（环境工程专业论文）柠檬酸杆菌（citrobacter+spstrain+dbm）的硫酸盐还原特性及应用研究.pdf

中山大学博士学位论文 柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b m ) 的硫酸盐还原 特性及应用研究 专业：环境工程 博士生：赵本良 指导教师：仇荣亮教授 摘要 酸性矿山废水含有的大量的重金属和硫酸盐，且p h 较低，对矿区环境造成 严重危害，并且由于硫化物矿石的不断氧化造成其污染治理困难。除了采用传统 的中和沉淀法对其进行处理以外，生物硫酸盐还原过程正成为一种很有前景的处 理方式，该技术的核心是利用一类称为硫酸盐还原菌的微生物还原酸性废水中的 硫酸盐为硫化氢，硫化氢再和酸水中的重金属反应生成硫化物沉淀。并且生成的 金属硫化物的溶解度比氢氧化物沉淀小的多，有利于回收利用，因此获得适合当 地酸性废水处理的硫酸盐还原菌对于提高该技术的处理效率有着重要的影响。本 文在总结前人研究成果的基础上，以大宝山污染河流底泥为接种物，驯化筛选了 一株非传统的硫酸盐还原菌，经过厌氧、好氧生长试验、分子鉴定、生化指标鉴 定确认了该菌属于兼性厌氧菌，在此基础上对其各种生理特性进行了研究，通过 不同碳源条件下该菌的硫酸盐还原能力变化初步探讨了其作用机理。 对取自大宝山污染河流底泥为接种物启动硫酸盐还原反应器，进行了富集培 养。通过逐步提高砷浓度进行胁迫的方式驯化菌群，结果表明该硫酸盐还原反应 器对砷的最大耐受浓度为8 0 m g l 。在此基础上，通过液体富集、平板涂布划线 的方式获得一株可以还原硫酸盐的细菌。厌氧条件下，该菌株可快速还原硫酸盐 产生硫化氢，培养4 天后硫酸盐的浓度从1 0 3 0m m 下降为o 1 0m m ，生长过程 中p h 上升。好氧条件下该菌株生长迅速，培养4 8h 后o d 达到1 1 5 ，同时p h 上升，但不还原硫酸盐。该菌株经过16 sr r n a 鉴定属于肠杆菌科柠檬酸杆菌属， 对该菌株进行了肠杆菌科相关生理指标鉴定，结果发现其接触酶阳性，氧化酶阴 性，可以利用柠檬酸作为唯一碳源。菌株可以分解含- - s h 的氨基酸产生硫化氢， 柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b m ) 的硫酸盐还原特性及应用研究 不产生苯丙氨酸脱氨酶，也不分解色氨酸产生吲哚。菌株的赖氨酸脱羧酶和鸟氨 酸脱羧酶均为阳性，v p 试验阴性。菌株可以分解利用尿素，山梨糖醇，不能利 用侧金盏花醇，丙二酸。经过试验确认筛选到的菌株为柠檬酸杆菌属的一个变种， 命名为c i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b m 。 d b m 菌株可以还原氧，能够在限氧浓度条件逐渐耗尽氧，而后还原硫酸盐 产生硫化物。d b m 菌株可以硝酸盐、亚硝酸盐为电子受体，将其还原为n i - h + ， 菌株对硝酸盐的还原优先于硫酸盐。酵母、f e 的添加对菌株的生长有明显的促 进作用。菌株还可以亚硫酸盐、硫代硫酸盐、硫单质为电子受体还原产生硫化氢， 对硫单质的还原稍慢。d b m 菌株的生长范围是p h 5 0 9 0 ，最佳培养温度3 5 。 硫化物和m 0 0 4 2 。的添加会强烈抑制菌株的生长和还原作用。菌株可以利用的碳 源范围广泛，包括甲酸、乳酸、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖，乳糖，不能利用乙酸。 其中柠檬酸和糖类可以支持生长，但是不能产生硫化物，乳糖的利用产物是乙酸。 d b m 菌株在厌氧条件下生长时对乳糖的利用要优先于乳酸，由此导致其硫酸盐 还原能力的消失，而添加n a f 抑制其糖酵解途径可以恢复其硫酸盐还原活性。 在毒性耐受范围内，d b m 菌株可以有效的沉淀金属c u 、z n 、c d ，沉淀的 机理是硫酸盐还原生成硫化物，结合重金属。菌株d b m 对a s ( v ) 有较好的耐性， 可以达到l m m ，a s ( 1 1 1 ) 对菌株的毒性明显大于a s ( v ) 。菌株在还原硫酸盐的同时 无法将砷从水溶液中沉淀出来，原因可能是形成了水合离子和其他砷的化合物。 菌株d b m 对砷的耐性可能与反应器驯化过程中的砷胁迫有关。 以乳酸钠为碳源和络合剂提高了a m d 的生化可利用性，改进了传统的生物 硫酸盐还原过程( b i l o g i c a ls u l f a t er e d u c t i o np r o c e s s ) 。以菌株d b m 启动了一个升 流式厌氧生物反应器，对预处理后的大宝山实际酸性废水进行了处理，运转3 0 天中，f e 、z n 、c d 、c u 、a s 、a 1 的去除率均在9 9 以上，硫酸盐的去除率平均 为6 2 。 关键词：柠檬酸杆菌，重金属沉淀，酸性废水处理，硫酸盐还原菌，生物硫 酸盐还原过程 中山大学博士学位论文 t h e s t u d yo ns u l f a t er e d u c t i o nb yc i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b ma n di t sa p p l i c a t i o n m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：b e n l i a n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f r o n g l i a n gq i u a b s t r a c t o x i d a t i o no fp y r i t e sa n do t h e rh e a v ym e t a ls u l f i d e sl e a d st op r o d u c t i o no fa c i d m i n ed r a i n a g e ( a m d ) i nm i n i n ga r e a , w h i c ha l w a y sc o n t a i n sag r e a td e a lo fs u l f a t e a n dh e a v ym e t a l f u t h e r r m o r ei t sp hi sv e r yl o w a sa m di sr e c o g n i z e da so n eo f t h e m o s ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h em i n i n gi n d u s t r y , i t st r e a t m e n th a v e b e c o m et h ef o c u so fan u m b e ro fr e s e a r c hi n i t i a t i v e s ，u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c h e s t a b l i s h m e n t s e x c e p tf o rt r a d i t i o n a ln e u t r a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , b i o l o g i c a ls u l f a t e r e d u c t i o np r o c e s s ( b s r p ) c o n t r o l l e dm a i n l y b ys u l f a t e - r e d u c i n g b a c t e r i ai sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g ys u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i aw a sas t r i c ta n a e r o b ea n di tc o n v e r t s u l f a t ei na m di n t oh y d r o g e ns u l f i d eb yd e c o m p o s i n ge l e c t r o nd o n o r s ，a n dt h e n h y d r o ns u l f i d er e a c tw i t hh e a v ym e t a li na m d a sar e s u l t ，h e a v ym e t a la r e p r e c i p i t a t e d i nt h ef o r mo fm e t a ls u l f i d e ，w h i c ha r el e s si n s o l u b l et h a nm e t a l h y d r o x i d e sa n de a s yt or e c o v e r s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oo b t a i ns t r a i n so fe f f e c t i v e s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i af r o mm i n i n ga r e a i nt h i ss t u d y , as t r a i no fn o n - t r a d i t i o n a l s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i aw a si s o l a t e df r o md a b a om o u n t a i nm i n i n ga r e a t h i ss t r a i n w a si d e n t i f i e da saf a c u l t a t i v ea n a e r o b i cs u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i u mt h r o u g hm o l e c u l a r b i o l o g i c a lm e t h o d a n di tw a sc o n f i r m e di nt h ea n a e r o b i cg r o w t h , a e r o b i cg r o w t h e x p e r i m e n t a l s oi t h a ds i m i l a rb i o c h c m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fe n t e r o b a c t e r i a c e a e b a s e do nt h e s er e s u l t s ，d e t a i l e dc h a r a c t e r i s t i co fs t r a i na n dm e c h a n i s mo fs u l f a t e r e d u c t i o nw a ss t u d i e d as u l f a t er e d u c i n gb i o r e a c t o rw a ss t a r t e dw i t hi n o c u l af r o ms e d i m e n to far i v e r i i i 柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b m ) 的硫酸盐还原特性及应用研究 p o l l u t e db y a c i dm i n ed r a i n a g ei nt h ed a b a om o u n t a i nm i n i n ga r e a a n dt h e na r s e n i c w a sa d d e di n t oi n l e ti no r d e rt oo b t a i na l la r s e n i cr e s i s t a n ts u l f a t er e d u c e r a f t e r c u l t i v a t i o nf o rn e a r l yay e a r ，as t r a i no fs u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i aw a si s o l a t e df r o mt h e e n r i c h m e n t i na n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，t h i ss t r a i nr e d u c e d10m mo fs u l f a t ei n t o s u l f i d ei n4 da n di n c r e a s ep ho fc u l t i v a t i o ns o l u t i o n i na e r o b i ce n v i r o n m e n t ，t h i s s t r a i ng r o w sv e r yq u i c k l yw i t ho di n c r e a s e dt o1 15i n2da n dn os u l f a t er e d u c t i o n h a p p e n e d a f t e rt h i s s t r a i nw a sc u l t i v a t e df o ro n ew e e k , i tw a st r a n f e r r e di n t o a n a e r o b i ce n v i r o m e n ta n ds u l f a t er e d u c t i o nh a p p e n e da g a i n i tw a sc o n f i r m e dt h a tt h i s s t r a i nb e l o n gt oc i t r o b a c t e rs p i th a dc a t a l a s ea n du t i l i z e dc i t r a t ea si t ss o l ec a r b o n s o u r c e a l s oi tp r o d u c e dh 2 sb yd e c o m p o s i n ga m i n ow i t h s h i tp r o d u c e dn e i t h e r p h e n y l a l a n i n ed e a m i n a s en o ri n d o l ef r o mt r y p t o p h a nd e c o m p o s i n g a l lo ft h e s e p r o p e r t i e sw e r es i m i l a rw i t ht h o s eo fc i t r o b a c t e rf r e u n d i ie x c e p te x i s t e n c eo fl y s i n e d e c a r b o x y l a s e t l l i ss t r a i nm a y b eam u t a n to fc i t r o b a c t e rs p a n dw a sd e s i g n a t e da s c i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b m s t r a i nd b m g r e ww i t ho x y g e na n di tr e d u c eo x y g e np r i o rt os u l f a t e a f t e ro x y g e n w a s c o n s u m e dc o m p l e t e l y , s u l f a t er e d u c t i o nh a p p e n e d s t r a i nd b m g r e ww i t hn i t r a t e ， n i t r i t ea n dr e d u c e dt h e mi n t oa m m o n i a s t r a i nd b mr e d u c e dn i t r a t ep r i o rt os u l f a t e y e a s ta n dz e r o - v a l e n tf es t i m u l a t e di t s g r o w t h s t r a i nd b mp r o d u c e dh y d r o g e n s u l f i d eb yr e d u c i n gs u l f i t e ，t h i o s u l f a t ea n ds u l f u r g r o w t hr a n g eo f p hw a s5 0 9 0 ， a n di t ss u i t a b l et e m p e r a t u r ew a s3 5 。c s u l f i d ea n dm o l y b d a t ei n h i b i t e di t ss u l f a t e r e d u c t i o n s t r a i nd b mu t i l i z e df o l l o w i n gc a r b o ns o u r c e s f o r m a t e ，l a c t a t e ，c i t r a t e , g l u c o s e ，s u c r o s ea n dl a c t o s e s t r a i nd b md i dn o tu t i l i z ea c e t a t ea n di tp r o d u c e dn o h y d r o g e ns u l f i d e i n d e c o m p o s i n gg l u c o s e ，s u c r o s ea n dl a c t o s e i na n a e r o b i c e n v i r o n m e n t ，s t r a i nd b mu t i l i z e dl a c t o s ep r i o rt ol a c t a t ea n di t ss u l f a t er e d u c t i o n a b i l i t yw a sr e c o v e r e dw i t hn a fa d d i t i o n s t r a i nd b mc a ne f f e c t i v e l yp r e c i p i t a t ec u , z na n dc db yf o r m i n gm e t a ls u l f i d e s t r a i nd b mg r e wi ns o l u t i o nw i t hlm mo fa r s e n a t ea d d i t i o n h o w e v e ri td i dn o t p r e c i p i t a t ea r s e n i cf r o mt h es o l u t i o nb e c a u s et o om u c hs u l f i d ew a sa c c u m u l a t e da n d h a s 3 s 6 厶p r o b a b l yf o r m e d a r s e n i cr e s i s t a n c eo fs t r a i nd b mm a yb er e l a t e dt o e n r i c h m e n tp r o c e s s 中山大学博士学位论文 b a s eo nt r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ls u l f a t er e d u c t i o n , c o m p l e x b i o l o g i c a ls u l f a t e r e d u c t i o np r o c e s sd e c r e a s et h et o x i c i t yo f h e a v ym e t a lt os u l f a t er e d u c e r i nt h i ss t u d y , l a c t a t ew a su s e dt oc o m p l e xh e a v ym e t a li na c t u a la m df r o md a b a om o u n t a i n a n u p f l o wa n a e r o b i cb i o r e a c t o rw a ss t a r t e du s i n gs t r a i nd b m a si n c o l u a a m dw a s p u m p e di n t or e a c t o rc o n t i n u o u s l yi n3 0d ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t i oo f f e 、z n 、c d 、 c u 、a s 、a lw e r ea b o v e9 9 ，a n ds u l f a t er e d u c t i o nr a t i ow a s6 2 k e y w o r d s ：c i t r o b a c t e rs p ，h e a v ym e t a lp r e c i p i t a t i o n , a c i dm i n ed r a i n a g et r e a t m e n t ， s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a , b i o l o g i c a ls u l f a t er e d u c t i o np r o c e s s v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储虢讲瞳 1 ，衫年6 月fo 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指 导下完成的成果，该成果属于中山大学环境科学与工程学院，受 国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论 文或申请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许 可，本人不得以任何方式，以任何其他单位作为第一署名单位公 布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承 担。 学位敝储躲七中 缈弼年6 月f 。日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编 入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论 文。 学位论文作者签名：研渗 日期忍瞬石月，沙日 导师签名：丁肋 日期：彻。群6 月乙日 中山大学博士学位论文 第一章前言弟一早刖i 1 1 酸性矿山废水的危害 重金属酸性废水主要来自矿石采运、冶炼、化工、电镀、电解、制革和涂料 等行业，酸性矿山废水( a c i dm i n ed r a i n a g e ，简称a ) 属于其中一种，主要是 指硫化矿( 如煤矿、硫铁矿、多金属硫化矿等) 在矿石开采、运输、选矿及废石排 放和尾矿贮存等生产过程中，所含的硫及硫化物在大气、水和微生物等的作用下 被氧化成h 2 s 0 4 而产生的酸性水( j o h n s o ne ta 1 ，2 0 0 5 ) 。a m d 的特征是高酸度( p h 2 4 ) 、高硫酸盐浓度、高金属浓度，同时由于硫化物矿石的不断氧化造成其污染 物的释放成为一个缓慢长期的过程。 酸性矿山废水中富含f e 2 + 、f e 3 + 、c u 2 + 、z n 2 + 、m n 2 + 等金属离子，由于受到 矿石种类以及矿渣空间分布不同的影响，a m d 中含有的金属种类和浓度也变化 较大。较常见的元素有f e 、m n 、m g 、c a 、a s 、c d 、c u 、c o 、n i 、z n 等，表1 1 列出了世界各个地区的矿山酸性废水的物质含量，其中，f e 和硫酸盐的含量往往 很高。 酸性矿山废水给环境带来了严重危害，据1 9 8 9 年的估计，全世界约有 1 9 3 0 0 k m 的河流、7 2 0 0 0 公顷的湖泊以及保护区受到a m d 的危害( j o h n s o ne ta 1 ， 2 0 0 5 ) 。a m d 的存在直接威胁着周边生态系统以及地下水的安全，同时也给治理 带来了较大的困难。a m d 中的大量金属离子通过渗透、渗流和径流等途径进入 环境，污染水体。以吸收、氧化还原等方式在水体中迁移，危害水生生物的生长， 经过食物链富集后危害人类健康。同时由于酸度很低，一般p h2 - 4 ( b e c h a r de t a 1 ，1 9 9 4 ) ，受污染区对酸比较敏感的动植物死亡。矿山酸性废水大量排入河流、 湖泊，使水体的p h 发生变化，水体中的硫酸盐会严重影响生物细胞壁的渗透压， 加上重金属对生物体的毒害，造成水中生物难以生存，严重的导致鱼虾的死亡、 水草停止生长甚至死亡( l e d u ce ta 1 ，2 0 0 2 ) 。酸性矿山废水对土壤也会造成严重污 染，废水进入土壤后会改变土壤理化性质和团粒结构，酸化土壤，提高含硫量， 莓菇爵卡下醇一cfr，d6口c芎ps仃n o互一墨斟薅劳：i丕淘嚣毒海刁丑窜褂 姗l-1爿司藩冈器赙辞阱zk器薛泳 ，ia口一o_-l o|l芦iooris一o of-o一厶_nine厶iinno串o_ri厶行eriont邕ej，o j 葺o i 一厶 它 咖h ( 暑5 口。一暑g，l) f e 一暑咆cal一暑g，c 主n(暑g，l) o u ( 基g ，c nn(毒，l一 一暑警v o|l、-(暑g厂c 7 q 7 协 u 4 0 z 口 z o + a 小n z 口 a 协 u 3 夸n 4 协6 小_ 1z o 一一岭 z 口 _ q 心 时时5o _ 1 5 8n 协4 z o 6 吣 n o o q _ u z o a a o o n 认o + 昏认 z 口a 协o u o a o乱o z 口 _ 认o n 4 0 z 口z 口 2 0 + a 协。 一- l u _ _ o n 3 x _ o 。 心西u 口心2口2 z 口 a 岔o o z oz q o 5 _ l + _ o o - 8 0 0 z 口 _ u 1 田 _ o ， _4昏7一ou q - l o _ o 崎 _ n o 6 认。 心u 协 o _ l q _ o _ 。u u o o - 2 西o o o - l q n o - 1 0 _ o u 时7 小协协 q n q 协_ z 口 认u o a1(johnsoj e t p一：oou三f言ohjo；et p1oo一)：|01(joh；otl et芦一：oon)d1(c|liistonso=et119口吼_) e罢r各denrc|l兰et al；noo一一一f1(-zordro暑o一；nooo_)巴口盘et p一：noo认_) 中山大学博士学位论文 进一步改变土壤微生物环境，影响土壤土著微生物的生存。另外，重金属离子还 能通过农作物进入食物链不断富集，最终危害人类健康( b e i t e l s h c e s ，1 9 8 1 ) 。由 于废弃矿石往往是堆积排放的，由此形成的a m d 还会渗入地下，污染地下水， 使地下、地表均形成一个酸性环境，广东大宝山矿区a m d 的污染则是最明显的 例子。我国大宝山矿区地处广东曲江、翁源两县交界处，是一座大型多金属硫化 物矿床，矿区主矿体上部为褐铁矿体；下部为大型铜硫矿体，并伴有钨、铋、钼、 金、银等多种稀有金属和贵金属。对大宝山铁龙拦泥坝地区初步调查发现其废弃 物中含有大量毒砂( f e s a s ) ，同时所形成的a m d 含有高浓度的a s ( 最高时达到 l o m g l ) ，z n 、c u 含量也相当高。 1 2 酸性矿山废水的形成机理 酸性矿山废水的成因，它不仅与矿山排水有关，而且与含硫化矿物的开采加 工过程中排放物有关( 狄平宽等，1 9 8 9 ) ，而在硫化物矿物中，f e s 2 是最常见的一 种，它的氧化与酸性矿山废水的形成过程密不可分。 酸水形成过程中，氧和三价铁离子( f e 3 + ) 起着重要的作用，由氧主导的氧化 过程可以表述为2 f e s 2 + 7 0 2 + 2 h 2 0 = 2 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4 ，主要生成产物为硫酸和 硫酸亚铁。有研究者发现氧的氧化能力远不及f e 3 + ，在一定的条件下水中氧的浓 度也不足以保持f e s 2 不间断氧化进行( m o s e se ta 1 ，1 9 8 7 ) ，因此由自然界的氧造成 的自然氧化是非常缓慢的，f e s 2 的氧化主要是由f e ”氧化来完成的，表述为 1 4 f e 3 + + 8 h 2 0 + f e s 2 = 1 5 f e 2 2 s 0 4 2 + 1 6 h + ( h u t c h i s o ne ta 1 ，1 9 9 2 ) 。 微生物在金属硫化物的氧化过程中起着非常重要的作用，其中涉及到的最主 要的微生物有l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s 、a c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s 、 a c i d i t h i o b a c i l l 螂t h i o o x i d a n s 、a c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u s 、 a c i d i p h i l i u ms p p 等， ( h a l l b e r ge ta 1 ，2 0 0 1 ) 。由于硫细菌可以将f e 2 + 氧化为f e ”，因此它的存在可以对 氧化反应起到重要的催化作用，如反应2 f e 2 + + 0 5 0 2 + 2 一_ 2 f e 3 h 2 0 可以在铁氧 化菌生长下加速，氧化速度可以变为原来的1 0 6 倍( s i n g e re ta 1 ，1 9 7 0 ；k l e i n m a n ne t a l ，1 9 8 1 ) 。 由于金属硫化物的晶体结构不同，其氧化的途径也不太一样，目前认为可以 分为两类：酸溶性金属硫化物( f e s 2 、m o s 2 、w s 2 等) 和酸不溶性金属硫化物( z n s 、 柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e rs p s w a i nd b m ) 的硫酸盐还原特性及应用研究 p b s 、f e a s s ，c u f e s 2 、m n s 2 ) ，它们分别是通过硫代硫化物氧化途径和聚硫化物 氧化途径进行的( 图1 1 ) ，二者的氧化均需要f e 3 + 的存在，不同的是后者需要联合 矿才能实现( r o h w e r d e re ta 1 ，2 0 0 3 ) 。同时，随着矿山酸性废水的形成，水的酸度 的降低，p h 值降低，反过来又会使矿山酸性水接触到的其它金属矿物的溶解度 升高。 al h l 翻m i f 舐m o h m i 鲫br o i 捧u m d m e c h a n i s m 旷+ 珊 0 咿锄 s 。a b t 舀 图1 1 金属硫化物的氧化途径 f i g 1 ld i f f e r e n to x i d a t i o np m h w a yo f m e t a ls u l f i d e s 1 3 酸性矿山废水的主动处理技术 酸性矿山废水的主动处理技术是阻止硫化物矿石的进一步氧化，进而减少废 水的产生。一种方法就是添加碱性物质进行中和，如将煤燃烧产物填埋到矿山， 提高p h ，沉淀重金属，这些煤燃烧产物来源于电厂废弃物，包括流化床燃烧产 物，粉煤灰以及烟气脱硫废物( c a n t yc ta 1 ，2 0 0 6 ) 。采用石灰石、白云石等碱性 物质混合到土壤中提高p h ，减少硫化物矿石的氧化，但是由于堆积的矿石的空 间变异性，其反应性以及需要添加量很难估计，并且只能影响到有限深度，且成 本较高( c a r u c c i oe ta 1 ，1 9 8 8 ) 。 阻止硫化物矿石氧化的另外一种方法是覆盖堆肥、泥炭、稻杆、锯末等减少 并阻止氧进一步扩散，由于矿石中的微生物会利用这些有机物消耗氧，这样内部 氧浓度逐渐降低，最终形成一个厌氧环境，同时覆盖物还可以阻止水分下渗，进 一步控* u t 氧的来源( b e l z i l ee ta 1 。1 9 9 7 ) 。 4 中山大学博士学位论文 1 4 酸性矿山废水的物化处理技术 1 4 1 石灰石灰石中和沉淀法 中和沉淀法是处理矿山酸性废水最常用的方法，其主要原理是投加碱性中和 剂，提高废水的p h ，同时使废水中的重金属形成溶度积较小的氢氧化物或碳酸 盐沉淀从水体中去除。常用的中和剂有生石灰、石灰乳、石灰石、白云石、电石 渣等( g a z e ae ta 1 ，1 9 9 6 ) 。工程上较为常用的中和剂为石灰石灰石，矿山酸性废 水进入石灰中和反应池后进行中和反应，控制反应池的p h 在一定范围使废水中 的重金属形成氢氧化物沉淀，出水投加絮凝剂后再进入澄清池，进行泥水分离， 当上清液达标后外排，底泥从澄清池底部泵入污泥池或者压滤机进行进一步的处 理、处置( m e a n l l ye ta 1 ，1 9 8 4 ；陶有胜等，1 9 9 3 ；邹莲花等，1 9 9 6 ) 。 1 4 2 硫化沉淀法 硫化物沉淀法是利用硫化剂将废水中重金属离子转化为不溶或者难溶的硫 化物沉淀的方法，金属硫化物沉淀是比其氢氧化物沉淀离子溶度积更小。常用的 硫化剂有n a e s 、n a r i s 、h 2 s 、c a s 和f e s 等，该法的优点是硫化物的溶解度小、 沉渣含水率低，不易因返溶而造成二次污染，同时产渣量较石灰中和沉淀法少， 而且当用中和沉淀法处理矿山酸性重金属废水不能达到相应的限制要求时可采 用硫化沉淀法，同时可以与浮选法组合成沉淀浮选工艺，对废水中的重金属进行 选择性沉淀回收。硫化沉淀法在矿山酸性废水处理过程中一般工艺流程为第一段 通过添加中和药剂控制p h 值为4 0 左右，主要去除矿山酸性废水中含有的三价 铁，溢流出水添加硫化剂，使含有的其它重金属转化为金属硫化物沉淀，所得硫 化渣通过浮选工艺迸一步回收重金属，处理后水进一步用石灰处理进行中和处理 使之达标排放。硫化沉淀法在些矿山酸性废水处理过程中已经得到应用，但在 应用过程中出现了一些问题，如硫化剂价格高，处理过程中不易控制药剂添加用 量等，这些都会增加污水处理运行成本，其具体经济可行性要综合考虑重金属回 收获得的收益。 1 4 3 人工湿地法 人工湿地法处理酸性矿山废水是近年来发展的一项技术。该法以砾石、砂子、 柠檬 | * f f 6 s ps ir l n1 ) b m 】w 。醚* n i 性、一l # 计武 t 壤及煤渣等按比例填先，水流。，人i * 地的牲质发生定的中f ：】作用，根据凡 然沉地净化污水的坛理，选择的种椅州关植物，构建一个湿地生态系统。植物枉 温地叫j 能起刮降低重金属离，的作川，h 叫暖水流经植物耕落时，义有活伸过滤 的效果。另外，沸地还呵为微牛物群幕的附着q l 圭提供条什，儆j 上物的代鲥活动 义可以对水体起到净化作用。湿：也处理的特点是运行赀川低，返刑j 处理煤矿m 酸性矿井水自很强”，行h ：。化足，湿地处州1 彳地而积人，且处理效半受环境影响， 残余的h 2 s 易从上壤- ，逝出，污染大7l 耶境f 籍幽东等，2 0 0 2 ，陈坡林等，2 0 0 3 1 。 1 5 酸性矿山废水的硫酸盐还原处理技术 山十e 述主要的作生物处理法存在着定的缺点，微生物法处理酸性废水逐 渐成为研究热点。存过上的2 0 年咀，硫酸盐生物还原过程( b i o l o g i c a ls u l 内t e r e d u c t i o np r o c e s s b s r p ) 被用柬处理酸性矿【】i 废水，同前该技术废水的被动处理 技术中仃较好的发展前景( d v o r a kda l ，1 9 9 2 ) ，垓技术的核心是利用一类称为硫 酸盐还原茼的微生物芹化还原硫酸麓产乍硫化氧，酊后硫化氯再和酸水巾的晕会 属反应生成硫化物0 僦，从而逆转酸水产生的氧化过程生成溶解度比氢瓴化物 0 淀小的多，也由利j 回收利用的硫化物沉淀( w a y b r a n tc ta l ，2 0 0 2 ) 。整个处珲 过程町以捕述为f c k r i s t e i l s e ne ta l ，1 9 9 6 ) ： 2 c 1 1 2 0 ts 0 42 1 1 2 s f 9 1 12 1 1 c 0 3 卜1 h 2 s + m 。= m s ( s 、+ 2 h 一 1 2 h c 0 3 + h 一= c 0 2 f 9 1 一h 2 0 1 3 羽12 q 着m 金埔硫化物优淀l f l s r b ( c h e u n gc ta l2 0 0 3 f i gi 2s r bu d h e s i v et om e t a ls u l n d c 中山大学博士学位论文 由上述反应过程可以看出，硫酸盐还原菌的代谢活动还可以达到去除硫酸 盐、沉淀重金属、提高p h 一举三得的效果。利用硫酸盐还原生物过程处理a m d 比传统方法的优越主要有两个方面：1 ) 重金属沉淀更彻底，形成的金属硫化物 要比氢氧化物稳定。金属硫化物的溶解度比氢氧化物要低得多。如z n ( o n ) 2 的 k s p 是1 2 x 1 0 。7 ，而z n s 的k s p 是1 6 x 1 0 出，z n s 的溶度积比其氢氧化物要低1 0 7 倍( 路琼华等，1 9 8 8 ) ，金属硫化物更易于从水中沉淀出来。2 ) 同时去除硫酸盐、 重金属和提高p h 。 一个有效的硫酸盐还原生物反应器的一般由以下部分组成：营养源、硫酸盐 还原菌种、碱性中和物质、固体支持物等( c o c o s e ta 1 ，2 0 0 2 ；w a y b r a n te ta 1 ，2 0 0 2 ； w a y b r a n te ta 1 ，19 9 8 ；z a g u r ye ta 1 ，2 0 0 6 ) ，由于硫酸盐还原细菌在驱动硫酸盐还原 过程中起着至关重要的作用，因此研究如何高效的使该类菌群发挥作用成为 b s r p 技术的关键。目前围绕这个问题有以下几个研究重点。 驯化筛选耐重金属的硫酸盐还原菌，高效的s r b 菌种对于提高系统负荷影 响非常大。如采用c s t r 反应器在1 0 2 1 0 m g l 的z n 浓度范围内驯化了 d e s u l f o t o m a c u l u mn i g r i f i c a n s ，在长期的培养中，d n i g r i f i c a n s 对z n 耐性提高，? 当z n 浓度达到2 1 0 m g l ，菌株仍有活性，4 0 天后z n 浓度下降了7 0 ( r a d h i k a e ta 1 ，2 0 0 6 ) 。a z a b o u 等经过6 个月驯化富集，筛选到一株对重金属有一定耐性 的s r bd e s u l f o m i c r o b i u ms p s t r a i na 2 ，该菌对各种金属最大耐受性为 z n l 2 5 m g l ，c u l 0m g l ，f e 6 0m g l ，c d 4 0m g l ，n i l 0 0m g l ，m n 6 0m g l ，c o 6 0m g l 、a l l 0 0m g l ，可以很好的应用于酸性废水的处理中。 寻找有效而廉价的营养源供给微生物生长繁殖( s m u le ta 1 ，1 9 9 7 ) 。实际应用 过程中遇到的另外一个问题就是缺少稳定、长效的有机营养物质，这对于硫酸盐 还原处理系统的运行是非常重要的。这些营养物质应当易于被s r b 利用，同时 c n 比适合。同时有些有机废弃物除了可以作为营养物质以外，还可以作为中和 剂。c h o c k a l i n g a m ( 2 0 0 6 ) 等通过添加谷壳作为碳源的方法提高a m d 的p h ，加入 1 5 后a m d 的p h 可以从2 5 提高到6 0 ，同时a m d 中的重金属会被沉淀，使 a m d 更加适合s r b 生长。目前研究营养物质包括农业有机废弃物，废弃物发酵 产物、微生物菌体等。也有研究者经过试验后认为固体废弃物的发酵产物作为 s r b 的营养源是比较不错的选择( g - r e b e ne ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 7 柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e rs p s t r a i nd b m ) 的硫酸盐还原特性及应用研究 c h a n g ( 2 0 0 0