硫酸鹽還原菌復(fù)合碳源的篩選

周 磊，徐樂昌，高 潔

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

酸法地浸采鈾是中國采鈾的主要技術(shù)之一，因其采用的硫酸溶浸劑具有較強的化學(xué)活性，在浸出鈾的同時，也會浸出含礦層中的其他有毒有害元素，使得地浸采場終采后的地下水組分相對復(fù)雜[1]。對已停產(chǎn)的737礦酸法地浸采場地下水的調(diào)查表明，其地下水除了鈾(0.9～16 mg/L)、錳(0.56～7.5 mg/L)、鐵(1.5～5.7 mg/L)等重金屬離子含量較高外，還殘留較高的硫酸根(3～4 g/L)。地下水中含量較高的硫酸根會破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤肥力，并腐蝕輸水系統(tǒng)。因此在酸法地浸采場終采后，需要對含礦層地下水進(jìn)行修復(fù)，避免污染向采場外擴(kuò)散。

硫酸鹽還原菌需要碳源才能對硫酸根進(jìn)行還原代謝反應(yīng)[10]，而酸法地浸采鈾地下水的COD在5～20 mg/L左右，碳源不足，利用生物法處理酸法地浸采鈾地下水時需要補充碳源。目前常以乳酸鹽、丙酸鹽、蘋果酸、乙醇、葡萄糖和檸檬酸鹽等為碳源去除硫酸根，效果較理想，但價格較高[11]。所以篩選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的碳源是該技術(shù)的關(guān)鍵。

1 試驗部分

1.1 試驗原理

SRB不僅能夠利用乳酸鹽、乙醇等小分子有機(jī)物作為碳源，還可以利用甲酸、丙酸等小分子有機(jī)酸作為碳源。到目前為止，SRB可利用的小分子有機(jī)碳源達(dá)到100多種[14]。復(fù)合碳源是指通過厭氧發(fā)酵菌對各類有機(jī)廢料(如木屑、糖蜜、樹葉、污泥、秸稈等)進(jìn)行酸性發(fā)酵，將有機(jī)廢料中的大分子有機(jī)物(糖類、纖維素等)分解成各種小分子有機(jī)物，從而得到的發(fā)酵液。發(fā)酵液中含有N、P、K等營養(yǎng)元素，可以被SBR生長代謝利用。

1.2 試驗材料

1.2.1 菌種

試驗用硫酸鹽還原菌選自青龍鈾礦尾礦壩的污泥，通過富集培養(yǎng)和靜態(tài)馴化使其能夠在25 ℃、pH=4.5的條件下進(jìn)行生長代謝。在該條件下，每克SBR每天可以代謝0.5 mg硫酸根。

1.2.2 培養(yǎng)基

進(jìn)行小分子單質(zhì)碳源試驗時，利用農(nóng)業(yè)部沼氣所培養(yǎng)基。培養(yǎng)基pH=7.0，其余組分見表1。

表1 農(nóng)業(yè)部沼氣所培養(yǎng)基組分Table 1 Medium composition of biogas Institute, Ministry of Agriculture g/L

1.2.3 碳源

利用甲酸、乙酸、丙酸、乳酸、蘋果酸、甲酸鈉、乙酸鈉、丙酸鈉、乳酸鈉、葡萄糖、蔗糖有機(jī)單質(zhì)作為SRB碳源，進(jìn)行單質(zhì)碳源利用情況研究；利用玉米芯發(fā)酵液、牛糞發(fā)酵液、玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液作為SRB的碳源，進(jìn)行復(fù)合碳源篩選試驗。

1.2.4 厭氧消化污泥

厭氧消化污泥取自通州污水處理廠，為了盡量減少發(fā)酵過程中乙酸的產(chǎn)量，將厭氧消化污泥馴化成以丙酸發(fā)酵為主的活性污泥。

1.3 試驗條件

1.4 試驗方法

1.4.1 玉米芯和牛糞發(fā)酵液的制作

選取干燥的玉米芯和牛糞作為發(fā)酵的原料。首先將自來水浸泡2 d后的玉米芯和牛糞分別用豆?jié){機(jī)打碎；然后將打碎的玉米芯和活性污泥按5∶1的比例混合，打碎的牛糞和活性污泥按3∶1的比例混合，分別裝入1.5 L的厭氧發(fā)酵罐中，在30 ℃、pH=7條件下厭氧發(fā)酵15 d，發(fā)酵過程中每2 d攪拌1次；最后將發(fā)酵好的玉米芯和牛糞進(jìn)行過濾，得到的清液即為發(fā)酵液。以此發(fā)酵液作為SRB的碳源進(jìn)行試驗研究，發(fā)酵液組分見表2。

表2 玉米芯和牛糞發(fā)酵液組分Table 2 Composition of corn cob and cow dung fermentation liquid mg/L

1.4.2 碳源篩選試驗方法

在500 mL的錐形瓶中進(jìn)行靜態(tài)培養(yǎng)，通過定期分析培養(yǎng)液中的硫酸根濃度來研究SRB對混合碳源的利用情況。

2 試驗結(jié)果與討論

試驗研究了SRB對不同單質(zhì)碳源、玉米芯發(fā)酵液、牛糞發(fā)酵液、玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液的利用情況。

2.1 SRB對不同單質(zhì)碳源的利用情況

2.1.1 低分子有機(jī)酸作為SRB碳源

考察了低分子有機(jī)酸作為SRB碳源時的硫酸根去除效果，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，甲酸、丙酸、乳酸、蘋果酸等低分子有機(jī)酸被SRB利用充分，能夠?qū)崿F(xiàn)去除硫酸根的目的；而乙酸被SRB利用不充分，可能由于乙酸在非離解狀態(tài)下對SRB有一定的毒害作用。試驗表明篩選的復(fù)合碳源中應(yīng)盡量減少乙酸的含量，以免復(fù)合碳源無法被SBR充分利用。

圖1 低分子有機(jī)酸作為SRB碳源時對硫酸根的去除效果Fig. 1 Removal effect of SRB on with low molecular organic acids as carbon source

2.1.2 小分子脂肪酸鹽作為SRB碳源

考察了小分子脂肪酸鹽作為SRB碳源時的硫酸根去除效果，結(jié)果如圖2所示。

圖2 小分子脂肪酸鹽作為SRB碳源時對硫酸根的去除效果Fig. 2 Removal effect of SRB on with small molecule fatty acid salt as carbon source

由圖2可以看出，除乙酸鈉外，其余的小分子脂肪酸鹽都能被SRB充分利用。SRB對乳酸鈉的利用速率最快，能夠在較短時間內(nèi)進(jìn)行生長代謝，表明乳酸鈉是SRB較優(yōu)的碳源。SRB對乙酸鈉的利用率較低(僅為20%)，這可能是由于乙酸鈉體系產(chǎn)生的乙酸含量較高，對SRB產(chǎn)生了一定的毒害作用。

2.1.3 糖類作為SRB碳源

考察了糖類作為SRB碳源時的硫酸根去除效果，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，SRB能夠較好地利用葡萄糖，其對硫酸根的去除效果與小分子有機(jī)酸相似；而SRB對蔗糖的利用效果相對較差，在硫酸根過量的條件下，對硫酸根的去除率僅為54%。這可能是由于蔗糖的分子較大，其作為SRB的碳源時，不能夠直接被利用，需要先被厭氧發(fā)酵為乳酸，再被SRB作為碳源利用，而發(fā)酵過程累積的中間產(chǎn)物會對SRB產(chǎn)生毒害作用。

圖3 糖類作為SRB碳源時對硫酸根的去除效果Fig. 3 Removal effect of SRB on with carbohydrate as carbon source

由2.1.1～2.1.3不同單質(zhì)碳源試驗可以看出，不同的小分子有機(jī)物都可以作為SRB的碳源，只是SRB對不同碳源的利用效率有所不同。需要注意的是乙酸對SRB有毒害抑制作用，在后續(xù)篩選復(fù)合碳源時需要盡量減少乙酸作為發(fā)酵產(chǎn)物而產(chǎn)生，以提高SRB對復(fù)合碳源的利用效率。從對SRB活性與硫酸根去除效率的影響來看，乳酸鈉是較優(yōu)的碳源選擇。

2.2 SRB對玉米芯和牛糞發(fā)酵液的利用情況

將玉米芯發(fā)酵液、牛糞發(fā)酵液和乳酸鈉分別作為SRB的碳源進(jìn)行對比試驗，考察SRB在這幾種碳源下的生長代謝情況，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，玉米芯發(fā)酵液作為SRB碳源時，能夠被SRB充分利用，其對硫酸根的去除效果與以乳酸鈉作為碳源時相近。但利用玉米芯發(fā)酵液作為碳源時，SRB的初期生長代謝周期變長，要達(dá)到相同的硫酸根去除效果，需要更長的時間。牛糞發(fā)酵液作為SRB碳源時，SRB對其利用效果不如乳酸鈉和玉米芯發(fā)酵液，在相同條件下，對硫酸根的去除率僅為62.5%；但是當(dāng)利用牛糞發(fā)酵液作碳源時，SRB的生長代謝周期與乳酸鈉作為碳源時相近。由此可見，玉米芯和牛糞發(fā)酵液都可以作為SRB的碳源來去除酸法地浸采鈾地下水中的硫酸根。

圖4 玉米芯發(fā)酵液、牛糞發(fā)酵液和乳酸鈉為SRB碳源時對硫酸根的去除效果Fig. 4 Removal effect of SRB on with corn cob fermentation liquid, cow dung fermentation liquid, and sodium lactate as carbon source

試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRB單獨利用玉米芯發(fā)酵液作為碳源時，能夠充分利用發(fā)酵液中的有機(jī)物進(jìn)行生長代謝，從而達(dá)到去除硫酸根的目的；但是其生長代謝周期較長，使得SRB無法在短時間內(nèi)得到快速生長代謝。而當(dāng)SRB單獨利用牛糞發(fā)酵液作為碳源時，SRB無法充分利用其發(fā)酵液中的有機(jī)物，但是SRB的生長代謝周期相對較短。

結(jié)合表1可知，玉米芯發(fā)酵液中的有機(jī)物為小分子有機(jī)物，有利于SRB的利用，但是微量元素N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)較少；而牛糞發(fā)酵液與之相反，其含有的小分子有機(jī)物相對較少，含有的N、P、K等微量營養(yǎng)元素相對較多。因此，可以充分利用2種碳源各自的優(yōu)勢，將2種發(fā)酵液混合作為硫酸鹽還原菌的碳源。

2.3 SRB對玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液的利用情況

研究了以玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液作為SRB碳源時，SRB對硫酸根的去除效果，玉米芯和牛糞發(fā)酵液的混合比例為5∶1、10∶1、15∶1，試驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)混合發(fā)酵液的混合比例為10∶1時，SRB的生長周期和對硫酸根的去除效果都與以乳酸鈉作為碳源時相近?；旌媳壤秊?0∶1的玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液可以代替乳酸鈉作為SRB的復(fù)合碳源。

圖5 玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液為SRB碳源時對硫酸根的去除效果Fig. 5 Removal effect of SRB on with corn cob and cow dung mixed fermentation liquid as carbon source

3 結(jié)論

硫酸鹽還原菌可以充分利用各種小分子單質(zhì)碳源(乙酸除外)。將各種有機(jī)廢料發(fā)酵分解成小分子有機(jī)物后，可作為SRB的碳源，但發(fā)酵過程應(yīng)盡量減少乙酸的產(chǎn)量。

利用混合比為10∶1的玉米芯和牛糞混合發(fā)酵液作為SRB碳源，滿足SRB生長代謝的需要，該復(fù)合碳源能夠被SRB充分利用。該復(fù)合碳源是利用生物法處理酸法地浸采鈾地下水的理想碳源之一。