硫酸鹽還原菌在酸性礦山廢水處理中的應(yīng)用

苗雅慧，祁詩月，陳吉，王佳，田炳陽，辛寶平

(北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081)

隨著工業(yè)的發(fā)展，人類在進(jìn)行采礦、有色金屬冶煉等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了低pH、富含高濃度重金屬和硫酸鹽的酸性礦山廢水(AMD)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國礦山廢水的排放量占全國工業(yè)廢水排放總量的10%，但這其中只有不到5%得到了處理[1]。該酸性礦山廢水進(jìn)入自然環(huán)境后，會破壞自然界的硫循環(huán)平衡，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。在目前對于酸性礦山廢水的處理方法中，物理方法耗能大，操作條件苛刻；化學(xué)方法易產(chǎn)生二次污染物；而生物處理法中以硫酸鹽還原菌(SRB)為代表的微生物法，可以經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、綠色安全地處理酸性礦山廢水，得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

1 酸性礦山廢水的產(chǎn)生及危害

酸性礦山廢水主要來自于礦山的開采過程，目前已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要源頭[2]。在礦山生產(chǎn)過程中排放了大量的含硫廢石和尾礦，一旦暴露在濕氣和空氣中，硫化的礦物就會自發(fā)氧化。隨著反應(yīng)的發(fā)生，水的pH逐漸降低，導(dǎo)致了更多礦山廢物中金屬的溶解與遷移[3]。該過程取決于廢石的暴露時(shí)間、微生物過程和暴露于大氣中的氧氣等變量[4]，其限制步驟是Fe2+的氧化，但浸出細(xì)菌的存在會通過鐵離子和硫化合物的氧化來加速金屬硫化物的溶解[5]。

AMD的pH通常在4.5～5.5之間，有的甚至更低[1]。酸性的廢水會逐漸腐蝕所流經(jīng)的管道、水泵等設(shè)備，使更多的重金屬離子溶解于廢水之中；當(dāng)AMD排入水體后會導(dǎo)致水體中有機(jī)物含量增加，使得好氧微生物代謝增強(qiáng)造成水體缺氧，危及水生生物。當(dāng)水體中氧氣被耗盡，厭氧微生物分解加快，引起水體腐敗致使水質(zhì)惡化[6]。AMD中往往含有大量重金屬，若未經(jīng)處理排入土壤，隨著土壤表面水分的蒸發(fā)，重金屬鹽逐漸積累在土壤表層，引起土壤鹽堿化，破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；同時(shí)，土壤中的重金屬離子也會被農(nóng)作物吸收，通過食物鏈富集進(jìn)入人體，造成人體的慢性中毒。因此，對AMD的治理和資源利用迫在眉睫。

2 當(dāng)前酸性礦山廢水的處理方法

目前國內(nèi)外對酸性礦山廢水的處理方法主要有物理化學(xué)法、人工濕地法和微生物法等。物理化學(xué)方法有離子交換、吸附、磁分離、膜處理和添加化學(xué)藥品沉淀等，后者是使用最廣泛的方法[7]，即通過添加堿性化學(xué)品(例如CaCO3、Ca(OH)2等)提高廢水pH值，使金屬沉淀為碳酸鹽和氫氧化物[8]。這種化學(xué)沉淀會產(chǎn)生大量被重金屬污染的污泥，造成二次污染且處理成本變高。此外，這些金屬氫氧化物對pH值變化敏感，與其他金屬形式(如硫化物)相比，穩(wěn)定性較差。與此相比利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水的方法，因其具有經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、綠色安全等優(yōu)勢，受到了越來越多研究者的關(guān)注。

圖1 SRB分解代謝示意Fig.1 The catabolism diagram of SRB

圖2 SRB的分解過程Fig.2 The decomposition process of SRB

SRB通過厭氧代謝過程消耗了污水中的有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生的S2-將污水中的重金屬離子以金屬硫化物的形式不斷沉淀下來。該過程可以用下式表示：

xH2S+2Mx+→ M2Sx(s)+2xH+

其中，CH2O代表有機(jī)物，Mx+代表金屬離子，M2Sx代表金屬硫化物沉淀。

這一過程使環(huán)境中的硫酸鹽和金屬離子濃度降低，同時(shí)使堿度增加，沉淀下來的重金屬也可被回收利用，故被廣泛地用于處理酸性礦山廢水。

3 應(yīng)用硫酸鹽還原菌對酸性礦山廢水的處理

3.1 厭氧生物反應(yīng)器技術(shù)

由于人們越來越關(guān)注將SRB用于酸性礦山廢水的處理，因此開發(fā)了許多不同的厭氧生物反應(yīng)器以研究其性能和規(guī)律。在固定床厭氧生物反應(yīng)器中接種SRB，在pH 7～8的條件下連續(xù)運(yùn)行7 d，可去除廢水中99.5%的銅[16]；在上流式厭氧生物反應(yīng)器中，當(dāng)HRT不小于38 h時(shí)，硫酸鹽去除率可達(dá)到75%，且較高的胞外聚合物(EPS)含量有助于絮凝污泥顆粒的粘附和連接[17]。

使用SRB法去除AMD中的重金屬與微生物的活性密切相關(guān)，SRB生長的最佳碳源為乳酸鈉[18]，而在乙醇培養(yǎng)基中的硫酸根去除效果最好。雖然SRB法與其他物理化學(xué)方法相比成本較低，但在實(shí)際工程應(yīng)用中乳酸鈉、乙醇等試劑仍是一筆巨大的開銷，為了降低運(yùn)營成本，活性污泥、生物質(zhì)等工農(nóng)業(yè)廢物作為碳源進(jìn)入了研究者的視野。Liu等[19]以污泥發(fā)酵濃縮物為SRB的碳源，對模擬AMD進(jìn)行了處理，當(dāng)進(jìn)水pH為6.0時(shí)，COD、硫酸鹽和重金屬去除效率最高(分別為68.2%，92.1%和100%)，出水水質(zhì)達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。但在另一項(xiàng)研究中，以活性污泥為碳源，在不控制pH的情況下，生物反應(yīng)器系統(tǒng)產(chǎn)生的堿度不能中和稀釋后的AMD的酸性，硫酸鹽去除率較低(38%)，銅的去除率只有 60.95%[20]。與活性污泥相比，家禽衍生的生物炭具有較高的表面積，更有利于SRB群落的聚集。以富含SRB的牛糞生物炭處理模擬廢水，可使出水水質(zhì)低于巴西官方標(biāo)準(zhǔn)[21]。除此之外，甘蔗渣[22]、菌菇堆肥[23]、米糠和谷殼[24]均可實(shí)現(xiàn)較持久的碳源供應(yīng)，有效去除廢水中的重金屬離子。

為了進(jìn)一步提高SRB處理酸性礦山廢水的效果，不少學(xué)者向生物反應(yīng)器中加入了不同的底物來提高SRB的代謝活性：蝦殼是一種良好的生物刺激底物和電子供體[25]；Fe0是SRB某些酶的主要成分，其添加有助于硫酸鹽還原過程；維生素C有助于SRB還原硫酸根；間歇添加Fe2+、Cu2+可有效解除硫離子的毒性抑制[26]，特別是100～200 mg/L Fe2+有助于SRB的生物修復(fù)[27]。從代謝和生物沉淀過程角度來說，F(xiàn)e2+可以通過增加氫化酶的活性來加速H+和硫酸鹽的消耗，從而促進(jìn)SRB的代謝活性。另外，生物沉淀形成的過量FeS可以作為氧化還原緩沖，防止污水中的金屬被空氣氧化重新污染水環(huán)境。

此外，水力停留時(shí)間(HRT)也會影響生物反應(yīng)器中微生物群落的豐度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響水處理效果。長時(shí)間的HRT(4 d)有利于SRB的相對豐度，而短時(shí)間的HRT(1 d)影響了生物反應(yīng)器的厭氧條件，有利于嗜酸性化能菌的存在[28]。

3.2 聯(lián)合處理技術(shù)

酸性礦山廢水中含有多種污染物如高濃度硫酸鹽、多種重金屬離子等，這些污染物難以同步且高效的去除，采用其他方法與生物膜法聯(lián)用不失為一種有效的凈化工藝。

除膨潤土復(fù)合顆粒外，電修復(fù)聯(lián)合技術(shù)可被用來處理被汞污染的、含有碘化物的酸性廢水[30]。使用電場將碘化汞絡(luò)合物移動到陽極溶液中，然后將陽極溶液與SRB反應(yīng)器現(xiàn)場產(chǎn)生的H2S水溶液混合，產(chǎn)生硫化汞沉淀。即使陽極溶液中碘化物的濃度很高，仍然可得到>99.9%的汞的去除率。

3.3 微生物固定化技術(shù)

目前SRB法存在三大不足：①現(xiàn)有技術(shù)中，在廢水中與SRB直接接觸的重金屬離子會對其產(chǎn)生毒害作用，影響SRB的正常生長繁殖活動；②SRB很難將添加的有機(jī)碳源全部吸收利用，導(dǎo)致出水COD偏高[31]；③酸性礦山廢水較低的pH值會影響SRB的生物活性。有學(xué)者發(fā)明了兩階段反應(yīng)器，即SRB在第一個(gè)反應(yīng)器中將硫酸鹽還原，之后富含硫離子的上清液進(jìn)入第二個(gè)反應(yīng)器中將重金屬離子沉淀[32]。該方法雖然避免了SRB直接接觸酸性礦山廢水，但仍未解決出水COD較高的問題，為此，微生物固定化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

微生物固定化技術(shù)就是將液體中游離的微生物細(xì)胞利用物理或化學(xué)方法限制在一定空間區(qū)域內(nèi)[33]，又可細(xì)分為吸附法、包埋法、交聯(lián)法和無載體固定法。其技術(shù)優(yōu)勢是在保持SRB活性的前提下，減少污泥產(chǎn)量，從而減小反應(yīng)器的體積[34]。與吸附法相比，包埋固定化填料可以使得細(xì)菌對重金屬有更強(qiáng)的耐受性，去除效率更高[35]。在不同形式的SRB存在形式中，硫酸根的去除率大小順序?yàn)椋汗潭ɑ疭RB顆粒小球﹥SRB污泥﹥SRB懸浮菌液，且使用固定化SRB小球處理的模擬廢水中重金屬離子濃度最小，說明固定化小球中SRB耐受性最大，對重金屬的去除率最高[36]。

內(nèi)聚碳源(ISIS)工藝，就是將SRB污泥和其生長所需的有機(jī)碳源一同包埋于同一顆粒小球內(nèi)，將外界環(huán)境和SRB隔離開來，避免了污水中重金屬離子對細(xì)胞的毒害作用，使其有一個(gè)更加合適的生長環(huán)境，從而增強(qiáng)細(xì)菌的耐受性，提高對廢水中重金屬的去除率[37]，同時(shí)加強(qiáng)SRB對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，解決出水COD值偏高的問題。40% (NH4)2SO4和2% CaCl2的配比為最佳交聯(lián)劑[38]，使用該體系固定SRB，并在生物反應(yīng)器中循環(huán)4次，每次都能達(dá)到超過99%的鋅去除率[39]。在逆流厭氧生物反應(yīng)器中使用新型固定化SRB微球處理含高濃度鐵、銅、鎘、鋅的合成酸性礦山廢水，可得到>99.9%的重金屬去除率[40]。在上流式生物反應(yīng)器中，固定化SRB顆粒仍能表現(xiàn)出令人滿意的性能：出水pH值在7.8～8.3范圍內(nèi)，除Mn2+外，F(xiàn)e2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+的去除率均超過99.9%[41]。

3.4 微生物原位處理技術(shù)

盡管大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探索了SRB修復(fù)酸性礦山廢水的機(jī)理和影響因素，但是實(shí)驗(yàn)室終究無法模擬現(xiàn)場的動態(tài)物理(如溫度)和化學(xué)(如AMD成分)參數(shù)，在實(shí)際修復(fù)工作中實(shí)用性有限，所以需要微生物原位處理實(shí)驗(yàn)。

Nielsen等[42]以蜜糖為碳源，在模擬地下原位條件的厭氧生物反應(yīng)器中進(jìn)行了14個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，研究了低溫環(huán)境對于SRB去除重金屬的影響。當(dāng)溫度從17 ℃(夏季)轉(zhuǎn)變?yōu)? ℃(冬季)，微生物種群組成仍保持穩(wěn)定，但溫度的降低使得鋅的去除率由夏季的89.3%降低到冬季的20.9%，鎘的去除率由夏天的90.5%降低到冬天的39%。

Vitor等[43]以Domingos礦的AMD為原料，以乙醇作為外加碳源，在上流式厭氧填充床反應(yīng)器(UAPB)中連續(xù)運(yùn)行了339 d。該系統(tǒng)速度快，性能好，易于啟動，在運(yùn)行期間出水重金屬離子含量符合葡萄牙灌溉用水的法律要求。處理后的廢水中含有的過量硫化物被成功地用于合成硫化鋅納米粒子，不僅減少了生物修復(fù)過程中殘留物的環(huán)境問題，還可以避免材料制備過程中使用的昂貴和有毒的化學(xué)藥品以及復(fù)雜的設(shè)備，成為一種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

Lefticariu等[44]在美國Tab-Simco煤礦進(jìn)行了5個(gè)現(xiàn)場規(guī)模實(shí)驗(yàn)，在460 d的時(shí)間里用厭氧生物反應(yīng)器去除了高達(dá)92.5 t SO4、30 t Fe、8.950 t的Al和0.167 t的Mn，且添加了草本和木質(zhì)材料的反應(yīng)器有著更高的硫酸鹽和重金屬去除率，說明有機(jī)碳基質(zhì)的存在和類型影響了整個(gè)系統(tǒng)動態(tài)和AMD修復(fù)效率。同時(shí)他們還提出，由于溫度和氧化物梯度的季節(jié)性變化可誘發(fā)先前形成的不穩(wěn)定氧化物的溶解，且微生物介導(dǎo)的硫酸鹽還原活性可能受到富鋁和富鐵相過度沉淀的抑制，所以在未來的設(shè)計(jì)中，必須增加一個(gè)預(yù)處理階段，在進(jìn)入生物反應(yīng)器之前將大部分溶解的鐵/鋁從進(jìn)水AMD中去除。

微生物原位處理的測量結(jié)果將反映實(shí)際的時(shí)間變化產(chǎn)生的AMD的影響，為SRB技術(shù)提供實(shí)際應(yīng)用，研究結(jié)果將有助于改進(jìn)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，提高SRB對酸性礦山廢水的處理效率。

4 展望

利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水是很有潛力的處理方法，具有成本低、可去除重金屬離子且無二次污染的優(yōu)點(diǎn)，很多國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在多個(gè)方面取得了較為詳細(xì)的研究成果。但是微生物在實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)很多實(shí)際的問題，針對酸性礦山廢水pH值較低的特點(diǎn)，未來應(yīng)該在以下方面展開重點(diǎn)研究：

(1)馴化SRB使其具有更低的pH耐受值或者分離嗜酸性aSRB。SRB在中性環(huán)境中活性更高，而AMD極低的pH值會直接影響SRB的活性，從而影響重金屬的去除效率，因此可通過馴化、誘變等手段使現(xiàn)有SRB具有更低的pH耐受值或者尋找分離出嗜酸性的aSRB。雖然環(huán)境中存在著天然的嗜酸性aSRB，可在pH 2.2～2.5間選擇性沉淀出銅[45]，或在pH 4.0～5.0間沉淀出鋅、鎳和鈷[46]，但是目前對與SRB嗜酸性分離培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)成功率較低，需要更多的探索實(shí)驗(yàn)。

(2)應(yīng)用生物H2S處理酸性礦山廢水。在使用SRB處理酸性礦山廢水過程中，硫化物以三種形式存在于污水中：溶解性硫化氫(H2S)、不揮發(fā)性硫氫根離子(HS-)和硫離子(S2-)。環(huán)境pH值決定了H2S、HS-和S2-這3種硫化物的比率。當(dāng)pH值為6時(shí)，90%的硫化物以H2S的形式存在[47]，H+濃度越高，H2S濃度越高，也越容易揮發(fā)。酸性礦山廢水中較低的pH值不僅會破壞SRB細(xì)胞膜中酶的活性，還會增加H2S濃度，增加其對微生物的毒性，所以將H2S氣體吹脫，使其以氣體形態(tài)和AMD接觸，即可大幅度減少環(huán)境對于微生物的毒害作用，增加SRB優(yōu)勢菌群的相對豐度，提高硫酸根的去除率[48]。Silva等[49]已成功地將生物H2S用于AMD的處理，并達(dá)到較高的重金屬去除率。所以未來可增加這方面的研究，通過提高生物H2S的產(chǎn)氣率來提高對于重金屬的去除率。