苗雅慧，祁詩(shī)月，陳吉，王佳，田炳陽(yáng)，辛寶平

(北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081)

隨著工業(yè)的發(fā)展，人類在進(jìn)行采礦、有色金屬冶煉等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了低pH、富含高濃度重金屬和硫酸鹽的酸性礦山廢水(AMD)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)礦山廢水的排放量占全國(guó)工業(yè)廢水排放總量的10%，但這其中只有不到5%得到了處理[1]。該酸性礦山廢水進(jìn)入自然環(huán)境后，會(huì)破壞自然界的硫循環(huán)平衡，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。在目前對(duì)于酸性礦山廢水的處理方法中，物理方法耗能大，操作條件苛刻；化學(xué)方法易產(chǎn)生二次污染物；而生物處理法中以硫酸鹽還原菌(SRB)為代表的微生物法，可以經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、綠色安全地處理酸性礦山廢水，得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

1 酸性礦山廢水的產(chǎn)生及危害

酸性礦山廢水主要來(lái)自于礦山的開采過(guò)程，目前已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要源頭[2]。在礦山生產(chǎn)過(guò)程中排放了大量的含硫廢石和尾礦，一旦暴露在濕氣和空氣中，硫化的礦物就會(huì)自發(fā)氧化。隨著反應(yīng)的發(fā)生，水的pH逐漸降低，導(dǎo)致了更多礦山廢物中金屬的溶解與遷移[3]。該過(guò)程取決于廢石的暴露時(shí)間、微生物過(guò)程和暴露于大氣中的氧氣等變量[4]，其限制步驟是Fe2+的氧化，但浸出細(xì)菌的存在會(huì)通過(guò)鐵離子和硫化合物的氧化來(lái)加速金屬硫化物的溶解[5]。

AMD的pH通常在4.5～5.5之間，有的甚至更低[1]。酸性的廢水會(huì)逐漸腐蝕所流經(jīng)的管道、水泵等設(shè)備，使更多的重金屬離子溶解于廢水之中；當(dāng)AMD排入水體后會(huì)導(dǎo)致水體中有機(jī)物含量增加，使得好氧微生物代謝增強(qiáng)造成水體缺氧，危及水生生物。當(dāng)水體中氧氣被耗盡，厭氧微生物分解加快，引起水體腐敗致使水質(zhì)惡化[6]。AMD中往往含有大量重金屬，若未經(jīng)處理排入土壤，隨著土壤表面水分的蒸發(fā)，重金屬鹽逐漸積累在土壤表層，引起土壤鹽堿化，破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；同時(shí)，土壤中的重金屬離子也會(huì)被農(nóng)作物吸收，通過(guò)食物鏈富集進(jìn)入人體，造成人體的慢性中毒。因此，對(duì)AMD的治理和資源利用迫在眉睫。

2 當(dāng)前酸性礦山廢水的處理方法

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)酸性礦山廢水的處理方法主要有物理化學(xué)法、人工濕地法和微生物法等。物理化學(xué)方法有離子交換、吸附、磁分離、膜處理和添加化學(xué)藥品沉淀等，后者是使用最廣泛的方法[7]，即通過(guò)添加堿性化學(xué)品(例如CaCO3、Ca(OH)2等)提高廢水pH值，使金屬沉淀為碳酸鹽和氫氧化物[8]。這種化學(xué)沉淀會(huì)產(chǎn)生大量被重金屬污染的污泥，造成二次污染且處理成本變高。此外，這些金屬氫氧化物對(duì)pH值變化敏感，與其他金屬形式(如硫化物)相比，穩(wěn)定性較差。與此相比利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水的方法，因其具有經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、綠色安全等優(yōu)勢(shì)，受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

圖1 SRB分解代謝示意Fig.1 The catabolism diagram of SRB

圖2 SRB的分解過(guò)程Fig.2 The decomposition process of SRB

SRB通過(guò)厭氧代謝過(guò)程消耗了污水中的有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生的S2-將污水中的重金屬離子以金屬硫化物的形式不斷沉淀下來(lái)。該過(guò)程可以用下式表示：

xH2S+2Mx+→ M2Sx(s)+2xH+

其中，CH2O代表有機(jī)物，Mx+代表金屬離子，M2Sx代表金屬硫化物沉淀。

這一過(guò)程使環(huán)境中的硫酸鹽和金屬離子濃度降低，同時(shí)使堿度增加，沉淀下來(lái)的重金屬也可被回收利用，故被廣泛地用于處理酸性礦山廢水。

3 應(yīng)用硫酸鹽還原菌對(duì)酸性礦山廢水的處理

3.1 厭氧生物反應(yīng)器技術(shù)

由于人們?cè)絹?lái)越關(guān)注將SRB用于酸性礦山廢水的處理，因此開發(fā)了許多不同的厭氧生物反應(yīng)器以研究其性能和規(guī)律。在固定床厭氧生物反應(yīng)器中接種SRB，在pH 7～8的條件下連續(xù)運(yùn)行7 d，可去除廢水中99.5%的銅[16]；在上流式厭氧生物反應(yīng)器中，當(dāng)HRT不小于38 h時(shí)，硫酸鹽去除率可達(dá)到75%，且較高的胞外聚合物(EPS)含量有助于絮凝污泥顆粒的粘附和連接[17]。

使用SRB法去除AMD中的重金屬與微生物的活性密切相關(guān)，SRB生長(zhǎng)的最佳碳源為乳酸鈉[18]，而在乙醇培養(yǎng)基中的硫酸根去除效果最好。雖然SRB法與其他物理化學(xué)方法相比成本較低，但在實(shí)際工程應(yīng)用中乳酸鈉、乙醇等試劑仍是一筆巨大的開銷，為了降低運(yùn)營(yíng)成本，活性污泥、生物質(zhì)等工農(nóng)業(yè)廢物作為碳源進(jìn)入了研究者的視野。Liu等[19]以污泥發(fā)酵濃縮物為SRB的碳源，對(duì)模擬AMD進(jìn)行了處理，當(dāng)進(jìn)水pH為6.0時(shí)，COD、硫酸鹽和重金屬去除效率最高(分別為68.2%，92.1%和100%)，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。但在另一項(xiàng)研究中，以活性污泥為碳源，在不控制pH的情況下，生物反應(yīng)器系統(tǒng)產(chǎn)生的堿度不能中和稀釋后的AMD的酸性，硫酸鹽去除率較低(38%)，銅的去除率只有 60.95%[20]。與活性污泥相比，家禽衍生的生物炭具有較高的表面積，更有利于SRB群落的聚集。以富含SRB的牛糞生物炭處理模擬廢水，可使出水水質(zhì)低于巴西官方標(biāo)準(zhǔn)[21]。除此之外，甘蔗渣[22]、菌菇堆肥[23]、米糠和谷殼[24]均可實(shí)現(xiàn)較持久的碳源供應(yīng)，有效去除廢水中的重金屬離子。

為了進(jìn)一步提高SRB處理酸性礦山廢水的效果，不少學(xué)者向生物反應(yīng)器中加入了不同的底物來(lái)提高SRB的代謝活性：蝦殼是一種良好的生物刺激底物和電子供體[25]；Fe0是SRB某些酶的主要成分，其添加有助于硫酸鹽還原過(guò)程；維生素C有助于SRB還原硫酸根；間歇添加Fe2+、Cu2+可有效解除硫離子的毒性抑制[26]，特別是100～200 mg/L Fe2+有助于SRB的生物修復(fù)[27]。從代謝和生物沉淀過(guò)程角度來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e2+可以通過(guò)增加氫化酶的活性來(lái)加速H+和硫酸鹽的消耗，從而促進(jìn)SRB的代謝活性。另外，生物沉淀形成的過(guò)量FeS可以作為氧化還原緩沖，防止污水中的金屬被空氣氧化重新污染水環(huán)境。

此外，水力停留時(shí)間(HRT)也會(huì)影響生物反應(yīng)器中微生物群落的豐度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響水處理效果。長(zhǎng)時(shí)間的HRT(4 d)有利于SRB的相對(duì)豐度，而短時(shí)間的HRT(1 d)影響了生物反應(yīng)器的厭氧條件，有利于嗜酸性化能菌的存在[28]。

3.2 聯(lián)合處理技術(shù)

酸性礦山廢水中含有多種污染物如高濃度硫酸鹽、多種重金屬離子等，這些污染物難以同步且高效的去除，采用其他方法與生物膜法聯(lián)用不失為一種有效的凈化工藝。

除膨潤(rùn)土復(fù)合顆粒外，電修復(fù)聯(lián)合技術(shù)可被用來(lái)處理被汞污染的、含有碘化物的酸性廢水[30]。使用電場(chǎng)將碘化汞絡(luò)合物移動(dòng)到陽(yáng)極溶液中，然后將陽(yáng)極溶液與SRB反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的H2S水溶液混合，產(chǎn)生硫化汞沉淀。即使陽(yáng)極溶液中碘化物的濃度很高，仍然可得到>99.9%的汞的去除率。

3.3 微生物固定化技術(shù)

目前SRB法存在三大不足：①現(xiàn)有技術(shù)中，在廢水中與SRB直接接觸的重金屬離子會(huì)對(duì)其產(chǎn)生毒害作用，影響SRB的正常生長(zhǎng)繁殖活動(dòng)；②SRB很難將添加的有機(jī)碳源全部吸收利用，導(dǎo)致出水COD偏高[31]；③酸性礦山廢水較低的pH值會(huì)影響SRB的生物活性。有學(xué)者發(fā)明了兩階段反應(yīng)器，即SRB在第一個(gè)反應(yīng)器中將硫酸鹽還原，之后富含硫離子的上清液進(jìn)入第二個(gè)反應(yīng)器中將重金屬離子沉淀[32]。該方法雖然避免了SRB直接接觸酸性礦山廢水，但仍未解決出水COD較高的問(wèn)題，為此，微生物固定化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

微生物固定化技術(shù)就是將液體中游離的微生物細(xì)胞利用物理或化學(xué)方法限制在一定空間區(qū)域內(nèi)[33]，又可細(xì)分為吸附法、包埋法、交聯(lián)法和無(wú)載體固定法。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)是在保持SRB活性的前提下，減少污泥產(chǎn)量，從而減小反應(yīng)器的體積[34]。與吸附法相比，包埋固定化填料可以使得細(xì)菌對(duì)重金屬有更強(qiáng)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順序?yàn)椋汗潭ɑ疭RB顆粒小球﹥SRB污泥﹥SRB懸浮菌液，且使用固定化SRB小球處理的模擬廢水中重金屬離子濃度最小，說(shuō)明固定化小球中SRB耐受性最大，對(duì)重金屬的去除率最高[36]。

內(nèi)聚碳源(ISIS)工藝，就是將SRB污泥和其生長(zhǎng)所需的有機(jī)碳源一同包埋于同一顆粒小球內(nèi)，將外界環(huán)境和SRB隔離開來(lái)，避免了污水中重金屬離子對(duì)細(xì)胞的毒害作用，使其有一個(gè)更加合適的生長(zhǎng)環(huán)境，從而增強(qiáng)細(xì)菌的耐受性，提高對(duì)廢水中重金屬的去除率[37]，同時(shí)加強(qiáng)SRB對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，解決出水COD值偏高的問(wèn)題。40% (NH4)2SO4和2% CaCl2的配比為最佳交聯(lián)劑[38]，使用該體系固定SRB，并在生物反應(yīng)器中循環(huán)4次，每次都能達(dá)到超過(guò)99%的鋅去除率[39]。在逆流厭氧生物反應(yīng)器中使用新型固定化SRB微球處理含高濃度鐵、銅、鎘、鋅的合成酸性礦山廢水，可得到>99.9%的重金屬去除率[40]。在上流式生物反應(yīng)器中，固定化SRB顆粒仍能表現(xiàn)出令人滿意的性能：出水pH值在7.8～8.3范圍內(nèi)，除Mn2+外，F(xiàn)e2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+的去除率均超過(guò)99.9%[41]。

3.4 微生物原位處理技術(shù)

盡管大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探索了SRB修復(fù)酸性礦山廢水的機(jī)理和影響因素，但是實(shí)驗(yàn)室終究無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)物理(如溫度)和化學(xué)(如AMD成分)參數(shù)，在實(shí)際修復(fù)工作中實(shí)用性有限，所以需要微生物原位處理實(shí)驗(yàn)。

Nielsen等[42]以蜜糖為碳源，在模擬地下原位條件的厭氧生物反應(yīng)器中進(jìn)行了14個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，研究了低溫環(huán)境對(duì)于SRB去除重金屬的影響。當(dāng)溫度從17 ℃(夏季)轉(zhuǎn)變?yōu)? ℃(冬季)，微生物種群組成仍保持穩(wěn)定，但溫度的降低使得鋅的去除率由夏季的89.3%降低到冬季的20.9%，鎘的去除率由夏天的90.5%降低到冬天的39%。

Vitor等[43]以Domingos礦的AMD為原料，以乙醇作為外加碳源，在上流式厭氧填充床反應(yīng)器(UAPB)中連續(xù)運(yùn)行了339 d。該系統(tǒng)速度快，性能好，易于啟動(dòng)，在運(yùn)行期間出水重金屬離子含量符合葡萄牙灌溉用水的法律要求。處理后的廢水中含有的過(guò)量硫化物被成功地用于合成硫化鋅納米粒子，不僅減少了生物修復(fù)過(guò)程中殘留物的環(huán)境問(wèn)題，還可以避免材料制備過(guò)程中使用的昂貴和有毒的化學(xué)藥品以及復(fù)雜的設(shè)備，成為一種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

Lefticariu等[44]在美國(guó)Tab-Simco煤礦進(jìn)行了5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模實(shí)驗(yàn)，在460 d的時(shí)間里用厭氧生物反應(yīng)器去除了高達(dá)92.5 t SO4、30 t Fe、8.950 t的Al和0.167 t的Mn，且添加了草本和木質(zhì)材料的反應(yīng)器有著更高的硫酸鹽和重金屬去除率，說(shuō)明有機(jī)碳基質(zhì)的存在和類型影響了整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和AMD修復(fù)效率。同時(shí)他們還提出，由于溫度和氧化物梯度的季節(jié)性變化可誘發(fā)先前形成的不穩(wěn)定氧化物的溶解，且微生物介導(dǎo)的硫酸鹽還原活性可能受到富鋁和富鐵相過(guò)度沉淀的抑制，所以在未來(lái)的設(shè)計(jì)中，必須增加一個(gè)預(yù)處理階段，在進(jìn)入生物反應(yīng)器之前將大部分溶解的鐵/鋁從進(jìn)水AMD中去除。

微生物原位處理的測(cè)量結(jié)果將反映實(shí)際的時(shí)間變化產(chǎn)生的AMD的影響，為SRB技術(shù)提供實(shí)際應(yīng)用，研究結(jié)果將有助于改進(jìn)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，提高SRB對(duì)酸性礦山廢水的處理效率。

4 展望

利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水是很有潛力的處理方法，具有成本低、可去除重金屬離子且無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在多個(gè)方面取得了較為詳細(xì)的研究成果。但是微生物在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)很多實(shí)際的問(wèn)題，針對(duì)酸性礦山廢水pH值較低的特點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)該在以下方面展開重點(diǎn)研究：

(1)馴化SRB使其具有更低的pH耐受值或者分離嗜酸性aSRB。SRB在中性環(huán)境中活性更高，而AMD極低的pH值會(huì)直接影響SRB的活性，從而影響重金屬的去除效率，因此可通過(guò)馴化、誘變等手段使現(xiàn)有SRB具有更低的pH耐受值或者尋找分離出嗜酸性的aSRB。雖然環(huán)境中存在著天然的嗜酸性aSRB，可在pH 2.2～2.5間選擇性沉淀出銅[45]，或在pH 4.0～5.0間沉淀出鋅、鎳和鈷[46]，但是目前對(duì)與SRB嗜酸性分離培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)成功率較低，需要更多的探索實(shí)驗(yàn)。

(2)應(yīng)用生物H2S處理酸性礦山廢水。在使用SRB處理酸性礦山廢水過(guò)程中，硫化物以三種形式存在于污水中：溶解性硫化氫(H2S)、不揮發(fā)性硫氫根離子(HS-)和硫離子(S2-)。環(huán)境pH值決定了H2S、HS-和S2-這3種硫化物的比率。當(dāng)pH值為6時(shí)，90%的硫化物以H2S的形式存在[47]，H+濃度越高，H2S濃度越高，也越容易揮發(fā)。酸性礦山廢水中較低的pH值不僅會(huì)破壞SRB細(xì)胞膜中酶的活性，還會(huì)增加H2S濃度，增加其對(duì)微生物的毒性，所以將H2S氣體吹脫，使其以氣體形態(tài)和AMD接觸，即可大幅度減少環(huán)境對(duì)于微生物的毒害作用，增加SRB優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度，提高硫酸根的去除率[48]。Silva等[49]已成功地將生物H2S用于AMD的處理，并達(dá)到較高的重金屬去除率。所以未來(lái)可增加這方面的研究，通過(guò)提高生物H2S的產(chǎn)氣率來(lái)提高對(duì)于重金屬的去除率。