關(guān)于利用硫酸鹽還原菌處理廢水的研究進(jìn)展

顧風(fēng)云　顧小雪　張麗　付連娟　張琳

摘 要：簡單介紹了硫酸鹽還原菌（SRB）處理廢水的原理以及特點(diǎn)。綜述了國內(nèi)外利用SRB處理含重金屬離子廢水、含硫酸鹽有機(jī)廢水和酸性礦山廢水的研究現(xiàn)狀。簡述了目前此方法在工業(yè)應(yīng)用方面尚存的問題。

關(guān)鍵詞：SRB;酸性礦山廢水;含重金屬離子廢水

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)化程度極大提高的同時(shí)，環(huán)境問題也日趨嚴(yán)重。其中含有SO42-的酸性廢水污染已成為一個(gè)全球性的問題。采礦和冶金等行業(yè)是高濃度硫酸鹽廢水的最大來源。

酸性礦山廢水（AMD）是目前世界上最嚴(yán)重的水體和土壤的污染來源之一，其pH值一般在3.0～3.5，直接排入水體會(huì)引起水體酸化，污染水源，毒害水生生物，威脅人體健康。其含有大量SO42-離子的同時(shí)又富含多種重金屬離子（如銅、鐵、鉻、鉛、鋅、錳、鎳、砷等），一旦進(jìn)入環(huán)境就會(huì)破壞土壤物質(zhì)結(jié)構(gòu)，引發(fā)土壤板結(jié)等嚴(yán)重后果，進(jìn)而影響農(nóng)作物產(chǎn)量。

目前，國內(nèi)外主要處理方法有石灰石中和法和濕地法。中和法加入堿性物質(zhì)進(jìn)行中和，此方法會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸鈣固體廢棄物，引發(fā)二次污染。濕地法占地面積大，易受環(huán)境影響，若對(duì)H2S處理不徹底，殘余H2S會(huì)揮發(fā)至大氣，污染環(huán)境。目前，多數(shù)采用微生物SRB[1]生物法還原SO42-同時(shí)有效去除重金屬離子，其應(yīng)用潛力較大。

2 利用SRB處理廢水的機(jī)理及方法特點(diǎn)

2.1 機(jī)理

2.1.1 SRB代謝機(jī)理

SRB是一類形態(tài)各異，營養(yǎng)類型多樣，能利用硫酸鹽或其他氧化態(tài)硫化物作為電子受體來異化有機(jī)物質(zhì)的微生物?；谝陨咸卣?，SRB被廣泛應(yīng)用在含硫酸鹽廢水的處理方面。

SRB代謝能利用硫酸鹽，使環(huán)境中的硫酸鹽減少或耗盡。可將SRB的代謝過程分為三階段：分解代謝、電子傳遞、氧化，如下圖所示。

SRB分解代謝過程

①分解階段。在厭氧條件下，SRB通過新陳代謝作用將有機(jī)物分解代謝為CO2、H2O和乙酸，并通過“基質(zhì)水平磷酸化”產(chǎn)生ATP和高能電子;

②電子轉(zhuǎn)移階段。在①階段產(chǎn)生的高能電子通過電子傳遞鏈（如黃素蛋白、細(xì)胞色素C3等）逐級(jí)傳遞，在傳遞的過程中產(chǎn)生大量的ATP;

③氧化階段。此階段將電子轉(zhuǎn)移給氧化態(tài)高的硫元素（SO42-），將其還原為S2-，產(chǎn)生H2S，需要消耗ATP提供能量。

SRB利用SO42-作為最終電子受體，將有機(jī)物作為細(xì)胞合成的碳源和電子供體，同時(shí)將SO42-還原為硫化物。

2.1.2 SRB處理含重金屬離子廢水的機(jī)理

①SRB還原SO42-時(shí)會(huì)產(chǎn)生堿度，使被處理的廢水pH提高，而許多重金屬離子的氫氧化物溶解度很低，故有利于重金屬離子形成氫氧化物沉淀而去除;

②重金屬離子的硫化物在水中的溶度積極小，產(chǎn)生的H2S可以與溶液中重金屬離子反應(yīng)生成硫化物固體沉淀，而去除重金屬離子。

2.2 方法特點(diǎn)

2.2.1 處理費(fèi)用低

含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂、木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì)的有機(jī)廢水，可用來培養(yǎng)SRB。此外，SRB反應(yīng)所需的SO42-在大多數(shù)重金屬廢水中都大量存在，可達(dá)到以廢治廢的目的。

2.2.2 處理廢水和重金屬種類較多

SRB可處理工業(yè)廢水、生活廢水和礦山廢水等多種廢水。由于大多數(shù)重金屬硫化物的溶解度很低，因此可用來處理多數(shù)常見的重金屬離子，如銅、鐵、鉻、鉛、鋅等。

3 影響SRB活性的因素

3.1 廢水的pH值

SRB一般適合在中性偏堿的環(huán)境下生長，不同研究者對(duì)于最佳pH的研究結(jié)果不同。有研究表明[2]，SRB在pH為6～9范圍內(nèi)生長良好，最佳pH=7.5～8.0，SRB在pH=5～6時(shí)仍能正常生長。

3.2 廢水的溫度

通常將SRB分為中溫SRB和嗜熱SRB。目前研究報(bào)道的大多是中溫菌，一般適合在30℃左右環(huán)境下生長[3]，最佳生長溫度30.5℃，溫度在31℃～35℃時(shí)，對(duì)SRB活性影響不大;溫度小于30℃時(shí)，SRB活性受到抑制;溫度降至20℃以下時(shí)，SRB活性受到強(qiáng)烈抑制。

3.3 氧氣的含量

如張小里[4]等研究了溶解氧對(duì)脫硫弧菌生長的影響，研究結(jié)果表明：SRB可以在含氧量4.5 mg/L的環(huán)境中生長，但當(dāng)環(huán)境中的含氧量達(dá)到9.0 mg/L時(shí)，則不能生長。主要原因是其胞內(nèi)含有抗分子氧的保護(hù)酶。

3.4 可用碳源種類及特點(diǎn)

Chang[5]等人研究表明，多種有機(jī)廢棄物可作為SRB的碳源，其中包括干草、稻草、泥炭、用過的蘑菇堆肥及廢紙回收站的污泥。

4 利用SRB處理廢水的現(xiàn)狀

4.1 處理含重金屬工業(yè)廢水

目前，重金屬廢水的處理方法有沉淀法（形成氫氧化物、碳酸鹽等）、離子交換法、電滲析和反滲透等方法。一般來說，這些方法的處理成本較高，難以應(yīng)用于實(shí)踐。為降低處理成本，近年來人們把目光轉(zhuǎn)向了微生物法。

華堯熙[6]等人研究了以厭氧污泥床培養(yǎng)SRB處理含鋅廢水的工藝。在該工藝中SRB以活性污泥的形式存在于反應(yīng)器中，濃度大大提高，因而該反應(yīng)器工作效率很高，可用于處理高濃度含鋅廢水。

馮易君[7]等采用SRB處理某工廠的鍍鉻廢水，效果較好。田小光[8]等研究了化學(xué)還原法和SRB吸附相結(jié)合的工藝處理電鍍廠的含鉻（VI）廢水。先利用化學(xué)還原劑將鉻（VI）還原成鉻（III），再利用SRB對(duì)形成的Cr（OH）3進(jìn)行吸附而使鉻除去。

4.2 處理含硫酸鹽的工業(yè)廢水

河北科技大學(xué)楊景亮[9]教授對(duì)SRB處理青霉素生產(chǎn)過程中排放的高濃度硫酸鹽-廢水進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：COD/SO42-、SO42-負(fù)荷是影響SO42-還原效果的主要因素。當(dāng)SO42-負(fù)荷為5 kg/（m3·d）時(shí)，進(jìn)水COD/SO42-為2.5～2.8時(shí)，SO42-去除率為68%～78%;進(jìn)水COD/SO42-大于3時(shí)，SO42-去除率大于90%。

司勝敏[10]等以厭氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理高濃度硫酸鹽的酸性黃金冶煉廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入某生長因子B后可明顯提高體系的pH緩沖能力，經(jīng)處理后SO42-去除率穩(wěn)定在90%以上。

4.3 處理酸性礦山廢水

酸性礦山廢水的污染甚為嚴(yán)重，亟待解決。有研究表明[26]，SRB處理酸性廢水，Cu2+、Fe3+、Zn2+、Ni2+、Pb2+、Cr3+殘余量分別從：21.29 mg/L、253.76 mg/L、14.36 mg/L、8.103 mg/L、9.071 mg/L、1.395 mg/L降至0.0157 mg/L、9.76 mg/L、0.051 mg/L、0.018 mg/L、0.00067 mg/L、0.0009 mg/L，去除率分別為99.58%、80.77%、98.22%、98.89%、99.96%、99.68%，處理后殘余離子含量低能達(dá)標(biāo)排放。

5 結(jié)論和展望

SRB處理廢水有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但影響其生化反應(yīng)過程的因素多而復(fù)雜，且該工藝綜合利用了生物化學(xué)、化學(xué)工藝以及細(xì)菌培養(yǎng)等交叉學(xué)科知識(shí)，為此研究在相關(guān)的生化反應(yīng)過程中微生物群落的共生關(guān)系是十分必要的。這需要我們能夠全面綜合的掌握生物硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)體，微生物有機(jī)體硫酸鹽還原以及相關(guān)的生物過程的關(guān)鍵參數(shù)，才能將其應(yīng)用到污水處理方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳明，趙永紅.微生物吸附重金屬離子的實(shí)驗(yàn)研究[J].南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（3）：168-173.

[2]楊景亮，胡紀(jì)萃等.兩相厭氧工藝處理含硫酸鹽有機(jī)廢水的研究[J].環(huán)境科學(xué)，1995（3）：8-11.

[3]胡紀(jì)萃.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]張小里，劉海洪，陳開勛等.硫酸鹽還原菌生長規(guī)律的研究[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，29（5）：397-402.

[5] Seop Chang Pyong Kyun Skin，Byung Hong Kim.Biological treatment of acid mine drainage under sulphate-reducing condition with soild waste materials as substrate.[J].Wat Res，2000（4）：1269-1227.

[6]華堯熙，葉雪朗，馬曉航.硫酸鹽生物還原處理含鋅廢水[J].環(huán)境科學(xué)，1995（4）：19-21.

[7]馮易軍，謝家理.共存離子對(duì)SRB處理含鉻廢水的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，1995，16（4）：19-21.

[8]田小光，張介馳，于德水.硫酸鹽還原菌凈化含鉻廢水的影響研究[J].生物技術(shù)，1997（1）：32-34.

[9]楊景亮，趙毅，任洪強(qiáng)等.廢水中硫酸鹽生物還原影響因素的研究[J].中國沼氣，1999，17（3）：55-57.

[10]司敏勝，李灤寧，柴社立等.厭氧生物法處理高濃度硫酸鹽廢水研究[J].世界地質(zhì)，2008（3）：310-313.