土豆為緩釋碳源負載SRB處理模擬含鎘酸性廢水

王繼勇， 黃品源， 何 偉

(武漢理工大學化學化工與生命科學學院， 武漢 430070)

酸性礦山廢水(acid mine drainage，AMD)是指礦山因開采或自然風化而產(chǎn)生的含有大量重金屬離子的酸性廢水.AMD的主要成因有3 種[1]：1) 在開采金屬硫化礦床的過程中因自然降雨或地下水滲漏而發(fā)生礦物淋溶，下滲到工作面的雨水或地下水溶解了大量重金屬離子和硫酸根離子，形成酸性廢水被排出坑外.2) 礦物開采過程中產(chǎn)生的硫化廢石，未被妥善處理而棄置在露天環(huán)境中被空氣氧化，因降雨而形成大量酸性廢水.3) 因礦物加工而產(chǎn)生的洗礦、選礦水等.礦山開采過程中產(chǎn)生這些酸性廢水處理起來很難，也不能直接回收利用，一旦排入附近的河流、湖泊，會導致水體的pH發(fā)生變化，抑制或阻止細菌及微生物的生長，妨礙水體的自凈.同時重金屬在水體中可以通過懸浮物的沉淀、吸附或離子交換作用進入次生礦物相，進而污染地表及地下水水體、地表土壤，使周邊生態(tài)環(huán)境遭受嚴重的破壞[2].傳統(tǒng)的處理方法主要是利用大量堿性物質(zhì)來升高pH并形成難溶性的氫氧化物沉淀[3].此法簡單有效，但是藥劑成本較高，會產(chǎn)生大量的硫酸鈣廢渣造成二次污染增加成本.隨著國家對環(huán)保要求的提升，酸性礦山廢水的處理也需要一種成本更低且更加環(huán)保的方法.

土豆作為我國重要的農(nóng)作物之一，由于種植面積非常廣泛，產(chǎn)量大，價格低廉，而且作為天然有機物不會對環(huán)境造成危害，若能作為SRB的碳源負載SRB處理酸性礦山廢水將會帶來極大的經(jīng)濟和環(huán)境效益[6].本課題從實際問題出發(fā)，以土豆作為緩釋碳源，探究SRB的最優(yōu)生長條件，研究其去除重金屬的能力以及處理模擬酸性礦山廢水的能力，論證其作為SRB緩釋碳源治理AMD的可行性，以期為SRB治理酸性礦山廢水技術(shù)的應(yīng)用做出貢獻.

1 材料及方法

1.1 材料及儀器

菌株來源: 本實驗所用硫酸鹽還原菌從某石化廠活性污泥分離所得.

土豆預(yù)處理:將馬鈴薯去皮洗凈后取塊莖切成方形小塊，紫外滅菌20 min后，用保鮮膜封存待用.

改良Postgate液體培養(yǎng)基[7]：MgSO4·7H2O 1.0 g·L-1， Na2SO40.6 g·L-1， CaCl20.2 g·L-1， NaCl 1.0 g· L-1， NH4Cl 1.0 g·L-1， C3H5O3Na 3.0 g·L-1， L-半胱氨酸 0.5 g·L-1，抗壞血酸 0.5 g·L-1， pH 6.0.其中 L-半胱氨酸和抗壞血酸待高溫滅菌冷卻后加入.

儀器：A360型紫外-可見分光光度計(上海翱藝儀器有限公司)；IL-500型哈希濁度儀(上海肯強儀器有限公司)；pH10S-E型筆式酸度計(上海精密儀器儀表有限公司)；DDS-320型精密電導率儀(上海精密儀器儀表有限公司)；JSM-IT300型場發(fā)射掃描電子顯微鏡系統(tǒng)(SEM，日本電子株式會社)；D8 Adwance型多功能X射線衍射儀(布魯克AXS公司)；Nicolet6-700型傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo電子科學儀器公司)等.

1.2 檢測方法

1.3 土豆作碳源的可行性實驗

將原有培養(yǎng)基中的碳源乳酸鈉替換成土豆，作為新的培養(yǎng)基，保持其余的條件不變.為使兩種SRB培養(yǎng)基保持相同的碳含量，利用酶解法測量同批次的土豆中淀粉含量.SRB接種按照2%(培養(yǎng)液體積的2%)的比列分別接種到兩種培養(yǎng)基的厭氧瓶中，置于35 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 d，并測量生長曲線，驗證土豆作為碳源的可行性.每隔6 h測定兩種培養(yǎng)液中的光密度(A600).以培養(yǎng)時間為橫坐標繪制生長曲線.

1.4 單因素實驗篩選最優(yōu)培養(yǎng)條件

利用土豆作為碳源負載硫酸鹽還原菌處理含鎘酸性廢水，通過單因素實驗確定Cd2+濃度、溫度、pH對于硫酸鹽還原菌脫硫除鎘的影響，得到土豆作為緩釋碳源負載硫酸鹽還原菌處理鎘的最優(yōu)條件.在土豆為碳源的培養(yǎng)基中加入1 g·L-1的CdCl2溶液分別調(diào)節(jié)Cd2+濃度為10、20、30、40、50 mg·L-1，得到Cd2+初始濃度與脫硫除鎘率的關(guān)系;設(shè)置培養(yǎng)液pH范圍5～9，控制其他條件相同時，得到pH與脫硫除鎘率的關(guān)系;設(shè)置培養(yǎng)液溫度為20、25、30、35、40 ℃，控制其他條件相同，得到溫度與脫硫除鎘率的關(guān)系.

1.5 兩種碳源培養(yǎng)下SRB處理含鎘酸性廢水

根據(jù)前期實驗確定土豆可作為碳源且有一定的優(yōu)勢，并通過單因素實驗找到最佳培養(yǎng)條件.為了驗證土豆作為碳源培養(yǎng)SRB處理含鎘離酸性廢水的效果，在最優(yōu)條件下對比兩種培養(yǎng)基處理含鎘酸性廢水并測定生長過程中pH、ORP的變化曲線以及最終的脫硫除鎘率.

1.6 實驗產(chǎn)物的分析表征

處理模擬廢水實驗結(jié)束后，培基養(yǎng)瓶底可觀察到有黃色沉淀生成.對瓶內(nèi)產(chǎn)物進行過濾、洗滌、烘干；用JSM-IT300型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察其形貌特征，對瓶底的黃色沉淀用能譜儀對其成分進行EDS分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 菌株生長曲線的研究

通過酶解法測得土豆的中淀粉的含量，3次得到的平均值為18.09%.用土豆代替乳酸鈉后新的的培養(yǎng)基：MgSO4·7H2O 1.0 g·L-1， Na2SO40.6 g·L-1， CaCl20.2 g·L-1， NaCl 1.0 g· L-1， NH4Cl 1.0 g·L-1， 土豆12.0 g·L-1， L-半胱氨酸 0.5 g·L-1，抗壞血酸 0.5 g·L-1.以土豆和乳酸鈉分別為碳源培養(yǎng)的SRB生長曲線如圖1所示.由圖可知土豆可以作為SRB生長所需的碳源，在兩種碳源培養(yǎng)條件下，菌株在前12 h生長比較緩慢.乳酸鈉為碳源時12～52 h時為菌株的對數(shù)生長期間，而土豆為碳源時18～60 h時為菌株的對數(shù)生長期，土豆為緩釋碳源時菌株生長的更加良好和生長穩(wěn)定器更加持久，78 h后菌株均停止生長進入衰弱期.土豆不僅可以作為良好的碳源，而且給SRB提供了更加穩(wěn)定持久的生長環(huán)境.

圖1 分別用土豆和乳酸鈉作為碳源時A600的變化Fig.1 Changes in A600 with potato and sodium acetate as carbon sources

2.2 單因素優(yōu)化實驗

SRB對Cd2+的除去效率和鎘離子初始濃度有著密切的關(guān)系，SRB在Cd2+濃度合適的范圍內(nèi)有著比較高的脫硫除鎘率，但濃度太大會抑制SRB的生長代謝.如圖2所示，當Cd2+濃度≤25 mg·L-1時，SRB脫硫除鎘率很高，鎘離子幾乎被完全除去.當Cd2+濃度>25 mg·L-1時，SRB脫硫除鎘率明顯降低，此時Cd2+對SRB有著很強的毒害作用，許多學者研究表明，當Cd2+達到30 mg·L-1時才會對SRB有著明顯的抑制作用[11]，這與本次實驗結(jié)果基本吻合，但是由于土豆對Cd2+有一定的吸附作用而間接的減弱Cd2+濃度對SRB的影響[12]，導致Cd2+濃度達到40 mg·L-1時仍有著一定的脫硫除鎘率.當初始濃度為25 mg·L-1時，不僅Cd2+的除去率達到100%，此時的脫硫率也高達67.8%.因此確定處理酸性廢水的Cd2+濃度為25 mg·L-1.

圖2 初始Cd2+濃度對脫硫除鎘率的影響Fig.2 Effect of initial Cd2+ concentration on the rate of desulfurization and cadmium removal

SRB易受到環(huán)境pH的影響，生長環(huán)境pH的偏離會對SRB的生長代謝造成影響，大多數(shù)研究表明SRB在中性條件下生長較好.如圖3所示，當pH≤6時SRB隨著pH的升高脫硫除鎘率也逐漸增大，這是由于在pH較低時[13]，氫離子通過細胞膜需要消耗更多的能量導致SRB的生長受到抑制而且pH較低的情況下，溶液中大量得H2S也會抑制SRB的生長;當pH>6時SRB隨著pH的升高脫硫除鎘率逐漸降低，這是由于在pH較高時[14]，溶液中游離的NH3的濃度會增加而導致細胞維持生命所需的能量也增加，進而導致細胞活性降低和胞內(nèi)環(huán)境遭到破壞從而抑制SRB的生長.當pH為6時，脫硫除鎘率達到最大，因此確定處理酸性廢水的pH為6.

圖3 pH對脫硫除鎘率的影響Fig.3 Effect of pH on the rate of desulfurization and cadmium removal

溫度時SRB生長代謝的重要環(huán)境因素，目前研究表明大多數(shù)SRB屬于中溫菌[15]，最適溫度在28～38 ℃.如圖4所示，當溫度為35 ℃時，脫硫除鎘率最高.當溫度≤35 ℃時，隨著溫度的升高脫硫除鎘率逐漸增加，這是由于溫度過低會影響細胞內(nèi)蛋白的功能，隨著溫度的升高分子熱運動加劇，S2-和Cd2+碰撞的概率增加從而脫硫除鎘率升高；當溫度>35 ℃時，脫硫除鎘率開始降低，這是由于溫度過高使細胞內(nèi)蛋白質(zhì)失活從而影響了SRB正常的生長代謝.因此確定處理酸性廢水的溫度為35 ℃.

圖4 溫度對脫硫除鎘率的影響Fig.4 Effect of temperature on desulfurization and cadmium removal rate

綜合以上單因素實驗的結(jié)果，確定處理酸性廢水的實驗條件分別為：Cd2+濃度25 mg·L-1；pH為6；溫度為35 ℃.

2.3 兩種碳源培養(yǎng)基處理模擬含鎘廢水

圖5 SRB分別在兩種培養(yǎng)基中處理廢水時pH、OPR的變化以及脫硫除鎘率Fig.5 Curve of pH over time in wastewater

2.4 實驗產(chǎn)物的分析表征

處理廢水實驗結(jié)束后，將瓶底大量的黃色沉淀進行分析.如圖6所示，通過SEM可以看到，沉淀結(jié)晶效果良好，沉淀主要表現(xiàn)為顆粒狀.對礦化產(chǎn)物進行EDS分析，譜圖如圖7所示，各元素含量如表一所示.由表1可知沉淀包含的元素有C、O、Na、Mg、S、K、Cd，礦化產(chǎn)物主要以CdS的形式存在.這說明土豆作為碳源培養(yǎng)SRB處理含鎘酸廢水有著良好的效果.

圖6 沉淀SEM圖Fig.6 SEM image of precipitate

圖7 沉淀的EDS圖Fig.7 EDS image of precipitate

表1 EDS數(shù)據(jù)表Tab.1 EDS data sheet

3 結(jié)論

1) 土豆為SRB的生長提供有效的碳源，且在含碳量相同的情況下，土豆作為SRB的碳源能夠給SRB提供更加穩(wěn)定持久的生長環(huán)境.

2) 由于土豆的生物吸附特性，土豆作為的碳源時，可以讓SRB有更好耐鎘性，使在SRB處理含鎘酸性廢水的最佳Cd2+濃度、pH和溫度分別為25 mg·L-1、6和35℃.

3) 最優(yōu)化的實驗條件下，土豆作為緩釋碳源處理廢水過程中的脫硫除鎘率更好，分別達到了57.2%和99%.SRB在處理廢水的過程中與Cd2+形成沉淀成分復(fù)雜，含結(jié)晶度較好的CdS.