生物技術處理含鈾廢水的研究進展

譚文發呂俊文唐東山

（1.南華大學環境工程系，衡陽 421001；2 .南華大學放射性三廢處理與處置重點實驗室，衡陽 421001）

生物技術處理含鈾廢水的研究進展

譚文發1，2呂俊文1，2唐東山1，2

（1.南華大學環境工程系，衡陽 421001；2 .南華大學放射性三廢處理與處置重點實驗室，衡陽 421001）

隨著核能的大力推廣與應用，放射性含鈾廢水的種類和數量越來越多，為防止水體中放射性核素遷移擴散，含鈾放射性廢水的有效處理成為一項亟待解決的問題。目前研究前沿的生物處理方法具有高效、價廉的優勢，對于含鈾廢水的治理前景樂觀。綜述了近幾年生物法處理含鈾廢水的進展，評述了生物法處理含鈾廢水的主要原理及其優缺點，并提出生物技術處理含鈾廢水的進一步研究方向。

含鈾廢水；微生物；轉化；機理

隨著我國鈾礦冶的發展，鈾資源被加速開發和利用，核燃料循環過程中所產生的放射性含鈾廢水種類及數量越來越多［1，2］。由于鈾具有重金屬化學毒性和放射性輻射雙重危害，不僅可以通過自身衰變而放射出的粒子直接對人體造成外輻照，而且可沿食物鏈被生物吸收、蓄積，最終造成人體積累和慢性中毒，危害生態環境和人類健康，造成嚴重的環境安全隱患［3-5］。實際上，鈾礦冶廢水周邊農業土壤、地下水和地表水中已經檢測出鈾的污染物［6-8］。鈾礦冶、鈾加工過程中排放的廢水鈾質量濃度一般在5 mg/L左右或以下，目前的技術對該類低濃度含鈾廢水處理效果不佳，難以達到國家規定允許排放的濃度（0.05 mg/L）。因此，為防止含鈾廢水對人類健康和生態環境的危害，高效、廉價的治理技術方法的研究是一項非常迫切而又艱巨的任務。

1 含鈾廢水的處理

放射性廢水有別于普通工業廢水，不能通過物理、化學或生物等方法將其分解破壞，只能靠其自然衰變降低以致消失其放射性。因此，在放射性廢水的處理方面，只能使用貯存與擴散兩種方式，即使用適當的方法處理之后，將大部分的放射性元素轉移到小體積的濃縮廢物中并加以貯藏，而使大體積廢水中剩余的放射性元素含量小于最大允許濃度排放于環境中進行稀釋和擴散。對放射性含鈾廢水的處理，人們幾乎嘗試了各種先進的水處理工藝，包括有化學沉淀、離子交換、蒸發濃縮及吸附等傳統處理方法，以及膜處理法、植物修復法、可滲透反應墻治理技術及微生物處理等新技術［9-13］。

目前對含鈾廢水的處理一般仍采用方法成熟的傳統凈化處理工藝，但是其存在很多問題，如化學沉淀法沉渣量大、處置困難；蒸發濃縮法能耗高，尤其是對低濃度含鈾廢水應用受限；離子交換法交換選擇性不理想，交換容量有限，對高鹽分的含鈾廢水的處理效果不佳［1］。近些年來新處理方法的研究雖然取得突破性進展，但是這些方法要么處理效率不高，要么成本太高，難以滿足實際需要。如人工濕地法是最近在國外普遍流行的方法，但易受氣候條件和溫度的影響，基質易飽和易堵塞，占地面積較大，且易引起鈾擴散而造成二次污染［14］；膜分離法易生成污垢、使用壽命短，還不能成熟應用于含鈾廢水處理，膜材料的制備和膜污染與控制還有待研究；而被認為頗具潛力的零價鐵可滲透反應墻處理法存在吸附、還原后的鈾易被解吸或被氧化再釋放，造成二次污染的缺點［15］。

隨著生物技術的發展，對微生物與重金屬及放射性核素之間相互作用機制的研究不斷深入，人們逐漸認識到利用微生物治理放射性鈾廢水污染是一種極有應用前景的方法。用微生物菌體作為生物處理劑，吸附存在于水溶液中的鈾等放射性核素，具有效率高、成本低廉、耗能少等諸多優點，可以實現放射性廢物的減量化目標，為核素的回收利用或地質處置創造有利條件。因而在含鈾廢水處理領域受到了人們的日益重視和青睞［16-19］。

2 鈾廢水轉化菌種類及轉化機理

早在20世紀80年代，就有人發現一些微生物的吸附容量比一些吸附劑還高，如當溶液中的鈾、釷質量濃度均為5 mg/L時，少根根霉菌對鈾、釷的吸收容量分別為80、140 mg/g，而離子交換樹脂（IRA-400）分別為31、3 mg/g，活性炭（F-400）分別為15、20 mg/g［20］。目前隨著對鈾廢水研究的深入，國內外學者發現，與鈾的富集作用有密切關系的微生物已達數十種，包括細菌、放線菌和真菌等。微生物結構的復雜性意味著生物除鈾可能有多種方式，目前研究發現的機理主要包括生物表面吸附、體內富集、氧化還原及生成無機微沉淀等方式。這些機理可以單獨起作用，也可以與其他機理結合在一起發揮作用，這取決于全過程的反應條件。國內外學者對生物處理含鈾廢水進行了大量研究，并取得了很多可喜的研究成果［21-23］。

2.1 表面吸附

生物表面吸附是一個物理化學過程，廢水中的鈾與生物表面發生靜電吸附或與生物細胞壁上的-COOH、-NH、-OH、PO43-和-SH等官能團的化學絡合，達到降低其遷移性的目的。這種方法適宜處理廢水量大、濃度低的放射性廢水，具有快速、廉價的特點［24］。

陽海斌等［25］研究了紅樹林內源真菌對鈾的富集特性，結果表明受試菌吸附鈾的吸附平衡時間為60 min，常溫常壓下吸附最佳條件為pH4.0，鈾的初始質量濃度為50 mg/L，鈾的吸附容量為15.46 mg/g。劉明學等［26］應用掃描電子顯微鏡、傅立葉紅外光譜、和電子能譜等方法研究了釀酒酵母菌與鈾酰離子的相互作用，結果表明，酵母菌細胞表面有大量鈾結晶，離子與細胞表面發生了顯著的吸附作用，并且吸附量隨鈾濃度增加和作用時間延長而加大。另外，王寶娥等［27］研究表明，死體微生物富集金屬的能力并不比活體微生物差，其利用滅活啤酒酵母菌研究吸附鈾的能力，試驗結果證明在pH值為6.0時，滅活啤酒酵母菌吸附速率較快，吸附量大，由吸附模型可以得出理論最大吸附量可達196.1 mg/g。

盡管生物吸附能快速的降低廢水中的鈾含量，但目前鮮見其應用于實際廢水的處理，主要原因在于生物吸附后產物非常不穩定，有研究表明［28］處理后期其解吸速度幾乎與吸附速度一樣快。

2.2 生物體內富集

鈾在生物體內富集往往發生在生物表面吸附后期，即首先是通過物理化學作用使金屬被動地附著在細胞表面；然后通過能量流動和信息傳遞等功能使金屬在細胞內部富集［22］。生物體內積累僅發生在活細胞內，鈾不是生物功能性元素，不參與細胞新陳代謝，細胞體內的鈾含量可能是由于鈾的毒性改變細胞膜的滲透性后進入生物體內［29］。Kazy等［30］研究了假單胞菌對鈾的沉淀機制及化學特性，結果發現與鈾作用的基團有磷酸基、羧基和酰胺基團，微沉淀是主要機制，鈾在細胞內形成稠密的胞內沉積物，隨著鈾的富集，細胞長度和寬度都有所增加，但細胞表面沒有被破壞。另外，其他學者［31，32］從鈾污染場地篩選出假單胞菌對鈾廢液進行修復試驗，結果表明其對鈾毒性有很好的耐受能力。

鈾在生物體內積累是一個伴隨著能量消耗的主動過程，由于其主要原理是通過與生物體內的磷酸鹽結合生成穩定的磷酸鈾酰沉淀，因此目前僅發現假單胞菌等聚磷菌具有這一功能。該技術有待于對生物體內富集效能、磷酸鹽來源及生物活性等因素進一步研究。

2.3 生物還原

自Lovely等［33］在20世紀90年代初期提出利用微生物地桿菌以氫為電子供體將地下水環境中可溶性的U（VI）還原轉化為穩定的、溶解度較低的四價鈾，進而防止其遷移擴散的設想，生物還原除鈾技術開始引起了國內外學者的關注。通過近10余年的實驗室試驗證實，某些微生物具有除鈾能力，可以通過其還原作用將溶解性的U（VI）還原成不溶性的U（IV）。微生物學家們試驗了用純培養物或混合菌群來還原U（VI）發現，多種微生物具有還原鈾的功能，如硫酸鹽還原菌、地桿菌、厭氧黏細菌、希瓦氏菌及梭菌等［34-36］。

硫酸鹽還原菌是一種典型的金屬還原菌，在H2或乳酸鹽等電子供體存在的條件下，硫酸鹽還原菌可通過酶促作用直接將鈾U（VI）還原，并且其對鈾具有良好的耐受能力和去除效果。易正戟等［37］采用硫酸鹽還原菌處理地浸含鈾廢水中的鈾，結果表明pH值對鈾生物沉淀存在顯著影響，在pH為6.0時鈾去除率高達99.4%。謝水波等［38］研究了共存離子Mo（VI）及Ca2+對鈾的去除效果影響，結果表明Mo（VI）或Ca2+初始濃度≤5 mg/L時，對硫酸鹽還原菌去除U（VI）影響不大；但當其濃度達到20 mg/L時，U（VI）還原受到強抑制作用。周泉宇等［39］通過柱實驗研究了硫酸鹽還原菌和零價鐵協同去除鈾廢水的潛力，結果表明U（VI）的去除率可達99.4%。Barlett等［40］系統研究了鈾污染生物修復中硫酸鹽還原菌和地桿菌的相互關系，結果發現Fe（III）濃度是影響地桿菌數量及活性的關鍵因素，并與鈾的原位生物修復效果密切相關。謝水波等［41］研究發現腐敗希瓦氏菌可以利用一些有機酸鹽作為電子供體，以蒽醌-2-磺酸鈉作為電子穿梭載體，高效還原U（Ⅵ）。而Shi等［42］對希瓦氏菌的研究發現，外膜細胞色素及結構蛋白在鈾的還原中發揮重要作用。另外，美國一些研究者們［43，44］也進行了微生物還原U（?）的土柱試驗和現場原位固定試驗。吳唯民等［45］總結了美國斯坦福大學和橡樹嶺國家實驗室等在美國能源部田納西州橡樹嶺綜合試驗基地進行的鈾污染原位微生物修復階段性試驗結果，并通過加入溶解氧和硝酸鹽來試驗微生物原位修復后的地下水層中還原固定態鈾的穩定性，結果表明，固定化后的四價鈾只有在厭氧條件下才是穩定的，溶解氧和硝酸鹽侵入地下水層后會使固定化的四價鈾重新氧化為溶解態的六價鈾。

這些研究表明，生物還原技術應用于修復鈾廢水，需要保持厭氧條件，才能長期保持還原態鈾的穩定性及保證生物修復效果。因而，它不適用于含NO3-、Fe3+及Mn6+等氧化態離子及水質參數多變的廢水修復。

2.4 生物礦化

生物礦化是指生物將大分子有機物分解轉化為無機物的過程，再利用生成的無機物如磷酸鹽、碳酸鹽及氫氧化物等，以及廢水中的鈾發生化學反應，形成不溶的無機微沉淀。研究發現大腸桿菌、沙雷氏菌屬及假單胞菌屬等可以通過酶促反應礦化分解磷酸鹽類有機物產生正磷酸鹽，能與鈾結合生成穩定的磷酸鈾沉淀，如HUO2PO4、Ca（UO2）2（PO4）2和H2（UO2）2（PO4）2等。

英國科學家Paterson-Beedle等［46］發現大腸桿菌配合肌醇磷酸，可以用來回收鈾礦污染水中的鈾，試驗中將大腸桿菌與肌醇磷酸配合使用，大腸桿菌能分解肌醇磷酸，讓磷酸鹽分子處于自由狀態。之后，磷酸鹽分子與鈾結合稱為鈾磷酸鹽，并凝結沉積在大腸桿菌細胞表面。美國學者Ray等［47］從被鈾污染的沉積物中篩選出的微生物菌株，在pH為7.0厭氧環境對鈾進行固化試驗發現，固化體中除了四價鈾晶相結構外，還出現部分磷酸鈾酰固相結晶，表明該菌株可以通過還原六價鈾和釋放磷酸鹽生成磷酸鈾酰等方式共同發揮除鈾的作用。Handley-Sidhu等［48］利用沙雷氏菌礦化甘油磷酸生成磷酸鈣鹽納米顆粒對鈾等放射性核素進行修復試驗，考察鈾在固化體的吸附點位及穩定性，結果表明，磷酸鈣鹽納米固化基材對鈾等放射性污染地下水具有良好的修復能力。Salome等［49］通過外加電子供體與磷酸礦物，對厭氧環境下微生物的固鈾方式進行了研究，結果發現在pH為5.5弱酸及pH為7.0中性環境下，鈾酰離子大部分均與磷酸鹽1∶1結合生成磷酸鈾酰類物質［HUO2PO4、Ca（UO2）2（PO4）2和H2（UO2）2（PO4）2］，表明在該體系中微生物礦化生成穩定的磷酸鈾酰沉淀較生物還原對鈾的去除效果更明顯，為其主要的固鈾方式。

微生物的無機微沉淀其優勢在于沉淀產物的穩定性強，操作條件溫和、適用于好氧、厭氧等各種復雜環境，但現有研究主要以“甘油磷酸”作為碳源及磷酸鹽供體，存在獲取困難、高成本等問題。如果能找到一種來源廣泛、價格低廉的磷酸鹽基材，它很可能成為一種有效、應用前景良好的鈾廢水處理方法。

3 展望

隨著生物技術、現代分子檢測技術的發展，人們對微生物與鈾相互作用機制的研究不斷深入，取得了可喜的成績。但生物法作為有效的處理含鈾廢水的技術，還需對微生物除鈾全過程，微生物的適應性、產物穩定性及鈾的去除效率等問題作進一步研究，有以下幾點值得借鑒和探索：（1）微生物與鈾的相互作用非常復雜，不同微生物或同種微生物在不同環境下除鈾方式不盡相同，生成產物的穩定性也不同，如P-U胞內/外微沉淀較表面吸附、瀝青鈾礦穩定。因此有待于對微生物除鈾方式的競爭機制、調控機制做進一步研究，尋找和篩選更高效、生成產物更穩定的鈾轉化菌；（2）由于單一菌株適應性比較差，因此可以將幾種高效鈾轉化菌進行混合培養，使其在轉化鈾過程中能夠產生互生和共生作用，這將會大大增強其適應性，以達到更高的去除率；（3）隨著現代基因工程技術的發展，還可以采用基因技術將多種有益的特征基因重組成具有多功能、高轉化能力的“超級菌株”，使該菌株能夠同時長期穩定的發揮去除鈾的功能；（4）微生物處理實驗室模擬含鈾廢液取得了較好的效果，而對實際廢水處理的工程化實踐研究較少，為確保我國核工業可持續發展，提高鈾礦資源的利用率，有必要對處理后的鈾沉淀產物進行資源回收利用研究，如微生物-鈾絮凝體的灰化-浸提等有待進一步探討。

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（責任編輯 狄艷紅）

Research Advances of Biological Treatment of Uranium-containing Wastewater

Tan Wenfa1，2Lü Junwen1，2Tang Dongshan1，2
（1. Department of Environmental Engineering，University of South China，Hengyang 421001；2. Key Laboratory of Radioactive waste Treatment and Disposal，University of South China，Hengyang 421001）

With the rapid development and application of nuclear energy， more and more uranium-containing wastewater is generated，urgently needing to be solved. Biotechnological method has good prospect because of its low cost and high efficiency. The status and progress of biological treatment of uranium-containing wastewater are briefly reviewed in this paper. Different types of degradation manner of uranium are introduced in the article together with their degradation mechanism， working principles and an analysis to their merits and demerits. Last but not least， this dissertation points out the further research area of biological treatment of uranium-containing wastewater and its developing trendency.

uranium-containing；microorganism；transformation；mechanism

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.04.011

2014-09-30

國家自然科學基金資助項目（11275092），湖南省教育廳優秀青年科研項目（14B159），南華大學科研啟動基金項目（2013XQD11）

譚文發，男，博士，研究方向：水處理技術；E-mail：nhwftan@163.com