硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水研究进展

王 淼，李泽兵，孙晓宇，张子妍，孙占学，吴昱萱，涂友谊

(1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013；2.东华理工大学 水资源与环境工程学院，南昌 330013)

酸性矿山废水(Acid Mine Drainage，AMD)是许多国家面临的最大水环境问题[1]。据估计，在1989年，全球约有72 000公顷的湖泊和水库受到矿山废水的严重破坏[2]。在我国工业废水排放总量中，矿山废水排放量就占了10%，而其中只有不到5%得到处理[3]。AMD因具有低pH值、高酸度、高硫酸盐和含有毒金属(如铀、砷、铁、镉、铅、铁、铜等)的特点[4]，若处置不当，势必会严重污染周边的土壤和水体环境，影响生态系统，危害动植物和人体健康[5]。近年，研究人员一直在研究通过各种处理技术(主要有物理方法、化学方法和生物方法)减轻AMD对环境的影响[6]。在众多处理技术中，物理方法耗能较大，条件苛刻；化学方法会产生大量化学污泥，易造成二次污染；而采用生物方法处理AMD具有成本低、产泥少、无二次污染和效率高等优点[7]。且以硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，SRB)法为代表的生物方法，不仅成本低，无二次污染，效率高，还能在去除AMD中硫酸盐的同时，回收金属不造成资源浪费[8]。

目前，利用SRB法处理AMD中高硫酸盐和金属已然成为国内外关注的焦点[9-11]，但大多数研究体现在实验室内寻求SRB的最佳参数上[12-13]。而对SRB法去除AMD虽有相关报道，但此类文献综述相对较少，且形式单一，同时综述SRB处理AMD中高硫酸盐和重金属的文献相对匮乏。因此，本文对近年来有关SRB及其工艺研究和SRB处理AMD等文献进行梳理，综述了AMD的来源及危害、SRB处理AMD的机理、SRB处理AMD效果的主要影响因素及简要介绍了处理AMD的生物反应器系统类型，并对SRB处理AMD提出挑战和展望。以期为SRB处理实地AMD提供工程应用基础并为未来SRB的研究方向和工艺提供支持。

1 酸性矿山废水来源及危害

1.1 酸性矿山废水来源

AMD的主要来源是矿山开采过程中产生的矿井水、自然降水和地表径流引起的地下水、矿山废料堆和采石场的地下水渗透以及油田在酸压钻井过程中的废水[14-15]。在金属矿床类，黄铁矿是产生AMD最主要的矿物，是金属硫化物矿物中最常见的成分之一。当这类金属硫化物矿物与水、氧气和微生物接触时，会发生一系列复杂的化学、物理和生化反应，进而引起地下水中硫酸盐和金属污染，最终导致AMD的产生。涉及的反应主要有以下四个[16]：

(1)

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O

(2)

Fe3++3H2O→Fe(OH)3+3H+

(3)

(4)

在反应过程中，不仅仅是铁的硫化物会发生上述反应，其他金属的硫化物(如镉、铀、镍、锌、铜等)也会发生类似的氧化反应，最终引起硫酸盐和金属污染，并产生AMD[17]。

1.2 酸性矿山废水危害

AMD由于高酸度、重金属和硫酸盐化合物的存在，与土壤和水体接触会危害环境，一旦存在于食物链中，会直接影响人类健康[18-19]。一方面，AMD对环境的影响表现在化学(例如环境中酸度和金属的增加)、物理(例如周围水体中光线穿透的减少)和生态(例如食物链和栖息地的改变、食物源的损失)三个层面。另一方面，水中存在的金属离子可长期留在自然生态系统中，并在食物链中不同程度的积累，引起慢急性疾病[20]。

2 硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水机理

2.1 硫酸盐还原菌介绍

BEIJERINCK在1895年发现了第一株硫酸盐还原菌株[21]。SRB是一类以单极鞭毛运动，单细胞，无芽孢，广泛存在于厌氧环境中，以有机物为碳源，把硫酸盐、亚硫酸盐和硫代硫酸盐还原为硫化物(S2-、HS-和H2S)的细菌总称[22-23]。此外，SRB作为一类多种多样的原核生物，根据rRNA序列分析可分为革兰氏阴性嗜温性SRB、革兰氏阳性产孢子SRB、嗜热SRB和嗜热古SRB四类[24]。据不完全统计，目前已发现的具有硫酸盐还原功能的细菌有60个属220多种[25]，包括利用碳源将硫酸盐还原为H2S的脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫单胞菌属(Desulfomonas)、脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)等，氧化脂肪酸并将硫酸盐还原为硫的脱硫菌属(Desulfobacter)、脱硫球菌属(Desulfococcus)和脱硫八叠菌属(Desulfosarcina)[26]。因其代谢还原硫酸盐的特性，SRB在AMD、固化重金属、材料保护等领域得到广泛应用[27]。

2.2 硫酸盐还原菌去除硫酸盐和金属机理

2.2.1 硫酸盐还原菌去除硫酸盐机理

在厌氧环境中，SRB以硫酸盐、亚硫酸盐等氧化态硫为电子受体，以有机物(乳酸、甲醇、乙醇等)作为电子供体和碳源，通过异化作用获得能量从而进行硫酸盐还原。SRB还原硫酸盐的过程主要包括分解阶段、电子转移阶段和氧化阶段[28]。SRB分解代谢过程如图1所示。首先在分解阶段，SRB在厌氧状态下，为维持自身代谢，把碳源分解为二氧化碳、水和乙酸，通过基质水平磷酸化，产生少量ATP和高能电子。接着进入电子转移阶段，SRB利用分解阶段产生的高能电子通过SRB特有的电子传递通道(如细胞色素C3、黄素蛋白等)逐级传递，同时产生大量的ATP。最后SRB在完成碳源分解和电子转移阶段的基础上进入氧化阶段，把前期产生的电子转移给氧化态的硫元素，氧化态硫元素得到电子被还原为S2-，此时需要消耗大量的ATP，并产生OH-和H2S。在整个代谢过程中，有机物既是碳源也是能源。产生的S2-和OH-可以沉淀AMD中的金属离子，提高AMD的pH值。

图1 SRB分解代谢示意图[29]

图在细胞内外变化示意图[29]

2.2.2 硫酸盐还原菌去除金属离子机理

SRB去除AMD中金属离子主要是通过氧化分解产生的S2-和H2S与金属离子结合成硫化物沉淀、分解有机物产生的CO2溶于水后沉淀金属离子、产生的OH-沉淀金属离子和通过SRB分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymer Substances，EPS)吸附络合金属离子等方式。

SRB在异化还原硫酸盐过程中，产生的S2-与水中U(IV)、Cu2+、Fe2+/Fe3+、Cd2+等重金属离子结合，因其溶度积非常低易形成难溶性的金属硫化物沉淀(如表1所示)，从而达到去除AMD中金属离子的目的[33]。王海霞等采用上流式厌氧填充床生物反应器处理含有高浓度的多种重金属离子的AMD，发现该生物反应器在进水pH=2.8和高浓度金属(Fe 463 mg/L、Mn79 mg/L、Cu76 mg/L、Cd 58 mg/L和Zn 118 mg/L)下，出水pH值范围为7.8～8.3，并且除Mn(42.1%～99.3%)外，Fe、Cu、Zn和Cd的去除效率均超过99.9%[34]。其中，SRB异化硫酸盐产生的S2-与沉淀AMD中的金属离子可以用下式表示：

表1 部分硫化金属的溶度积(18～25 ℃)[40]

(5)

(6)

(7)

式中：CH2O表示有机物，Me代表金属元素。

此外，SRB在分解有机物阶段产生的二氧化碳溶于水后形成的碳酸根也可以沉淀部分金属离子。例如，与AMD中Mn2+、Ca2+金属离子结合生成MnCO3和CaCO3沉淀。

而SRB在氧化阶段，产生S2-的同时，会产生OH-沉淀水中的部分金属离子，另一方面，OH-也可以提高水体的碱度，为SRB提供一个有利的生长环境。研究表明，麦饭石联合SRB修复酸性矿山废水可以使AMD的pH值由4.08提高到7.64[35]。

与前面三种去除AMD中金属离子机理不同，利用SRB分泌的EPS去除金属离子不是以化学沉淀的形式去除而是通过吸附络合作用。研究表明，EPS主要来源于细胞代谢过程中的细胞裂解和主动分泌等过程，是一种由蛋白质、多糖、核酸和腐殖质等高分子物质组成的聚合物，一般分布于微生物细胞表面及周围环境[36]。由于EPS对重金属具有吸附和螯合作用[37]，从而可以达到去除AMD中金属离子的目的。赵莹通过对SRB去除金属离子机理的研究表明，Cu2+主要以细胞吸附的形式被去除[38]。此外，EPS含有大量像羧基、羟基等可以与金属离子结合的阴离子官能团可以通过静电作用、离子交换、表面沉积和络合作用与AMD中的金属离子结合[39]。

3 硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水影响因素

SRB处理AMD受多种因素的影响，包括温度、硫酸盐和重金属的浓度、碳源、AMD的pH值、氧化还原电位、硫化氢毒性和水力停留时间等[41-43]。因此，研究这些因素对SRB高效处理AMD具有重要意义。而氧化还原电位、水力停留时间和硫化氢毒性对SRB处理AMD的影响已在前人研究中有详细的介绍[44-45]。本文重点对温度、硫酸盐和重金属的浓度、碳源和进水的pH值四个关键影响因素进行阐述。

3.1 pH值

pH值会影响微生物细胞膜内外渗透压及膜表面电荷的性质，进而影响细胞膜对物质的吸收[46]。最初的研究都认为，SRB只能在中性的条件下生长，一旦pH值小于5，SRB的活性将会受到抑制[47]。但是，研究学者发现通常SRB可以在pH值为5～9内正常生长，甚至在高酸性条件下仍能存活。这无疑对SRB处理AMD中的硫酸盐和金属有着极大的意义[48]。吴文菲等研究表明，在适宜的条件下，进水pH值在4以下，硫酸盐的去除率能达到60%[49]。ROWE等[50]在西班牙的废弃硫化矿场的AMD中分离出了一株可以在高酸(pH=2.5)环境下存活的SRB。

3.2 碳源

3.3 硫酸盐和金属浓度

AMD中硫酸盐和金属的浓度会影响SRB处理AMD的效果[55-56]。高浓度的硫酸盐和金属并不利于SRB处理AMD。硫酸盐浓度过高，会使SRB因细胞膜内外渗透压力差过大，造成SRB脱水死亡。MAREE等[57]发现，硫酸盐浓度过高时，Ca2+和Na+会对SRB的活性产生抑制。而AMD中的重金属因具有毒性，也会影响SRB的生长代谢[58-59]。研究[60]发现，重金属对SRB活性的抑制顺序为Cu>Cd>Ni>Zn>Cr>Pb。但是，并不是所有的重金属都会影响SRB的活性，有研究表明，重金属(Zn、Cd、Co、Ni和Cu)的存在对制革厂流出物中分离的嗜温硫酸盐还原菌株的还原没有显著影响[61]。此外，在低浓度下，SRB都能实现对不同金属(Cd2+，Cu2+，Ni2+，Fe3+，Pb2+和Zn2+)的去除，但在高金属浓度组合下，SRB会受到抑制[62]。当然，铁、锌和铬等金属是细菌生长所必需的微量营养素，在低浓度下会刺激SRB，只有在较高浓度下才有毒。因此，高负荷的硫酸盐和金属浓度不仅会影响SRB的活性还会削弱SRB处理AMD的效果。

3.4 温度

温度是影响微生物生长的最重要的因素之一。根据细菌生长的温度范围可以分为耐高温(55 ℃及以上)生长的嗜热菌、耐中等温度(20～55 ℃)范围生长的嗜温细菌和耐低温(-10～20 ℃)范围生长的嗜冷细菌。国内外研究表明，SRB适宜生长的温度为28～38 ℃[63]。马赛等在UASB反应器中改进了SRB对模拟AMD中硫酸盐的去除，结果表明，在35 ℃、C/S=3.0、pH=6.5、HRT=10 h的最佳运行条件下，硫酸盐的去除率最高达86.3%[64]。另外，温度也可以影响微生物体内酶的活性从而影响其自身的代谢和SRB还原速率[65]。国外学者发现，在水体温度为0.1 ℃下，硫酸盐的还原速率平均比室温(20 ℃)下低6倍，并且在Rybinsk水库发现，嗜冷SRB在14 ℃时，硫酸盐还原最快，而嗜中SRB在27～35 ℃时硫酸盐还原最快[66]。陈炜婷等[67]通过研究温度对SRB脱铊的影响发现，温度在30 ℃时，铊的去除率超过90%，低于28 ℃或大于32 ℃时，SRB对铊的去除率会降低。可见，温度过低或过高都会影响SRB处理AMD的效率，温度过低会使SRB代谢速率下降，温度过高会抑制SRB的生长。因此，适宜的温度能够为SRB处理AMD提供一个相对稳定的状态。

4 生物反应器

生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。而硫酸盐还原是伴随在厌氧生物反应器中，到目前为止，已经历了三个阶段的发展[68]。第一阶段的反应器是污泥与废水完全混合，完全利用生物污泥法处理废水，负荷较低；第二阶段的反应器是结合生物膜法，使用填料形成生物膜和保留活性污泥，将固体污泥停留时间和水力停留时间相分离，提高了系统负荷；第三阶段的反应器在第二阶段反应器的基础上使固相和液相充分接触，解决了前两阶段出现的短流和堵塞问题。根据去除AMD中金属的化学或生物机制，可分为主动式和被动式生物反应器。主动式和被动式生物反应器都被认为是处理AMD最有前途和潜力的处理系统，且这些生物反应系统提供了更紧凑的设计、高效的控制和更轻松的性能。此外，生物反应器系统正在实验室规模上进行广泛研究，其中部分反应器已充分应用于AMD中硫酸盐去除和金属回收。有研究发现使用几丁质作为底物加入到SRB生物反应器中可以有效提高反应器中金属和硫酸盐的去除效率[69]。

4.1 被动式生物反应器

硫酸盐还原被动生物反应器最近作为用于 AMD 治疗的有前途的生物技术受到了广泛关注[70]。AMD中的许多金属沉淀机制，如金属碳酸盐和氢氧化物的吸附和沉淀，都发生在被动生物反应器中。基于SRB法处理AMD的被动式生物反应器处理系统的应用主要包括通过底物注入表面[71]、湿地系统[72]、厌氧池[73]、渗透床[74]和渗透反应性屏障系统[75]。被动式生物反应系统处理AMD具有在低 pH值下金属去除率高、污泥稳定、较低资源投入(包括人工成本、运行和维护成本)等优点，但被动式生物反应系统也存在部分缺点，如处理AMD时占地面积较大、处理过程不易控制以及系统中SRB的活性易受到反应组分混合物(有机碳源)的影响。并且，现场被动式生物反应器系统性能也易受到AMD高负荷硫酸盐和金属毒性的限制。

4.2 主动式生物反应器

与被动式生物反应器系统不同，虽然主动式生物反应器系统需要持续的资源投入，但主动式生物反应器系统潜在的优势是选择性地回收AMD中的金属、显著降低AMD中硫酸盐的浓度和可预测且易于控制的性能。因此，运用主动式生物反应系统作为硫化生物反应器来消除重金属是更好的选择。表2总结了几种常见的处理AMD主动式生物反应器系统类型。

表2 基于SRB的主动式生物反应器类型[76]

5 结语与展望

SRB法处理AMD是一种高效、经济、环保的生物方法，能够同时去除AMD中的金属离子和高浓度硫酸盐。近年，在众多修复方法中脱颖而出，成为国内外学者研究的热点。然而，在实际应用中，因当地的地理环境、气候条件和AMD的性质不同，单一的处理方法往往具有一定的缺陷。结合在实际应用中可能出现的问题，未来可以重点围绕以下方面展开研究：

1)针对AMD的具体性质和实地应用中的气候特点，驯化或者诱变同时耐低温和低pH值的SRB既是现阶段的难点也是未来发展的重点。而单一的SRB法虽在处理AMD方面已取得不错的成果，但若结合其他工艺方法(如人工湿地)协同处理，集各种工艺方法的优点于一体，对AMD的处理效果可能会更好。因此，未来应加大力度开展SRB法与其他工艺组合的研究。

2)基于SRB处理AMD的生物反应器是近年的热门研究，其处理效果显著且易于控制，而对半被动的硫酸盐生物反应器系统虽有研究，但研究甚少。未来在继续研究主动式和被动式生物反应器的同时，应当关注半被动硫酸盐生物反应器的研究。

3)对于SRB修复AMD，在了解SRB异化硫酸盐机理的同时，应重点关注SRB与其他微生物对碳源的竞争作用，并展开对新型碳源和新型电子供体的研究。