基于不同碳源的硫酸鹽還原菌處理硫酸鹽酸性廢水試驗(yàn)

狄軍貞，孫 娟，郭俊杰，王明佳

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

酸性礦山廢水(acid mine drainage，AMD)是我國水污染環(huán)境中對生態(tài)破壞和環(huán)境污染最大的污染源之一。AMD中的污染物質(zhì)，對人類的健康也造成了威脅[1]。處理AMD主要是解決酸污染、硫酸鹽污染、重金屬污染的問題[2]。目前，AMD的處理方法主要有化學(xué)法、物理化學(xué)法、微生物法和濕地法[3]。微生物法是目前處理含AMD最有潛力的一種方法，具有處理費(fèi)用低、無二次污染、提高pH、回收單質(zhì)硫的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。微生物法處理AMD是在厭氧條件下，通過硫酸鹽還原菌(SRB)利用有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)將SO42-還原為H2S，提高溶液堿度，同時(shí)生成的H2S與廢水中溶解的重金屬離子反應(yīng)生成不可溶金屬硫化物沉淀，最終達(dá)到除硫、凈化、回收重金屬的目的[6]。

碳源為SRB生長過程提供能源和電子，是影響SRB處理AMD的重要經(jīng)濟(jì)因素。乳酸鈉是目前SRB利用效果最好的一種碳源，但是作為一種速效碳源，需要不斷補(bǔ)充，處理成本較高[7]。制糖工業(yè)廢棄物甘蔗渣，資源豐富，價(jià)格低廉。在厭氧發(fā)酵的微生物作用下，能夠?qū)⒏收嵩械睦w維素、半纖維素、木質(zhì)素分解成容易水解的低聚糖和單糖混合物，可以作為SRB的載體和緩釋碳源[8-11]。本實(shí)驗(yàn)以甘蔗渣和乳酸鈉作為的碳源，對比分析了SRB在不同pH條件下對SO42-的去除效果及其體系中氧化還原電位(ORP)變化規(guī)律，研究不同碳源條件下SRB最佳生長活性的pH范圍，并以SO42-為底物擬合了SRB處理含硫酸鹽酸性廢水的動(dòng)力學(xué)方程，以期為SRB利用甘蔗渣處理AMD提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

菌種：由實(shí)驗(yàn)室篩選得到以SRB為主的優(yōu)勢菌種。

甘蔗渣預(yù)處理：甘蔗渣采自廣東湛江。甘蔗渣水洗烘干后，經(jīng)粉碎機(jī)研磨細(xì)化，篩網(wǎng)篩選后，選取100～200目備用。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

取500 mL、SO42-濃度為1000 mg/L廢水于4個(gè)500 mL錐形瓶，分別加甘蔗渣22.5 g，調(diào)節(jié)pH分別為4、5、6和7，分別以G4、G5、G6和G7標(biāo)記。取500 mL、SO42-濃度為1000 mg/L廢水于4個(gè)500 mL錐形瓶，分別加乳酸鈉1.75 g，調(diào)節(jié)pH分別4、5、6、7，分別以R4、R5、R6和R7標(biāo)記。以10%的接種比例加入SRB菌液，用N2排氧15 min后密封。將試樣全部置于35 ℃、轉(zhuǎn)速為120 r/min的搖床中。取樣方法采用注射器定期抽取。

2.3 分析項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)中pH采用PHS-3C型酸度計(jì)測定；氧化還原電位(ORP)采用CT8022筆式ORP計(jì)測定；SO42-濃度采用鉻酸鋇分光光度法測定。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 SO42-的去除效果分析

不同起始pH條件下SO42-濃度隨時(shí)間變化及去除率如圖1所示。由圖1可看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，G7、G6、G5、G4、R7、R6、R5、R4的SO42-濃度顯著下降，去除效果明顯。8種溶液SO42-平均去除率分別為68.13%、71.82%、51.67%、49.04%、80.75%、85.31%、54.13%、36.24%。去除率大小順序?yàn)镽6>R7>G6>G7>R5>G5>G4>R4?？梢?，在pH=5～7，以乳酸鈉為碳源的SRB去除SO42-效果優(yōu)于以甘蔗渣為碳源的去除效果，且R6的去除率最高，為85.31%。這是因?yàn)槿樗崾亲钸m合SRB去除硫酸鹽的底物[12]。而甘蔗渣碳源需要被水解為小分子有機(jī)物后才能被SRB所利用。本實(shí)驗(yàn)中COD和SO42-的比值大于2，大于SRB去除SO42-所需要的COD和SO42-的理論比值0.67，硫酸鹽沒有完全被還原，主要原因是SRB還原SO42-的過程是在SRB體內(nèi)進(jìn)行的，COD和SO42-須滲入SRB菌體內(nèi)SO42-才能被還原，由于SRB細(xì)胞膜對COD與SO42-的選擇透過性不同，因此，菌體內(nèi)COD和SO42-的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體外[13]，從而導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)SO42-的去除率最高達(dá)到85.31%。在同一碳源條件下，pH=6時(shí)，SRB去除SO42-效果最佳。說明SRB去除SO42-最適pH為6。pH=4時(shí)，以甘蔗渣為碳源的SRB去除SO42-效果優(yōu)于以乳酸鈉為碳源的去除效果。主要原因可是酸性條件催化了甘蔗渣的水解，酸化后的甘蔗渣表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，表面的微孔數(shù)量增加，比表面積增大，甘蔗渣表面的活性基團(tuán)增多，使其對低pH環(huán)境具有很好的緩沖效果[14]，從而使SRB在低pH條件下仍具有很好的活性。

3.2 pH和ORP變化規(guī)律分析

反應(yīng)體系中pH和ORP隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，R5、R6、R7溶液中pH值呈緩慢上升趨勢，R5、R6、R7溶液的ORP值先下降后緩慢上升。主要原因有乳酸鈉為強(qiáng)堿弱酸鹽，對于酸性溶液具有一定的緩沖作用，能夠緩解酸性條件對SRB生長活性的抑制作用，使得SRB在一定的酸性條件下仍然具有良好的生長活性；同時(shí)，在SRB還原硫酸鹽的過程中，每還原1 g硫酸根生成1.042 g堿度[15]，使得溶液的pH一直呈緩慢上升狀態(tài)。在1～7 d，R5、R6、R7溶液的ORP值呈下降趨勢，溶液的ORP平均值均在-200 mV以下，而體系中的SO42-濃度下降較快，表明體系中SRB活性與OPR值呈負(fù)相關(guān)性[16]。第7 d之后，溶液的ORP呈緩慢上升趨勢，且體系中的SO42-濃度在第7 d之后基本保持穩(wěn)定，主要原因可能是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，SRB還原SO42-產(chǎn)生的H2S逐漸增多，當(dāng)溶液中的H2S積累到一定程度，引起SRB的中毒衰亡[17-18]。同時(shí)，體系中乳酸鈉隨著SRB的生長代謝基本消耗殆盡，SRB的生長活性逐漸降低，SRB還原SO42-的過程逐漸減弱。

R4溶液的pH值一直呈上升趨勢，ORP值逐漸降低，第13 d，ORP值降為-57 mV。主要因?yàn)槿芤旱某跏紁H較低，抑制了SRB細(xì)胞壁上的酶活性，從而抑制了SRB的生長繁殖[19]。雖然在此條件下SRB仍能生存，乃至繁殖，但SRB菌活性較差，SO42-去除效果較差。

圖1 不同起始pH條件下SO42-濃度及去除率隨時(shí)間的變化曲線

圖2 反應(yīng)體系中pH和ORP隨時(shí)間的變化曲線

由圖2可以看出，G6、G7溶液的pH值隨著反應(yīng)的進(jìn)行先下降后上升，ORP值緩慢下降。主要原因是甘蔗渣水解過程產(chǎn)生一定的酸度[20]，使溶液的pH下降；在第1 d，G6、G7溶液的初始ORP均在-100 mV以下，SRB生長活性較好，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中SO42-濃度逐漸減小，反應(yīng)產(chǎn)生的堿度導(dǎo)致溶液的pH逐漸上升[21]，隨著SO42-的逐漸被還原，反應(yīng)產(chǎn)生過多的H2S使得溶液的ORP值逐漸下降，同時(shí)對SRB的生長繁殖產(chǎn)生了抑制作用[21]，SRB還原SO42-的過程逐漸減弱，隨著反應(yīng)的緩慢進(jìn)行，溶液中SO42-的濃度降低緩慢，產(chǎn)生的H2S逐漸減少，溶液的pH緩慢上升，體系中ORP值緩慢下降。第13 d，溶液中ORP值仍在-200 mV以下，說明G6、G7溶液中SRB菌仍具有良好的活性。

G4、G5溶液中pH值一直呈上升趨勢，ORP呈緩慢下降趨勢，主要原因是在酸性條件下，甘蔗渣表面的官能團(tuán)中和了溶液的一部分酸度[22]，對于酸性溶液具有一定的緩沖作用，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的堿度，使 G4、G5溶液中pH值一直呈緩慢上升狀態(tài)，溶液中 SO42-濃度逐漸減小，產(chǎn)生的H2S逐漸增多，溶液的ORP值逐漸下降。

R5、R6、R7溶液的ORP值在第7 d開始上升，隨著溶液中乳酸鈉的不斷消耗，SRB活性逐漸降低，第13 d，G7、G6、G5、G4溶液的ORP值仍較穩(wěn)定，均在-200 mV以下，SRB具有良好的活性，主要因?yàn)楦收嵩鳛榫忈屘荚瘁尫欧€(wěn)定，COD可穩(wěn)定保持 200～300 mg/L之間[14]。R4溶液第13 d的ORP值才降至-57 mV，硫酸根去除率僅為36.24%，G4溶液第13 d的ORP值為-229 mV，硫酸根去除率為49.04%。說明甘蔗渣作為SRB緩釋碳源處理硫酸鹽酸性廢水的可利用性。

3.3 SO42-動(dòng)力學(xué)模型擬合

為了進(jìn)一步探討不同碳源條件下SRB還原SO42-的過程，對SO42-的還原過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。通過曲線擬合法確定SRB還原SO42-的反應(yīng)級數(shù)。假設(shè)硫酸鹽降解速度模型符合指數(shù)速度模型，指數(shù)速度模型為：

(1)

式中：v為反應(yīng)速度，mg/(L·d)；k為反應(yīng)速率常數(shù)；C為SO42-的質(zhì)量濃度，mg/L；n為反應(yīng)級數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間，d。

當(dāng)n=0時(shí)，SO42-還原過程為零級反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)模型為:

Ct=C0-k0t

(2)

當(dāng)n=1時(shí)，SO42-還原過程為一級反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)模型為:

lnCt=lnC0-k1t

(3)

式中：Ct為某時(shí)刻SO42-的質(zhì)量濃度，mg/L；C0為初始SO42-的質(zhì)量濃度，mg/L；k0為零級反應(yīng)速率常數(shù)，mg/(L·d)；k1為一級反應(yīng)速率常數(shù)，d-1。

對SO42-還原過程分別采用零級和一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3和4所示。

圖3 不同起始pH條件下SO42-還原零級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合

圖4 不同起始pH條件下SO42-還原一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合

由圖3和4得出，兩種碳源、不同pH條件下SO42-還原動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)如表1所示。

表1 SO42-還原動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

由表1可知，一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型相比于零級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可更好地描述SRB對SO42-的還原過程。SO42-的還原過程與其濃度的一次方成正比關(guān)系，說明SRB對SO42-的還原過程主要以電子受體控制為主，SRB對SO42-的還原活性主要受氧化還原電位的影響[23]。在同一碳源條件下，溶液起始pH越低，反應(yīng)速率常數(shù)k1越小，表示降解速度越慢。因?yàn)槿芤褐械腍+對SRB細(xì)胞壁上的酶活性有一定的影響[24]，適宜的pH對SRB的生長代謝至關(guān)重要。在反應(yīng)初期，SRB的生長代謝受pH影響，pH越低，SO42-的降解速率越慢；隨著SO42-的逐漸降解，溶液的pH逐漸升高，溶液產(chǎn)生的H2S越來越多，ORP值逐漸降低，SRB的生長活性逐漸升高，SO42-的降解速率越來越快。在不同碳源條件下，R7、R6、R5的降解速率分別高于G7、G6、G5的降解速率，因?yàn)楦收嵩枰粩嗨鉃镾RB提供碳源，使甘蔗渣溶液的COD/SO42-的比值較乳酸鈉溶液小，從而導(dǎo)致SRB體內(nèi)COD/SO42-的比值較低，SRB對SO42-的還原是在體內(nèi)進(jìn)行，COD與SO42-需要滲入SRB體內(nèi)，SO42-才能被還原，SRB體內(nèi)COD/SO42-的比值越大，硫酸鹽的降解速率越快[13]，因此R7、R6、R5的降解速率分別高于G7、G6、G5的降解速率。造成R4的降解速率低于G4的降解速率的主要原因在于甘蔗渣表面的官能團(tuán)(如羥基等)能中和一定的酸度，使得溶液對于低pH有一定的緩沖作用，解除了溶液中的H+對SRB細(xì)胞壁上酶活性的影響，而R4溶液沒有足夠的堿度來緩解酸度對SRB的沖擊，使得R4溶液中的SRB失去生理活性；低pH條件加快了甘蔗渣的水解，使SRB體內(nèi)COD/SO42-的比值增大，促進(jìn)了SO42-的還原過程，反應(yīng)產(chǎn)生較多的H2S使G4溶液ORP值逐漸降低。

4 結(jié) 論

(1)乳酸鈉碳源條件下SRB適宜生長活性的pH范圍為5～7，最佳生長活性pH為6。最大ORP為-164 mV，硫酸鹽的最大去除率為85.31%。

(2)甘蔗渣碳源條件下SRB適宜生長活性的pH范圍為4～7，最佳生長活性pH為6。最大ORP為-242 mV，硫酸鹽的最大去除率為71.82%。

(3)乳酸鈉和甘蔗渣碳源條件下，SRB對SO42-的還原動(dòng)力學(xué)均符合一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，說明SRB對SO42-的還原過程主要以電子受體控制為主，SRB對SO42-的還原活性主要受氧化還原電位的影響。兩種碳源條件下，均在pH=6時(shí)的反應(yīng)速率最大，分別為0.20007/d、0.12688/d。