SRB对硫转化机理的研究选题报告

硕士研究生学位论文选题报告论文题目：SRB对硫转化机理的研究研究生：导师及职称：学科专业：学号：年级：学院：1填报说明一、选题报告中必须采用计算机输入和打印。二、选题报告为A4纸、宋体、小四字号、1.3倍行距，于左侧装订成册。三、选题报告的内容应严肃、认真地填写；空间不足可续页，但不能改变原表格格式。四、课程成绩一栏应正确填写，成绩审核在各学院办理。五、选题报告书一式二份，研究生部和学院各存档一份。2一、立题依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义、实际应用价值1.1课题来源自拟课题。1.2选题依据和背景情况自19世纪中期以来，由于工业的迅速发展，环境问题、环境事件、环境灾难不断发生，水污染是其中一项重要内容。工业污水、农业污水、生活污水严重污染了生态环境，使地表水急剧恶化，地下水也受到了很大的影响，严重得威胁着动植物的生命和人类的安全。治理水污染迫在眉睫。事例一：2005年，中吉化双苯厂爆炸严重污染了松花江，哈尔滨市度过了为期4天的大停水，国务院总理温家宝亲自前往哈尔滨视察哈尔滨市供排水集团制水三厂,听取有关哈尔滨恢复供水的进展情况，甚至联合国都插手干预此次松花江水污染问题。事例二：2007年5月，太湖蓝藻大规模暴发造成近百万无锡市民生活用水困难，再次敲响了太湖生态环境恶化的警钟。中国科学院南京地理与湖泊研究所对太湖生态环境状况长期研究的结果显示，工业污染增加、农业面源污染扩大、城市生活污水直接入湖是造成太湖水环境恶化的主要原因。纺织印染工业作为中国具有优势的传统支柱行业之一，20世纪90年代以来获得迅猛发展，同时也是工业废水排放大户，据不完全统计，我国日排放印染废水量为3×106～4×106ｍ3，是各行业中的排污大户之一[1]。印染废水除了具有水量大、色度深、碱性大、水质变化大等特点外,另一大特点就是硫酸盐含量高，约在5000mg/L左右，属难处理的工业废水。它的硫酸盐来源主要有:一是废水的酸度调节剂（理论上和实际都应是H2S04）；二是印染过程中的含硫助剂（拉开粉等）；三是印染废水处理用的絮凝剂（最有效是硫酸亚铁），它们的共性在于向废水中引入了硫酸根离子。针对印染废水常用的处理方法有物理方法、化学方法和生物方法。尽管物理、化学方法能起很大作用,但由于耗资大,运输费用高及适用条件的限制,目前国内外仍以厌氧——好氧工艺(即A/O工艺)生物处理为主。但从国内相关企业的实际应用来看，其运行状况并不理想。一个重要原因就是：厌氧条件下，在硫酸盐被硫酸盐还原菌（SulfateReducingBacteria，SRB）转化成硫化物的过程中，一方面，SRB不光对产甲烷菌（MethaneProducingBacteria，MPB）产生了对底物的竞争性抑制作用，其还原产物硫化物还对MPB、SRB和其它厌氧微生物产生了很强的毒性抑制作用；另一方面，当含有高浓度硫化物的厌氧段出水进入好氧段时，不仅会导致好氧阶段溶解氧的降低，还会促使丝状硫细菌的大量繁殖，引起污泥膨胀，从而使整个生物处理系统3无法正常运行，甚至瘫痪。实际上，许多工业废水，诸如纸浆、造纸、发酵、采矿、炼油、制药等都含有高浓度的硫酸盐，而在这些废水的处理过程中也同样产生了上述问题。因此，寻找一种既能克服硫酸盐还原过程中产生的种种问题，又能使大量的硫资源以单质硫的形式得以回收利用，变废为宝实现资源化，受到了国内外环境保护工作着广泛关注。“印染废水处理中生物脱硫技术设备的研究与开发”课题组拟采用“硫酸盐生物还原——硫化物生物氧化——单质硫分离与回收”工艺对印染废水进行预处理研究，企图从根本上实现印染废水中硫的控制和资源化，为印染和其它相关行业的废水处理开辟新的道路。“印染废水处理中生物脱硫技术设备的研究与开发”这一课题重点研究硫酸盐生物还原和硫化物生物氧化两个过程，分五部分，它们分别是：高效硫酸盐还原菌的选育和特性研究、SRB对硫转化机理的研究、硫化物生物氧化技术研究、废水中单质硫分离技术研究、印染废水中硫的控制和资源化研究。各部分研究的主要内容简单描述如下：1、高效硫酸盐还原菌的选育和特性研究筛选分离出既能迅速还原硫酸盐，又能耐高浓度硫化物毒性的高效的硫酸盐还原菌，并对其生理生长特性进行研究，为后续研究打基础。2、SRB对硫转化机理的研究利用固定化酶技术对硫酸盐还原菌进行固定化处理，以氧化还原电位的变化为主线探索反应的各个阶段，同时通过跟踪测定反映过程中COD、SO42-等的变化以及胞外分泌物质，揭示SRB还原硫酸根的机理。还可以在此基础上，根据SRB还原硫酸盐过程中硫酸根浓度的变化情况，进行动力学分析，建立SRB还原硫酸盐过程动力学方程。为整个课题提供一定理论依据。3、硫化物生物氧化技术研究培养和驯化出高效的脱硫细菌——光合细菌或无色硫细菌，探讨利用这些脱硫细菌氧化硫酸盐还原相出水中硫化物为单质硫的可行性，对影响硫化物生物氧化过程的主要因素进行研究，寻找硫化物生物氧化过程的适宜条件，实现硫化物生物法向单质硫的最大转化，为研究废水中单质硫分离方法提供前提。4、废水中单质硫分离回收技术研究废水中硫化物经微生物氧化为单质硫后，颗粒很小，在水中呈胶体状态，难以自然沉淀，因此对从废水中分离和回收单质硫的方法进行研究，对于“印染废水处理中生物脱硫技术设备的研究与开发”这一课题来说具有重要的意义。对于经生物氧化，在水中呈胶体状态的单质硫如何进行分离和回收，目前文献鲜有报道。因此该课题本部分的目的就是:寻找一种能将废水中呈胶体状态的单质硫分离和回收的经济合理又简单易行的方法。45、印染废水中硫的控制和资源化研究根据前面四个部分的研究结果，研究开发相应的处理设备，采用“硫酸盐生物还原——硫化物生物氧化——单质硫分离与回收”工艺对印染废水进行预处理，以COD去除率，单质硫回收率等为考察指标，探讨整个工艺处理印染废水并实现硫的资源化的可行性，对影响整个处理过程的主要因素进行研究，确定该工艺稳定高效运行的适宜条件，为工程设计提供依据。04级研究生崔心水和05级研究生王蓓已分别完成了本课题第一和第三部分的研究，我将在他们研究的基础上，完成该课题的第二部分的内容，即SRB对硫转化机理的研究，这是“印染废水处理中生物脱硫技术设备的研究与开发”这一大课题研究的核心和依据。1.3课题研究目的本课题主要是对SRB脱硫机理的探讨和研究，首先利用固定化酶技术对硫酸盐还原菌进行固定化处理，解决低碳源下硫酸根去除率较低的矛盾。然后监测氧化还原电位在整个反应过程的变化情况，跟踪测定反映过程中COD、SO42-等的变化以及胞外分泌物质，揭示SRB还原硫酸根的物质变化过程。最后，根据SRB还原硫酸盐过程中硫酸根浓度的变化情况，进行动力学分析，建立SRB还原硫酸盐过程动力学方程。为“印染废水处理中生物脱硫技术设备的研究与开发”这一大课题提供一定理论依据。1.4理论意义一方面，氧化还原电位影响着反应的类型和进度，同时又受到反应的影响，在整个反应过程中不断变化，是反应的一个重要表征，围绕氧化还原电位的变化这条主线，对SRB还原硫酸盐的过程进行跟踪测定，通过COD、SO42-浓度以及胞外分泌物质等的变化来揭示硫酸根还原过程的物质变化。另一方面硫酸盐还原菌（SRB）还原硫酸盐过程动力学方程的建立，是对SRB还原硫酸根过程的能量变化的系统描述，为SRB对硫的转化提供合理的动力学依据。通过以上两方面的研究，为印染和其它相关行业的高浓度硫酸盐废水处理提供一定的理论依据。1.5实际应用价值一方面，硫酸盐废水不经处理直接排入水体会使受纳水体酸化，pH值降低，危害水生生物，并产生潜在腐蚀性；这类酸性废水排入农田会破坏土壤结构、使土壤板结，减少农作物产量及降低农产品品质。硫酸盐废水潜伏周期长，虽然有自然的稀释作用，在短时间内不会有明显的负面作用，但是一旦大面积的形成污染，其治理难度很大。因此，寻求行之有效的脱硫技术已成为环境工程界普遍关注的问题。另一方面，单质硫是重要的生产原料，世界每年要消耗大量的单质硫。其中大5部分用于制造硫酸。在橡胶制品工业、造纸工业及火柴、焰火、硫酸盐等产品的生产中也要用数量可观的硫磺。还有一部分用于消灭农业害虫、漂染工业和医药中。由于硫具有强度高、热传导性差和耐腐蚀等物理性质，近年来硫磺在建筑方面也有不少新的用途。因此，对单质硫的回收意义重大。本课题的价值在于为“印染废水处理中生物脱硫技术设备的研究与开发”这一大课题提供合理的理论依据，为印染和其它相关行业的废水处理开辟新的道路，从根本上实现印染废水中硫的控制和资源化。6二、文献综述（综述中引用的文献应按文中标注出现的顺序附后）本课题的国内外研究现状、发展动态随着SRB在废水厌氧生物处理生产实践中的广泛应用，国内外研究者对其进行了多方面的研究，但主要集中在硫酸盐还原菌的选育及分离纯化、硫酸盐对厌氧消化工艺的影响、硫酸盐还原菌生态特征及应用、含硫酸盐废水处理工艺的研究等方面，而对硫酸盐还原菌的脱硫机理以及硫酸盐还原过程动力学研究较少，然而这些研究成果以及国内外研究者所积累的经验，对脱硫机理这一理论课题的研究有很重要的参考价值。2.1硫酸盐对厌氧消化工艺的影响2.1.1废水中硫酸盐存在的积极作用在含有少量或适量硫酸盐废水厌氧处理过程中(硫化物水平不对系统产生重大影响的情况下)，一方面，SRB作为非产甲烷菌能够有效地消耗H2，从而促进产氢产乙酸反应的顺利进行，并降解有机物。另一方面，SRB能够不完全氧化丙酸、丁酸等短链脂肪酸为乙酸，防止这些脂肪酸在体系中积累，减轻了MPB的压力，有利于产甲烷反应。此外，在SRB的作用下，硫酸盐还原反应的产物(硫化物)不仅可以为产甲烷菌提供重要的硫源，有利于维持体系的低氧化还原电位状态，还可以与过量的重金属离子沉淀，从而起到解毒和保护作用。例如，对于处理柠檬酸废水的复合式反应器中截留的污泥，在无SO42-的基质上作SMB(比产甲烷活性)测定，发现对丁酸、丙酸的SMB相当低[2]，说明在富含SO42-的柠檬酸废水中，这些脂肪酸是通过被SRB的氧化而得到降解的。对于处理含SO42-的低浓度废水的污泥，在葡萄糖基质上作SMB测定，随着基质中SO42-含量的提高，SMB增加;如果未向基质中加人SO42-或加人量小，则发现大量的丙酸积累，也说明SRB在分解丙酸上的重要作用[3]。异丙醇在有硫酸盐还原反应的作用时转化率高，因为硫酸盐还原降低了H2的浓度，并且为丙酮的羧化提供了CO2，因此促进了异丙醇的转化。另有报道，低浓度的硫酸盐能促进苯酚废水的厌氧处理和纤维素向甲烷转化，说明硫酸盐反应在厌氧消化过程中为产甲烷菌提供了重要的生长代谢用硫源。也有研究指出，硫是厌氧微生物生长所必须的微量元素之一，当废水中没有硫化物存在时，甲烷菌的生长受到抑制，甲烷菌生长最适宜的硫化物浓度为1-25mg/L[4]。另据文献报导[5]当废水含有50mg/L左右的硫化物时，有助于厌氧消化的进行。所以，厌氧消化中存在适量的硫化物是有利的。2.1.2废水中硫酸盐存在的消极作用1、SRB与反硝化细菌的竞争当废水中含有大量的硫酸盐时，SRB对电子供体7的利用将会影响硝酸盐还原的顺利进行。2、与产乙酸细菌AB的竞争产乙酸细菌是有机物厌氧消化过程中的重要菌种，它们可以将厌氧消化过程的发酵酸化阶段的重要产物——挥发性脂肪酸VFA进一步转化为乙酸，但是在硫酸盐还原系统中SRB却可以和产乙酸细菌竞争使用挥发性脂肪酸及乙醇等有机底物。3、与产甲烷菌MPB的竞争[6-18]废水中没有或只有少量硫酸盐存在时，SRB可以作为产氢产乙酸菌参与有机物的降解过程,但是当废水中含有大量的硫酸盐时，由于SRB能利用H2和乙酸等甲烷的前体物将硫酸盐还原为硫化物，因而可引起SRB与MPB对基质的竞争。4、硫化物的毒性抑制作用SO42-自身无毒性，但其还原的终产物却对系统内菌群有毒害及抑制作用。SO42-的还原产物主要有H2S、HS-、S2-、金属硫化物，并按这个顺序毒性依次降低[19]，其中H2S对细菌的毒性最大[20]。关于H2S对系统最大抑制浓度的研究结果差异很大，从几十到几百不等。如:Park-