（环境工程专业论文）以油菜秆为缓释碳源srb处理含重金属废水.pdf

答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 一：弧冲粼拙婵撇 委员：矽渗杠合肥工业大学教授 锄拗垒 合肥工业大学 教授 合肥工业大学 教授 合肥工业大学 副教授 导师：尹可琵譬 合肥工业大学 教授 多议和 秒 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒月巴些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一签字割铲f 年q 月下 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴工些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 撇轹司构 磐日驯年午月午 i i i i i i i i i - 导师签名： 签字日期：矿柳年印月7 日 电话： 邮编： 以油菜秆为缓释碳源s r b 处理含重金属废水 摘要 针对日益严重的重金属污染问题，本文以生物质固体废弃物油菜秆作为硫酸 盐还原菌生长的缓释碳源、附着载体、重金属吸附和矿化产物的附着界面，分别在模 拟尾矿柱和油菜秆固定床中利用硫酸盐还原菌的生物矿化作用沉淀和固定重金属，并 对其生物矿化过程进行研究。 本文首先验证了以油菜秆作缓释碳源硫酸盐还原菌处理含重金属废水的可行性。 结果表明：在模拟尾矿库顶端添加油菜秆，经活性污泥接种后，将矿山酸性排水从上 至下淋滤至模拟尾矿库底端，硫酸盐还原菌可以利用秸秆中的碳源，将2 5 5 7 的s 0 4 厶 还原为h 2 s ，进而与矿山酸性排水中的重金属生成沉淀，形成生物矿化，使重金属去 除率达到9 9 5 以上；而在未添加油菜秆的模拟尾矿库中，只存在石英砂吸附作用， 重金属很快被吸附饱和，恢复到进水浓度。此法也可用于矿山酸性排水在尾矿库中的 原位修复。 油菜秆固定床同样对含重金属废水有很好的处理效果。经两周培养驯化，处理p h 为4 5 6 0 的矿山酸性排水，c u 、z n 、c d 、a s 和总f e 去除率分别达到9 6 3 6 、8 2 0 2 、 8 5 7 1 、9 1 8 0 和7 0 2 1 ；p h 为4 5 时，出水氧化还原电位上升，硫酸盐还原菌活 性受到酸度抑制；反应后油菜秆表面生成新的硫化物矿物。油菜秆固定床处理7 7 6 0 u l 的含a s 酸性废水，反应2 0 天内a s 去除率保持在8 3 3 2 以上，之后硫酸盐还原 菌渐渐受到a s 的毒性抑制而失活；废水中添加f e s 0 4 ，通过铁硫化物、铁氧化物的 吸附作用可继续去除a s 。秸秆固定床可通过生物和化学的作用将c r ( v i ) 转化为低毒 性的c r ( i i i ) ，并在秸秆表面生成c r ( i i i ) 的硫化物和氢氧化物，固定重金属c r ；固 定床中硫酸盐还原菌对c r ( v i ) 的耐受浓度为l9 5 2m g 1 。附着在油菜秆上的重金属 最终可随反应后油菜秆通过火法冶炼回收利用，同时达到农作物固体废物合理处置和 含重金属废水污染治理的目的，以废治废。 关键词：油菜秆；硫酸盐还原菌；重金属；矿山酸性排水；c r ；生物矿化 t r e a t m e n to fh e a v ym e t a ls e w a g eb ys r b u s i n gr a p es t r a wa s s l o w r e l e a s ec a r b o ns o u r c e a b s t r a s t a i m e da t r e l i e v i n g t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e mo fh e a v ym e t a l p o l l u t i o n ，a b i o m i n e r a lt r e a t m e n t b ys u l p h a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) i nt h e s i m u l a t e d t a i l i n g i m p o u n d m e n ta n dr a p es t r a wf i x e db e dw a ss t u d i e d t h er a p e s t r a ww a su s i n ga s s l o w - r e l e a s ec a r b o ns o u r c ea n dc a r d e rf o rs r ba sw e l la si n t e r f a c i a lo fh e a v ym e t a l a b s o r b t i o na n dm i n e r a l i z ep r o d u c t st op r e c i p i t a t eh e a v ym e t a l f i r s t l y , t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sb i o m i n e r a lt r e a t m e n to fh e a v ym e t a lw a sp r o v e di n d o w n f l o wa n e r o b i cc o l u m n sw h i c hs i m u l a t i n gt a i l i n gi m p o u n d m e n t t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ，w h e nam i x t u r eo fr a p es t r a wa n da c t i v i t e ds l u d g ew a sa d d e do nt o po fq u a r ts a n d st o t r e a ta c i dm i n ed r a i n a g e ( a m d ) i ns a m p l ec o l u m n ，t h er a p es t r a wc o u l db eu s e db ys r b ， t h u sr e d u c e d2 5 5 7 s u l f a t et ob i o g e n i ch y d r o g e ns u l f i d ew h i c hi se n o u g ht om e t a l p r e c i p i t a t i o n ( 9 9 5 ) a n db i o m i n e r a l i z a t i o n h o w e v e lt h e r ei so n l ya d s o r p t i o no fh e a v y m e t a lb yq u a r ts a n d si nt h ec o n t r o ls a m p l ew h i c hh a sn or a p es t r a wa n ds l u d g e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a li nt h ee f f l u e n ta s c e n d e dt oi n f l u e n to n es o o na f t e rs a t u r a t e d t h e n ，t h eh e a v ym e t a ls e w a g ew a st r e a t e di nr a p es t r a wf i x e db e d ，a n dt h ep r o m i s i n g e f f e c tw a sm a n i f e s t e d s i m u l a t e da m d ( p h4 5 - 6 0 ) w a st r e a t e da f t e rt w o - w e e k a c c l i m a t i z a t i o n ，t h er e m o v a lr a t e so fc u ，z n ，c d ，a sa n dt o t a lf ew e r e9 6 3 6 ，8 2 0 2 ， 8 5 7 1 ，9 1 8 0 a n d7 0 2 1 ，r e s p e c t i v e l y ；w h e np hw e n td o w nt o4 5 ，t h ev a l u eo fo r p s t a r t e dt or i s e ，s h o w i n gt h ea c i d i t yi n h i b i t i o no fs r b ；t h e r ew a sn e w l yf o r m e ds u l f i d e m i n e r a le x i s t e do nt h es u r f a c eo fr a p es t r a wa f t e rr e a c t i o n a c i ds e w a g ec o n t a i n i n ga s ( 7 7 6 0p l ) c o u l da l s ob et r e a t e di nr a p es t r a wf i x e db e d ，8 3 3 2 o fa sw a sr e m o v e di n t h ef i r s t2 0d a y s ，t h e nt h e r ew a sl i t t l et r e a t m e n tw i t hs r bs u p p r e s s e db yt h et o x i c i t yo fa s g r a d u a l l y ；a f t e ra d d i n gf e s 0 4 i n t ot h es e w a g e ，r e s i d u a la sa b s o r b e db yi r o ns u l f i d ea n d i r o nh y d r o x i d e c r ( v i ) c o u l db er e d u c e dt ol o wt o x i cc r ( i i i ) a n dg e n e r a t es u l f i d ea n d h y d r o x i d et h r o u g hb i o l o g i c a la n dc h e m i c a la c t i o n ，t h u ss e t t l e di nr a p es t r a wf i x e db e d ；t h e t o l e r a n c ec o n c e n t r a t i o no fc r ( v 1 1b ys r bi nt h ef i x e db e di s19 5 2m g 1 a i lt h eh e a v y m e t a l sa t t a c h e dt ot h er a p es t r a w c o u l db er e c y c l e dt h r o u g hs m e l t i n g ，s oi ti sf e a s i b l ea n d e c o n o m i c a lf o rb i o m i n e r a lt r e a t m e n tf o rh e a v ym e t a ls e w a g eb ys r bu s i n gr a p es t r a wa s s l o w r e l e a s ec a r b o ns o u r c e k e yw o r d s ：r a p es t r a w ；s u l p h a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ；h e a v ym e t a l ；a c i dm i n ed r a i n a g e ； c r ；b i o m i n e r a l i z a t i o n 致谢 时光荏苒，岁月如梭，举笔即将完成硕士论文的时候，猛然发觉三年的学 习生活转眼就要结束了，人生又将写下新的篇章。在这离别之际，带着依依不 舍的心情，研究生阶段的点点滴滴显得更加弥足珍贵。 首先，我要感谢我的导师陈天虎教授。陈老师广博的学识、深厚的学术素 养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在三年的研究生生 涯中，他对我耐心的指导、鼓励和启迪使我对科研这条道路产生了崇敬与兴趣。 没有陈老师对我的悉心栽培和每一次的指点迷津，就不会有本文的完成。他永 远是我学问的导师，人生的导师。其次，我要感谢资源与环境工程学院的彭书 传老师、谢巧琴老师、朱承驻老师、王进老师、岳正波老师、陈冬老师和周跃 飞老师，感谢他们对我的实验思路、分析测试方法和论文撰写的悉心指点和帮 助。再次，我还要感谢本课题组的何准、刘海波师兄、金鑫、常冬寅、苏宇师 姐等在我每一次遇到问题时伸出温暖的双手，鼓励我在困境中乐观向上。还有 何光亚、王国刚、章红、张楠、黎少杰、朱鸿杰、李艳萍、史亚丹、王彦明、 杨燕等同门各位学友，同寝室好友吴琼、周文娟和刘晓薇，感谢他们对我实验 和生活上的关心和帮助，认识大家是很开心而幸运的事。 谨向我的父母和家人表示诚挚的谢意! 感谢他们为我提供良好的学习生活 环境和精神支持，他们是我生命中永远的依靠和支持，他们无微不至的关怀， 是我前进的动力；他们的殷殷希望，激发我不断前行。同时，我很感激刘金星 同学对我莫大的包容和关心，感谢生命中与他的相遇、相识、相知。 走在熟悉的校园林荫道，踏上纬地楼、图书馆，想起各位同窗的相伴和老 师的指导，心中感慨万千。人生的这一个篇章即将落幕，无论是继续深造还是 走上工作岗位，我都将怀揣着研究生三年丰富的人生宝藏，继续前行! 刘畅 2 0 11 年3 月1 日 目录 前言1 第一章绪论一2 1 1 含重金属废水的来源及危害2 1 1 1 矿山酸性排水( a m d ) 的来源及危害2 1 1 2 含c r ( v i ) 废水的来源及危害4 1 2 硫酸盐还原菌生物矿化处理含重金属废水5 1 2 1 硫酸盐还原菌( s r b ) 概述6 1 2 2s r b 处理含重金属废水的原理一9 1 2 3s r b 处理含重金属废水的国内外研究现状10 第二章以油菜秆作s r b 缓释碳源处理a m d 可行性研究1 4 2 1 实验材料和仪器1 4 2 1 1 实验材料1 4 2 1 2 实验仪器1 4 2 2 实验方法1 5 2 2 1 实验设计1 5 2 2 2 测试方法1 6 2 3 实验结果与讨论一1 9 2 3 1 油菜秆对s 1 、s 0 硫酸根、c o d 浓度的影响一2 0 2 3 2 油菜秆对s l 、s op h 和o r p 的影响2 l 2 3 3 油菜秆对s 1 、s 0 重金属离子浓度的影响2 2 2 3 4s l 固体样分析2 4 2 4 小结2 5 第三章油菜秆固定床处理a m d 及其生物矿化过程2 6 3 1 实验材料和仪器2 6 3 1 1 实验材料2 6 3 1 2 实验仪器2 6 3 2 实验方法2 6 3 2 1 实验设计2 6 3 2 2 测试方法2 7 3 3 实验结果与讨论2 9 3 3 1 固定床硫酸盐还原率、硫化物和d o c 的变化2 9 3 3 2 固定床p h 和o r p 的变化一3 1 2 3 3 固定床对重金属离子的去除效果一3 2 3 3 4 固定床反应后固体样分析一3 5 3 4 小结3 6 第四章秸秆固定床处理含a s 酸性废水及其生物矿化过程3 8 4 1 实验材料和仪器3 8 4 1 1 实验材料3 8 4 1 2 实验仪器3 8 4 2 实验方法3 8 4 2 1 实验设计3 8 4 2 2 测试方法一3 9 4 3 实验结果与讨论4 1 4 3 1 固定床硫酸盐还原率、硫化物和d o c 的变化4 l 3 3 2 固定床p h 和o r p 的变化4 2 4 3 3 固定床a s 和f e 浓度变化4 3 4 3 4 固定床反应后固体样分析4 4 4 4 小结4 7 第五章秸秆固定床处理含c r ( v i ) 废水及其生物矿化过程4 8 5 1 实验材料和仪器4 8 5 1 1 实验材料4 8 5 1 2 实验仪器4 8 5 2 实验方法4 8 5 2 1 实验设计4 8 5 2 2 测试方法一4 9 5 3 实验结果与讨论5 0 5 3 1 固定床硫酸盐还原率、硫化物和d o c 的变化5 1 5 3 2 固定床p h 和o r p 的变化5 2 5 3 3 固定床铬浓度的变化5 3 5 3 4 固定床反应后固体样分析5 4 5 4 小结5 6 等六章结论瓤晨望。” 6 1 结论5 7 6 2 展望5 7 参考文献5 9 插图清单 图1 1 铜陵新桥硫铁矿废石场照片4 图1 2 凤凰山相思谷尾矿库照片4 图1 3 硫酸盐还原菌的扫描电镜图片6 图1 4s r b 的分解代谢过程8 图1 5s r b 以油菜秆为碳源还原硫酸盐的过程1 3 图2 1 实验装置示意图( 反应柱s 1 ，固体样1 取自秸秆位置中部，固体样 2 - 9 自上而下取自石英砂部位；对照柱s 0 ，仅填充石英砂) 1 5 图2 2 半纤维素、纤维素、木质素的系统定量分析程序1 6 图2 3 驯化后s l ( a ) 、s 0 ( b ) 柱顶端颜色1 9 图2 4s 1 ( a ) ，s o ( b ) 9 0 天内硫酸根和c o d 的变化一2 1 图2 59 0 天内s 1 ，s op h 值( a ) 和o r p ( b ) 的变化2 2 图2 - 6s 1 ，s 0 出水铜( a ) 、锌( b ) 、镉( c ) 浓度的变化2 3 图2 7 反应后s 1 中总细菌数和s r b 数变化趋势2 4 图2 8s 1 柱中s e m 图片( a ) 和e d s 谱图( b ) 。b 代表细菌，m 代表金属硫化 物2 5 图3 1 油菜秆固定床装置图2 7 图3 2 油菜秆固定床处理模拟a m d 硫酸硫酸盐还原率和硫化物含量变化 ：；( ) 图3 3 有机碳化物在s r b 作用下的厌氧消化过程。3 0 图3 4 油菜秆固定床处理模拟a m d 的d o c 含量变化3 1 图3 5 油菜秆固定床处理模拟a m d 的p h 和o r p 变化3 2 图3 - 6 油菜秆固定床处理模拟a m d 的铜( a ) 、锌( b ) 、镉( c ) 、砷( d ) 、铁( e ) 浓 度变化3 4 图3 7 油菜秆固定床处理模拟a m d 细菌s e m 图片。b 代表s r b 。3 5 图3 8 油菜秆固定床处理模拟a m ds e m 图片( a ) 和e d s 谱图( b ) 。m 代表 金属硫化物3 5 图3 - 9 油菜秆固定床处理模拟a m d 反应产物( a ) 的x 射线衍射图谱和分峰 拟合结果( b ) 一3 6 图4 1 油菜秆固定床处理模拟a m d 硫酸硫酸盐还原率和硫化物含量变化 z i l 图4 2 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水的d o c 含量变化4 2 图4 3 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水的p h 和o r p 变化4 3 图4 4 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水的砷( a ) 、铁( b ) 浓度变化4 4 图4 5 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水s e m 图片( a ) ( b ) 和e d s ( c ) 能谱。 z i ! 图4 6 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水油菜秆水解s e m 图片4 5 图4 7 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水反应产物x r d 4 6 图4 。7 油菜秆固定床处理含a s 酸性废水反应产物砷的形态4 7 图5 1 油菜秆固定床处理含c r ( v i ) 废水硫酸硫酸盐还原率和硫化物含量变 化5l 图5 2 油菜秆固定床处理含c r ( v i ) 废水的d o c 含量变化5 2 图5 3 油菜秆固定床处理含c r ( v i ) 废水的p h 和o r p 变化5 3 图5 4 油菜秆固定床处理含c r ( v i ) 废水的进水、出水c r 浓度变化5 3 图5 5 油菜秆固定床处理含c r 废水s e m 图片( a ) 和e d s 能谱( b ) 。5 4 图5 - 6 油菜秆固定床处理含c r 废水废水油菜秆水解s e m 图片5 5 图5 7 油菜秆固定床处理含c r 废水产物表面c r 2 p x p s 谱图5 6 表格清单 表1 1 目前已知的硫酸盐还原菌分属和它们的一些特性7 表1 2 硫酸盐还原菌的生化代谢反应8 表1 3 部分金属硫化物溶度积( 1 8 2 5 ) 1 0 表1 4 近年来安徽省油菜秸秆数量估算( 1 0 3 公顷，万吨) 1 2 表2 1 牛肉膏蛋白胨培养基成分表1 8 表2 2 硫酸盐还原菌培养基成分表1 8 表2 3 反应后s 1 中总细菌和s r b 数量表2 4 1 j l 刖舌 矿山开采、机械加工等都不可避免地产生大量含重金属废水。重金属具有 毒性，如不加以处理而直接排放至受纳水体，不仅会对环境造成极大的危害， 还将会随着生态系统的物质循环和食物链等复杂生态过程，不断迁移、转化、 积累与富集，由量变到质变，最终在人体内积聚，进而危及人体健康与动植物 的生存，造成各类严重的水环境灾害事件。 矿山的开采由于改变了原有的地质环境，使大量在还原环境下稳定的硫化 物( 黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿等) 暴露于地表，发生风化氧化，产 生了大量的矿山酸性排水( a c i d i cm i n ed r a i n a g e ，简称a m d ) 1 - 3 】，包括矿坑 水、选矿废水、尾矿库和废石场排出的淋滤雨水。a m d 的p h 值较低，含有高 浓度硫酸根离子和金属离子，会导致长期的地表、地下水重金属污染和生态环 境破坏，每一座产生酸性废水的矿山都是一个生态定时炸弹，即使矿山关闭， 这种生态危害和危险性依然长期存在几十年甚至几百年【4 】。目前国内外防治 a m d 的措施主要是向废水中投加石灰、石灰石等碱性物质化学中和，经济成 本高，产生的污泥和沉淀还会造成二次污染。 c r ( v i ) 是被公认的危害环境最严重的公害之一，是重金属污染物治理的重 中之重【5 一】。目前国内外主要的含c r ( v i ) 废水处理技术分为化学法、离子交换法、 电解法、吸附法、膜分离法、生物法等【9 。4 1 ，其中生物处理作为一种治本且无 二次污染的新技术，正是未来发展的方向。 本论文在国家9 7 3 重点项目支持计划：若干生命活动中矿化作用的环境响 应机制研究微生物群落分解矿物的机理及其对生态环境影响( 项目批准号： 2 0 0 7 c b 815 6 0 3 ) 和国家自然科学基金：秸秆为碳源硫酸盐还原菌生物矿化动力 学和产物介观尺度研究( 项目批准号：4 0 8 7 2 0 4 7 ) 的支持下，主要研究以下几 个方面的内容： ( 1 ) 验证硫酸盐还原菌以廉价的农作物废弃物油菜秆作缓释碳源，生物矿 化处理含重金属废水的可行性，揭示油菜秆微生物矿物介观尺度成分，形貌 及结构特征； ( 2 ) 以油菜秆作为硫酸盐还原菌生长的缓释碳源和附着载体，以及重金属 吸附和矿化产物的附着界面，研究油菜秆固定床处理含重金属酸性废水的处理 效果及其生物矿化机理； ( 3 ) 研究油菜秆固定床单独处理含a s 酸性废水的机理，以及在硫酸盐还 原菌受到抑制后如何通过铁的作用继续去除a s ； ( 4 ) 研究油菜秆固定床处理含c r ( v i ) 废水的处理能力，探讨铬的生物化学 还原机制和矿化机理。 第一章绪论 1 1 含重金属废水的来源及危害 含重金属废水主要来源于矿山开采业、机械加工、钢铁及有色金属的冶炼 以及部分化工企业。重金属污染物往往以不同的化学形态、并伴随着一些非金 属物质一起随废水排放的，会对环境和人体产生严重的危害。 1 1 1 矿山酸性排水( a m d ) 的来源及危害 据统计，我国各类矿山废水的排放量占全国工业废水总排放量的10 左右 【15 1 ，其中矿山废水中污染范围最广、危害程度最大的是矿山酸性排水【1 6 】。矿 山酸性排水来源于硫化矿系矿山的开采活动【l7 1 。矿山开采使还原条件下稳定的 硫化物矿物( 特别是黄铁矿) 暴露于氧气和水中，发生风化氧化，释放出p h 低于3 且富含硫酸盐和重金属离子( c u 、z n 、n i 、c d 、c r 、a s 、f e ) 的酸性浸出 液，即矿山酸性排水【1 8 。2 0 1 。矿山酸性排水是一个全球性的问题，许多学者都对 其成因进行了大量研究，它不仅与矿山排水有关，还与硫化矿物在开采加工过 程中的排放物有关【2 。以下以黄铁矿氧化产酸过程来简要说明酸性矿山排水的 产生【2 2 】： ( 1 ) 黄铁矿在氧的作用下生成硫酸和硫酸亚铁 2 f e s 2 + 7 0 2 + 2h 2 0 2 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4 ( 1 1 ) ( 2 ) 亚铁离子在游离氧或细菌存在时氧化成高铁离子 4 f e 2 + + o ，+ 4 h + 4 f e 3 + + 2 h ，o 即 4 f e s 0 4 + 0 2 + 2 h 2 s 0 4 2 f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 2 h 2 0 ( 3 ) 高铁离子水解或氧化黄铁矿 f e 3 + + 3 h 2 0 f e ( o h ) 3 + 3 h + 即 f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 6 h 2 0 2 f e ( o h ) 3 + 3 h 2 s 0 4 或14f e 3 + + f e s 2 + 8 h 2 0 一一15 f e 2 + + 2 s 0 4 2 + 16 h + 上式可能分为如下两步： f e s ，+ 2 f e 3 + 一一3 f e 2 + + 2 s o 2 s o + l2 f e 3 + + 8 h 2 0 一一f e 2 + + 16 h + + 2 s 0 4 2 。 或 2 s ”+ 30 2 + 2 h 2 0 一一2 h 2 s 0 4 实验发现【2 2 1 ，在三价铁离子存在的情况下，产酸的主要因素不是氧对黄铁 矿的氧化作用，而是三价铁离子对黄铁矿的氧化作用，这使得反应式( 1 2 ) 和 ( 1 4 ) 构成循环，可用如下模式来表示： 2 ) ) ， 2 ” k 5 “ “ “ f e s 2q 2 f e 2 + i l + 0 2 上 f e 2 + 竺f e 3 + 石= 立f e ( o h ) 3 黄铁矿的氧化产酸过程可划分为两个阶段：第一阶段反应以自然界中的氧 参加为主，主要产物是硫酸和硫酸亚铁，且在氧充足时亚铁可被氧化为高铁， 此过程极为缓慢；第二阶段反应是当p h 值降至4 5 以后，细菌参与了黄铁矿的氧 化过程而发生的，此过程比第一阶段快。与黄铁矿产酸有关的细菌主要有氧化 铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化铁硫杆菌生金属菌，在一定的p h 值和温度范围 内，这些细菌有较强的催化氧化活力，常温下可使硫铁矿的氧化速率提高几十 倍。 f e 2 + 吣伊氧化型细胞色素c 吣尸还原型细胞色素a 吣尹0 2 f e 3 + b 还原型细胞色素c 吣氧化型细胞色素c 吣h 2 0 a d p + p a t p 如此循环得以使生物氧化持续发展，导致大量酸性废水产生。 我国对硫化矿山的开采历史渊源悠久，近年来，有很多未被开发完全的矿 山被搁置，开采完的尾矿库也都是未经处理而直接暴露于空气中，如果不经处 理进入其他含水层或涌入地表水，将会导致长期的重金属污染和生态环境破坏。 矿山酸性排水的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 矿山酸性排水的p h 值一般为4 5 6 5 ，某些硫铁矿含量较高的矿山a m d 的p h 值为2 5 3 0 ，甚至低至2 0 t ”】。这些酸性废水不仅会腐蚀管道、水泵、钢 轨等矿井设备，同时威胁着拦污、蓄污设施的安全与稳定1 2 4 j ； ( 2 ) 矿山酸性排水排入附近河流、湖泊和农田后，会使农作物发黄，甚至 枯萎、死亡，土壤盐碱化，废水中的重金属不易随水淋溶，且不易被生物降解， 易被生物富集于生物体内，从而危害鱼类和其他水生生物的生长，严重影响农 作物的产量和质量1 2 5 。 ( 3 ) 矿山酸性排水对人类的危害极为严重，废水中的重金属通过食物链进 入人体后，能和生理高分子物质发生作用而使其失去活性，也能在人体的某些 器官积累，造成慢性中毒，居民吃了含有重金属离子的动植物，将引起中毒， 导致皮肤癌及肝癌。据文献报道f 2 引，一座特大型矿山的选矿废水流入附近的流 域而造成的污染，对附近农村居民饮用水( 家庭自用井水) 水质产生了较大影 响，其中铅、砷、汞元素含量均高于对照村，农村居民的死亡率是对照村的1 9 9 倍。 基于我国目前绝大多数尾矿库都处于病、危状态这种现状，对矿山酸性排 水进行治理，迫在眉睫。 3 图1 1 铜陵新桥硫铁矿废右场照片 f i gl 一1t h ep h o t oo fp y r e t i cd e a dr o c ki nt o n gl i n gx i nq i a o 图1 - 2 凤凰山相思谷尾矿库照片 f i gl 一2t h ep h o t oo fm i n et a i l i n gi nx i a n g s iv a l l e yo ff e n g h u a n gm o u n t a i n 1 1 2 含c r ( v i ) 废水的来源及危害 铬作为“五毒之一，对生物、土壤、水体都会产生严重的危害。废水中 的铬有c r ( v i ) 和c r ( i i i ) 之分，研究表明，c r ( v i ) i 拘毒性为c r ( i i i ) l 拘1 0 0 倍【2 7 ，2 8 1 。 含c r ( v i ) 废水主要来源于电镀、皮革加工、木材防腐等工业，特别是电镀行业。 电镀时利用化学的方法对金属和非金属表面进行装饰、防护及获取某些新的性 4 能的一种工艺过程。为保证电镀产品的质量，使金属镀层具有平整光滑的良好 外观并与其牢固结合，电镀时必须在镀前把镀件( 基件) 表面上的污物( 油、 锈、氧化皮等) 彻底清理干净，并在镀后把镀件表面的附着液清洗干净。因此， 电镀生产过程中必然排出大量废水。含c r ( v i ) 废液产生于镀铬、钝化、化学镀 铬、阳极化处理等工艺，一般废水中含有c r ( v i ) 浓度在2 0 0m g l 以下，p h 值 为4 6 【2 9 】。 c r ( v i ) 是一种极强的氧化剂，具有致突变、致畸和致癌性，超过1 0p p m 时 对水生生物有致死作用。实验证明，c r ( v i ) 对皮肤有刺激和过敏作用，对呼吸 系统和内脏能产生损害。c r ( v i ) 对人体的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 皮肤的危害：主要表现在工人经常接触铬酸盐、铬酸雾的部位( 如手、 腕、前臂、颈部等) 处出现皮炎。c r ( v i ) 经过伤口和擦伤处进入皮肤，会因腐 蚀作用而引起铬溃疡( 又称铬疮) 。溃疡呈圆形，直径约为2 5m m ，边缘凸起， 呈苍白或暗红色，中央部分凹陷，表面高低不平，有少数脓血粘连，有时赋有 黄色痂，压之微痛，愈合后会留下界限分明圆形萎缩性疤痕。 ( 2 ) 对呼吸系统的损害：主要表现在鼻中隔膜穿孔、咽喉炎和肺炎。长期 接触铬雾，可首先引起鼻中隔膜出血，然后鼻中隔黏膜糜烂，鼻中隔膜变薄， 最后出现穿孔。常接触铬雾还能造成咽喉充血，也可能引起萎缩性咽喉炎。吸 入高浓度的铬雾后，刺激粘膜，导致打喷嚏、流鼻涕、咽痛发红、支气管痉挛、 咳嗽等症状，严重者也可能腐蚀内脏，引起肠胃功能降低，出现胃痛，甚至肠 胃道溃疡，对内脏还可能造成不良影响。 多数研究者倾向于铬化物能致呼吸道癌，主要是支气管癌。在电镀操作中 或有关生产铬化物的场所，主要应防止铬烟雾对人体的影响。 因此，对含c r ( v i ) 电镀废水的妥善处理，是电镀行业中一个必须解决的环 境问题。对c r ( v i ) 的治理可通过将其还原成低毒性的c r ( i i i ) 来达到。通常认为 c r ( i i i ) 是生物所必需的微量元素，有激活胰岛素的作用，可以增加对葡萄糖的 利用。c r ( i i i ) 不易被消化吸收，在皮肤表层和蛋白质结合而形成稳定络合物， 因此不易引起皮炎和铬疮。常规处理方法为化学处理，分为两步：c r ( v i ) 在强 还原剂作用下的还原和c r ( i i i ) 的吸附【30 1 。但是，这一过程会产生大量的有害污 泥，同时还要消耗掉很多昂贵的化学试剂，因此，近年来，很多研究开始转向 于c r ( v i ) 在微生物作用下的生物还原。 1 2 硫酸盐还原菌生物矿化处理含重金属废水 目前处理含重金属废水的各种方法都存在一些难以克服和推广的问题，利 用生物处理，特别是硫酸盐还原菌生物矿化处理含重金属废水的技术以其处理 效果好、成本低廉、无二次污染等优点，在最近几年受到国内外学者的广泛研 究和关注。 5 1 2 1 硫酸盐还原菌( s r b ) 概述 硫酸盐还原菌( s u l p h a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ，s r b ) 是指能通过异化作用进行 硫酸盐还原的一类细菌的统称【3 ，其主要特征是以硫酸盐作为最终电子受体， 从而还原硫酸盐为硫化物，反应的主要产物是硫化氢。s r b 大多数属革兰氏阴 性厌氧菌，在氧化还原电位低于1 0 0m v 以下时开始生长，广泛存在于由微生 物分解作用造成的缺氧的水陆环境中，一般为杆状、弧形、卵形或螺旋形【3 2 l 。 1s r b 的类别 自l8 9 5 年b e i j e r i n c k 首先发现该类细菌以来，至今已有一百多百年的历史。 1 9 8 1 年p f e n n i n g 等人建议将所有异化作用的硫酸盐还原菌归属于一个生理类 群，并于19 8 4 年提出了分属检索表。在第九版伯杰细菌鉴定手册 3 3 】中， 硫酸盐还原菌归类在第七类群，有4 组l4 属。图1 3 为本课题组王国刚同学分 离出s r b 的微观形态。 图1 3 硫酸盐还原菌的扫描电镜图片 f i g 1 3s e mp h o t o g r a p ho fs r b 另有文献将已知的硫酸盐还原菌细化为1 8 种1 2 引，并从生理学上将其分为两大 亚类，如表1 1 所示：i 类中如脱硫弧菌属( d e s u l f o v i b r i o ) 、脱硫单胞菌属 ( d e s u l f o m o n a s ) 、脱硫肠状菌属( d e s u z f o t o m a c u l u m ) 和脱硫叶菌属 ( d e s u l f o b u l b u s ) ，可利用乳酸、丙酮酸、乙醇或某些脂肪酸为碳源及能源，将 硫酸盐还原为硫化氢；i i 类中如脱硫菌属( d e s u l f o n e m a ) 、脱硫球菌属 ( d e s u l f o c o c c u s ) 。脱硫八叠球菌属( d e s u z f o s a r i c i n a ) 矛l 脱硫线菌属( d e s u l f o n e m a ) ， 它们的特别之处是可以氧化脂肪酸，尤其是乙酸盐并将硫酸还原为硫。 6 表1 1 目前已知的硫酸盐还原菌分属和它们的一些特性 ! 垒! ! 呈! ：! ! 垒呈! p 呈里i 呈曼垒里垒曼垒垒! 垒里! 皇! i ! ! ! 鱼! 旦! 墨垦垒垦旦9 1 垒垒! 巳! 曼墨曼望! 。 属特性 l 类s r b ：不能氧化乙酸盐的 脱硫弧菌属极生鞭毛，弯曲杆菌，无孢芽；革兰阴性；含有脱硫绿胶 ( d e s u l f o v i b r i o )霉素；1 2 个种，其中一种为嗜热的 脱硫微菌属运动杆菌；无芽孢，革兰阴性：无脱硫绿胶霉素；两个种 ( d e s u l f o m i c r o b i u m ) d e s u l f o b o l l u s弧形；革兰阴性；运动：无脱硫绿胶霉素；一个种 脱硫肠状菌属垂直或弯曲杆菌，通过绿毛或极生鞭毛运动；革兰阴性； ( d e s u l f o t o m a c u l u m ) 无脱硫绿胶霉素，产生内孢子；两个种，其中种为嗜热 菌，一种可以乙酸盐为能量来源 脱硫念珠菌属杆菌；能将3 氯苯甲酸酯经还原脱氯作用还原为苯甲酸酯 ( d e s u l f o m o n i l e ) d e s u l f o b a c u l a 卵圆形细胞，海洋的；可氧化各种芳香族化合物包括芳香 族硫氢甲苯为c 0 2 ，一个种 古生球菌属古生的，高温型的，最适温度为8 3 。c ，含有一种独特的甲 ( 彳，c