硫酸鹽還原菌在處理酸性礦山廢水中的應用
酸性礦山廢水（acid mine drainage，AMD）排放量巨大，當前由其所造成環(huán)境問題越來越得到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計，我國礦山每年因采礦、選礦而排放的廢水量達12~15億t，占有色金屬工業(yè)廢水總量的30%左右。酸性礦山廢水富含硫酸鹽和金屬離子，如果未經(jīng)處理隨意排放，危害巨大。土壤和水體中一旦受到污染，特別是重金屬的污染，治理和修復是非常困難和復雜的。而且重金屬離子易在食物鏈中富集，會對環(huán)境和人體健康造成嚴重危害，因而一旦進入生態(tài)系統(tǒng)后就會不斷地在生態(tài)環(huán)境中積累而難以去除，造成環(huán)境的長期污染。國內(nèi)外學者積極探索治理AMD的方法，傳統(tǒng)方法雖然效果顯著，但常常受到運行成本、環(huán)境污染等條件的限制。目前國內(nèi)外比較關(guān)注的是硫酸鹽還原菌（sulfate reduction bacteria，SRB）在治理AMD中的應用。利用SRB處理廢水不僅成本低、無二次污染，還能回收金屬，防止資源浪費，因此，研究SRB處理含硫酸鹽金屬離子廢水的機理，對于SRB在實際治理AMD具有很大的指導作用。
1、酸性礦山廢水來源、特點及其危害
1.1 酸性礦山廢水的來源
酸性礦山廢水主要包括酸性礦井水、酸性露天采礦廢水、尾礦堆淋濾水等。它的主要形成途徑可以歸結(jié)為3種：（1）金屬硫化礦床分為露天開采和地下開采2種，在開采過程中會發(fā)生淋溶，雨水或地下水會下滲到工作面，然后再排出坑外，形成酸性廢水。于礦物在開采過程中，大量硫化物廢石被遺棄，硫及硫化物與空氣接觸很容易被氧化，形成大量酸性廢水。以江西德興銅礦廢石中的黃鐵礦氧化過程為例，主要反應為院
（2）礦物加工過程中有時需要在酸性條件下進行，所排放的廢水是酸性廢水的重要來源。
1.2 酸性礦山廢水的特點
酸性礦山廢水的pH普遍較低，一般在2~4之間，通常以硫酸的形式存在，上述途徑產(chǎn)生的酸性礦山廢水中硫酸根離子的濃度很高，一般大于1000mg/L。而且酸性礦山廢水中重金屬的濃度也普遍較高，其中主要為鉛、錳、鐵、銅、鎳等，它們主要來源于礦山排水、廢石場淋浸水、選礦廠尾礦排水等。廢水中重金屬離子的種類、含量及其存在形態(tài)隨生產(chǎn)種類不同而有所差異。
1.3 酸性礦山廢水的危害
酸性礦山廢水排放量高，危害性大。由于酸性礦山廢水的pH較低，大量排放就會污染地表水源，導致河流、湖泊中的魚蝦絕跡、水生植物藻類等大量死亡，嚴重影響周圍生態(tài)環(huán)境。廢水的pH較低，還會導致排水管道腐蝕酸，危及下游橋梁安全。此外，酸性礦山廢水還可能會發(fā)生脫硫酸作用，生成的硫化氫毒性強，這會給人們生產(chǎn)生活帶來嚴重破壞。酸性礦山水中還含有大量重金屬，在生物細胞中，微量重金屬元素是各種酶的活性基組分，也是生物生長的重要條件之一，然而當重金屬的濃度超過一定閾值后，就會對生物酶活性及其代謝活動產(chǎn)生一定影響，甚至導致生物大量死亡。而且重金屬不能被降解，只能改變其狀態(tài)
微生物法處理AMD潛力巨大，它利用自然界中廣泛存在的微生物吸納結(jié)合廢水中金屬離子形成沉淀，從而達到凈化水體的目的。這種方法運行成本低，無二次污染，可回收其中有用物質(zhì)，因此是目前國內(nèi)外學者研究的熱點。硫酸鹽還原菌（sulfate reduction bacteria，SRB）是處理酸性礦山廢水極具前景的微生物之一，AMD中的硫酸鹽可以被還原為S2-，后者易與溶液中的金屬離子生成難溶的金屬硫化物沉淀，從而可以回收有用金屬，使得AMD資源化。
2、SRB處理酸性礦山廢水的機理
2.1 SRB的介紹
硫酸鹽還原菌在自然界中分布廣泛，是具有較強生命力的一種厭氧異養(yǎng)細菌，其形態(tài)各異，革蘭氏染色成陰性。它廣泛分布在自然環(huán)境中，目前已知硫酸鹽還原菌種類達到40多種。硫酸鹽可以促進SRB生長，它以有機物作為生化代謝的能量來源和電子供體，通過異化SO42-為電子受體將其還原，SRB不易受外界環(huán)境影響，而且營養(yǎng)多樣，所以它的生存能力很強，利用這些特性,它能把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽、單硫還原為硫化物，它在處理富含硫酸鹽和金屬離子的廢水具有較強的能力，利用SRB可以同時去除廢水中硫酸根和金屬離子，從而達到以廢治廢的目的。
2.2 SRB對硫酸鹽的代謝還原機理
國內(nèi)外學者對硫酸鹽還原菌的代謝機理已經(jīng)有了相當深入的研究。在厭氧環(huán)境，SRB以硫酸鹽作為電子受體，分解廢水中的有機污染物，從而獲得自身所需要的能量。SRB還原硫酸鹽的過程主要包括分解階段、電子轉(zhuǎn)移傳遞階段和氧化3個階段。首先在分解階段，有機物在厭氧環(huán)境下被降解成CO2、H2O和乙酸，并通過基質(zhì)水平磷酸化產(chǎn)生少量的Adenosine triphosphate（ATP），同時釋放高能電子。電子轉(zhuǎn)移階段主要是分解階段產(chǎn)生的高能電子沿著SRB特有的電子傳遞鏈進行逐級的傳遞，與此同時產(chǎn)生大量ATP。在氧化階段中，電子被傳遞給氧化態(tài)的硫元素，并將其還原為S2-，此時需要消耗大量ATP，并產(chǎn)生H2S。這一代謝過程中，可以去除廢水中的硫酸根和含碳有機物，產(chǎn)生的H2S也能夠抑制甲烷的生成，并且能夠使污水中的重金屬離子不斷從體系中沉淀下來。代謝過程如圖1所示。
硫酸鹽作為電子受體被還原成硫化物的過程中，硫酸根會在細胞內(nèi)和細胞外發(fā)生一系列變化，如圖2所示。
2.3 SRB對金屬離子的去除機理
SRB把硫酸根還原成硫化氫，硫化氫能夠與廢水中的金屬離子反應，形成難溶性的金屬硫化物，從而達到除去金屬離子的目的。蘇冰琴等在研究SRB處理含硫酸根和Mn、Ni、Zn、Cu等重金屬離子的廢水時發(fā)現(xiàn)，當進水中，Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+的質(zhì)量濃度分別為8mg/L、10mg/L、4mg/L、4mg/L時，硫化氫能夠有效地去除重金屬離子，最大去除率基本可以達到為90%以上。
SRB在還原硫酸根的過程中會產(chǎn)生一定的堿度，使廢水的pH有所升高。研究發(fā)現(xiàn)，雖然硫離子可以和許多重金屬離子結(jié)合形成溶度積很小的金屬硫化物，但是，三價的金屬離子如Al3+、Fe3+不是以金屬硫化物的形式而被去除，而是生成氫氧化物被去除。
SRB在降解有機物時會產(chǎn)生CO2，CO2溶于水會生成CO32-，有些金屬離子以碳酸鹽的形式沉淀下來。例如，廢水中的Mn2+是以MnCO3形式去除。
SRB表面的胞外聚合物能夠吸附廢水中的重金屬離子。ESP是微生物在代謝過程中分泌的一種黏性物質(zhì)，大部分由多糖和蛋白質(zhì)組成，在它的表面存在著許多具有特殊性能的陰離子基團，如氨基、羧基、羥基等，它們能夠和金屬離子發(fā)生強烈的吸附和螯合作用，從而從廢水中去除重金屬離子。
3、SRB在處理酸性礦山廢水中的研究現(xiàn)狀
3.1 SRB處理含Cu2+酸性礦山廢水
酸性礦山含銅廢水中的銅離子不易被微生物分解，過量攝入會對人體產(chǎn)生危害，而且銅離子含量過高時，會導致農(nóng)作物死亡，所以酸性礦山含銅廢水要在排放前進行處理。JalaliK等研究了硫酸銅溶液中硫酸鹽還原細菌的生長及其從這些溶液中去除銅的功效，研究表明，Cu與細菌細胞的結(jié)合可以促進沉淀速率，當溶液中的Cu2+濃度小于150mg/L時，Cu的去除率可達99%以上；劉新星等采用碳納米顆粒協(xié)同硫酸鹽還原菌菌群構(gòu)建了一個高效的體系處理含Cu2+廢水，在Cu2+初始濃度為100mg/L，處理48h時，反應體系Cu2+的去除效率達到90.67%，Cu2+去除效果顯著。
3.2 SRB處理含Cr（VI）酸性礦山廢水
含鉻廢水具有野三致冶作用，對人體和環(huán)境危害極大，有色金屬行業(yè)是鉻廢水排放的主要源頭之一，必須經(jīng)過嚴格處理才能排放。Rajesh等在小規(guī)模生物反應器中利用SRB去除水溶液中的Cr（VI），發(fā)現(xiàn)最大Cr（VI）和硫酸鹽去除率分別為96.0%和82.0%。Pagnanelli等利用固定床反應器中接種SRB進行Cr（VI）污染廢水的生物處理，結(jié)果可以去除65%±5%的硫酸鹽和95%±5%的鉻，生物活性去除機制優(yōu)于生物吸附。國內(nèi)也有許多學者利用SRB處理含鉻廢水，賀氣志等利用馴化得到耐Cr（VI）硫酸鹽還原菌厭氧混合菌群和化學沉淀法制備Cu/Fe雙金屬顆粒，協(xié)同處理含Cr（VI）廢水，結(jié)果表明，在Cr（VI）濃度為300mg/L、Cu/Fe雙金屬顆粒比值為7。5%、pH值為5.0~8.0條件下，常溫處理48h后，出水的Cr（VI）濃度低于0。071mg/L，處理效果非常顯著。
3.3 SRB處理含Zn2+酸性礦山廢水
含Zn2+酸性礦山廢水的危害具有持久性，傳統(tǒng)處理法效果好，但價格昂貴，難以推廣，利用SRB處理含Zn2+廢水是目前應用比較廣泛的一種工藝。Samia等利用SRB處理含Zn2+廢水，結(jié)果表明，細菌生長和硫酸鹽還原最適初始鋅濃度在10mg/L和150mg/L之間。Zn2+濃度超過150mg/L會造成SRB死亡。Zn2+含量在150mg/L以下時，被SRB有效去除Zn2+含量低于5%；李二平等利用聚乙烯醇硫酸銨包埋法對硫酸鹽還原菌污泥進行固定，采用上流式厭氧反應器進行含鋅廢水的處理，Zn2+去除率達98%以上。
3.4 SRB處理含鈾酸性礦山廢水
隨著鈾資源的開發(fā)利用，鈾礦冶所排放的含鈾廢水也越來越多，含鈾廢水在自然狀態(tài)下只能靠其慢慢衰變來降低放射性。因此，含鈾廢水對環(huán)境危害極大。研究發(fā)現(xiàn)院SRB具有除鈾能力而受到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注。Barlett等研究發(fā)現(xiàn)通過添加Fe3+有利于增強SRB還原U（VI）的能力，這將有助于改進鈾生物修復策略；汪愛河等在缺氧的環(huán)境下，利用零價鐵和SRB協(xié)同處理含鈾廢水，發(fā)現(xiàn)在最佳還原條件下，鈾的去除率達到93。49%；謝水波等探討了SO42-、FeO等對硫酸鹽還原菌顆粒污泥去除U（VI）的影響。結(jié)果表明，SO42-濃度低于1500mg/L對U（VI）的去除有促進作用，同時發(fā)現(xiàn)，投加鐵粉大大提高了U（VI）的去除速率，在20h內(nèi)，U（VI）的去除率達到100%。
3.5 SRB處理含其他金屬酸性礦山廢水
有色金屬礦山往往伴生其他金屬硫化物，在開采過程中，這些礦物在微生物、空氣、水等因素的作用下，形成硫酸、金屬硫酸鹽等，從而形成含有銅、鎘、鎳、鉈、錳等酸性廢水。利用SRB處理這些廢水，效果顯著。Monica等利用SRB處理含有高濃度硫酸鹽和重金屬的酸性礦山廢水，目的是尋求對金屬具有高度耐受的SRB菌株，以此來提高硫酸鹽還原和金屬去除方面的效果；Kieu等利用SRB處理酸性礦山廢水，使Cu2+，Zn2+，Ni2+和Cr6+的重金屬去除效率達到94%~100%；李娟等利用稻殼固定硫酸鹽還原菌處理含鎳廢水，結(jié)果表明，用稻殼作為載體的反應器啟動時間短，對廢水中的鎳離子去除效果好，體系啟動3d后除鎳率穩(wěn)定在95%以上；張鴻郭等采用固定化SRB處理含鉈廢水，通過還原硫酸根離子形成硫化鉈沉淀去除廢水中鉈污染，含鉈廢水中硫酸根離子濃度達到200mg/L時，25%和35%菌液包埋量的最大處理量分別為214.32μg/g和253.94μg/g；牛曉麗等利用硫酸鹽還原菌處理含鐵錳的廢水，結(jié)果表明，SRB具有較好的鐵錳去除能力，在最佳條件下對SO42-、Fe2+、Mn2+的去除率分別為88.16%、99.37%、59.18%，去除效果顯著。
4、目前存在的一些問題
SRB作為一項極具潛力的生物處理廢水技術(shù)，應用技術(shù)前景廣闊，但是，由于其生化過程易受到外界因素影響，所以在工程應用領(lǐng)域還存在技術(shù)難點，在接下來的研究中應該著重克服的問題是院
4.1 硫酸鹽的毒害作用
SRB在厭氧消化過程中會產(chǎn)生S2-，S2-會對大多數(shù)厭氧菌產(chǎn)生毒害作用，特別是對產(chǎn)甲烷菌的毒害作用最為顯著，當H2S穿過微生物的細胞膜，就會破壞細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)。這會對整個厭氧消化過程產(chǎn)生不利影響，甚至導致整個反應器無法正常運行。另外，產(chǎn)生的H2S會使水體有惡臭的氣味，嚴重影響周圍的生態(tài)環(huán)境。徹底解決硫酸鹽還原過程對微生物的影響，可以使硫酸鹽重金屬的去除效率大大提高。
4.2 重金屬對SRB抑制作用
重金屬離子濃度達到一定值時，硫酸鹽還原菌的代謝活動就會受到影響，濃度過高時，SRB會出現(xiàn)大量死亡現(xiàn)象。不同的SRB菌種對同一種重金屬離子的耐受程度不同，而相同的菌種受不同重金屬離子的影響也不相同。此外，當金屬硫化物沉淀到SRB細胞表面時，會阻止SRB與外界接觸。因此研究重金屬對SRB的抑制作用也尤為重要。
4.2.1 重金屬對SRB胞外聚合物（EPS）的影響
EPS是由細胞新陳代謝分泌的高分子聚合物，據(jù)研究表明，EPS大部分是由蛋白質(zhì)和多糖組成，蛋白質(zhì)和多糖約占總質(zhì)量的80%左右。根據(jù)SRB的代謝機理可以看出，EPS在除去重金屬的過程中起到很大作用，然而重金屬可以與胞外聚合物相互作用，導致胞外聚合物結(jié)構(gòu)變化。因此，深入研究重金屬對EPS的影響能夠為生物法處理含硫酸鹽重金屬廢水提供理論±據(jù)。
4.2.2 重金屬對反應體系中生物群落的影響
在整個厭氧反應中，SRB是核心微生物，但是厭氧系統(tǒng)中除SRB外，常常還有其他微生物共存，如產(chǎn)甲烷菌等，對微生物菌群組成及結(jié)構(gòu)的研究可以為反應器的運行調(diào)試提供理論指導，因此，對菌群結(jié)構(gòu)的研究也受到了廣泛關(guān)注。重金屬離子不僅會抑制某個菌種的代謝活性，也會對環(huán)境中微生物群落的代謝功能和物種多樣性造成影響。而目前對重金屬與微生物菌群之間關(guān)系的研究并不是十分明了，而微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化是廢水處理系統(tǒng)功能的有效生物指標，因此，研究重金屬對廢水處理體系中微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響，對于指導廢水處理系統(tǒng)的運行和管理具有重要的研究和應用價值。
4.3 污泥中有用物質(zhì)的回收
厭氧過程中金屬沉淀容易夾帶污泥，不易分離，微生物極易流失，這會對SBR的富集產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)單相工藝很難將沉淀物從生物反應器移除，Kaksonen等利用流化床和上升流厭氧污泥床直接處理含金屬酸性水，結(jié)果表明，反應器可沉淀300mg/（L?d）的Zn以及80mg/（L?d）的Fe，進水pH值為2.5，出水pH值上升至7.5~8.5，但最終由于金屬沉淀大量積累導致反應器運行終止。因此，迫切需要開發(fā)一種多級多相反應系統(tǒng)來回收污泥中有用物質(zhì)，從而減輕反應器的運行壓力。
5、結(jié)束語
酸性礦山廢水含有大量硫酸鹽及重金屬離子，危害性大，傳統(tǒng)處理方法往往受到運行成本高、含重金屬的污泥產(chǎn)量大等因素，而難以大規(guī)模應用。SRB法適用性強、價格低廉、無二次污染，是一種具有潛力的處理酸性礦山廢水的技術(shù)，隨著研究的不斷深入，SRB法具有很好的發(fā)展前景。但就目前的研究來看，該方法還未十分成熟，仍有一些問題值得研究。與此同時，從源頭控制酸性礦山廢水的產(chǎn)生才是最行之有效的方法。（來源：江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室）