新型碳源作为硫酸盐还原菌电子供体处理AMD研究

丁蕊

摘要：酸性矿山废水危害严重，用硫酸盐还原菌处理AMD是一种良好的方法，但是缺乏SRB经济有效的碳源，制约了SRB工业化处理AMD。為解决上述问题，本试验利用质量比为80：7：3的生活污水、锯末、鸡粪的混合发酵液作为新型碳源，为SRB提供能量和电子供体，通过静态单因素和多因素试验，分别研究SRB对SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺、含有多种离子的AMD的处理效果。结果表明，新型碳源可以作为SRB的有效碳源，SRB单独处理以上几种离子时效果良好，SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺的去除率分别可达98.6%、96%、99.2%。SRB处理AMD时，混合废水酸性得到改善，pH值由5.3变为6.75，SO4^2-、Mn²⁺，Zn²⁺的去除率分别为84.5%、81.2%、91%。

关键词：硫酸盐还原菌;酸性矿山废水;新型有机碳源

中图分类号：X172文献标志码：A

0引言

随着工业社会的发展和人民生活水平的提高，能源的消耗速度也急剧增加，能源的消耗不仅以环境破坏为代价，也制约着社会可持续发展。当前世界能源主要以化石燃料为主，煤是目前世界使用的主要能源，而煤地开采、运输、加工、消耗都对环境会造成不利影响。最典型的是酸性矿山废水（AMD），直接排放AMD影响水体自净，导致水生生物死亡，腐蚀设备，导致维修频繁，也会通过生物富集进人人体而危害健康。目前处理矿山废水的方法很多，其中硫酸盐还原菌（sRB）因其经济适用性强，处理效果稳定，无二次污染，并可回收硫单质，受到广大学者的青睐。但随着深入研究，缺乏经济有效的碳源成为阻碍SRB工业化处理AMD的壁垒。所以本试验利用一种新型碳源作为SRB能量来源和电子供体处理AMD，既解决锯末鸡粪堆积问题，又为SRB处理AMD在实际生产中推广使用提供新思路。

1试验部分

1.1试验水样、材料与药品

试验水样：模拟煤矿酸性废水，浓度指标设定：pH值为5.0，SO4^2-、Mn²⁺、zn²⁺浓度分别为2250mg/L，70mg/L、70mg/L。

新型碳源：用质量比为80：7：3的生活污水、锯末、鸡粪混合液在35℃培养箱中厌氧发酵15d，产生的发酵液作为SRB的新型碳源，其COD、NH3-N、TP的浓度分另0为9000—9500mg/L、550—560mg/L、180mg/L。使用时，利用生活污水稀释发酵液，COD浓度为2800—3000mg/L，SO4^2-浓度为1500mg/L，利用1n01/L的NaOH溶液调节发酵液pH值为7.0。

药品：硫酸、硫酸银、硫酸汞、硝酸、硫酸锰、硫酸锌、铬酸钾、氯化钡等，化学试剂均为分析纯。

1.2试验主要仪器设备：

SX721型分光光度计、pHS-3C型pH计、RS232型COD测定仪、z-2000型原子吸收分光光度计、HZ-9811K垂！双层双速振荡器，HG101-2A电热鼓风干燥箱等。

1.3硫酸盐还原菌的培养及驯化

富集培养：本试验中SRB来自污水处理厂二沉池的回流污泥，将此活性污泥在温度为35℃的培养箱厌氧发酵15d。待污泥发酵成熟后，取5%的污泥量接种到乳酸钠培养基上培养10d，用同种方法将长势最好、颜色最黑的SRB再次培养，用此方法反复接种3次，除去杂菌。

驯化：先将经过分离、纯化、培养好的SRB以10%的污泥量接种到体积比1：1的乳酸钠和新型发酵液混合的培养液中进行为期10d的驯化，如此反复驯化3次。最后将上述驯化的SBR以10%的污泥量接种到完全为新型发酵液中培养10d，如此反复培养3次，完成驯化培养。

1.4试验方法

本试验采用静态单因素试验考察新型碳源为SRB提供能量和电子供体时，SRB分别对SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺的去除效果。采用静态多因素试验，考察新型碳源驯化的SRB对Mn²⁺、Zn²⁺共存的AMD的处理效果。分别测定不同时间SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺的含量变化，计算去除率。

2结果与讨论

2.1SRB对SO4^2-还原效果的研究

本试验在温度35°C，pH为7.0，转速50r/min，SO4^2-浓度为1500mg/L，COD浓度3000mg/L，考察SRB还原SO4^2-效果，结果如图1所示。

由图1可以看出，随着时间的增加SO4^2-去除率逐渐增高。反应0—1d时，SO4^2-的还原反应速率迟缓、去除率较低。这是因为反应初期，SRB内各酶系统对新环境有一个适应过程，此时SRB几乎不裂殖，对S042-的代谢速率缓慢。反应1—3d时，SO4^2-的还原反应速率快、去除率增高。这是因为随着SRB个体发育，对营养物质需求量增加，代谢大量SO4^2-来实现细胞蛋白质的合成。反应3—9d后，虽然SO4^2-的去除率持续升高，但是反应速率降低。这是因为SRB已经进入减速增殖期，环境中的营养物质大量耗用，C/S比成为SRB增殖和还原SO4^2-的控制因素，还原反应速率减慢。反应9—14d，SO4^2-的还原反应更加缓慢，去除率趋于稳定。这是因为混合液中营养物质不足，SO4^2-的浓度不足150mg/L，SRB进入内源呼吸期，SO4^2-最终去除率为98.6%。

2.2SRB对Mn²⁺去除效果的研究

本试验在温度35°C，pH为7.0，转速50r/min，SO4^2-浓度为1500mg/L，COD浓度3000mg/L，调节Mn²⁺浓度为47mg/L，考察SRB对Mn²⁺的去除效果，结果如图2所示。

由图2可以看出，SRB对重金属离子Mn²⁺的去除效果随着时间的增加不断上升。反应48h内Mn²⁺的去除速率较快，去除率可达90%，这是因为混合液中营养物质充足，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，少部分则与SO4^2-还原产物s²生成MnS沉淀得以去除。随着营养物质的减少，以及Mn2+对SRB的毒害作用，反应速率逐渐减慢，Mn2+最终去除率分别为96%。

2.3SRB对Zn²⁺去除效果的研究

本試验调节Zn²⁺浓度为46.6mg/L，其余试验条件同2.1，考察SRB对Zn²⁺的去除效果，结果如图3所示。

由图3可以看出，Zn²⁺的去除率随着反应的进行不断升高，反应36h去除率已达90%，36h后反应速率降低，SRB对重金属离子Zn²⁺的最终去除率为99.2%。这是因为Zn²⁺的去除是通过SRB生物吸附作用和硫化物沉淀，随着反应的进行，混合液总的营养物质不断减少，抑制了SRB的生长，阻碍了SO4^2-还原，虽然产生的S^2-和EPS可以固定住Zn2+，但却不能将zn²⁺全部固定。

2.4SRB对AMD处理效果的研究

将模拟矿山废水和新型发酵液按照体积比2：1混合，将SRB按8%的污泥量接种到密封和混合废水中，混合后溶液pH值为5.3，SO4^2-、Mn²⁺、Zn²⁺浓度分别为1500mg/L、47.1mg/L、46.6mg/L，在温度35°C，转速为50r/min条件下，考察SRB处理AMD过程中pH值的变化，以及对SO4^2-、Mn²⁺.Zn²⁺的处理效果，结果如图4、5所示。

由图4可以看出，随着反应的进行混合废水中pH值逐渐升高，前48h内pH值上升比较平缓，48h后pH值趋于稳定。SRB以SO4^2-作为电子受体进行物质代谢释放碱度，混合废水中pH值逐渐上升，由于后期SO4^2-还原反应受到重金属离子的抑制，pH值趋于平稳，处理水最终pH值为6.75。

由图5可以看出，反应0-2d内，SRB对SO4^2-的代谢反应缓慢，但是对重金属离子的去除率显著，这是因为反应开始SRB需要适应环境，混合废水中的pH值较低且含有大量重金属离子，SRB的还原代谢受到抑制，SO4^2-去除效果较差，而重金属离子却能通过生物吸附作用得以去除。反应2d后，SRB已经度过调整期，而且由于SRB代谢反应混合废水中酸性减弱，有利于SO4^2-的还原速率加快，重金属离子和产生的S^2-反应生成重金属硫化物沉淀，减弱了H2S对SRB的抑制作用，进而促进了SO4^2-的还原，反应10d后，SO4^2-的去除效果稳定可达84.5%。由于混合废水中多种离子互相制约，所以Mn²⁺、Zn²⁺的去除率低于SRB处理单一重金属离子的效果，Mn²⁺的去除率为81.2%，Zn²⁺的去除率为91%。

3结论

将生活污水、锯末、鸡粪按照质量为80：7：3的比例混合的发酵液为SRB提供能量和电子供体，可以良好的处理AMD。

（1）经过新型有机碳源驯化培养后的SRB对SO4^2-还原效果良好，SO4^2-的去除率可达98.6%。

（2）SRB单独处理Mn²⁺、Zn²⁺的去除率都很高，Mn²⁺、Zn²⁺皆可以通过SRB胞外聚合物（EPs）的吸附以及与SO4^2-还原反应产生的S^2-反应生成重金属硫化物沉淀得以去除，但是SRB对Zn²⁺的处理效果要高于Mn²⁺，Mn²⁺、Zn²⁺的最高去除率分别可达96%、99.2%。

（3）sRB对AMD有良好的处理效果，改善了废水的酸度，降低了废水中SO4^2-、Mn²⁺、zn²⁺的浓度。SRB对重金属的处理效果Zn²⁺>Mn²⁺，重金属的去除主要以生物吸附为主，重金属硫化物沉淀为辅，用新型碳源做SRB的碳源来处理AMD可以以废治废，变废为宝，新型碳源可以作为SRB比较经济理想的工程有机碳源。