验方案

本试验为序批次式试验。在500 mL血清瓶中加入葡萄糖和乙酸钠混合电子供体，控制污泥浓度即MLSS在5000 mg/L为，控制腐殖酸浓度梯度为0，40，80，120，160和200 mg/L，加人工配水至400 mL刻度线，加入电子供体后混合液的COD应控制在150 mg/L。持续通入N₂，直至混合液的ORP降至−150 mV以下。将瓶口用橡胶塞密封后放入转速为150 rpm、温度为35℃的恒温摇床中培养，投加各浓度HA的反应器分别培养12，24，36，48和60 h，到达预定培养时间后，取出培养瓶，先测定H₂S气体浓度，然后将培养瓶迅速转移至厌氧箱中，取样品上清液经0.45 μm滤膜，滤液用于总硫化物，总有机碳(TOC)的测定；取样品底泥进行酶活力的测定。

2.3. 测定方法

H₂S气体浓度通过ADSK-4硫化氢气体浓度检测仪测定；总硫化物的测定使用哈希DR2800便携式分光光度计测定；TOC采用岛津TOC仪测定；亚硫酸盐酶活力及腺嘌呤磷酰硫酸盐(APS)还原酶酶活力的测定采用Ostrowski和高艳的方法 [5] [6]。

3. 结果与讨论

3.1. HA对SRB还原的抑制效果

SRB在厌氧条件下会将 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 还原并产生H₂S以及硫化物，根据图1和图2，投加了HA的反应器中，释放出的H₂S气体以及水中产生的总硫化物都有了大幅度的减少，这表明HA对SRB还原 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 有极强的抑制作用。除40 mg/L HA外，其余浓度的HA在反应60 h时对H₂S气体产生的抑制效果均在80%以上，200 mg/L HA的抑制效果更是达到了93.14%。40 mg/L HA对总硫化物的产生抑制效果为44.67%，其余浓度HA的抑制效果相差不大，均在50%以上。

图1. 不同浓度HA下反应器产生H₂S气体浓度

3.2. HA对SRB电子传递体系的影响

据Bradley [7] 研究，HA可作为最终电子受体参与微生物厌氧降解有机物。如图3所示，投加HA后，水中有机物均比未投加HA消耗更快，HA能够促进SRB对电子供体的利用。且HA的浓度越高，SRB对电子供体的总利用率越高。投加200 mg/L HA的SRB在反应60 h时对电子供体的总利用率为97.88%，相比未投加HA的SRB提高了20.62%。但是此时SRB经还原 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 产生的H₂S和总硫化物浓度大幅度降低，说明因SRB降解有机物而产生的大量电子有可能经SRB流向了HA。且通过将HA的模式物蒽醌-2,6-二磺酸盐(anthraquio ne-2,6-disulfonnat, AQDS)加入SRB污泥中进行反应发现，AQDS随着反应的进行不断得电子被转化为AH₂QDS，在SRB代谢过程中AQDS起到了最终电子受体的作用，间接证明了HA因充当最终电子受体，分流了SRB降解有机物产生的电子，扰乱了其电子传递体系，抑制SRB厌氧还原 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 为 ${\text{S}}^{2-}$，从而使产生的H₂S气体和总硫化物浓度下降。

图2. 不同浓度HA下反应器产生总硫化物浓度

图3. 投加不同浓度HA时电子供体的利用情况

3.3. HA对SRB代谢过程中关键酶酶活性的抑制作用

根据现有文献，SRB在还原 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的过程中电子传递发生在腺嘌呤磷酰硫酸盐(APS)的还原和亚硫酸盐( ${\text{SO}}_3^{2-}$ )的还原，故APS还原酶和 ${\text{SO}}_3^{2-}$ 还原酶是SRB代谢过程中的关键酶 [8] [9]。SRB反应起始时因清洗和离心作用导致酶活性降低，随反应进行其酶活力逐渐增加，如图4、图5，投加不同浓度的HA后，APS还原酶及 ${\text{SO}}_3^{2-}$ 还原酶的活性显著降低，呈现先降低后增加再减小的趋势；投加HA的浓度越高，对APS还原酶及 ${\text{SO}}_3^{2-}$ 还原酶的抑制效果越好。投加了HA的反应器中APS还原酶及 ${\text{SO}}_3^{2-}$ 还原酶在12 h时其酶活性最低，表明HA的存在打乱了SRB的电子传递，SRB初始降解的有机物产生的大部分电子均被分流至HA，整个 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的还原过程受到影响；随着有机物的不断被降解，产生的电子总量逐渐增加，除分流至HA外，SRB也能获取部分电子，产生H₂S和硫化物。

图4. 不同浓度HA对SRB的APS还原酶酶活力的影响

图5. 不同浓度HA对SRB的 ${\text{SO}}_3^{2-}$ 还原酶酶活力的影响

4. 结论

1) HA能够显著抑制SRB还原 ${\text{SO}}_4^{2-}$，投加80~200 mg/L浓度的HA对H₂S的抑制效果达到80%以上，40 mg/L HA对总硫化物的产生抑制效果为44.67%，其余浓度HA的抑制效果相差不大，均在50%以上。

2) HA能够促进SRB对电子供体的利用，HA浓度越高，促进效果越好，投加200 mg/L HA的SRB对电子供体的总利用率为97.88%，相比未投加HA的SRB提高了20.62%。HA扰乱了SRB还原 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的电子传递体系，并最终称谓SRB代谢的最终电子受体。

3) HA对SRB代谢过程中的两张关键酶 ${\text{SO}}_3^{2-}$ 还原酶和APS还原酶都有显著的抑制作用，HA的浓度越高，抑制作用越强烈。

文章引用

马彬彬,吴 敏,王致远,李恭霞,赵刘柱,陈世阳. 腐殖酸对硫酸盐还原菌厌氧还原硫酸盐的抑制效果及其机理研究
The Role and Mechanism of Humic Acid in Inhibiting the Anaerobic Production of Sulfate by Sulfate Reducing Bacteria[J]. 水污染及处理, 2020, 08(01): 24-30. https://doi.org/10.12677/WPT.2020.81004

参考文献