以氢气为电子供体的硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水

祝传静，田森林，黄建洪，李英杰，胡学伟

（昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500）

矿产资源开发过程中产生的酸性矿山废水（acid mine drainage，AMD），具有低pH、高重金属和硫酸盐等特点[1-2]，因其位于河流上游，会导致下游水环境污染、破坏饮用水安全保障、土壤质量下降等问题[3]。传统采用石灰中和处理AMD存在中和废渣产生量大[4]、重金属含量高、堆存处置成本高等缺点。

硫酸盐还原菌（sulphate reducing bacteria，SRB）可将生化转化为S2-与AMD 中重金属反应形成金属硫化物沉淀[5-7]，其不仅无废渣产生，而且可实现废水中有价金属的回收[8-9]。SRB常以乳酸盐、乙酸盐、乙醇等[10-11]可溶性有机物为电子供体，但该类有机化合物易导致出水中有机物残留量大、COD高等问题[12-13]。Zhang等[14]以乳酸钠为电子供体的SRB 处理AMD，出水COD 为500mg/L；Pakshirajan 等[15]以乳酸盐为电子供体利用SRB 厌氧旋转反应器处理AMD，出水COD达200～400mg/L；Sahinkaya等[16-17]利用乳酸钠为电子供体的SRB流化床反应器处理AMD，出水COD 达400～600mg/L；Rodriguez等[18]以乙醇为电子供体利用SRB上流式厌氧污泥床处理AMD，出水COD 达500～700mg/L。上述研究均存在出水COD 残留严重等问题，需要进行后续深度处理。

氢气为清洁能源，可作为SRB 的电子供体，且以气体为电子供体的SRB 运用于AMD 处理的研究较少。Foucher 等[19]以H2/CO2为电子供体的SRB治理AMD，其侧重于气体传质和pH调控对重金属选择性沉淀的研究，对处理出水重金属、总有机碳（TOC）效果等还没有彻底研究。由于CO2进入水体易导致水体酸化，且其在SRB 还原系统中易被代谢转化为大量的乙酸等有机物，本文仅采用H2为SRB 唯一电子供体处理AMD，对生化反应进程中pH 和氧化还原电位（ORP）、目标代谢产物H2S和S2-、出水重金属和TOC 进行研究，以求为AMD的高效绿色处理提供一种可行途径。

1 实验材料与方法

1.1 菌种来源及培养

将SRB 菌种置于厌氧、温度适宜（为35℃）的环境下进行培养。培养液的组成（g/L）为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、碱微量元素各1mL/L[20]。酸性矿山废水为21mg/L Cu2+、190mg/L Fe2+、35mg/L Zn2+、29mg/L Mn2+，pH 为2.90，初始硫酸浓度分别为1432mg/L、2650mg/L和4865mg/L、。

1.2 实验装置及操作

实验装置如图1 所示，主要由气提SRB 反应器、反应沉淀池1、2 组成。反应器均由有机玻璃制成，其中气提SRB 反应器底部设有气体吹脱装置及磁力搅拌。N2、H2装置以0.005L/min的气体流速引入反应器。SRB 在代谢过程中会产生H2S 和S2-，采用N2、H2将SRB反应器中产生的H2S吹脱至反应沉淀池1 进行反应得到纯度较高的金属硫化物；将气提SRB 反应器中（∑S2-量及碱度较高）生化出水输送至反应沉淀池2进行酸碱中和、金属沉淀反应；将反应沉淀池2 中的上清液与培养基（体积比为1∶1）混合，该混合液（为还原氛围）作为物料引入气提SRB反应器。

1.3 实验方案

每隔3h 对气提SRB 反应器内pH、ORP、H2S和∑S2-进行测定。每隔1h 将该反应器中250mL 生化出水引入沉淀反应池2中进行搅拌，分别测定沉淀反应池2中重金属离子浓度。每隔6h对气提SRB反应器中TOC进行测定。

图1 气提式内循环反应流程

1.4 分析方法

pH使用pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司，PHS-3C）测定；ORP 采用自动电位滴定仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，ZD-2）测定；H2S 产生量采用吹脱-ZnCl2吸收法，再使用火焰原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司，TAS-990）进行测定；经吹脱后生化出水总溶解态硫化物∑S2-（HS-、S2-）使用硫离子浓度计（上海般特仪器有限公司，Bante 931-S）及亚甲基蓝法对比测定；重金属离子采用火焰原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司，TAS-990）测定；TOC采用总有机碳分析仪测定仪（杭州启鲲科技有限公司，CD-800S）分析；微生物群落结构选用16S rRNA技术进行群落结构分析。

2 结果与讨论

2.1 pH和ORP

图2 高、中、低硫酸盐浓度的反应器内pH和ORP变化

如图2 所示，体系中ORP 集中于-330～-420mV 之间，在该范围内SRB 生长代谢持续进行；当ORP＜-350mV 时，与pH、浓度相比，ORP不再是影响硫酸盐还原速率的主要因素[23]；在SRB 以H2为电子供体进行的生化代谢中，系统中的ORP 受体系中、还原性物质（H2SHS--S2-）等涉硫组分组成比例的控制。随着代谢底物被SRB 的不断生化代谢所消耗，以及代谢最终产物还原性物质（H2S-HS--S2-）的不断生成，反应体系中ORP呈不断下降的趋势[24]。

2.2 目标代谢产物H2S和∑S2-

图3 反应体系中SO42-的去除效果及代谢硫产物的变化情况

图4 高、中、低浓度反应器中涉硫组分演变规律

表1 高、中、低浓度反应器中各涉硫组分所占比例

表1 高、中、低浓度反应器中各涉硫组分所占比例

反应时间/h 3 12 18 24 30 36 48 4865mg/L SO24 -中O2 -各组分所占比例/%2650mg/L SO24 -中各组分所占比例/%1432mg/L SO24 -中各组分所占比例/%H2S ∑S2-总S SO24 -SO23 -H2S ∑S2-总S SO24 -SO23 -H2S ∑S2-总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 重金属的去除

图5 AMD中重金属离子的去除率及金属离子浓度变化情况

2.4 处理系统中TOC的变化

由于传统COD 测量值涵盖COD 还原性涉硫组分，研究采用TOC 作为生化处理出水中残留有机物衡量标准，高、中、低硫酸盐浓度的反应器内TOC 变化情况如图6(a)所示，反应器中TOC 随SRB还原反应的进行不断降低，最终出水TOC≤3mg/L。由图6(b)可看出，当质量浓度≤2650mg/L 时，随浓度的增加，SRB 降解TOC 的速率提升，当质量浓度＞2650mg/L时，随浓度增加，SRB降解TOC的速率减缓，产生该结果的原因可能是大量硫化物的积累对SRB 造成抑制，导致SRB对电子供体的利用能力降低。SRB如脱硫弧菌属既可利用有机营养生长也可利用无机营养生长[38-39]，其采用的固碳机制是还原型三羧酸循环（rTCA）[40]和还原型乙酰辅酶A 循环[41-42]；在生物固碳过程中脱硫弧菌属可利用（培养基中）进行生长并将部分转化成有机酸。因此，在无碳源投加的生物反应器中仍有可能检测到有机碳的存在。然而，反应体系中TOC 逐渐降低的原因可能是SRB利用上述的有机酸进行代谢，将该有机酸氧化形成分子氢，氢电子穿过细胞质并通过膜转移用于细胞质中电子受体硫酸盐的还原。以溶解性有机碳源作为电子供体，如乳酸盐，SRB对其的代谢转化过程为：乳酸盐→丙酮酸盐→乙酸盐+CO2

图6 高、中、低硫酸盐浓度的反应器内TOC变化、ln（C/C0）与反应时间的关系

[43]，因此短时间内SRB 不能将其完全转化，导致生化出水中有机碳含量较高。本研究中出水TOC≤3mg/L，远低于以有机物为SRB电子供体处理AMD的出水。

2.5 微生物群落结构

本研究采用16s rRNA 技术对生物反应器内微生物进行分析，如图7所示，反应体系中主要以脱硫弧菌属（Desulfovibrio） 为主，其相对丰度为38%；其次，假单胞菌（Pseudomonas）、不明梭菌属（unidentified_Clostridiales）相对丰度较为明显；假单胞菌可利用有机酸发酵产脂肪酶[44]，有的梭菌属可利用有机酸进行厌氧发酵制氢[45]。体系中脱硫弧菌属、假单胞菌、梭菌属之间存在有机酸（脱硫弧菌属代谢转化生成）的竞争关系，可能会使得反应出水TOC 很低。在H2培养条件下，脱硫弧菌属相对丰度最高，而与其竞争底物的产甲烷菌相对丰度很低，表明在该环境下脱硫弧菌属对底物的亲和力较强。Meulepas等[46]研究也表明SRB对氢的亲和力较其他微生物高。

图7 微生物在属水平上的相对丰度

3 结论

（1）反应体系中pH呈快速上升的趋势，24h可达到8.75～8.80；体系中ORP集中于-330～-420mV之间，在该范围内SRB生长代谢持续进行。

（2）48h反应器内H2S和∑S2-（HS-、S2-）的积累量分别为75～88mg/L，123～172mg/L。在无碳源的培养条件下，SRB的生长代谢及增殖缓慢，随废水的排放，生物反应器内生物量留存低，导致硫酸盐还原效率较低。

（3）反应体系中Zn2+、Fe2+、Cu2+和Mn2+的去除率分别达94.3%、94.7%、97.5%和81.7%；重金属Cu2+和Zn2+的出水浓度为0.52mg/L 和1.99mg/L，其出水水质可达《污水综合排放标准》一级标准。本研究250mL 生化出水可将1000mL、pH=2.90 的AMD调节至pH=6.9，对Mn2+、Fe2+的去除速率也相对较高。

（4）反应器出水TOC≤3mg/L，较传统有机碳为电子供体具有优势；当反应器中质量浓度≤2650mg/L 时，随浓度的增加，SRB 降解TOC的速率提升，当质量浓度＞2650mg/L 时，浓度的增加，SRB降解TOC的速率减缓。

（5）反应器中微生物主要以脱硫弧菌属为主导，假单胞菌、梭菌属的相对丰度也较为显著。