硫酸盐还原菌在酸性矿山废水处理中的应用

苗雅慧，祁诗月，陈吉，王佳，田炳阳，辛宝平

(北京理工大学 材料学院，北京 100081)

随着工业的发展，人类在进行采矿、有色金属冶炼等生产过程中产生了低pH、富含高浓度重金属和硫酸盐的酸性矿山废水(AMD)。据统计，每年我国矿山废水的排放量占全国工业废水排放总量的10%，但这其中只有不到5%得到了处理[1]。该酸性矿山废水进入自然环境后，会破坏自然界的硫循环平衡，对生态环境造成严重破坏。在目前对于酸性矿山废水的处理方法中，物理方法耗能大，操作条件苛刻；化学方法易产生二次污染物；而生物处理法中以硫酸盐还原菌(SRB)为代表的微生物法，可以经济高效、环境友好、绿色安全地处理酸性矿山废水，得到了广泛的研究与应用。

1 酸性矿山废水的产生及危害

酸性矿山废水主要来自于矿山的开采过程，目前已经成为环境污染的主要源头[2]。在矿山生产过程中排放了大量的含硫废石和尾矿，一旦暴露在湿气和空气中，硫化的矿物就会自发氧化。随着反应的发生，水的pH逐渐降低，导致了更多矿山废物中金属的溶解与迁移[3]。该过程取决于废石的暴露时间、微生物过程和暴露于大气中的氧气等变量[4]，其限制步骤是Fe2+的氧化，但浸出细菌的存在会通过铁离子和硫化合物的氧化来加速金属硫化物的溶解[5]。

AMD的pH通常在4.5～5.5之间，有的甚至更低[1]。酸性的废水会逐渐腐蚀所流经的管道、水泵等设备，使更多的重金属离子溶解于废水之中；当AMD排入水体后会导致水体中有机物含量增加，使得好氧微生物代谢增强造成水体缺氧，危及水生生物。当水体中氧气被耗尽，厌氧微生物分解加快，引起水体腐败致使水质恶化[6]。AMD中往往含有大量重金属，若未经处理排入土壤，随着土壤表面水分的蒸发，重金属盐逐渐积累在土壤表层，引起土壤盐碱化，破坏土壤团粒结构，导致农作物减产；同时，土壤中的重金属离子也会被农作物吸收，通过食物链富集进入人体，造成人体的慢性中毒。因此，对AMD的治理和资源利用迫在眉睫。

2 当前酸性矿山废水的处理方法

目前国内外对酸性矿山废水的处理方法主要有物理化学法、人工湿地法和微生物法等。物理化学方法有离子交换、吸附、磁分离、膜处理和添加化学药品沉淀等，后者是使用最广泛的方法[7]，即通过添加碱性化学品(例如CaCO3、Ca(OH)2等)提高废水pH值，使金属沉淀为碳酸盐和氢氧化物[8]。这种化学沉淀会产生大量被重金属污染的污泥，造成二次污染且处理成本变高。此外，这些金属氢氧化物对pH值变化敏感，与其他金属形式(如硫化物)相比，稳定性较差。与此相比利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水的方法，因其具有经济高效、环境友好、绿色安全等优势，受到了越来越多研究者的关注。

图1 SRB分解代谢示意Fig.1 The catabolism diagram of SRB

图2 SRB的分解过程Fig.2 The decomposition process of SRB

SRB通过厌氧代谢过程消耗了污水中的有机物，同时产生的S2-将污水中的重金属离子以金属硫化物的形式不断沉淀下来。该过程可以用下式表示：

xH2S+2Mx+→ M2Sx(s)+2xH+

其中，CH2O代表有机物，Mx+代表金属离子，M2Sx代表金属硫化物沉淀。

这一过程使环境中的硫酸盐和金属离子浓度降低，同时使碱度增加，沉淀下来的重金属也可被回收利用，故被广泛地用于处理酸性矿山废水。

3 应用硫酸盐还原菌对酸性矿山废水的处理

3.1 厌氧生物反应器技术

由于人们越来越关注将SRB用于酸性矿山废水的处理，因此开发了许多不同的厌氧生物反应器以研究其性能和规律。在固定床厌氧生物反应器中接种SRB，在pH 7～8的条件下连续运行7 d，可去除废水中99.5%的铜[16]；在上流式厌氧生物反应器中，当HRT不小于38 h时，硫酸盐去除率可达到75%，且较高的胞外聚合物(EPS)含量有助于絮凝污泥颗粒的粘附和连接[17]。

使用SRB法去除AMD中的重金属与微生物的活性密切相关，SRB生长的最佳碳源为乳酸钠[18]，而在乙醇培养基中的硫酸根去除效果最好。虽然SRB法与其他物理化学方法相比成本较低，但在实际工程应用中乳酸钠、乙醇等试剂仍是一笔巨大的开销，为了降低运营成本，活性污泥、生物质等工农业废物作为碳源进入了研究者的视野。Liu等[19]以污泥发酵浓缩物为SRB的碳源，对模拟AMD进行了处理，当进水pH为6.0时，COD、硫酸盐和重金属去除效率最高(分别为68.2%，92.1%和100%)，出水水质达到国家排放标准。但在另一项研究中，以活性污泥为碳源，在不控制pH的情况下，生物反应器系统产生的碱度不能中和稀释后的AMD的酸性，硫酸盐去除率较低(38%)，铜的去除率只有 60.95%[20]。与活性污泥相比，家禽衍生的生物炭具有较高的表面积，更有利于SRB群落的聚集。以富含SRB的牛粪生物炭处理模拟废水，可使出水水质低于巴西官方标准[21]。除此之外，甘蔗渣[22]、菌菇堆肥[23]、米糠和谷壳[24]均可实现较持久的碳源供应，有效去除废水中的重金属离子。

为了进一步提高SRB处理酸性矿山废水的效果，不少学者向生物反应器中加入了不同的底物来提高SRB的代谢活性：虾壳是一种良好的生物刺激底物和电子供体[25]；Fe0是SRB某些酶的主要成分，其添加有助于硫酸盐还原过程；维生素C有助于SRB还原硫酸根；间歇添加Fe2+、Cu2+可有效解除硫离子的毒性抑制[26]，特别是100～200 mg/L Fe2+有助于SRB的生物修复[27]。从代谢和生物沉淀过程角度来说，Fe2+可以通过增加氢化酶的活性来加速H+和硫酸盐的消耗，从而促进SRB的代谢活性。另外，生物沉淀形成的过量FeS可以作为氧化还原缓冲，防止污水中的金属被空气氧化重新污染水环境。

此外，水力停留时间(HRT)也会影响生物反应器中微生物群落的丰度和稳定性，进而影响水处理效果。长时间的HRT(4 d)有利于SRB的相对丰度，而短时间的HRT(1 d)影响了生物反应器的厌氧条件，有利于嗜酸性化能菌的存在[28]。

3.2 联合处理技术

酸性矿山废水中含有多种污染物如高浓度硫酸盐、多种重金属离子等，这些污染物难以同步且高效的去除，采用其他方法与生物膜法联用不失为一种有效的净化工艺。

除膨润土复合颗粒外，电修复联合技术可被用来处理被汞污染的、含有碘化物的酸性废水[30]。使用电场将碘化汞络合物移动到阳极溶液中，然后将阳极溶液与SRB反应器现场产生的H2S水溶液混合，产生硫化汞沉淀。即使阳极溶液中碘化物的浓度很高，仍然可得到>99.9%的汞的去除率。

3.3 微生物固定化技术

目前SRB法存在三大不足：①现有技术中，在废水中与SRB直接接触的重金属离子会对其产生毒害作用，影响SRB的正常生长繁殖活动；②SRB很难将添加的有机碳源全部吸收利用，导致出水COD偏高[31]；③酸性矿山废水较低的pH值会影响SRB的生物活性。有学者发明了两阶段反应器，即SRB在第一个反应器中将硫酸盐还原，之后富含硫离子的上清液进入第二个反应器中将重金属离子沉淀[32]。该方法虽然避免了SRB直接接触酸性矿山废水，但仍未解决出水COD较高的问题，为此，微生物固定化技术应运而生。

微生物固定化技术就是将液体中游离的微生物细胞利用物理或化学方法限制在一定空间区域内[33]，又可细分为吸附法、包埋法、交联法和无载体固定法。其技术优势是在保持SRB活性的前提下，减少污泥产量，从而减小反应器的体积[34]。与吸附法相比，包埋固定化填料可以使得细菌对重金属有更强的耐受性，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顺序为：固定化SRB颗粒小球﹥SRB污泥﹥SRB悬浮菌液，且使用固定化SRB小球处理的模拟废水中重金属离子浓度最小，说明固定化小球中SRB耐受性最大，对重金属的去除率最高[36]。

内聚碳源(ISIS)工艺，就是将SRB污泥和其生长所需的有机碳源一同包埋于同一颗粒小球内，将外界环境和SRB隔离开来，避免了污水中重金属离子对细胞的毒害作用，使其有一个更加合适的生长环境，从而增强细菌的耐受性，提高对废水中重金属的去除率[37]，同时加强SRB对营养物质的吸收利用，解决出水COD值偏高的问题。40% (NH4)2SO4和2% CaCl2的配比为最佳交联剂[38]，使用该体系固定SRB，并在生物反应器中循环4次，每次都能达到超过99%的锌去除率[39]。在逆流厌氧生物反应器中使用新型固定化SRB微球处理含高浓度铁、铜、镉、锌的合成酸性矿山废水，可得到>99.9%的重金属去除率[40]。在上流式生物反应器中，固定化SRB颗粒仍能表现出令人满意的性能：出水pH值在7.8～8.3范围内，除Mn2+外，Fe2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+的去除率均超过99.9%[41]。

3.4 微生物原位处理技术

尽管大量的实验室实验探索了SRB修复酸性矿山废水的机理和影响因素，但是实验室终究无法模拟现场的动态物理(如温度)和化学(如AMD成分)参数，在实际修复工作中实用性有限，所以需要微生物原位处理实验。

Nielsen等[42]以蜜糖为碳源，在模拟地下原位条件的厌氧生物反应器中进行了14个月的实验，研究了低温环境对于SRB去除重金属的影响。当温度从17 ℃(夏季)转变为5 ℃(冬季)，微生物种群组成仍保持稳定，但温度的降低使得锌的去除率由夏季的89.3%降低到冬季的20.9%，镉的去除率由夏天的90.5%降低到冬天的39%。

Vitor等[43]以Domingos矿的AMD为原料，以乙醇作为外加碳源，在上流式厌氧填充床反应器(UAPB)中连续运行了339 d。该系统速度快，性能好，易于启动，在运行期间出水重金属离子含量符合葡萄牙灌溉用水的法律要求。处理后的废水中含有的过量硫化物被成功地用于合成硫化锌纳米粒子，不仅减少了生物修复过程中残留物的环境问题，还可以避免材料制备过程中使用的昂贵和有毒的化学药品以及复杂的设备，成为一种经济优势。

Lefticariu等[44]在美国Tab-Simco煤矿进行了5个现场规模实验，在460 d的时间里用厌氧生物反应器去除了高达92.5 t SO4、30 t Fe、8.950 t的Al和0.167 t的Mn，且添加了草本和木质材料的反应器有着更高的硫酸盐和重金属去除率，说明有机碳基质的存在和类型影响了整个系统动态和AMD修复效率。同时他们还提出，由于温度和氧化物梯度的季节性变化可诱发先前形成的不稳定氧化物的溶解，且微生物介导的硫酸盐还原活性可能受到富铝和富铁相过度沉淀的抑制，所以在未来的设计中，必须增加一个预处理阶段，在进入生物反应器之前将大部分溶解的铁/铝从进水AMD中去除。

微生物原位处理的测量结果将反映实际的时间变化产生的AMD的影响，为SRB技术提供实际应用，研究结果将有助于改进生物反应器的设计，提高SRB对酸性矿山废水的处理效率。

4 展望

利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水是很有潜力的处理方法，具有成本低、可去除重金属离子且无二次污染的优点，很多国内外学者已经在多个方面取得了较为详细的研究成果。但是微生物在实际应用中会出现很多实际的问题，针对酸性矿山废水pH值较低的特点，未来应该在以下方面展开重点研究：

(1)驯化SRB使其具有更低的pH耐受值或者分离嗜酸性aSRB。SRB在中性环境中活性更高，而AMD极低的pH值会直接影响SRB的活性，从而影响重金属的去除效率，因此可通过驯化、诱变等手段使现有SRB具有更低的pH耐受值或者寻找分离出嗜酸性的aSRB。虽然环境中存在着天然的嗜酸性aSRB，可在pH 2.2～2.5间选择性沉淀出铜[45]，或在pH 4.0～5.0间沉淀出锌、镍和钴[46]，但是目前对与SRB嗜酸性分离培养实验成功率较低，需要更多的探索实验。

(2)应用生物H2S处理酸性矿山废水。在使用SRB处理酸性矿山废水过程中，硫化物以三种形式存在于污水中：溶解性硫化氢(H2S)、不挥发性硫氢根离子(HS-)和硫离子(S2-)。环境pH值决定了H2S、HS-和S2-这3种硫化物的比率。当pH值为6时，90%的硫化物以H2S的形式存在[47]，H+浓度越高，H2S浓度越高，也越容易挥发。酸性矿山废水中较低的pH值不仅会破坏SRB细胞膜中酶的活性，还会增加H2S浓度，增加其对微生物的毒性，所以将H2S气体吹脱，使其以气体形态和AMD接触，即可大幅度减少环境对于微生物的毒害作用，增加SRB优势菌群的相对丰度，提高硫酸根的去除率[48]。Silva等[49]已成功地将生物H2S用于AMD的处理，并达到较高的重金属去除率。所以未来可增加这方面的研究，通过提高生物H2S的产气率来提高对于重金属的去除率。