关于利用硫酸盐还原菌处理废水的研究进展

顾风云　顾小雪　张丽　付连娟　张琳

摘 要：简单介绍了硫酸盐还原菌（SRB）处理废水的原理以及特点。综述了国内外利用SRB处理含重金属离子废水、含硫酸盐有机废水和酸性矿山废水的研究现状。简述了目前此方法在工业应用方面尚存的问题。

关键词：SRB;酸性矿山废水;含重金属离子废水

1 引言

随着社会经济的高速发展，工业化程度极大提高的同时，环境问题也日趋严重。其中含有SO42-的酸性废水污染已成为一个全球性的问题。采矿和冶金等行业是高浓度硫酸盐废水的最大来源。

酸性矿山废水（AMD）是目前世界上最严重的水体和土壤的污染来源之一，其pH值一般在3.0～3.5，直接排入水体会引起水体酸化，污染水源，毒害水生生物，威胁人体健康。其含有大量SO42-离子的同时又富含多种重金属离子（如铜、铁、铬、铅、锌、锰、镍、砷等），一旦进入环境就会破坏土壤物质结构，引发土壤板结等严重后果，进而影响农作物产量。

目前，国内外主要处理方法有石灰石中和法和湿地法。中和法加入碱性物质进行中和，此方法会产生大量的硫酸钙固体废弃物，引发二次污染。湿地法占地面积大，易受环境影响，若对H2S处理不彻底，残余H2S会挥发至大气，污染环境。目前，多数采用微生物SRB[1]生物法还原SO42-同时有效去除重金属离子，其应用潜力较大。

2 利用SRB处理废水的机理及方法特点

2.1 机理

2.1.1 SRB代谢机理

SRB是一类形态各异，营养类型多样，能利用硫酸盐或其他氧化态硫化物作为电子受体来异化有机物质的微生物。基于以上特征，SRB被广泛应用在含硫酸盐废水的处理方面。

SRB代谢能利用硫酸盐，使环境中的硫酸盐减少或耗尽。可将SRB的代谢过程分为三阶段：分解代谢、电子传递、氧化，如下图所示。

SRB分解代谢过程

①分解阶段。在厌氧条件下，SRB通过新陈代谢作用将有机物分解代谢为CO2、H2O和乙酸，并通过“基质水平磷酸化”产生ATP和高能电子;

②电子转移阶段。在①阶段产生的高能电子通过电子传递链（如黄素蛋白、细胞色素C3等）逐级传递，在传递的过程中产生大量的ATP;

③氧化阶段。此阶段将电子转移给氧化态高的硫元素（SO42-），将其还原为S2-，产生H2S，需要消耗ATP提供能量。

SRB利用SO42-作为最终电子受体，将有机物作为细胞合成的碳源和电子供体，同时将SO42-还原为硫化物。

2.1.2 SRB处理含重金屬离子废水的机理

①SRB还原SO42-时会产生碱度，使被处理的废水pH提高，而许多重金属离子的氢氧化物溶解度很低，故有利于重金属离子形成氢氧化物沉淀而去除;

②重金属离子的硫化物在水中的溶度积极小，产生的H2S可以与溶液中重金属离子反应生成硫化物固体沉淀，而去除重金属离子。

2.2 方法特点

2.2.1 处理费用低

含有碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素等有机物质的有机废水，可用来培养SRB。此外，SRB反应所需的SO42-在大多数重金属废水中都大量存在，可达到以废治废的目的。

2.2.2 处理废水和重金属种类较多

SRB可处理工业废水、生活废水和矿山废水等多种废水。由于大多数重金属硫化物的溶解度很低，因此可用来处理多数常见的重金属离子，如铜、铁、铬、铅、锌等。

3 影响SRB活性的因素

3.1 废水的pH值

SRB一般适合在中性偏碱的环境下生长，不同研究者对于最佳pH的研究结果不同。有研究表明[2]，SRB在pH为6～9范围内生长良好，最佳pH=7.5～8.0，SRB在pH=5～6时仍能正常生长。

3.2 废水的温度

通常将SRB分为中温SRB和嗜热SRB。目前研究报道的大多是中温菌，一般适合在30℃左右环境下生长[3]，最佳生长温度30.5℃，温度在31℃～35℃时，对SRB活性影响不大;温度小于30℃时，SRB活性受到抑制;温度降至20℃以下时，SRB活性受到强烈抑制。

3.3 氧气的含量

如张小里[4]等研究了溶解氧对脱硫弧菌生长的影响，研究结果表明：SRB可以在含氧量4.5 mg/L的环境中生长，但当环境中的含氧量达到9.0 mg/L时，则不能生长。主要原因是其胞内含有抗分子氧的保护酶。

3.4 可用碳源种类及特点

Chang[5]等人研究表明，多种有机废弃物可作为SRB的碳源，其中包括干草、稻草、泥炭、用过的蘑菇堆肥及废纸回收站的污泥。

4 利用SRB处理废水的现状

4.1 处理含重金属工业废水

目前，重金属废水的处理方法有沉淀法（形成氢氧化物、碳酸盐等）、离子交换法、电渗析和反渗透等方法。一般来说，这些方法的处理成本较高，难以应用于实践。为降低处理成本，近年来人们把目光转向了微生物法。

华尧熙[6]等人研究了以厌氧污泥床培养SRB处理含锌废水的工艺。在该工艺中SRB以活性污泥的形式存在于反应器中，浓度大大提高，因而该反应器工作效率很高，可用于处理高浓度含锌废水。

冯易君[7]等采用SRB处理某工厂的镀铬废水，效果较好。田小光[8]等研究了化学还原法和SRB吸附相结合的工艺处理电镀厂的含铬（VI）废水。先利用化学还原剂将铬（VI）还原成铬（III），再利用SRB对形成的Cr（OH）3进行吸附而使铬除去。

4.2 处理含硫酸盐的工业废水

河北科技大学杨景亮[9]教授对SRB处理青霉素生产过程中排放的高浓度硫酸盐-废水进行了研究。实验结果表明：COD/SO42-、SO42-负荷是影响SO42-还原效果的主要因素。当SO42-负荷为5 kg/（m3·d）时，进水COD/SO42-为2.5～2.8时，SO42-去除率为68%～78%;进水COD/SO42-大于3时，SO42-去除率大于90%。

司胜敏[10]等以厌氧移动床生物膜反应器处理高浓度硫酸盐的酸性黄金冶炼废水。实验结果表明，加入某生长因子B后可明显提高体系的pH缓冲能力，经处理后SO42-去除率稳定在90%以上。

4.3 处理酸性矿山废水

酸性矿山废水的污染甚为严重，亟待解决。有研究表明[26]，SRB处理酸性废水，Cu2+、Fe3+、Zn2+、Ni2+、Pb2+、Cr3+残余量分别从：21.29 mg/L、253.76 mg/L、14.36 mg/L、8.103 mg/L、9.071 mg/L、1.395 mg/L降至0.0157 mg/L、9.76 mg/L、0.051 mg/L、0.018 mg/L、0.00067 mg/L、0.0009 mg/L，去除率分别为99.58%、80.77%、98.22%、98.89%、99.96%、99.68%，处理后残余离子含量低能达标排放。

5 结论和展望

SRB处理废水有潜在的应用价值，但影响其生化反应过程的因素多而复杂，且该工艺综合利用了生物化学、化学工艺以及细菌培养等交叉学科知识，为此研究在相关的生化反应过程中微生物群落的共生关系是十分必要的。这需要我们能够全面综合的掌握生物硫转化反应体，微生物有机体硫酸盐还原以及相关的生物过程的关键参数，才能将其应用到污水处理方面。

參考文献：

[1]陈明，赵永红.微生物吸附重金属离子的实验研究[J].南方冶金学院学报，2001（3）：168-173.

[2]杨景亮，胡纪萃等.两相厌氧工艺处理含硫酸盐有机废水的研究[J].环境科学，1995（3）：8-11.

[3]胡纪萃.废水厌氧生物处理理论与技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4]张小里，刘海洪，陈开勋等.硫酸盐还原菌生长规律的研究[J].西北大学学报，1999，29（5）：397-402.

[5] Seop Chang Pyong Kyun Skin，Byung Hong Kim.Biological treatment of acid mine drainage under sulphate-reducing condition with soild waste materials as substrate.[J].Wat Res，2000（4）：1269-1227.

[6]华尧熙，叶雪朗，马晓航.硫酸盐生物还原处理含锌废水[J].环境科学，1995（4）：19-21.

[7]冯易军，谢家理.共存离子对SRB处理含铬废水的影响研究[J].环境污染与防治，1995，16（4）：19-21.

[8]田小光，张介驰，于德水.硫酸盐还原菌净化含铬废水的影响研究[J].生物技术，1997（1）：32-34.

[9]杨景亮，赵毅，任洪强等.废水中硫酸盐生物还原影响因素的研究[J].中国沼气，1999，17（3）：55-57.

[10]司敏胜，李滦宁，柴社立等.厌氧生物法处理高浓度硫酸盐废水研究[J].世界地质，2008（3）：310-313.