何雙雙，徐建平，胡守恒

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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載體前處理對SRB處理重金屬的影響

何雙雙，徐建平，胡守恒

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

以乳酸鈉作為進水碳源，以陶粒作為上向流式厭氧生物膜填充床中的填料，研究了利用硫酸鹽還原菌處理模擬礦井廢水的載體前處理方式、低進水pH值以及溫度對硫酸鹽還原菌處理重金屬效果的影響。結(jié)果表明：在酸性前處理方式下，固定化硫酸鹽還原菌處理重金屬的效率要高于其他兩種前處理方式處理重金屬的效率，而且其對外界環(huán)境變化的抗沖擊能力也要優(yōu)于其他兩種處理方式。

硫酸鹽還原菌；陶粒；載體前處理；重金屬；酸性礦井廢水

wastewater

酸性礦井廢水(AMD)的污染已經(jīng)成為一個全球性的問題，為治理酸性礦井廢水，一些學(xué)者進行了大量的研究。目前，國外處理酸性礦井廢水的主要方法是中和法和濕地法。但這兩種方法處理不徹底，易造成二次污染。鑒于以上方法的欠缺，國外有些學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向了微生物法[1-3]。而微生物法中應(yīng)用最廣泛的是固定化微生物法[4]。Jong等[5]利用硅砂為載體固定化硫酸鹽還原菌的UASB反應(yīng)器處理Cu2+、Zn2+、Fe2+等，結(jié)果顯示：Cu2+、Zn2+去除率大于97.5%，F(xiàn)e2+去除率大于82%。固定化微生物法有利于提高反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且費用低、不會造成二次污染、能回收單質(zhì)硫、運行簡單、易于管理[6]。

硫酸鹽還原菌(SRB)是廣泛存在于自然界中具有還原硫酸鹽能力的原核微生物的總稱。SRB以硫酸鹽中的硫作為末端電子受體，將硫酸根離子中正六價的硫還原為負二價，并產(chǎn)生硫化氫，其代謝過程可以分解為分解代謝、電子傳遞、氧化3個階段。從其代謝過程可以看出：SRB將有機物作為細胞合成的碳源和電子供體，以硫酸根作為電子受體，將其還原為硫化物。因此硫酸鹽還原菌在處理有機物和重金屬復(fù)合污染方面有較大優(yōu)勢，它可以利用廢水中有機物為碳源進行分解代謝，利用產(chǎn)生的H2S去除廢水中的重金屬離子。

本文采用陶粒作為SRB固定化載體，對載體采用不同的前處理方式，比較其對模擬廢水中重金屬的去除效率和對不同沖擊條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1　材料與方法

1.1實驗材料

1) 微生物菌種：硫酸鹽還原菌(SRB)，取自合肥工業(yè)大學(xué)生物實驗室。

2) 陶粒：生物固載材料，購于安徽華騏科技環(huán)保有限公司，直徑5 mm。

3) 試劑藥品：硫酸鈉、硫酸鎂、氯化銨、磷酸氫二鉀、氯化鋅、氯化銅、硫酸亞鐵、硫酸鎳、氯化鈣、70%乳酸鈉、抗壞血酸，均為分析純。

圖1　實驗裝置

1.2主要實驗儀器

紫外可見分光光度計(TH-1901，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；恒溫振蕩培養(yǎng)箱(QHZ-123B，太倉市華美生化儀器廠)；電子天平(FA2004B，上海越平科學(xué)儀器有限公司)；快速COD檢測儀(HT-9012A，青島海特爾環(huán)?？萍加邢薰?；消毒柜(ZTP-300，佛山市高明萬和電器有限公司)；火焰原子吸收分光光度計(北京普析)。

1.3實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，反應(yīng)器為自制的有機玻璃柱，柱內(nèi)直徑為5 cm，高25 cm，有效反應(yīng)體積為500 mL。采用蠕動泵進料，水力停留時間可控。

1.4模擬廢水的配置

實驗所用廢水組成見表1。

表1　實驗廢水組成

2　實驗

1) 菌種的富集培養(yǎng)。實驗菌種主要來自于合肥工業(yè)大學(xué)微生物實驗室，但因保存時間較長，硫酸鹽還原菌數(shù)量及活性較低，因此采用改進的Postgate’B培養(yǎng)基對菌種進行富集。在35 ℃恒溫條件下，將菌種按10%接種到滅菌的Postgate’B培養(yǎng)基中密閉避光培養(yǎng)，直到培養(yǎng)基完全變黑，并產(chǎn)生強烈的臭雞蛋氣味，以此作為SRB還原硫酸根的反應(yīng)標準。此后按相同比例反復(fù)接種，不斷更換培養(yǎng)基，直至得到能在72 h內(nèi)使培養(yǎng)基全部變黑的SRB菌液，將此菌液放入密閉容器內(nèi)4 ℃冷藏避光保存待用。

2) 載體前處理。將過5 mm孔徑篩的陶粒泡在水中2天，洗凈后置于托盤中，在消毒柜中滅菌烘干待用。將上述陶粒分為3份，分別量取500 mL陶粒，并用0.1 mol/L的HCl和NaOH以及去離子水浸泡，2天后去掉酸液和堿液，去離子水洗滌3次，滅菌后待用[6]。

3) 載體制備及固定化床的建立。本實驗采用吸附法對硫酸鹽還原菌進行固定。將上述陶粒分別裝入自制的反應(yīng)柱中，加入接種后的培養(yǎng)基(接種量為30%)，靜態(tài)培養(yǎng)3天后更換培養(yǎng)基，此后每隔3天更換培養(yǎng)基，連續(xù)更換2周后改為連續(xù)流進水，水力停留時間為10 h，待出水硫酸根濃度波動小于5%且連續(xù)運行3天時，認為反應(yīng)器穩(wěn)定，啟動完成。

4) 分析方法[7]。CODCr的測定采用重鉻酸鉀法；重金屬離子濃度采用原子吸收分光光度法；硫酸根濃度采用鉻酸鋇分光光度法。

5) 實驗安排。為研究不同條件下固定化SRB處理酸性礦井廢水重金屬的能力，實驗采用：① 常見pH值進水對SRB處理酸性礦井廢水重金屬能力的影響；② 低pH值進水SRB對處理酸性礦井廢水重金屬能力的影響；③ 溫度對SRB處理酸性礦井廢水重金屬能力的影響。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1載體前處理方式對重金屬離子去除效果的影響

根據(jù)不同的前處理方式，分別建立酸性、堿性、中性處理的反應(yīng)柱體系，實驗進水各組分如表1所示。進水pH初始值為5，水力停留時間HRT為1天。連續(xù)運行7天后，各反應(yīng)柱的重金屬處理效果如圖2～5所示。

圖2　不同前處理方式下Fe的去除效果比較

圖3　不同前處理方式下Cu的去除效果比較

圖4　不同前處理方式下Zn的去除效果比較(pH=3)

圖5　不同前處理方式下Zn的去除效果比較

圖2～5表明：酸性處理反應(yīng)柱體系在運行7天內(nèi)，重金屬去除率非常高，F(xiàn)e、Cu、Zn和Ni的平均去除率分別達到了98.7%，98.2%，98.1%和98.7%；堿性處理反應(yīng)柱運行條件下Fe、Cu、Zn和Ni的平均去除率分別達到了93.4%，93.7%，89.1%和89.3%；中性處理反應(yīng)柱體系運行條件下，F(xiàn)e、Cu、Zn和Ni的平均去除率分別達到了96.1%，94.0%，93.4%，89.4%。通過比較這3種前處理方式下固定化硫酸鹽還原菌處理重金屬效率可以發(fā)現(xiàn)：酸性處理條件下的反應(yīng)體系重金屬去除率要高于堿性和中性處理的反應(yīng)體系，且中性處理反應(yīng)體系重金屬去除效率要高于堿性處理體系。通過原理分析可知：陶粒對菌體的吸附主要是物理吸附，而陶粒表面帶負電荷，微生物表面也帶有負電荷，經(jīng)酸處理的反應(yīng)體系，其載體表面電性被改變，有助于SRB菌的吸附使得酸性處理陶粒表面形成的生物膜比其他兩者表面的生物膜密集，所以從重金屬的去除率來看(Fe、Cu、Zn和Ni的平均去除率均高于98%)，其去除效果更優(yōu)于其他兩者。

3.2進水低pH值對不同體系下SRB去除重金屬效果的影響

我國酸性礦井廢水pH值均小于6.0，一般在4.5～6.5左右，在某些高硫煤礦中pH值低至2.5～3.0，甚至?xí)_到2.0[8]。為模擬固定化SRB原位治理酸性礦井廢水的效果，將進水pH值直接調(diào)至3，運行7天，重金屬處理效果如圖6～9所示。

圖6　中性處理反應(yīng)柱重金屬處理效果(pH=3)

圖7　不同前處理方式下Cu的去除效果比較(pH=3)

圖8　不同前處理方式下Ni的去除效果比較(pH=3)

圖9　不同前處理方式下Ni的去除效果比較

在其他條件不變的情況下改變進水pH值，觀察各體系對酸的耐受性。由圖6～9所示，雖然在pH條件改變很大的情況下，各體系重金屬去除率有所下降，但與pH值為5時總體趨勢一致，說明系統(tǒng)在外界條件的改變下能很快恢復(fù)穩(wěn)定，使重金屬去除率均保持穩(wěn)定狀態(tài)。從數(shù)據(jù)上來看，經(jīng)酸性處理的反應(yīng)體系雖然有所下降，但重金屬去除率也高于其他兩者，說明酸性處理反應(yīng)體系更容易適應(yīng)pH的變化，穩(wěn)定性優(yōu)于其他兩者。

3.3溫度對不同體系下SRB去除重金屬效果的影響

試驗初期，各體系處于30 ℃條件下。由于酸性礦井廢水水溫差異大，對微生物有較大影響，為研究不同溫度對各體系處理重金屬的影響，采用了6個溫度梯度(10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃)檢測溫度對各體系的影響。進水pH值為3，水力停留時間為1天，連續(xù)運行7天，不同試驗溫度對去除率的影響見圖10。

圖10　不同前處理方式下不同溫度時Cu的

圖11　不同前處理方式下不同溫度時Fe的

圖12　不同前處理方式下不同溫度時Zn的

圖13　不同前處理方式下不同溫度時Ni的

反應(yīng)體系在30～35 ℃之間運行時，溫度對重金屬去除率影響不大，但溫度低于20 ℃時，SRB生物活性受到抑制，重金屬去除率明顯下降，但反應(yīng)器仍在運行狀態(tài)，且酸處理反應(yīng)體系的重金屬去除率仍大于堿性和中性處理的反應(yīng)體系。由此可見，在受到相同外界環(huán)境影響條件下，經(jīng)酸性前處理體系的穩(wěn)定性要優(yōu)于其他兩者，具有更好的應(yīng)用性。

4　結(jié)論

1) 采用陶粒對SRB固定化重金屬進行實驗，發(fā)現(xiàn)以陶粒作為載體能很好地去除重金屬離子，而且陶粒價格低廉，使構(gòu)建體系成本低且去除重金屬效率穩(wěn)定。

2) 通過在不同條件下對不同前處理體系的試驗表明，酸性前處理體系Fe、Cu、Zn和Ni的平均處理率分別達到了98.7%，98.2%，98.1%和98.7%，均高于堿性處理和中性處理反應(yīng)柱體系，且連續(xù)運行過程中重金屬去除效率在90%以上。

3) 通過外界條件的改變，觀察不同預(yù)處理體系的抗沖擊能力，結(jié)果表明：酸處理反應(yīng)柱體系能更好地適應(yīng)外界條件的改變。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

Effect of Pretreatment of Carrier on Immobilized Sulfate-Reducing Bacteria Heavy Metal Treatment

HE Shuang-shuang, XU Jian-ping, HU Shou-heng

(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Using the sodium lactate as carbon source and ceramics as media of up-flow anaerobic packed bed reactor, the influences of pretreatment of carrier, low pH value and temperature on the effect of heavy metal treatment by sulfate-reducing bacteria were analyzed. Results show that the acid pretreatment method treatment efficiency of heavy metals is higher than other two kinds of pretreatment process efficiency of heavy metals by immobilized sulfate-reducing bacteria and the changes in the external environment impact resistant ability is superior to other two processes.

sulfate-reducing bacteria; ceramic; pretreatment of carrier; heavy metal; acid mine

2016-03-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51274001)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題基金資助項目(SKLCRSM10KFA05)

何雙雙(1990—)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要從事水環(huán)境治理與資源化研究； 通訊作者 徐建平(1956—)，男，安徽蕪湖人，教授，主要從事水環(huán)境治理與資源化研究，E-mail:xy1204@auts.edu.cn。

format：HE Shuang-shuang, XU Jian-ping, HU Shou-heng.Effect of Pretreatment of Carrier on Immobilized Sulfate-Reducing Bacteria Heavy Metal Treatment[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):63-68.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.010

X753

A

1674-8425(2016)08-0063-06

引用格式：何雙雙，徐建平，胡守恒.載體前處理對SRB處理重金屬的影響[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(8):63-68.