硫酸鹽還原菌在酸性礦山廢水處理中的應用

苗雅慧，祁詩月，陳吉，王佳，田炳陽，辛寶平

(北京理工大學 材料學院，北京 100081)

隨著工業的發展，人類在進行采礦、有色金屬冶煉等生產過程中產生了低pH、富含高濃度重金屬和硫酸鹽的酸性礦山廢水(AMD)。據統計，每年我國礦山廢水的排放量占全國工業廢水排放總量的10%，但這其中只有不到5%得到了處理[1]。該酸性礦山廢水進入自然環境后，會破壞自然界的硫循環平衡，對生態環境造成嚴重破壞。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；化學方法易產生二次污染物；而生物處理法中以硫酸鹽還原菌(SRB)為代表的微生物法，可以經濟高效、環境友好、綠色安全地處理酸性礦山廢水，得到了廣泛的研究與應用。

1 酸性礦山廢水的產生及危害

酸性礦山廢水主要來自于礦山的開采過程，目前已經成為環境污染的主要源頭[2]。在礦山生產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氧化。隨著反應的發生，水的pH逐漸降低，導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的管道、水泵等設備，使更多的重金屬離子溶解于廢水之中；當AMD排入水體后會導致水體中有機物含量增加，使得好氧微生物代謝增強造成水體缺氧，危及水生生物。當水體中氧氣被耗盡，厭氧微生物分解加快，引起水體腐敗致使水質惡化[6]。AMD中往往含有大量重金屬，若未經處理排入土壤，隨著土壤表面水分的蒸發，重金屬鹽逐漸積累在土壤表層，引起土壤鹽堿化，破壞土壤團粒結構，導致農作物減產；同時，土壤中的重金屬離子也會被農作物吸收，通過食物鏈富集進入人體，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 當前酸性礦山廢水的處理方法

目前國內外對酸性礦山廢水的處理方法主要有物理化學法、人工濕地法和微生物法等。物理化學方法有離子交換、吸附、磁分離、膜處理和添加化學藥品沉淀等，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]。這種化學沉淀會產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，因其具有經濟高效、環境友好、綠色安全等優勢，受到了越來越多研究者的關注。

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物，同時產生的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代表有機物，Mx+代表金屬離子，M2Sx代表金屬硫化物沉淀。

這一過程使環境中的硫酸鹽和金屬離子濃度降低，同時使堿度增加，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 厭氧生物反應器技術

由于人們越來越關注將SRB用于酸性礦山廢水的處理，因此開發了許多不同的厭氧生物反應器以研究其性能和規律。在固定床厭氧生物反應器中接種SRB，在pH 7～8的條件下連續運行7 d，可去除廢水中99.5%的銅[16]；在上流式厭氧生物反應器中，當HRT不小于38 h時，硫酸鹽去除率可達到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，SRB生長的最佳碳源為乳酸鈉[18]，而在乙醇培養基中的硫酸根去除效果最好。雖然SRB法與其他物理化學方法相比成本較低，但在實際工程應用中乳酸鈉、乙醇等試劑仍是一筆巨大的開銷，為了降低運營成本，活性污泥、生物質等工農業廢物作為碳源進入了研究者的視野。Liu等[19]以污泥發酵濃縮物為SRB的碳源，對模擬AMD進行了處理，當進水pH為6.0時，COD、硫酸鹽和重金屬去除效率最高(分別為68.2%，92.1%和100%)，出水水質達到國家排放標準。但在另一項研究中，以活性污泥為碳源，在不控制pH的情況下，生物反應器系統產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，可使出水水質低于巴西官方標準[21]。除此之外，甘蔗渣[22]、菌菇堆肥[23]、米糠和谷殼[24]均可實現較持久的碳源供應，有效去除廢水中的重金屬離子。

為了進一步提高SRB處理酸性礦山廢水的效果，不少學者向生物反應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[27]。從代謝和生物沉淀過程角度來說，Fe2+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境。

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

3.2 聯合處理技術

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用不失為一種有效的凈化工藝。

除膨潤土復合顆粒外，電修復聯合技術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合物移動到陽極溶液中，然后將陽極溶液與SRB反應器現場產生的H2S水溶液混合，產生硫化汞沉淀。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

目前SRB法存在三大不足：①現有技術中，在廢水中與SRB直接接觸的重金屬離子會對其產生毒害作用，影響SRB的正常生長繁殖活動；②SRB很難將添加的有機碳源全部吸收利用，導致出水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。有學者發明了兩階段反應器，即SRB在第一個反應器中將硫酸鹽還原，之后富含硫離子的上清液進入第二個反應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，微生物固定化技術應運而生。

微生物固定化技術就是將液體中游離的微生物細胞利用物理或化學方法限制在一定空間區域內[33]，又可細分為吸附法、包埋法、交聯法和無載體固定法。其技術優勢是在保持SRB活性的前提下，減少污泥產量，從而減小反應器的體積[34]。與吸附法相比，包埋固定化填料可以使得細菌對重金屬有更強的耐受性，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為：固定化SRB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]。

內聚碳源(ISIS)工藝，就是將SRB污泥和其生長所需的有機碳源一同包埋于同一顆粒小球內，將外界環境和SRB隔離開來，避免了污水中重金屬離子對細胞的毒害作用，使其有一個更加合適的生長環境，從而增強細菌的耐受性，提高對廢水中重金屬的去除率[37]，同時加強SRB對營養物質的吸收利用，解決出水COD值偏高的問題。40% (NH4)2SO4和2% CaCl2的配比為最佳交聯劑[38]，使用該體系固定SRB，并在生物反應器中循環4次，每次都能達到超過99%的鋅去除率[39]。在逆流厭氧生物反應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]。在上流式生物反應器中，固定化SRB顆粒仍能表現出令人滿意的性能：出水pH值在7.8～8.3范圍內，除Mn2+外，Fe2+、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

盡管大量的實驗室實驗探索了SRB修復酸性礦山廢水的機理和影響因素，但是實驗室終究無法模擬現場的動態物理(如溫度)和化學(如AMD成分)參數，在實際修復工作中實用性有限，所以需要微生物原位處理實驗。

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器中進行了14個月的實驗，研究了低溫環境對于SRB去除重金屬的影響。當溫度從17 ℃(夏季)轉變為5 ℃(冬季)，微生物種群組成仍保持穩定，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器(UAPB)中連續運行了339 d。該系統速度快，性能好，易于啟動，在運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過程中殘留物的環境問題，還可以避免材料制備過程中使用的昂貴和有毒的化學藥品以及復雜的設備，成為一種經濟優勢。

Lefticariu等[44]在美國Tab-Simco煤礦進行了5個現場規模實驗，在460 d的時間里用厭氧生物反應器去除了高達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材料的反應器有著更高的硫酸鹽和重金屬去除率，說明有機碳基質的存在和類型影響了整個系統動態和AMD修復效率。同時他們還提出，由于溫度和氧化物梯度的季節性變化可誘發先前形成的不穩定氧化物的溶解，且微生物介導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，所以在未來的設計中，必須增加一個預處理階段，在進入生物反應器之前將大部分溶解的鐵/鋁從進水AMD中去除。

微生物原位處理的測量結果將反映實際的時間變化產生的AMD的影響，為SRB技術提供實際應用，研究結果將有助于改進生物反應器的設計，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點，很多國內外學者已經在多個方面取得了較為詳細的研究成果。但是微生物在實際應用中會出現很多實際的問題，針對酸性礦山廢水pH值較低的特點，未來應該在以下方面展開重點研究：

(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嗜酸性分離培養實驗成功率較低，需要更多的探索實驗。

(2)應用生物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)、不揮發性硫氫根離子(HS-)和硫離子(S2-)。環境pH值決定了H2S、HS-和S2-這3種硫化物的比率。當pH值為6時，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。酸性礦山廢水中較低的pH值不僅會破壞SRB細胞膜中酶的活性，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，使其以氣體形態和AMD接觸，即可大幅度減少環境對于微生物的毒害作用，增加SRB優勢菌群的相對豐度，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的產氣率來提高對于重金屬的去除率。