新型碳源作為硫酸鹽還原菌電子供體處理AMD研究

丁蕊

摘要：酸性礦山廢水危害嚴(yán)重，用硫酸鹽還原菌處理AMD是一種良好的方法，但是缺乏SRB經(jīng)濟(jì)有效的碳源，制約了SRB工業(yè)化處理AMD。為解決上述問題，本試驗(yàn)利用質(zhì)量比為80：7：3的生活污水、鋸末、雞糞的混合發(fā)酵液作為新型碳源，為SRB提供能量和電子供體，通過靜態(tài)單因素和多因素試驗(yàn)，分別研究SRB對(duì)SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺、含有多種離子的AMD的處理效果。結(jié)果表明，新型碳源可以作為SRB的有效碳源，SRB單獨(dú)處理以上幾種離子時(shí)效果良好，SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺的去除率分別可達(dá)98.6%、96%、99.2%。SRB處理AMD時(shí)，混合廢水酸性得到改善，pH值由5.3變?yōu)?.75，SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺的去除率分別為84.5%、81.2%、91%。

關(guān)鍵詞：硫酸鹽還原菌;酸性礦山廢水;新型有機(jī)碳源

中圖分類號(hào)：X172文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，能源的消耗速度也急劇增加，能源的消耗不僅以環(huán)境破壞為代價(jià)，也制約著社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前世界能源主要以化石燃料為主，煤是目前世界使用的主要能源，而煤地開采、運(yùn)輸、加工、消耗都對(duì)環(huán)境會(huì)造成不利影響。最典型的是酸性礦山廢水（AMD），直接排放AMD影響水體自凈，導(dǎo)致水生生物死亡，腐蝕設(shè)備，導(dǎo)致維修頻繁，也會(huì)通過生物富集進(jìn)人人體而危害健康。目前處理礦山廢水的方法很多，其中硫酸鹽還原菌（sRB）因其經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)，處理效果穩(wěn)定，無二次污染，并可回收硫單質(zhì)，受到廣大學(xué)者的青睞。但隨著深入研究，缺乏經(jīng)濟(jì)有效的碳源成為阻礙SRB工業(yè)化處理AMD的壁壘。所以本試驗(yàn)利用一種新型碳源作為SRB能量來源和電子供體處理AMD，既解決鋸末雞糞堆積問題，又為SRB處理AMD在實(shí)際生產(chǎn)中推廣使用提供新思路。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)水樣、材料與藥品

試驗(yàn)水樣：模擬煤礦酸性廢水，濃度指標(biāo)設(shè)定：pH值為5.0，SO4^2-、Mn²⁺、zn²⁺濃度分別為2250mg/L，70mg/L、70mg/L。

新型碳源：用質(zhì)量比為80：7：3的生活污水、鋸末、雞糞混合液在35℃培養(yǎng)箱中厭氧發(fā)酵15d，產(chǎn)生的發(fā)酵液作為SRB的新型碳源，其COD、NH3-N、TP的濃度分另0為9000—9500mg/L、550—560mg/L、180mg/L。使用時(shí)，利用生活污水稀釋發(fā)酵液，COD濃度為2800—3000mg/L，SO4^2-濃度為1500mg/L，利用1n01/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值為7.0。

藥品：硫酸、硫酸銀、硫酸汞、硝酸、硫酸錳、硫酸鋅、鉻酸鉀、氯化鋇等，化學(xué)試劑均為分析純。

1.2試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：

SX721型分光光度計(jì)、pHS-3C型pH計(jì)、RS232型COD測(cè)定儀、z-2000型原子吸收分光光度計(jì)、HZ-9811K垂！雙層雙速振蕩器，HG101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱等。

1.3硫酸鹽還原菌的培養(yǎng)及馴化

富集培養(yǎng)：本試驗(yàn)中SRB來自污水處理廠二沉池的回流污泥，將此活性污泥在溫度為35℃的培養(yǎng)箱厭氧發(fā)酵15d。待污泥發(fā)酵成熟后，取5%的污泥量接種到乳酸鈉培養(yǎng)基上培養(yǎng)10d，用同種方法將長(zhǎng)勢(shì)最好、顏色最黑的SRB再次培養(yǎng)，用此方法反復(fù)接種3次，除去雜菌。

馴化：先將經(jīng)過分離、純化、培養(yǎng)好的SRB以10%的污泥量接種到體積比1：1的乳酸鈉和新型發(fā)酵液混合的培養(yǎng)液中進(jìn)行為期10d的馴化，如此反復(fù)馴化3次。最后將上述馴化的SBR以10%的污泥量接種到完全為新型發(fā)酵液中培養(yǎng)10d，如此反復(fù)培養(yǎng)3次，完成馴化培養(yǎng)。

1.4試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用靜態(tài)單因素試驗(yàn)考察新型碳源為SRB提供能量和電子供體時(shí)，SRB分別對(duì)SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺的去除效果。采用靜態(tài)多因素試驗(yàn)，考察新型碳源馴化的SRB對(duì)Mn²⁺、Zn²⁺共存的AMD的處理效果。分別測(cè)定不同時(shí)間SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺的含量變化，計(jì)算去除率。

2結(jié)果與討論

2.1SRB對(duì)SO4^2-還原效果的研究

本試驗(yàn)在溫度35°C，pH為7.0，轉(zhuǎn)速50r/min，SO4^2-濃度為1500mg/L，COD濃度3000mg/L，考察SRB還原SO4^2-效果，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著時(shí)間的增加SO4^2-去除率逐漸增高。反應(yīng)0—1d時(shí)，SO4^2-的還原反應(yīng)速率遲緩、去除率較低。這是因?yàn)榉磻?yīng)初期，SRB內(nèi)各酶系統(tǒng)對(duì)新環(huán)境有一個(gè)適應(yīng)過程，此時(shí)SRB幾乎不裂殖，對(duì)S042-的代謝速率緩慢。反應(yīng)1—3d時(shí)，SO4^2-的還原反應(yīng)速率快、去除率增高。這是因?yàn)殡S著SRB個(gè)體發(fā)育，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求量增加，代謝大量SO4^2-來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成。反應(yīng)3—9d后，雖然SO4^2-的去除率持續(xù)升高，但是反應(yīng)速率降低。這是因?yàn)镾RB已經(jīng)進(jìn)入減速增殖期，環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量耗用，C/S比成為SRB增殖和還原SO4^2-的控制因素，還原反應(yīng)速率減慢。反應(yīng)9—14d，SO4^2-的還原反應(yīng)更加緩慢，去除率趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榛旌弦褐袪I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足，SO4^2-的濃度不足150mg/L，SRB進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，SO4^2-最終去除率為98.6%。

2.2SRB對(duì)Mn²⁺去除效果的研究

本試驗(yàn)在溫度35°C，pH為7.0，轉(zhuǎn)速50r/min，SO4^2-濃度為1500mg/L，COD濃度3000mg/L，調(diào)節(jié)Mn²⁺濃度為47mg/L，考察SRB對(duì)Mn²⁺的去除效果，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，SRB對(duì)重金屬離子Mn²⁺的去除效果隨著時(shí)間的增加不斷上升。反應(yīng)48h內(nèi)Mn²⁺的去除速率較快，去除率可達(dá)90%，這是因?yàn)榛旌弦褐袪I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，SRB增殖速率快、活性高，Mn²⁺主要被SRB分泌的胞外聚合物所吸附，少部分則與SO4^2-還原產(chǎn)物s²生成MnS沉淀得以去除。隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的減少，以及Mn2+對(duì)SRB的毒害作用，反應(yīng)速率逐漸減慢，Mn2+最終去除率分別為96%。

2.3SRB對(duì)Zn²⁺去除效果的研究

本試驗(yàn)調(diào)節(jié)Zn²⁺濃度為46.6mg/L，其余試驗(yàn)條件同2.1，考察SRB對(duì)Zn²⁺的去除效果，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，Zn²⁺的去除率隨著反應(yīng)的進(jìn)行不斷升高，反應(yīng)36h去除率已達(dá)90%，36h后反應(yīng)速率降低，SRB對(duì)重金屬離子Zn²⁺的最終去除率為99.2%。這是因?yàn)閆n²⁺的去除是通過SRB生物吸附作用和硫化物沉淀，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，混合液總的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷減少，抑制了SRB的生長(zhǎng)，阻礙了SO4^2-還原，雖然產(chǎn)生的S^2-和EPS可以固定住Zn2+，但卻不能將zn²⁺全部固定。

2.4SRB對(duì)AMD處理效果的研究

將模擬礦山廢水和新型發(fā)酵液按照體積比2：1混合，將SRB按8%的污泥量接種到密封和混合廢水中，混合后溶液pH值為5.3，SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺濃度分別為1500mg/L、47.1mg/L、46.6mg/L，在溫度35°C，轉(zhuǎn)速為50r/min條件下，考察SRB處理AMD過程中pH值的變化，以及對(duì)SO4^2-、Mn²⁺.Zn²⁺的處理效果，結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行混合廢水中pH值逐漸升高，前48h內(nèi)pH值上升比較平緩，48h后pH值趨于穩(wěn)定。SRB以SO4^2-作為電子受體進(jìn)行物質(zhì)代謝釋放堿度，混合廢水中pH值逐漸上升，由于后期SO4^2-還原反應(yīng)受到重金屬離子的抑制，pH值趨于平穩(wěn)，處理水最終pH值為6.75。

由圖5可以看出，反應(yīng)0-2d內(nèi)，SRB對(duì)SO4^2-的代謝反應(yīng)緩慢，但是對(duì)重金屬離子的去除率顯著，這是因?yàn)榉磻?yīng)開始SRB需要適應(yīng)環(huán)境，混合廢水中的pH值較低且含有大量重金屬離子，SRB的還原代謝受到抑制，SO4^2-去除效果較差，而重金屬離子卻能通過生物吸附作用得以去除。反應(yīng)2d后，SRB已經(jīng)度過調(diào)整期，而且由于SRB代謝反應(yīng)混合廢水中酸性減弱，有利于SO4^2-的還原速率加快，重金屬離子和產(chǎn)生的S^2-反應(yīng)生成重金屬硫化物沉淀，減弱了H2S對(duì)SRB的抑制作用，進(jìn)而促進(jìn)了SO4^2-的還原，反應(yīng)10d后，SO4^2-的去除效果穩(wěn)定可達(dá)84.5%。由于混合廢水中多種離子互相制約，所以Mn²⁺、Zn²⁺的去除率低于SRB處理單一重金屬離子的效果，Mn²⁺的去除率為81.2%，Zn²⁺的去除率為91%。

3結(jié)論

將生活污水、鋸末、雞糞按照質(zhì)量為80：7：3的比例混合的發(fā)酵液為SRB提供能量和電子供體，可以良好的處理AMD。

（1）經(jīng)過新型有機(jī)碳源馴化培養(yǎng)后的SRB對(duì)SO4^2-還原效果良好，SO4^2-的去除率可達(dá)98.6%。

（2）SRB單獨(dú)處理Mn²⁺、Zn²⁺的去除率都很高，Mn²⁺、Zn²⁺皆可以通過SRB胞外聚合物（EPs）的吸附以及與SO4^2-還原反應(yīng)產(chǎn)生的S^2-反應(yīng)生成重金屬硫化物沉淀得以去除，但是SRB對(duì)Zn²⁺的處理效果要高于Mn²⁺，Mn²⁺、Zn²⁺的最高去除率分別可達(dá)96%、99.2%。

（3）sRB對(duì)AMD有良好的處理效果，改善了廢水的酸度，降低了廢水中SO4^2-、Mn²⁺、zn²⁺的濃度。SRB對(duì)重金屬的處理效果Zn²⁺>Mn²⁺，重金屬的去除主要以生物吸附為主，重金屬硫化物沉淀為輔，用新型碳源做SRB的碳源來處理AMD可以以廢治廢，變廢為寶，新型碳源可以作為SRB比較經(jīng)濟(jì)理想的工程有機(jī)碳源。