硫酸鹽還原菌處理重金屬離子

黃 志，徐建平，馬春艷，羅亞楠

(安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽蕪湖 241000)

高硫煤礦開采中，由于煤層和圍巖中含有的硫化物，在化學氧化劑和氧化亞鐵硫桿菌作用下，經過一系列地球化學反應產生酸性礦井水AMD(acid mine drainage)。AMD的pH值通常很低，除富含離子和Fe3+離子外，易浸出伴生礦物中的有毒重金屬元素，如鉛、銅、鎘、鋅等，對礦業生產、地下水資源及礦區生態環境造成嚴重危害［1－3］。

自20世紀40年代起，國內外對酸性礦井水(AMD)及其防治進行了大量的研究。對含重金屬離子的酸性礦井廢水的常見處理方法主要有化學沉淀法、離子交換法、電化學分離法、吸附法、反滲透法及電滲析法等［4］，但這些方法有投資費用高、沉淀去除效果不理想、易造成二次污染等缺點。利用自然界硫循環原理進行厭氧生物處理和原位修復技術具有不需額外提供能量和地面處理系統，不需要其他運行和維護費用，可處理的重金屬種類多，無二次污染，處理效率高等優勢，近年備受研究者關注，其中利用硫酸鹽還原菌(SRB)治理酸性礦山水及重金屬污染近年來成為研究熱點［5－12］。為了保證SRB對重金屬的處理特性，需要探索其最佳處理條件。

本研究以 Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Fe2+去除率為考察指標，研究了初始pH值、培養溫度、時間、重金屬初始濃度對硫酸鹽還原菌去除重金屬的影響，期望為硫酸鹽還原菌原位修復酸性礦井水中重金屬離子的進一步研究提供依據。

1 實驗

1.1 實驗儀器

組合式全溫度培養箱(QHZ-123B型)、電子天平(FA1004N型)、實驗室pH計(pHSJ-3F型)、高速臺式離心機、手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器(YX280B)、原子吸收分光光度計(WFX-110型)等。

1.2 菌種和模擬廢水

菌種:取自合肥工業大學。

培養基:K2HPO40.5 g、NH4Cl 1.0 g、Na2SO41.0 g、CaCl2·2H2O 0.1 g、MgSO4·7H2O 2.0 g、70%乳酸鈉溶液5.0 mL、蒸餾水1 000 mL、抗壞血酸 0.4 g、檸檬酸鈉 3.5 g。

模擬重金屬礦井水:根據前期關于SRB對重金屬離子耐受性研究的實驗結果，向培養基中加入不同濃度的重金屬離子，各重金屬離子的初始濃度見表1，其中組2為考察pH值、溫度、時間對硫酸鹽還原菌處理重金屬離子影響時的初始濃度。實驗中，通過 1 mol·L－1HCl和 1 mol·L－1NaOH控制進水pH值。培養基的制備和實驗過程中所用的試劑均為分析純或優級純藥品或試劑。

表1 重金屬初始濃度分組

1.3 實驗方法

每次取水樣200 mL至于500 mL的厭氧反應器中，將前期重金屬馴化后的 SRB按投加量2.5%投加于反應器中。定時取水樣，4 000 r/min離心30 min，取上清液，稀釋一定倍數后進行分析。溶液中的重金屬離子用原子吸收分光光度法測定(GB 7475—87)。

2 實驗結果及分析

2.1 初始pH值對SRB去除重金屬的影響

pH值對SRB的影響是基于氫離子與細胞膜中的酶相互作用的結果，對細胞壁上的酶活性也有一定影響。適宜的pH值對SRB的生長繁殖至關重要。從圖 1可以看出，Pb2+、Cu2+、Cd2+、Fe2+、Zn2+去除率與pH值密切相關，且與各重金屬離子去除率的影響趨勢相近。pH值為7時，去除率最高，分別達到 93.10%、96.70%、87.70%、97.80%、86.70%。當初始 pH值較低時，各重金屬離子去除率較低;隨pH值增大，各重金屬離子去除率均升高。pH值的升高促進了硫酸鹽還原菌的大量生長。當pH值達到7時，去除率均達到最高值。隨著 pH 值超過 7，Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+去除率均有所下降，說明pH值過高不利于SRB的生長，H2S的產生量減小，使得去除效果下降。而此時Fe2+去除率基本保持不變，分析原因是Fe2+與水中的OH－形成沉淀而已經去除。

圖1 初始pH值對SRB去除重金屬的影響

2.2 溫度對SRB去除重金屬的影響

由圖2可知:溫度在25～35℃，各重金屬去除率均較高，其中:Cd2+最適溫度為30℃，此時去除率達到 90.20%;Pb2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+的最適溫度為35℃，此時去除率最高，分別達到95.60%、91.80%、97.20%、91.00%。超過或低于最適溫度，其生長代謝能力都會不同程度地受到影響，從而影響其對重金屬的去除率。當超過40℃，溫度過高，SRB幾乎不生長，使得重金屬去除效果下降明顯。根據已有的關于溫度對硫酸鹽還原菌生長影響的分類［13］，說明實驗所用菌株為中溫菌。

圖2 溫度對SRB去除重金屬的影響

2.3 時間對SRB去除重金屬的影響

從圖3可以看出:隨著時間的增加，反應越完全，各重金屬離子的去除率越大。這是因為，在其他條件一定的情況下，隨時間的增加，微生物生長進入穩定期，菌體大量增長，使得去除效果遞增。當 Pb2+、Cu2+、Cd2+、Fe2+、Zn2+的反應時間達到6d后，去除率隨時間的增加提高緩慢。綜合考慮，取最佳時間為6 d，此時去除率分別為94.50%、94.40%、84.70%、90.80%、84.40%。

圖3 時間對SRB去除重金屬的影響

2.4 重金屬初始濃度對SRB去除重金屬的影響

從圖4可以看出:隨著重金屬初始濃度的升高，各離子去除率均降低，當 Pb2+、Cu2+、Cd2+、Fe2+、Zn2+的初始濃度分別達到110 mg/L、50 mg/L、50 mg/L、0.5 g/L 、50 mg/L 后，去除率隨初始濃度的增長下降明顯，重金屬對SRB的抑制作用開始顯現，因此去除率呈下降趨勢。而在最低重金屬初始濃度下，各重金屬離子的去除率分別為99.00%、96.70%、92.24%、98.00%、93.80%。

圖4 重金屬初始濃度對SRB去除重金屬的影響

2.5 掃描電鏡觀察

將未經馴化的SRB和實驗所用馴化后保存的SRB菌液轉接到含重金屬離子的固體培養基中，在35℃恒溫密閉避光培養7 d后，分別各挑選一小塊SRB菌落進行掃描電鏡觀察。圖6(a)與圖6(b)對比顯示，實驗所用馴化后的SRB菌體形態規則，呈桿狀，大小在1～2 μm，較未馴化的 SRB(1.4 ～2.4 μm)大小有所縮短，且四周吸附有色澤光亮的顆粒物，分析應該是SRB將硫酸鹽還原成為H2S，H2S與水體中的重金屬反應生成金屬硫化物沉淀物。馴化后的SRB的中心有色澤稍暗淡的顆粒物，分析是由于SRB新陳代謝過程中通過主動吸收、轉化重金屬并最終將重金屬積存在細胞原生質內的原因。

圖5 SRB的電鏡照片

3 結論

1)研究了初始pH值、培養溫度、時間、重金屬初始濃度4個因素對硫酸鹽還原菌處理Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+的影響，確定了最佳的處理條件為:pH=7，T=35℃，t=6 d，初始濃度越低去除率越高。

2)實驗表明，在最佳條件下 Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+去除率分別達到了 99.00%、96.70%、92.24%、98.00%、93.80%，效果比較理想，這說明利用硫酸鹽還原菌處理重金屬廢水是可行的。實驗數據可為硫酸鹽還原菌處理酸性重金屬廢水提供基礎參數和技術支持，為治理酸性重金屬廢水提供了一條新的可行的工藝。

［1］NRIAGU J.A history of global metal pollution［J］.Science，1996，272:223 －224.

［2］ESPANA J S，PAMO E L，SANTOFIMIA E，et al.Acid mine drain-age in the Iberian Pyrite Belt(Odiel river watershed，Huelva，SW Spain):geochemistry，mineralogy and environmental implications［J］.Applied Geochemistry，2005，20:1320 －1356.

［3］胡文容，高廷耀.煤礦酸性礦井水除鐵研究［J］.中國給水排水，1995，11(1):24 －28.

［4］邱延省，唐海峰.生物吸附法處理重金屬廢水的研究現狀及發展［J］.南方冶金學院學報，2003，24(4):65－69.

［5］李亞新，蘇冰琴.利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水研究［J］.中國給水排水，2000，16(2):13 －17.

［6］蘇冰琴，李亞新.EGSB反應器中SRB污泥顆?；墓に囂匦裕跩］.中國給水排水，2008，17(24):24 －27.

［7］繆應祺，倪國.硫酸鹽還原菌處理高濃硫酸鹽廢水［J］.中國給水排水，2003，19(7):66 －67.

［8］易正戟，譚凱旋，澹愛麗，等.硫酸鹽還原菌及其在工業和礦山廢水治理中的應用［J］.云南師范大學學報，2006，26(3):39 －45.

［9］Jong Tong，Parry Pavid L.Removal of sulfate and heavy metals by sulfatereducing bacteria in short-term bench scale upflow anaerobic packed bed reactorruns［J］.Wat Res，2003，37:3379 －3389.

［10］Foucher S.Treatment by Sulfate-Reducing Bacteria of Chessy Acid-Mine Drainage and Metals Recovery［J］.Chemical Engineering Science，2001，56:1639 －1645.

［11］肖利萍，張鐳，李月.硫酸鹽還原菌及其在廢水厭氧治理中的應用［J］.水資源與水工程學報，2011，22(1):45－49.

［12］馬曉航，賈小明，趙宇華.用硫酸鹽還原菌處理重金屬廢水的研究［J］.微生物學雜志，2003，23(1):36－39.

［13］張小里，劉海洪.硫酸鹽還原菌生長規律的研究［J］.西北大學學報:自然科學版，1999，29(5):397－402.