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生物去除硫化物的原理

更新時間：2009-07-20 10:32 來源：作者: 閱讀：6833

硫化物在微生物的作用下硫化物被氧化成單質(zhì)硫，單質(zhì)硫經(jīng)沉淀分離從而達到去除硫的目的。能夠氧化硫化物的微生物主要為：絲狀硫細菌、光合硫細菌和無色硫細菌，其中大部分屬于化能自養(yǎng)型。

3.1 絲狀硫細菌

絲狀硫細菌主要包括兩個屬，即貝氏硫菌屬（beggiatoa）和發(fā)硫菌屬（thiothrix）。生活在含硫化物的水中，能在有氧環(huán)境中把水中H₂S氧化為單質(zhì)硫，并從中獲得生長和活動所需的能量，生成的單質(zhì)硫則以硫粒的形式沉積在細胞體內(nèi)，單質(zhì)硫還可以被進一步氧化為硫酸鹽。貝氏硫菌是一種可滑行的絲狀細菌，發(fā)硫菌則固著生長。由于這類細菌將產(chǎn)生的單質(zhì)硫貯存在細胞體內(nèi)，給分離和提純帶來困難，在實際生產(chǎn)中應用較少。

3.2 光合硫細菌

光合硫細菌是一類光能營養(yǎng)細菌，它以硫化物或硫代硫酸鹽作為電子供體，從光源中獲得能量，依靠體內(nèi)特殊光合色素，同化CO₂進行光合作用。其反應式如下：

　　CO₂ + 2H₂S --[CH₂O] + H₂O + 2S

　　光合硫細菌主要分為兩大類：（1）嚴格光能自養(yǎng)型，主要包括著色菌科（chromatiaceae）的著色菌屬和綠菌科（chlorobiaceae）的綠菌屬；（2）兼性光能自養(yǎng)型，它們能以有機物（簡單的有機酸類或醇類）作為電子供體和碳源，主要包括紅螺菌科（rhodopirillaceae）的紅螺菌屬、紅假單胞菌屬、紅微菌屬以及綠菌科（chloroflexacae）。表1列出了幾種典型光合硫細菌的生理特性，可以看出大多數(shù)光合硫細菌是體外排硫的。

　　表1 光合硫細菌的分類及特征

科

代謝特性

電子供體

綠菌科

嚴格光能營養(yǎng)型，兼性自養(yǎng)，胞外排硫，　　嚴格厭氧

S^2-，S₂O₃^2-，S⁰，有機酸

綠絲菌科

兼性光能營養(yǎng)型，兼性自養(yǎng)，胞外排硫，　　高溫型

S^2-，有機酸

著色菌科

光能營養(yǎng)型，兼性自養(yǎng)，胞外排硫

S^2-，S₂O₃^2-，H₂有機酸

紅螺菌科

兼性光能營養(yǎng)型，兼性自養(yǎng)，胞外排硫

有機酸

　　盡管如此，目前光合硫細菌應用生物脫硫工藝的例子卻不多，其主要原因如下：

（1）光合硫細菌生長和活動需要光照，給反應器設計帶來困難，并增加了運行費；

（2）有些菌種也在體內(nèi)貯硫；

（3）光合硫細菌氧化硫化物的過程與CO₂的還原（即固定）和細胞物質(zhì)的生長相耦聯(lián)，其氧化速率和能力受到細菌細胞物質(zhì)的生長速率和總量的限制。此外，研究表明，光合硫細菌每產(chǎn)生1g細胞物質(zhì)僅可將1～2g硫化物氧化生成單質(zhì)硫，這個數(shù)值越低，去除同樣多硫化物，產(chǎn)生的生物污泥就越多。

3.3 無色硫細菌

“無色硫細菌”（Colourless sulfur bacteria）只是一個生理學慣用詞，而不是分類學名詞。實際上，有些無色硫細菌的純培養(yǎng)菌苔呈粉紅或棕色，說明其體內(nèi)含有細胞色素。無色硫細菌種類繁多，且各自具有不同的生理學、形態(tài)學和生態(tài)學特征，對環(huán)境條件的要求也有差異，如表2所示。其中硫桿菌屬（thiobacillus）是土壤和自然水體中最常見的一種無色硫細菌，一般是無芽孢的短桿菌，革蘭氏陰性，端生鞭毛，能將硫化物氧化成單質(zhì)硫或硫酸鹽，或?qū)⒘虼蛩猁}氧化為硫酸鹽。大多數(shù)無色硫細菌都在pH中性、中溫條件下生活。但也有研究表明，無色硫細菌可生活的環(huán)境范圍很廣，在pH1.0～9.0、溫度4～95℃的條件下都有無色硫細菌生長和活動；對DO的要求很寬松，在高至飽和濃度低至完全無氧狀態(tài)下，都有無色硫細菌生存。研究還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境條件的改變會引起某些無色硫細菌營養(yǎng)方式的改變，如：acidianus在好氧條件下，氧化硫化物生成單質(zhì)硫；而在厭氧條件下，則以H₂作為電子供體，將單質(zhì)硫還原為硫化物，即這種細菌隨著環(huán)境條件的改變，會由硫氧化菌轉(zhuǎn)變?yōu)榱蜻€原菌。

表2 幾種無色硫細菌的培養(yǎng)條件

代表菌種

營養(yǎng)方式

pH

t/℃

T·neapollitanus

專性自養(yǎng)

6～8

<37

T·thioparus

專性自養(yǎng)

6～8

<37

T·denitrificans

專性自養(yǎng)

6～8

<42

T·intermedius

兼性自養(yǎng)

5～7

<37

T·feroxidans

專性自養(yǎng)

2～4

<37

T·acidophilus

兼性自養(yǎng)

2～4

20～52

T·tepidarius

專性自養(yǎng)

6～8

40～80

T ms·denitrificans

兼性自養(yǎng)

6～8

<37

T sa·pantotropHa

專性自養(yǎng)

6～10

<42

注：T代表Thiobacillus屬；T ms代表Thiomicrospira屬；T sa代表ThiospHaera屬無色硫細菌的共同特點是能氧化還原態(tài)硫化物并從中獲取生長和活動所需的能量，其主要反應如下所示：

　　H₂S + 2O₂ --H₂SO₄

　　2H₂S + O₂ -- 2S⁰ + 2H₂O

　　2S⁰ + O₂ + 2H₂O -- 2H₂SO₄

　　Na₂S₂O₃ + 2O₂ + H₂O -- Na₂SO₄ + H₂SO₄

　　4Na₂S₂O₃ + O₂ + 2H₂O--2Na₂S₄O₆ + 4NaOH

　　2Na₂S₄O₆ + 7O₂ + 6H₂O -- 2Na₂SO₄ + 6H₂SO₄

　　2KSCN + 4O₂ + 4H₂O-- (NH₄)SO₄ + K₂SO₄ + 2CO₂

　　5H₂S + 8KNO₃ --4K₂SO₄ + H₂SO₄ + 4N₂ + 4H₂O

　　5S⁰ + 6KNO₃ + 2H₂O --3K₂SO₄ + 2H₂SO₄ + 3N₂

研究表明，無色硫細菌對碳的代謝較為單一，即通過Calvin循環(huán)固定CO₂。但不同種類的無色硫細菌對硫的代謝途徑卻差異很大，不僅代謝所涉及的酶和電子傳遞系統(tǒng)大不一樣，而且反應所發(fā)生的部位也不相同。多數(shù)無色硫細菌是好氧菌，以O₂作為電子受體。但某些無色硫細菌可在厭氧條件下以NO₃^-或NO₂^-作為電子受體，將其還原為N₂，如T·denitrificans。研究還表明，即使是嚴格的好氧無色硫細菌，也可在厭氧狀態(tài)中存活或生長。由表2可見，多數(shù)無色硫細菌以Ｏ₂ （或NO₃^-）作為電子受體，且體外排硫，所以氧化速率和能力不像光合硫細菌那樣受細胞生長的限制。Kuenen等人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，無色硫細菌在營養(yǎng)物質(zhì)受限制而有足夠硫化物時，可在幾乎無明顯生長的情況下，高效地將硫化物甚至胞外的單質(zhì)硫氧化。與光合硫細菌每增長1g細菌細胞能產(chǎn)生1～2g單質(zhì)硫相比，無色硫細菌的氧化能力很高，每增長1g細菌細胞至少可產(chǎn)生20g單質(zhì)硫�？梢�，無色硫細菌適合于生物脫硫工藝。