以氫氣為電子供體的硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水

祝傳靜，田森林，黃建洪，李英杰，胡學(xué)偉

（昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650500）

礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中產(chǎn)生的酸性礦山廢水（acid mine drainage，AMD），具有低pH、高重金屬和硫酸鹽等特點(diǎn)[1-2]，因其位于河流上游，會(huì)導(dǎo)致下游水環(huán)境污染、破壞飲用水安全保障、土壤質(zhì)量下降等問題[3]。傳統(tǒng)采用石灰中和處理AMD存在中和廢渣產(chǎn)生量大[4]、重金屬含量高、堆存處置成本高等缺點(diǎn)。

硫酸鹽還原菌（sulphate reducing bacteria，SRB）可將生化轉(zhuǎn)化為S2-與AMD 中重金屬反應(yīng)形成金屬硫化物沉淀[5-7]，其不僅無廢渣產(chǎn)生，而且可實(shí)現(xiàn)廢水中有價(jià)金屬的回收[8-9]。SRB常以乳酸鹽、乙酸鹽、乙醇等[10-11]可溶性有機(jī)物為電子供體，但該類有機(jī)化合物易導(dǎo)致出水中有機(jī)物殘留量大、COD高等問題[12-13]。Zhang等[14]以乳酸鈉為電子供體的SRB 處理AMD，出水COD 為500mg/L；Pakshirajan 等[15]以乳酸鹽為電子供體利用SRB 厭氧旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器處理AMD，出水COD達(dá)200～400mg/L；Sahinkaya等[16-17]利用乳酸鈉為電子供體的SRB流化床反應(yīng)器處理AMD，出水COD 達(dá)400～600mg/L；Rodriguez等[18]以乙醇為電子供體利用SRB上流式厭氧污泥床處理AMD，出水COD 達(dá)500～700mg/L。上述研究均存在出水COD 殘留嚴(yán)重等問題，需要進(jìn)行后續(xù)深度處理。

氫氣為清潔能源，可作為SRB 的電子供體，且以氣體為電子供體的SRB 運(yùn)用于AMD 處理的研究較少。Foucher 等[19]以H2/CO2為電子供體的SRB治理AMD，其側(cè)重于氣體傳質(zhì)和pH調(diào)控對重金屬選擇性沉淀的研究，對處理出水重金屬、總有機(jī)碳（TOC）效果等還沒有徹底研究。由于CO2進(jìn)入水體易導(dǎo)致水體酸化，且其在SRB 還原系統(tǒng)中易被代謝轉(zhuǎn)化為大量的乙酸等有機(jī)物，本文僅采用H2為SRB 唯一電子供體處理AMD，對生化反應(yīng)進(jìn)程中pH 和氧化還原電位（ORP）、目標(biāo)代謝產(chǎn)物H2S和S2-、出水重金屬和TOC 進(jìn)行研究，以求為AMD的高效綠色處理提供一種可行途徑。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 菌種來源及培養(yǎng)

將SRB 菌種置于厭氧、溫度適宜（為35℃）的環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)液的組成（g/L）為4.97 Na2SO4， 0.53 Na2HPO4·2H2O， 0.41 KH2PO4， 0.3 NH4Cl，0.37 KCl，0.1 MgCl2·6H2O，0.09 CaCl2，2 NaHCO3，酸、堿微量元素各1mL/L[20]。酸性礦山廢水為21mg/L Cu2+、190mg/L Fe2+、35mg/L Zn2+、29mg/L Mn2+，pH 為2.90，初始硫酸濃度分別為1432mg/L、2650mg/L和4865mg/L、。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及操作

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由氣提SRB 反應(yīng)器、反應(yīng)沉淀池1、2 組成。反應(yīng)器均由有機(jī)玻璃制成，其中氣提SRB 反應(yīng)器底部設(shè)有氣體吹脫裝置及磁力攪拌。N2、H2裝置以0.005L/min的氣體流速引入反應(yīng)器。SRB 在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生H2S 和S2-，采用N2、H2將SRB反應(yīng)器中產(chǎn)生的H2S吹脫至反應(yīng)沉淀池1 進(jìn)行反應(yīng)得到純度較高的金屬硫化物；將氣提SRB 反應(yīng)器中（∑S2-量及堿度較高）生化出水輸送至反應(yīng)沉淀池2進(jìn)行酸堿中和、金屬沉淀反應(yīng)；將反應(yīng)沉淀池2 中的上清液與培養(yǎng)基（體積比為1∶1）混合，該混合液（為還原氛圍）作為物料引入氣提SRB反應(yīng)器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

每隔3h 對氣提SRB 反應(yīng)器內(nèi)pH、ORP、H2S和∑S2-進(jìn)行測定。每隔1h 將該反應(yīng)器中250mL 生化出水引入沉淀反應(yīng)池2中進(jìn)行攪拌，分別測定沉淀反應(yīng)池2中重金屬離子濃度。每隔6h對氣提SRB反應(yīng)器中TOC進(jìn)行測定。

圖1 氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)流程

1.4 分析方法

pH使用pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，PHS-3C）測定；ORP 采用自動(dòng)電位滴定儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，ZD-2）測定；H2S 產(chǎn)生量采用吹脫-ZnCl2吸收法，再使用火焰原子吸收光譜儀（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，TAS-990）進(jìn)行測定；經(jīng)吹脫后生化出水總?cè)芙鈶B(tài)硫化物∑S2-（HS-、S2-）使用硫離子濃度計(jì)（上海般特儀器有限公司，Bante 931-S）及亞甲基藍(lán)法對比測定；重金屬離子采用火焰原子吸收光譜儀（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，TAS-990）測定；TOC采用總有機(jī)碳分析儀測定儀（杭州啟鯤科技有限公司，CD-800S）分析；微生物群落結(jié)構(gòu)選用16S rRNA技術(shù)進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH和ORP

圖2 高、中、低硫酸鹽濃度的反應(yīng)器內(nèi)pH和ORP變化

如圖2 所示，體系中ORP 集中于-330～-420mV 之間，在該范圍內(nèi)SRB 生長代謝持續(xù)進(jìn)行；當(dāng)ORP＜-350mV 時(shí)，與pH、濃度相比，ORP不再是影響硫酸鹽還原速率的主要因素[23]；在SRB 以H2為電子供體進(jìn)行的生化代謝中，系統(tǒng)中的ORP 受體系中、還原性物質(zhì)（H2SHS--S2-）等涉硫組分組成比例的控制。隨著代謝底物被SRB 的不斷生化代謝所消耗，以及代謝最終產(chǎn)物還原性物質(zhì)（H2S-HS--S2-）的不斷生成，反應(yīng)體系中ORP呈不斷下降的趨勢[24]。

2.2 目標(biāo)代謝產(chǎn)物H2S和∑S2-

圖3 反應(yīng)體系中SO42-的去除效果及代謝硫產(chǎn)物的變化情況

圖4 高、中、低濃度反應(yīng)器中涉硫組分演變規(guī)律

表1 高、中、低濃度反應(yīng)器中各涉硫組分所占比例

表1 高、中、低濃度反應(yīng)器中各涉硫組分所占比例

反應(yīng)時(shí)間/h 3 12 18 24 30 36 48 4865mg/L SO24 -中O2 -各組分所占比例/%2650mg/L SO24 -中各組分所占比例/%1432mg/L SO24 -中各組分所占比例/%H2S ∑S2-總S SO24 -SO23 -H2S ∑S2-總S SO24 -SO23 -H2S ∑S2-總S SO2 -4 S 3 97.64 93.13 94.04 91.37 87.67 88.28 83.97 0.08 0.42 0.53 0.77 1.13 1.44 1.85 0.09 0.74 0.84 0.90 1.05 1.42 1.81 0.90 1.69 1.32 2.10 2.37 2.68 3.53 98.71 95.98 96.73 95.14 92.22 93.82 91.16 95.47 88.68 87.55 83.40 73.96 75.09 68.68 0.16 0.58 0.83 1.45 2.00 3.28 4.53 0.12 1.44 1.85 1.93 2.09 2.82 3.50 1.35 2.42 3.18 3.51 2.79 5.47 6.15 97.1 93.12 93.41 90.29 80.84 86.66 82.86 95.74 76.26 79.05 73.46 62.99 65.78 58.80 0.17 1.39 1.73 2.60 3.21 4.61 4.94 0.15 2.39 2.98 3.22 4.43 4.96 5.59 2.33 6.56 5.28 5.94 6.35 8.04 8.60 98.39 86.6 89.04 85.22 76.98 83.39 77.93

2.3 重金屬的去除

圖5 AMD中重金屬離子的去除率及金屬離子濃度變化情況

2.4 處理系統(tǒng)中TOC的變化

由于傳統(tǒng)COD 測量值涵蓋COD 還原性涉硫組分，研究采用TOC 作為生化處理出水中殘留有機(jī)物衡量標(biāo)準(zhǔn)，高、中、低硫酸鹽濃度的反應(yīng)器內(nèi)TOC 變化情況如圖6(a)所示，反應(yīng)器中TOC 隨SRB還原反應(yīng)的進(jìn)行不斷降低，最終出水TOC≤3mg/L。由圖6(b)可看出，當(dāng)質(zhì)量濃度≤2650mg/L 時(shí)，隨濃度的增加，SRB 降解TOC 的速率提升，當(dāng)質(zhì)量濃度＞2650mg/L時(shí)，隨濃度增加，SRB降解TOC的速率減緩，產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能是大量硫化物的積累對SRB 造成抑制，導(dǎo)致SRB對電子供體的利用能力降低。SRB如脫硫弧菌屬既可利用有機(jī)營養(yǎng)生長也可利用無機(jī)營養(yǎng)生長[38-39]，其采用的固碳機(jī)制是還原型三羧酸循環(huán)（rTCA）[40]和還原型乙酰輔酶A 循環(huán)[41-42]；在生物固碳過程中脫硫弧菌屬可利用（培養(yǎng)基中）進(jìn)行生長并將部分轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸。因此，在無碳源投加的生物反應(yīng)器中仍有可能檢測到有機(jī)碳的存在。然而，反應(yīng)體系中TOC 逐漸降低的原因可能是SRB利用上述的有機(jī)酸進(jìn)行代謝，將該有機(jī)酸氧化形成分子氫，氫電子穿過細(xì)胞質(zhì)并通過膜轉(zhuǎn)移用于細(xì)胞質(zhì)中電子受體硫酸鹽的還原。以溶解性有機(jī)碳源作為電子供體，如乳酸鹽，SRB對其的代謝轉(zhuǎn)化過程為：乳酸鹽→丙酮酸鹽→乙酸鹽+CO2

圖6 高、中、低硫酸鹽濃度的反應(yīng)器內(nèi)TOC變化、ln（C/C0）與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

[43]，因此短時(shí)間內(nèi)SRB 不能將其完全轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致生化出水中有機(jī)碳含量較高。本研究中出水TOC≤3mg/L，遠(yuǎn)低于以有機(jī)物為SRB電子供體處理AMD的出水。

2.5 微生物群落結(jié)構(gòu)

本研究采用16s rRNA 技術(shù)對生物反應(yīng)器內(nèi)微生物進(jìn)行分析，如圖7所示，反應(yīng)體系中主要以脫硫弧菌屬（Desulfovibrio） 為主，其相對豐度為38%；其次，假單胞菌（Pseudomonas）、不明梭菌屬（unidentified_Clostridiales）相對豐度較為明顯；假單胞菌可利用有機(jī)酸發(fā)酵產(chǎn)脂肪酶[44]，有的梭菌屬可利用有機(jī)酸進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫[45]。體系中脫硫弧菌屬、假單胞菌、梭菌屬之間存在有機(jī)酸（脫硫弧菌屬代謝轉(zhuǎn)化生成）的競爭關(guān)系，可能會(huì)使得反應(yīng)出水TOC 很低。在H2培養(yǎng)條件下，脫硫弧菌屬相對豐度最高，而與其競爭底物的產(chǎn)甲烷菌相對豐度很低，表明在該環(huán)境下脫硫弧菌屬對底物的親和力較強(qiáng)。Meulepas等[46]研究也表明SRB對氫的親和力較其他微生物高。

圖7 微生物在屬水平上的相對豐度

3 結(jié)論

（1）反應(yīng)體系中pH呈快速上升的趨勢，24h可達(dá)到8.75～8.80；體系中ORP集中于-330～-420mV之間，在該范圍內(nèi)SRB生長代謝持續(xù)進(jìn)行。

（2）48h反應(yīng)器內(nèi)H2S和∑S2-（HS-、S2-）的積累量分別為75～88mg/L，123～172mg/L。在無碳源的培養(yǎng)條件下，SRB的生長代謝及增殖緩慢，隨廢水的排放，生物反應(yīng)器內(nèi)生物量留存低，導(dǎo)致硫酸鹽還原效率較低。

（3）反應(yīng)體系中Zn2+、Fe2+、Cu2+和Mn2+的去除率分別達(dá)94.3%、94.7%、97.5%和81.7%；重金屬Cu2+和Zn2+的出水濃度為0.52mg/L 和1.99mg/L，其出水水質(zhì)可達(dá)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。本研究250mL 生化出水可將1000mL、pH=2.90 的AMD調(diào)節(jié)至pH=6.9，對Mn2+、Fe2+的去除速率也相對較高。

（4）反應(yīng)器出水TOC≤3mg/L，較傳統(tǒng)有機(jī)碳為電子供體具有優(yōu)勢；當(dāng)反應(yīng)器中質(zhì)量濃度≤2650mg/L 時(shí)，隨濃度的增加，SRB 降解TOC的速率提升，當(dāng)質(zhì)量濃度＞2650mg/L 時(shí)，濃度的增加，SRB降解TOC的速率減緩。

（5）反應(yīng)器中微生物主要以脫硫弧菌屬為主導(dǎo)，假單胞菌、梭菌屬的相對豐度也較為顯著。