硫酸鹽還原菌對硫酸鹽與亞硫酸鹽共代謝作用性能研究

[摘要]我國是以煤炭為主要一次能源的國家，煤炭消耗量占總量的59%，煤炭在燃燒的過程中可燃硫會生成硫氧化物排放到大氣中，煙氣中的SO2是形成酸雨的主要物質，因此國內外均采用了相應的控制措施。在生物脫硫中，煙氣中硫氧化物（SO2）經(jīng)過化學吸收及氧化易形成SO32-/SO42-，再由硫酸鹽還原菌（SRB）還原生成硫化物而實現(xiàn)煙氣脫硫。本實驗研究通過其產(chǎn)物量變化推斷SRB對亞硫酸鹽的代謝作用歷程，并判斷SRB在中性條件下對亞硫酸鹽與硫酸鹽的共代謝情況。研究表明：SRB在還原過程中，亞硫酸鹽更容易被還原;在碳硫比為0.49條件下，亞硫酸鹽與硫酸鹽進行單獨代謝，不存在協(xié)同作用;經(jīng)過理論分析，提供了在碳源充足情況下SRB對硫酸鹽與亞硫酸鹽的共代謝作用研究的可信性分析。

[關鍵詞]煙氣脫硫;SRB;亞硫酸鹽還原;硫酸鹽還原

1 引言

我國目前是以利用煤炭為主要一次能源的發(fā)展中國家，在2018年所用于能源消耗用的煤炭總量達到了約46.4億噸的標準燃煤量，由煤炭提供的能源消耗的量大約占總量的59%[1]，煤中礦物質的含硫從結構外形狀態(tài)上可分為兩大類一類為有機硫，另一類為無機硫，無機硫大都以無機礦物質狀態(tài)存在。

煤炭在高溫燃燒的過程中，可燃性的硫化物會生成硫氧化物隨著煙氣的上升進入到了空氣中，燃燒后煙氣產(chǎn)生中的SO2是大氣中形成酸雨的主要前體可溶酸性物質，在于空氣中的水分接觸后會產(chǎn)生硫酸，降低水分的pH值，直至造成pH值比5.6小的酸性降雨，國內外均針對該現(xiàn)象廣泛采用了其相應的煙氣脫硫控制措施。目前常用的控制煙氣的方法有：石灰石/石灰濕法、煙氣脫硫循環(huán)流化床法、噴霧干燥法、海水煙氣脫硫流化床法和利用微生物濕法煙氣脫硫[2]等。根據(jù)趙毅[3]的研究，近年來，人們充分運用目前自然界已經(jīng)廣泛存在的各種煙氣脫硫生物和細菌，進行了對微生物脫硫的相干理論的鉆研和運用技術的研發(fā)。主要是通過高效的微生物脫硫反應器技術達到單質硫的回收，在有效地控制了SO2排放的同時，實現(xiàn)了煙氣脫硫廢物的資源化。使用該方法進行煙氣脫硫具有效率高、能耗低、無二次污染等的特點。應用SRB來運行微生物濕法煙氣脫硫的過程中，SO2經(jīng)過化學吸收之后進入液相，產(chǎn)物轉化成SO32-和價的SO42-，同時存在兩種價態(tài)的硫元素，即+6價的硫和+4價的硫，在SRB對其共同代謝時的作用關系對脫硫效率可能存在較大影響影響。

2 脫硫技術概述

脫硫技術的應用根據(jù)處理硫的前后不同可以將其細分三類分別為燃燒前、燃燒中和燃燒后脫硫，平時我們所謂的煙氣脫硫即是其中的燃燒后脫硫。

2.1 燃燒前脫硫

燃燒前脫硫技術主要是指煤氣化和選煤等技術，按其主要工作原理大致可以將其細分三類，分別為物理法、化學法和生物法[4]。

2.2 燃燒中脫硫

燃燒中脫硫是指在煤的燃燒過程中進行脫除硫分，通常采用的方法是在煤在爐內進行燃燒的過程中向燃燒爐內適當?shù)奈恢脕磉M行脫硫劑的噴入，目前脫硫設施中應用以石灰石、白云石為原材料的脫硫劑的居多，也有利用熟石灰、生石灰的。

2.3 燃燒后脫硫

在所有煙氣脫硫技術中最為成熟的為濕法煙氣脫硫技術， 盡管其脫硫率相對較高， 可達90 %以上[5]， 脫硫劑利用率高， 但是該法設備昂貴、運行費用大，因此只在一些發(fā)達國家得到應用。

根據(jù)趙毅[6]的研究，近年來國內外的科研人員利用自然界已存在的各種脫硫菌， 進行了微生物脫硫的基本理論和脫硫技術的研究。

生物脫硫就是利用SRB將兩種鹽還原為硫化物進而處理[7]。因此從濕法脫硫角度考慮，金小達[8]等的將二氧化硫轉化為硫化氫，再將硫化氫轉化為單質硫進行循環(huán)回收是較為環(huán)保的選擇。

微生物濕法與其他脫硫方法相比，其主要的優(yōu)點是脫硫效率高[9]，該法所用脫硫設備簡單，占地面積小，成本低，能耗低，且由于該法是微生物代謝脫除硫，反應過程中無任何二次污染，是一種較為清潔的天然脫硫方法;但是該脫硫方法的缺點是由于反應由生物代謝完成，反應速度受到生物代謝速度的影響有所限制，一般反應時間較其他脫硫方法所耗時間長。

3 實驗方法

本研究所用所用SRB培養(yǎng)基為改進的Postgate’s C[10]培養(yǎng)基，其中硫酸鹽被亞硫酸鹽與硫酸鹽按比例替代，其含量降低至相應含量的1/2，遵循不改變其中總S含量來配置，其余營養(yǎng)物質降至相應含量的1/4，貯于厭氧瓶中，利用N2充氣10min來趕走培養(yǎng)基中氧氣，實現(xiàn)相對厭氧的環(huán)境。

配置好培養(yǎng)基后調整pH至7，采用厭氧瓶進行培養(yǎng)，每瓶200ml。利用N2充氣10min來趕走培養(yǎng)基中氧氣，實現(xiàn)相對厭氧的環(huán)境，放入恒溫培養(yǎng)箱中預熱1小時，接種比例固定為1：10，接種后放入恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

控制總硫的質量不變，將硫酸鹽與亞硫酸鹽的比例分別設置為1：0、3：1、1：1、1：3、0：1，對硫化物、亞硫酸、硫酸鹽、pH值、產(chǎn)氣量等指標進行檢測。其中硫化物的測定采用亞甲基藍分光光度法，亞硫酸鹽的測定采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法，硫酸鹽的測定采用鉻酸鋇分光光度法。

4 實驗結果與討論

4.1 實驗結果

從圖1可看出，在1：0、3：1、1：1、1：3四個厭氧瓶中亞硫酸鹽不斷被消耗，1：3在第三天厭氧瓶中亞硫酸鹽就被消耗殆盡，1：0、3：1、1：1在第五天厭氧瓶中亞硫酸鹽被消耗殆盡，0：1培養(yǎng)瓶中一直未有亞硫酸鹽生成，因此該SRB菌種不能先將硫酸鹽轉化為亞硫酸鹽在進行進一步反應。

從圖2中可以看出，硫酸鹽的含量基本都保持在一個較高的水平，甚至在1：1和3：1的瓶中發(fā)現(xiàn)硫酸鹽含量逐漸增高的現(xiàn)象，結合在1：0的瓶中未加入硫酸鹽，但是在第6天后檢測發(fā)現(xiàn)瓶中含有大量硫酸鹽，通過對比觀察圖1、2、4發(fā)現(xiàn)各瓶中均有硫化物生成，均有產(chǎn)氣，且pH值始終保持在7左右，SRB代謝較為正，但是硫酸鹽含量卻存在較大出入，考慮是在SRB在還原過程中有某中間產(chǎn)物能夠與鋇離子絡合，形成沉淀使鉻酸鋇分光光度法測試不準。

從圖3可看出，1：0瓶中轉化率最高，結合圖3-7說明在SRB還原亞硫酸鹽過程中硫酸鹽沒有起到作用，SRB對亞硫酸鹽更為敏感，在還原硫酸鹽、亞硫酸鹽過程中互相沒有太大影響。

從圖4可看出，比例為1：0、3：1、1：1的三個培養(yǎng)瓶在第一天并沒有優(yōu)先產(chǎn)生硫化物，反而是1：3和0：1的兩個培養(yǎng)瓶中優(yōu)先產(chǎn)生了硫化物，1：0、3：1、1：1三個瓶中硫化物最終產(chǎn)量比1：3和0：1大，SRB菌種不能直接把亞硫酸鹽轉化為硫化物。蔡靖[11]的研究中說明亞硫酸鹽至硫化氫的還原途徑可能為：三個連續(xù)的雙電子傳遞，形成連三硫酸鹽和硫代硫酸鹽（3SO32-→S3O62-→S2O32-→S2-）;很可能在還原亞硫酸鹽過程中生成了中間產(chǎn)物。反應過程中的波動原因可能是由于瓶中亞硫酸鹽濃度的變化使水中的硫化物釋放到上方空氣區(qū)影響其濃度。

從圖5可看出，五個厭氧瓶中都逐漸產(chǎn)生氣體，該氣體用針管吹至濕潤過的醋酸鉛試紙上，試紙變成黑色，結果為陽性，證明氣體中含有H2S，其中3：1最終產(chǎn)氣量最多。

從圖可看出，五個厭氧瓶pH一直穩(wěn)定在7左右。

5 改變碳源量對共代謝情況影響的可能性論證

目前許多研究認為微生物有兩種還原方式對無機硫化物進行還原[12]。一種是微生物同化型硫酸鹽還原作用，這種方式下，硫酸鹽還原的產(chǎn)物直接用于合成有機的細胞內物質;另一種還原方式是微生物異化型硫酸鹽還原作用，這種還原方式是SRB特有的獲取能量的進行厭氧呼吸的方式，是電子傳遞、有機物在厭氧條件下氧化、能量儲存與硫酸鹽還原相互耦聯(lián)的過程，這個過程需要一系列的酶參與。

Postgate[13]在1969年證實了硫酸鹽還原菌還原反應的最初幾步，現(xiàn)已公認的反應原理如下： （HS-/S2-）

由過程可見，SRB可將SO42-通過硫酸腺苷酶轉移酶轉化為APS，再通過腺苷酶硫酸還原酶轉化為SO32-最后由亞硫酸鹽還原酶轉化為硫化物。

本實驗所用SRB屬于異養(yǎng)型硫酸鹽還原菌，其通過異化作用還原硫酸鹽過程中碳源是不可或缺的物質之一[14]，其中碳源種類和碳硫比是影響代謝的重要因素。本實驗碳源采用的是乳酸鈉，培養(yǎng)基中碳硫比約為0.49。

根據(jù)下式可進行碳硫比的計算[15]：

在異養(yǎng)型硫酸鹽還原過程[16]中乳酸被SRB攝入體內后，首先在乳酸脫氫酶的作用下會逐漸生成丙酮酸、H+和e-，2H+和2e-在膜結合細胞質內的氫化酶的作用下會產(chǎn)生H2并穿過細胞膜擴散到細胞周質;隨后丙酮酸裂解會生成乙酸和二氧化碳，同時通過底物水平磷酸化，產(chǎn)生ATP，產(chǎn)生的電子同樣在膜結合細胞質內的氫化酶的作用下生成H2進入細胞周質;周質中的H2作為電子供體在周質氫化酶的作用下發(fā)生氧化，并將電子傳遞給SRB特有的電子受體蛋白。而H+釋放到周質中會形成周質與細胞質之間的H+離子濃度梯度，推動ATP合成酶產(chǎn)生ATP;電子受體蛋白將電子傳遞給膜結合的電子傳遞復合體，復合體將電子跨膜傳遞給硫酸還原所相關的酶，從而進行硫酸鹽的還原。

在整個還原過程中，碳源的量是極其重要的，根據(jù)陳平1996年的研究[17]，碳硫比會對SRB還原硫酸鹽產(chǎn)生產(chǎn)生直接影響，碳源量會影響著電子供體的量，影響著SRB對硫酸鹽還原的過程。根據(jù)高凱的研究[18]，當碳硫比大于3.0時，硫酸鹽轉化率均達到了72%以上，在碳硫比在4.4時轉化率最高達到了95.75%。但是在碳硫比在4.4時，硫酸鹽的去除量相對較低，經(jīng)比較最佳的碳硫比為3.0，此時硫酸鹽去除量超過830mg/L。

本實驗中采用的培養(yǎng)基為改進的 培養(yǎng)基，其中乳酸鈉的含量降低為原培養(yǎng)基的1/4，碳硫比約為0.49，此時乳酸鈉含量較低時，會影響SRB的ATP合成，進而影響SRB還原硫酸鹽。從4.2中圖6可以看出，當亞硫酸鹽與硫酸鹽比值在0：1時，轉化率只有17.7%，相對較低，其原因可能是碳源含量較低，影響SRB 的ATP合成，其電子供體相對較少，影響了其轉化率。

根據(jù)任南琪的硫酸鹽還原能量學[19]，硫酸鹽在還原的第一步是硫酸鹽的活化，這是一個吸能反應，硫酸鹽活化的能量相當于兩分子ATP水解為ADP所釋放的能量，這是亞硫酸鹽還原所沒有的一個步驟，因此相對于硫酸鹽，在SRB的亞硫酸鹽還原酶作用下，亞硫酸鹽相對更容易被還原。致使在低能量環(huán)境下SRB 對硫酸鹽與亞硫酸鹽共代謝情況產(chǎn)生偏差，影響了判斷。

因此，當加大碳源，可能會存在著SRB對硫酸鹽與亞硫酸鹽的共代謝的協(xié)同作用。

6 結論與展望

（1）在碳硫比為0.49條件下的菌種作用下，亞硫酸鹽與硫酸鹽同時存在時，亞硫酸鹽與硫酸鹽進行單獨代謝，不存在協(xié)同作用。

（2）由于SRB體內的亞硫酸鹽還原酶作用使得其對亞硫酸鹽還原作用比硫酸鹽更容易。

（3）在硫酸鹽還原過程中，硫酸根離子直接被SRB還原為硫化物，而未經(jīng)過亞硫酸鹽這個中間產(chǎn)物環(huán)節(jié)。

（4）本實驗暫時還未驗證中間產(chǎn)物具體是什么，由于試驗條件有限，只推斷中間產(chǎn)物是一種生物有機分子，暫不做進一步的探究，希望以后在有條件的時候能夠進一步的深入研究。

開展此項研究為今后將SRB應用到煙氣SO2的脫除提供了數(shù)據(jù)支持。

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作者簡介：劉寅 ：199709：男：河南省鄧州市：漢：本科：助力工程師：中石化江漢石油工程有限公司環(huán)保技術服務公司

研究方向：環(huán)境工程