微生物包埋方法对不同COD/SO42?比值下硫酸盐还原菌硫酸盐还原速率与污泥产率的影响

《Journal of Environmental Management》：The effect of microbial entrapment method on sulfate reduction and sludge production rates of sulfate-reducing bacteria at different COD/SO42? ratios

　　

本研究探讨化学需氧量/硫酸盐（chemical oxygen demand/sulfate，COD/SO42?）比值对包埋与非包埋硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）体系在处理采矿影响水（mining-influenced waters）中硫酸盐还原性能的影响。研究人员评估了两类包埋SRB体系：化学交联（chemically crosslinked，C-ESRB）与冷冻-解冻物理交联（physically crosslinked via freeze-thaw，FT-ESRB），并以非包埋SRB体系作为对照。在COD/SO42?比值为2.0时，C-ESRB与FT-ESRB分别达到5.82?±?0.73?g SO42?/L/天与5.73?±?0.18?g SO42?/L/天的显著更高硫酸盐还原速率，超过非包埋SRB体系（1.56?±?0.23?g SO42?/L/天）三倍以上。当COD/SO42?从2.0降至1.5时，由于较低的乙酸盐积累，C-ESRB表现出最高的硫酸盐还原速率（4.70?±?0.54?g SO42?/L/天）。两种包埋体系在169天运行期间均保持结构完整性，其中FT-ESRB表现出更高的机械强度与刚度。此外，包埋体系维持了更高的SRB群落丰度并显著减少污泥产量，与非包埋SRB体系相比，FT-ESRB降低88?±?4%，C-ESRB降低82?±?4%。这些发现表明微生物包埋在提升硫酸盐还原性能、过程稳定性与生物量保留方面的优势，并提示进一步评估基于SRB的技术在采矿影响水处理应用中的价值。

该研究发表于《Journal of Environmental Management》。研究背景方面，酸性金属排水（Acid and Metalliferous Drainage，AMD）即采矿影响水含有高浓度硫酸盐与有毒重金属，对环境与人体健康构成严重威胁，因此排放前必须处理。硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）可在厌氧条件下将硫酸盐还原为硫化物，被认为是一种有前景的解决方案，不仅能缓解硫酸盐环境影响，还可促进有价值金属以不溶性硫化物形式沉淀回收。然而SRB在AMD处理中的性能受多种运行因素影响，稳定性难以保障，其中SRB生长代谢所需的有机碳源可得性显著影响硫酸盐还原能力，进水化学需氧量/硫酸盐（chemical oxygen demand/sulfate，COD/SO₄^2?）比值是影响硫酸盐还原效率的关键因素。理论上完全硫酸盐还原的COD/SO₄^2?比值约为0.67 mg COD/mg SO₄^2?，实践中因SRB与其他微生物竞争通常需要高于0.67，通常在0.67至2.0之间被认为是有效还原且不过度竞争的最佳范围。克服SRB在AMD中的稳定性限制对大规模应用至关重要，聚合物基质内包埋SRB（entrapped SRB，ESRB）近期成为增强AMD处理的策略，可提供环境扰动保护并改善长期稳定性，还可能降低生物量产率从而减少运营成本与污泥处理负担。但目前关于ESRB系统长期性能、运行优化与技术经济可行性的知识空白仍存，尤其缺乏不同COD/SO₄^2?比值对该体系影响的理解，也缺乏化学与物理交联ESRB在不同比值下的比较研究，包埋方法对硫酸盐还原动力学、生物量生成及微生物群落发展的影响亦不明确。因此研究人员旨在评估比较不同COD/SO₄^2?比值下非包埋SRB与化学及物理交联ESRB系统，评估硫酸盐还原动力学、COD利用、生物量生成、微生物群落动态及ESRB基质力学特性，以评价包埋方法对反应器性能的影响及ESRB作为AMD处理新技术的潜力。

为开展研究，研究人员采用的主要关键技术方法包括：以澳大利亚布里斯班某啤酒厂废水处理设施的厌氧污泥作为接种物富集SRB；使用乳酸钠作为有机碳源、七水硫酸镁作为硫酸盐来源配制合成废水，并按目标COD/SO₄^2?比值调整浓度；制备化学交联ESRB（C-ESRB）采用6.2 wt%聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）、1 wt%海藻酸钠（sodium alginate，SA）与12.5 wt%生物量颗粒并以0.05 wt%戊二醛化学交联制成平均直径5.78?±?0.41 mm球珠；物理交联ESRB（FT-ESRB）采用冷冻-解冻法将湿生物量颗粒、PVA与聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）按质量比15:10:1混合，经三次冷冻-解冻循环后浸入单宁酸溶液并进行最终冷冻-解冻制成平均高度9.51?±?0.41 mm立方体；三个1 L厌氧序批式反应器（anaerobic sequencing batch reactor，SBR）平行运行，分别投加FT-ESRB、C-ESRB及非包埋SRB作为对照，在室温约24 °C、pH 7–8、水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）24 h条件下运行；每周采样通过默克硫酸盐测试盒与分光光度计测硫酸盐浓度，高效液相色谱（high-performance liquid chromatography，HPLC）定量有机碳并换算总COD，按标准方法测总悬浮固体（total suspended solids，TSS）与挥发性悬浮固体（volatile suspended solid，VSS）并计算减排率；通过光学密度OD₆₀₀监测游离生物量释放与PVA释放，使用万能试验机评估FT-ESRB力学强度，扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）观察形貌；采用16S rRNA测序分析不同运行期各反应器微生物群落，计算α多样性指数（Richness、Shannon、Simpson、Pielou’s evenness）并进行Bootstrap重采样。

研究结果部分保留小标题并说明如下：

3.1. Morphological characterization

研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）观察C-ESRB与FT-ESRB微观结构，发现化学交联C-ESRB呈致密聚合物网络伴突出断裂结构与丝状尾状物，反映其柔软可变形的断裂特征；物理交联FT-ESRB呈更洁净颗粒状断口与高度多孔微结构，具互连孔隙与通道状空隙，源于冷冻-解冻形成的冰模板架构，与其长期力学稳定性与持续硫酸盐还原性能一致。

3.2. Reactor performances under varying COD/SO₄^2? ratios

三期运行中，第一期COD/SO₄^2?=1.0时三系统硫酸盐还原速率相近约0.9 g SO₄^2?/L/天，受碳源限制；第二期比值2.0时C-ESRB与FT-ESRB分别达5.82?±?0.73与5.73?±?0.18 g SO₄^2?/L/天，超非包埋系统三倍，且1小时内硫酸盐降至50 mg/L以下，非包埋需6小时；第三期比值1.5时C-ESRB仍达4.70?±?0.54 g SO₄^2?/L/天，FT-ESRB为2.46?±?0.23 g SO₄^2?/L/天，非包埋为1.70?±?0.12 g SO₄^2?/L/天，C-ESRB因低乙酸盐积累减少产甲烷菌等竞争维持高效。包埋系统观测COD/SO₄^2?消耗比更接近理论值0.67，碳利用更高效。基于初始包埋VSS的生物量归一化硫酸盐还原速率C-ESRB约高12倍，FT-ESRB约高8倍。

3.3. Microbial community shifts under varying COD/SO₄^2? ratios

SRB主要属脱硫球茎菌属（Desulfobulbus）、脱硫微菌属（Desulfomicrobium）、脱硫球菌属（Desulfococcus）与脱硫弧菌属（Desulfovibrio）。C-ESRB中Desulfobulbus全程主导，Desulfococcus仅在第一期碳受限时出现；FT-ESRB中Desulfobulbus与Desulfomicrobium稳定共存；非包埋系统仅Desulfomicrobium主导且SRB丰度最低（平均9.00?±?3.54%），C-ESRB为15.33?±?3.56%，FT-ESRB为28.00?±?4.42%。C-ESRB中Trichlorobacter相对丰度较高，利于乙酸盐氧化去除。α多样性显示FT-ESRB各期多样性指标变异最小，群落结构最稳定，非包埋在二期波动大。包埋系统检出更多发酵菌如Lentimicrobium与Petrimonas，支持底物降解与协同代谢。

3.4. Biosolids generation and physical stability of the two entrapped SRB formulations

169天运行中两包埋系统无可见结构劣化。C-ESRB与FT-ESRB周期始末OD₆₀₀相近，表明生物量脱落少；实测TSS分别为0.35?±?0.16与0.23?±?0.08 g TSS/L，VSS为0.20?±?0.10与0.12?±?0.01 g VSS/L，非包埋为1.95?±?0.24 g TSS/L与1.51?±?0.08 g VSS/L；FT-ESRB悬浮固体排放减少88?±?4%，C-ESRB减少82?±?4%。PVA释放率均为0.01 g/L/天左右，几乎无浸出。力学测试FT-ESRB杨氏模量起始115.10?±?9.99 kPa，169天后109.54?±?13.28 kPa，C-ESRB参考文献值起始15.59?±?1.37 kPa，210天后14.72?±?1.78 kPa；同应变下FT-ESRB压缩应力约160 kPa，C-ESRB约20 kPa，FT-ESRB刚度显著更高。

3.5. Techno-economic implications and limitations

包埋系统因高生物量保留可缩小反应器体积，二期优化比值下硫酸盐还原速率四倍于非包埋系统。包埋系统观测COD/SO₄^2?消耗比更低，碳利用效率高，可能减少单位硫酸盐还原的底物成本；污泥产量大幅降低可减少处理处置费用并降低滤池堵塞与维护成本。C-ESRB制备需化学试剂、加热与洗涤，FT-ESRB需冷冻-解冻与制冷能耗，各有制造权衡。两系统在连续运行至少200天内保持稳定性能，C-ESRB超400天，但真实AMD低pH与高金属等动态条件仍需进一步评估寿命与传质变化，未来需通过渐减HRT与增负荷评估最大处理能力与技术经济可行性。

总结讨论部分，研究人员指出包埋SRB系统在优化COD/SO₄^2?比值2.0下硫酸盐还原速率显著优于非包埋系统；新开发FT-ESRB具更高机械强度与刚度、更低生物量释放及更稳定SRB主导群落；C-ESRB因较低乙酸盐积累在比值1.5时仍支持高效还原；包埋系统带来三倍余速率提升、反应器体积缩小、底物需求降低与维护成本减少的潜在经济效益，污泥减排达FT-ESRB 88?±?4%与C-ESRB 82?±?4%；结果表明微生物包埋可作为提升SRB硫酸盐还原过程效率与稳定性的策略，为进一步评估包埋SRB反应器在采矿影响水处理中的应用提供依据。翻译研究结论部分如下：

本研究证明包埋SRB系统在硫酸盐还原速率上显著优于非包埋系统，尤其在优化COD/SO₄^2?比值2.0条件下。新开发的FT-ESRB表现出更高机械强度与刚度、更低生物量释放及相较C-ESRB更稳定的SRB主导微生物群落，表明其在实用采矿影响水处理中具有强潜力。C-ESRB系统中观察到的较低乙酸盐积累进一步支持了高效硫酸盐还原性能，尤其在第三期（COD/SO₄^2?比值?=?1.5）期间。包埋系统提供潜在经济效益，包括硫酸盐还原速率提升三倍以上、反应器体积减小、底物需求降低与维护成本缩减。FT-ESRB系统污泥减排达88?±?4%，C-ESRB系统达82?±?4%。这些发现共同支持微生物包埋作为提升基于SRB硫酸盐还原过程效率与稳定性策略的潜力，结果为进一步评估包埋SRB反应器在采矿影响水处理应用中的研究奠定坚实基础。