硫酸鹽還原菌利用不同生物質(zhì)碳源對酸性礦山廢水的處理

狄軍貞,李拓達,趙 微

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

含硫煤礦開采過程中產(chǎn)生的酸性礦山廢水(Acid Mine Wastewater，AMD)具有低pH值，含有高濃度硫酸鹽及重金屬離子等特點，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害，是近年來最為突出的水污染問題之一。目前，處理AMD的方法主要有石灰石中和法、人工濕地法和硫酸鹽還原菌降解的生物法，但中和法產(chǎn)生巨量的硫酸鈣固體廢棄物難以處置，易引起2次污染[1]，濕地法具有占地面積大、處理易受環(huán)境影響和產(chǎn)生H2S污染環(huán)境缺點[2]。而硫酸鹽還原法通過生物有機體或其代謝產(chǎn)物與金屬離子之間的相互作用達到處理酸性廢水的目的，具有成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點[3]。但在利用硫酸鹽還原法處理廢水過程中，補加碳源是保證處理效果的手段之一，傳統(tǒng)碳源乳酸鈉、乙醇等運輸不便且成本較高，為此，近年來相關(guān)學(xué)者[4-6]提出利用廉價易得的生物質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源作為硫酸鹽還原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)生長所需碳源來治理廢水。邵留等[7]監(jiān)測玉米芯、甘蔗渣、花生殼等6種生物質(zhì)材料在16 d內(nèi)浸泡液中總有機碳(Total Organic Carbon，TOC含量)和總碳(Total Carbon，TC)，發(fā)現(xiàn)6種材料浸出液中TOC含量均占TC的90%以上，均能釋放出大量有機碳，符合作為碳源材料的基本條件。張洪燦等[8]也發(fā)現(xiàn)玉米芯浸提液中含有大量能夠被SRB、反硝化細菌利用的葡萄糖和半乳糖等有機物。張雅琳[9]以甘蔗渣為SRB緩釋碳源及載體處理含低質(zhì)量濃度Cu2+離子的模擬礦山淋濾水，SRB利用緩釋碳源甘蔗渣釋放出的小分子物質(zhì)將硫酸根持續(xù)還原，硫酸根還原率可達92.4%?；诖耍紤]到生物質(zhì)材料具有的碳源溶出性和多孔吸附性特點，筆者提出利用玉米芯、甘蔗渣和花生殼作為SRB生長碳源，通過構(gòu)建3組動態(tài)反應(yīng)器，考察SRB在利用不同生物質(zhì)碳源條件下對反應(yīng)器運行的效果的影響，探求更適合SRB生長代謝的生物質(zhì)碳源，以期為實現(xiàn)酸性礦山廢水低成本、高效穩(wěn)定的生物治理提供理論參考。

1 材料及方法

1.1 材 料

實驗用菌取自阜新市新邱區(qū)某煤礦煤矸石山下，長期受煤矸石淋溶水污染的土壤，取樣土層為煤矸石覆蓋的20～40 cm深的土壤，后經(jīng)制備土壤菌懸液并利用修正的Postgate培養(yǎng)基[10]富集培養(yǎng)，直到得到一株純的SRB菌種后用于試驗。試驗用玉米芯、花生殼產(chǎn)自遼寧阜新某農(nóng)田，甘蔗渣來自廣東惠州某制糖廠，試驗前各生物質(zhì)材料按要求粒徑進行打磨。

1.2 試驗裝置及方法

(1)正交試驗。以前期單因素實驗結(jié)果為依據(jù)，分別進行了以SRB生物量(35.6,71.2,106.8 mg)、玉米芯粒徑(14，32，60目)及其投加量(1.5,2.5,3.5 g)，SRB生物量(35.6,71.2,106.8 mg)、甘蔗渣粒徑(32，60，100目)及其投加量(2.5,3.5,4.5 g)和SRB生物量(35.6,71.2,106.8 mg)、花生殼粒徑(32，60，100目)及其投加量(2.5,3.5,4.5 g)為因子水平的L9(34)正交試驗，分析優(yōu)化了SRB以玉米芯、甘蔗渣和花生殼為生物質(zhì)碳源的最佳生長活性條件，即分別為:100 mL的廢水中SRB投加量為106.8 mg，60目玉米芯投加量為3.5 g;100 mL的廢水中SRB投加量為71.2 mg，100目甘蔗渣投加量為4.5 g;100 mL的廢水中SRB投加量為106.8 mg，100目花生殼投加量為4.5 g。

(2)構(gòu)建連續(xù)動態(tài)柱。試驗動態(tài)柱采用3個高度600 mm、內(nèi)徑55 mm的圓柱形有機玻璃管，動態(tài)柱由下至上依次放置20 mm的鵝卵石層(防止材料堵塞進水口)、20 mm的石英砂層(保護層)、100 mm或200 mm的生物質(zhì)材料、20 mm的石英砂(保護層)。生物質(zhì)材料:1號柱為100 mm的60目玉米芯，2號柱為200 mm的100目甘蔗渣，3號柱為200 mm的100目花生殼。連續(xù)運行，下進上出，進出口高度差570 mm，流速為1 354.22 mL/d，通過蠕動泵和流量計控制。實驗裝置如圖1所示，試驗裝置裝填及其運行參數(shù)見表1。

圖1 動態(tài)試驗裝置系統(tǒng)Fig.1 Dynamic test device system

表1 3個動態(tài)柱運行參數(shù)Table 1 3 dynamic column operating parameters

1.3 實驗用水水質(zhì)及檢測方法

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 pH變化規(guī)律

圖2為動態(tài)試驗pH變化規(guī)律，試驗進水平均pH值為4.2。1號,2號,3號動態(tài)柱，前12 d，pH均逐漸上升，第14天，出水pH分別為5.49,6.72,6.49。1號柱出水pH在12～16 d達到一定的穩(wěn)定范圍為5.00～5.49，為弱酸性，16 d之后出水pH在4左右。2號柱出水pH在12～22 d達到一定的穩(wěn)定范圍為6.38～7.30，已達到中性，22 d以后出水pH逐漸下降，試驗結(jié)束出水pH仍保持在6左右。3號柱出水pH在12～22 d達到一定的穩(wěn)定范圍為5.80～6.83，接近于中性，22 d之后出水pH逐漸降低，試驗結(jié)束出水pH保持在5.5左右。各動態(tài)柱初期對pH的調(diào)節(jié)作用是由生物質(zhì)材料表面的配位體與H3O+緊密結(jié)合。后期對pH的調(diào)節(jié)主要依靠菌株的生長代謝產(chǎn)堿所致[11]。1號柱的玉米芯后期的碳源釋放殆盡，無法讓菌株正常的生長，對pH的調(diào)節(jié)能力有限。2號,3號柱對pH調(diào)節(jié)較好，且2號柱優(yōu)于3號柱，這是由于在甘蔗渣為碳源條件下，可以較長時間緩慢釋放碳源，使得菌株能夠較好繁殖和代謝，從而不斷提高進水pH，使后期出水pH仍保持在6左右。甘蔗渣的碳源緩釋性能優(yōu)于玉米芯和花生殼，能提供較持久碳源。

圖2 動態(tài)試驗pH變化規(guī)律Fig.2 Dynamic test pH change law

2.2 SRB生長代謝活性規(guī)律

圖3 動態(tài)試驗SRB生長活性指標Fig.3 Dynamic test SRB growth activity index

2.3 重金屬離子質(zhì)量濃度及去除率變化規(guī)律

圖4(a),(b)為動態(tài)試驗Fe3+質(zhì)量濃度和去除率變化規(guī)律，試驗進水Fe3+平均質(zhì)量濃度為98 mg/L。整個試驗過程中，1號,2號,3號動態(tài)柱中Fe3+質(zhì)量濃度一直低于1 mg/L，最終對Fe3+去除率分別為100%,99.81%，99.79%。如圖4(c),(d)為動態(tài)試驗Mn2+質(zhì)量濃度和去除率變化規(guī)律，試驗進水Mn2+平均質(zhì)量濃度為24 mg/L。1號柱，第1天，Mn2+質(zhì)量濃度最低，去除率達82.2%，之后Mn2+質(zhì)量濃度逐漸升高，并保持在12.5±3 mg/L，10 d以后，Mn2+質(zhì)量濃度開始下降，去除率升高。2號,3號柱，前6 d，Mn2+質(zhì)量濃度下降，最低去除率分別為36.36%,43.45%，6 d后，Mn2+質(zhì)量濃度均逐漸升高，從第16天開始，Mn2+質(zhì)量濃度逐漸降低，Mn2+去除率逐漸升高，1號,2號,3號柱最終對Mn2+去除率分別為91.74%,72.35%,71.54%。如圖4(e)，(f)為動態(tài)試驗Cr6+質(zhì)量濃度和去除率變化規(guī)律，試驗進水Cr6+平均質(zhì)量濃度為9.8 mg/L。1號,2號,3號動態(tài)柱，前12 d，Cr6+質(zhì)量濃度均低于1.3 mg/L，去除率在70%～90%，13～18 d，出水Cr6+質(zhì)量濃度均小幅度上升，去除率降低，18 d以后，出水Cr6+質(zhì)量濃度再次降低且均在1 mg/L以下，最終對Cr6+的去除率分別為98.6%,96.8%,96.2%。如圖4(g)，(h)為動態(tài)試驗Cr3+質(zhì)量濃度和去除率變化規(guī)律，試驗進水Cr3+平均質(zhì)量濃度為18 mg/L。1號,2號,3號柱，前10 d，出水Cr3+質(zhì)量濃度逐漸下降，但1號柱出水Cr3+質(zhì)量濃度高于2號,3號柱，在第10天，對Cr3+去除率分別為92.17%,92.17%,96.63%，10 d后，出水Cr3+質(zhì)量濃度均逐漸下降，最終對Cr3+去除率為99.4%,100%,100%。

圖4 動態(tài)試驗重金屬離子質(zhì)量濃度和去除率變化規(guī)律Fig.4 Dynamic test of heavy metal ion concentration and removal rate change law

結(jié)合圖4分析，整個試驗過程中，1號,2號,3號動態(tài)柱的初期對Fe3+和Cr6+表現(xiàn)出非常好的去除效果，因為多孔結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料對金屬離子的吸附作用[13-14]及產(chǎn)物還原糖還原Cr6+，其醛基與Cr6+結(jié)合生成鉻酸絡(luò)合物或者氫氧化鉻[15]。最終去除率接近100%。對于Mn2+和Cr3+的去除，前期去除率處于波動狀態(tài)，這是因為各競爭性陽離子與吸附點位之間的親和力不同，存在共存離子競爭吸附[16]。纖維素的水解過程中原有纖維素鏈的斷裂，其吸附點位所吸附的金屬離子容易出現(xiàn)反溶現(xiàn)象。隨著后期菌株的生長繁殖其代謝產(chǎn)物S2-與金屬陽離子形成溶解度非常低金屬硫化物沉淀，因此后期Mn2+和Cr3+也達到較高的穩(wěn)定去除率。在試驗一周后3個動態(tài)柱的生物質(zhì)填料層均開始部分變黑。此外，微生物產(chǎn)生的EPS(胞外聚合物)含有大量的陰離子基團(羧基、羥基及氨基等)也可以通過靜電作用與金屬陽離子結(jié)合[17-18]。

2.4 掃描電子顯微鏡SEM分析

本試驗用SEM來觀察動態(tài)試驗運行前后玉米芯、甘蔗渣、花生殼表面微觀形貌。各生物質(zhì)材料經(jīng)干燥磨粉后進行外表面結(jié)構(gòu)掃描，得出動態(tài)試驗前后玉米芯、甘蔗渣、花生殼結(jié)構(gòu)特征的電鏡圖像，如圖5,6所示。

圖5,6分別是電鏡掃描動態(tài)柱運行前、后，1號,2號,3號柱生物質(zhì)材料結(jié)構(gòu)圖，放大倍數(shù)為1萬倍。如圖5所示，玉米芯、甘蔗渣、花生殼表面形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，有少量生物質(zhì)粉末附著在材料上。如圖6所示，玉米芯、甘蔗渣、花生殼表面形態(tài)結(jié)構(gòu)均被破壞，并且已經(jīng)在表面形成了一些納米級團聚物。說明重金屬離子與菌株代謝硫酸鹽終產(chǎn)物S2-反應(yīng)生成金屬硫化物形成了納米級沉淀物，菌株利用玉米芯、甘蔗渣和花生殼為碳源進行生長代謝活動。

圖5 電鏡掃描動態(tài)柱運行前生物質(zhì)材料結(jié)構(gòu)Fig.5 Electron microscopy scanning dynamic column structure diagram of biomass material before operation

圖6 電鏡掃描動態(tài)柱運行后生物質(zhì)材料結(jié)構(gòu)Fig.6 Electron microscopy scanning dynamic column structure diagram of biomass material after operation

2.5 X射線熒光衍射XRD分析

XRD為利用射線衍射現(xiàn)象研究物相晶體結(jié)構(gòu)，本動態(tài)試驗將反應(yīng)前、后的玉米芯、甘蔗渣、花生殼干燥磨粉，進行XRD物相分析并作圖。其反應(yīng)前、后主要化學(xué)成分如圖7所示。

圖7 動態(tài)柱反應(yīng)前后生物質(zhì)材料XRD分析Fig.7 XRD analysis of biomass materials before and after dynamic column reaction

圖7為動態(tài)反應(yīng)前后1號,2號,3號動態(tài)柱中生物質(zhì)材料物相分析圖。試驗反應(yīng)前1號,2號,3號動態(tài)柱中只含有C,H，O元素，試驗反應(yīng)后1號,2號,3號動態(tài)柱中都含有Fe,Mn,Cr,S，C,H，O元素。C,H，O為生物質(zhì)材料的基本組成元素，F(xiàn)e,Mn,Cr為廢水中的元素。其中，F(xiàn)e元素主要以和生物質(zhì)材料中碳形成碳化物的形式脫離反應(yīng)體系，說明本試驗中Fe元素主要通過生物質(zhì)材料的化學(xué)吸附方式被去除，Mn和Cr元素主要以硫化物沉淀形式脫離反應(yīng)體系，也存在氧化物形態(tài)，說明Mn和Cr元素的去除主要是與SRB代謝硫酸鹽的終產(chǎn)物發(fā)生沉淀反應(yīng)，部分Mn和Cr元素也存在生物質(zhì)材料吸附反應(yīng)，該物相分析結(jié)果與2.3節(jié)試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

(2)試驗1號(玉米芯)、2號(甘蔗渣)、3號(花生殼)動態(tài)柱對Fe3+的最終去除率分別為100%,99.81%,99.79%，對Cr6+的去除率分別為98.6%,96.8%,96.2%，對Fe3+,Cr6+的去除主要以生物質(zhì)材料的化學(xué)吸附方式為主。1號,2號,3號動態(tài)柱對Mn2+去除率分別為91.74%,72.35%,71.54%，對Cr3+去除率為99.4%,100%,100%。Mn2+,Cr3+主要通過與硫酸鹽還原菌的代謝終產(chǎn)物反應(yīng)生成金屬硫化物沉淀，以及少部分通過生物質(zhì)材料的物理吸附被去除。

(3)經(jīng)SEM和XRD對比分析動態(tài)試驗反應(yīng)前后的生物質(zhì)材料，反應(yīng)前生物質(zhì)材料表面結(jié)構(gòu)完整，反應(yīng)后的生物質(zhì)材料結(jié)構(gòu)被破壞并附著納米級團聚物。反應(yīng)前生物質(zhì)材料只含有C,H，O元素，反應(yīng)后生物質(zhì)材料含有Fe,Mn,Cr,S，C,H，O元素。