新型碳源作為硫酸鹽還原菌電子供體處理AMD研究

丁蕊

摘要：酸性礦山廢水危害嚴重，用硫酸鹽還原菌處理AMD是一種良好的方法，但是缺乏SRB經濟有效的碳源，制約了SRB工業化處理AMD。為解決上述問題，本試驗利用質量比為80：7：3的生活污水、鋸末、雞糞的混合發酵液作為新型碳源，為SRB提供能量和電子供體，通過靜態單因素和多因素試驗，分別研究SRB對SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺、含有多種離子的AMD的處理效果。結果表明，新型碳源可以作為SRB的有效碳源，SRB單獨處理以上幾種離子時效果良好，SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺的去除率分別可達98.6%、96%、99.2%。SRB處理AMD時，混合廢水酸性得到改善，pH值由5.3變為6.75，SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺的去除率分別為84.5%、81.2%、91%。

關鍵詞：硫酸鹽還原菌;酸性礦山廢水;新型有機碳源

中圖分類號：X172文獻標志碼：A

0引言

隨著工業社會的發展和人民生活水平的提高，能源的消耗速度也急劇增加，能源的消耗不僅以環境破壞為代價，也制約著社會可持續發展。當前世界能源主要以化石燃料為主，煤是目前世界使用的主要能源，而煤地開采、運輸、加工、消耗都對環境會造成不利影響。最典型的是酸性礦山廢水（AMD），直接排放AMD影響水體自凈，導致水生生物死亡，腐蝕設備，導致維修頻繁，也會通過生物富集進人人體而危害健康。目前處理礦山廢水的方法很多，其中硫酸鹽還原菌（sRB）因其經濟適用性強，處理效果穩定，無二次污染，并可回收硫單質，受到廣大學者的青睞。但隨著深入研究，缺乏經濟有效的碳源成為阻礙SRB工業化處理AMD的壁壘。所以本試驗利用一種新型碳源作為SRB能量來源和電子供體處理AMD，既解決鋸末雞糞堆積問題，又為SRB處理AMD在實際生產中推廣使用提供新思路。

1試驗部分

1.1試驗水樣、材料與藥品

試驗水樣：模擬煤礦酸性廢水，濃度指標設定：pH值為5.0，SO4^2-、Mn²⁺、zn²⁺濃度分別為2250mg/L，70mg/L、70mg/L。

新型碳源：用質量比為80：7：3的生活污水、鋸末、雞糞混合液在35℃培養箱中厭氧發酵15d，產生的發酵液作為SRB的新型碳源，其COD、NH3-N、TP的濃度分另0為9000—9500mg/L、550—560mg/L、180mg/L。使用時，利用生活污水稀釋發酵液，COD濃度為2800—3000mg/L，SO4^2-濃度為1500mg/L，利用1n01/L的NaOH溶液調節發酵液pH值為7.0。

藥品：硫酸、硫酸銀、硫酸汞、硝酸、硫酸錳、硫酸鋅、鉻酸鉀、氯化鋇等，化學試劑均為分析純。

1.2試驗主要儀器設備：

SX721型分光光度計、pHS-3C型pH計、RS232型COD測定儀、z-2000型原子吸收分光光度計、HZ-9811K垂！雙層雙速振蕩器，HG101-2A電熱鼓風干燥箱等。

1.3硫酸鹽還原菌的培養及馴化

富集培養：本試驗中SRB來自污水處理廠二沉池的回流污泥，將此活性污泥在溫度為35℃的培養箱厭氧發酵15d。待污泥發酵成熟后，取5%的污泥量接種到乳酸鈉培養基上培養10d，用同種方法將長勢最好、顏色最黑的SRB再次培養，用此方法反復接種3次，除去雜菌。

馴化：先將經過分離、純化、培養好的SRB以10%的污泥量接種到體積比1：1的乳酸鈉和新型發酵液混合的培養液中進行為期10d的馴化，如此反復馴化3次。最后將上述馴化的SBR以10%的污泥量接種到完全為新型發酵液中培養10d，如此反復培養3次，完成馴化培養。

1.4試驗方法

本試驗采用靜態單因素試驗考察新型碳源為SRB提供能量和電子供體時，SRB分別對SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺的去除效果。采用靜態多因素試驗，考察新型碳源馴化的SRB對Mn²⁺、Zn²⁺共存的AMD的處理效果。分別測定不同時間SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺的含量變化，計算去除率。

2結果與討論

2.1SRB對SO4^2-還原效果的研究

本試驗在溫度35°C，pH為7.0，轉速50r/min，SO4^2-濃度為1500mg/L，COD濃度3000mg/L，考察SRB還原SO4^2-效果，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著時間的增加SO4^2-去除率逐漸增高。反應0—1d時，SO4^2-的還原反應速率遲緩、去除率較低。這是因為反應初期，SRB內各酶系統對新環境有一個適應過程，此時SRB幾乎不裂殖，對S042-的代謝速率緩慢。反應1—3d時，SO4^2-的還原反應速率快、去除率增高。這是因為隨著SRB個體發育，對營養物質需求量增加，代謝大量SO4^2-來實現細胞蛋白質的合成。反應3—9d后，雖然SO4^2-的去除率持續升高，但是反應速率降低。這是因為SRB已經進入減速增殖期，環境中的營養物質大量耗用，C/S比成為SRB增殖和還原SO4^2-的控制因素，還原反應速率減慢。反應9—14d，SO4^2-的還原反應更加緩慢，去除率趨于穩定。這是因為混合液中營養物質不足，SO4^2-的濃度不足150mg/L，SRB進入內源呼吸期，SO4^2-最終去除率為98.6%。

2.2SRB對Mn²⁺去除效果的研究

本試驗在溫度35°C，pH為7.0，轉速50r/min，SO4^2-濃度為1500mg/L，COD濃度3000mg/L，調節Mn²⁺濃度為47mg/L，考察SRB對Mn²⁺的去除效果，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，SRB對重金屬離子Mn²⁺的去除效果隨著時間的增加不斷上升。反應48h內Mn²⁺的去除速率較快，去除率可達90%，這是因為混合液中營養物質充足，SRB增殖速率快、活性高，Mn²⁺主要被SRB分泌的胞外聚合物所吸附，少部分則與SO4^2-還原產物s²生成MnS沉淀得以去除。隨著營養物質的減少，以及Mn2+對SRB的毒害作用，反應速率逐漸減慢，Mn2+最終去除率分別為96%。

2.3SRB對Zn²⁺去除效果的研究

本試驗調節Zn²⁺濃度為46.6mg/L，其余試驗條件同2.1，考察SRB對Zn²⁺的去除效果，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，Zn²⁺的去除率隨著反應的進行不斷升高，反應36h去除率已達90%，36h后反應速率降低，SRB對重金屬離子Zn²⁺的最終去除率為99.2%。這是因為Zn²⁺的去除是通過SRB生物吸附作用和硫化物沉淀，隨著反應的進行，混合液總的營養物質不斷減少，抑制了SRB的生長，阻礙了SO4^2-還原，雖然產生的S^2-和EPS可以固定住Zn2+，但卻不能將zn²⁺全部固定。

2.4SRB對AMD處理效果的研究

將模擬礦山廢水和新型發酵液按照體積比2：1混合，將SRB按8%的污泥量接種到密封和混合廢水中，混合后溶液pH值為5.3，SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺濃度分別為1500mg/L、47.1mg/L、46.6mg/L，在溫度35°C，轉速為50r/min條件下，考察SRB處理AMD過程中pH值的變化，以及對SO4^2-、Mn²⁺.Zn²⁺的處理效果，結果如圖4、5所示。

由圖4可以看出，隨著反應的進行混合廢水中pH值逐漸升高，前48h內pH值上升比較平緩，48h后pH值趨于穩定。SRB以SO4^2-作為電子受體進行物質代謝釋放堿度，混合廢水中pH值逐漸上升，由于后期SO4^2-還原反應受到重金屬離子的抑制，pH值趨于平穩，處理水最終pH值為6.75。

由圖5可以看出，反應0-2d內，SRB對SO4^2-的代謝反應緩慢，但是對重金屬離子的去除率顯著，這是因為反應開始SRB需要適應環境，混合廢水中的pH值較低且含有大量重金屬離子，SRB的還原代謝受到抑制，SO4^2-去除效果較差，而重金屬離子卻能通過生物吸附作用得以去除。反應2d后，SRB已經度過調整期，而且由于SRB代謝反應混合廢水中酸性減弱，有利于SO4^2-的還原速率加快，重金屬離子和產生的S^2-反應生成重金屬硫化物沉淀，減弱了H2S對SRB的抑制作用，進而促進了SO4^2-的還原，反應10d后，SO4^2-的去除效果穩定可達84.5%。由于混合廢水中多種離子互相制約，所以Mn²⁺、Zn²⁺的去除率低于SRB處理單一重金屬離子的效果，Mn²⁺的去除率為81.2%，Zn²⁺的去除率為91%。

3結論

將生活污水、鋸末、雞糞按照質量為80：7：3的比例混合的發酵液為SRB提供能量和電子供體，可以良好的處理AMD。

（1）經過新型有機碳源馴化培養后的SRB對SO4^2-還原效果良好，SO4^2-的去除率可達98.6%。

（2）SRB單獨處理Mn²⁺、Zn²⁺的去除率都很高，Mn²⁺、Zn²⁺皆可以通過SRB胞外聚合物（EPs）的吸附以及與SO4^2-還原反應產生的S^2-反應生成重金屬硫化物沉淀得以去除，但是SRB對Zn²⁺的處理效果要高于Mn²⁺，Mn²⁺、Zn²⁺的最高去除率分別可達96%、99.2%。

（3）sRB對AMD有良好的處理效果，改善了廢水的酸度，降低了廢水中SO4^2-、Mn²⁺、zn²⁺的濃度。SRB對重金屬的處理效果Zn²⁺>Mn²⁺，重金屬的去除主要以生物吸附為主，重金屬硫化物沉淀為輔，用新型碳源做SRB的碳源來處理AMD可以以廢治廢，變廢為寶，新型碳源可以作為SRB比較經濟理想的工程有機碳源。