（环境工程专业论文）基于硫酸盐还原菌生物矿化的尾矿库原位修复技术研究.pdf

基于硫酸盐还原菌生物矿化的尾矿库综合治理技术研究 摘要 本文在以硫酸盐还原菌的生物矿化现象为切入点，研究了硫酸盐还原菌及其生物 矿化产物的形貌、结构和成分，推测了生物矿化的机理；在对硫酸盐还原菌的生物矿 化有了一定认识之后，进行了利用硫酸盐还原菌生物矿化进行尾矿库综合治理酸性矿 山废水的可行性实验，多种不同运行方式实验以及长时间运行之后的硫酸盐还原能力 的恢复实验；简单的比较了该种方法治理酸性矿山废水和目前常用治理酸性矿山废水 的成本。 结果表明：硫酸盐还原菌可以在一定的条件下将硫酸盐还原为硫化氢，在代 谢产物影响下产生的纳米级的金属硫化物；硫酸盐还原菌具有聚积溶液中低浓 度的硫酸根到体内的能力，并且通过体内还原硫酸根，体外矿化形成硫化物产 物来完成整个生物矿化；添加秸秆和污泥在模拟尾矿库处理酸性矿山废水的处 理效果很好，在技术上有很好的可行性；将秸秆和污泥置于尾矿库的不同位 置都可以很好的处理酸性矿山废水，不同情况的尾矿库可以用不同的填充方 式来处理；在长时间运行后，秸秆的易溶成分消耗殆尽，体系缺乏碳源而失 去还原硫酸盐的能力，此时，通过向体系中添加碳源可以恢复其硫酸盐还原 能力：利用尾矿库综合治理酸性矿山废水成本低廉，适合在发展中国家推广。 关键词：硫酸盐还原菌生物矿化尾矿库酸性矿山废水 c o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n t o ft a i l i n g si m p o u n d m e n t t r e a t m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c hb a s e ds u l p h a t e - - r e d u c i n g b a c t e r i ab i o m i n e r a l i z a t i o n a bs t r a s t i nt h i sp a p e r , t h eb i o m i n e r a l i z a t i o no fs u l p h a t e r e d u c i n gb a c t e r i aw a ss t u d i e d ，t h e m o r p h o l o g y , s t r u c t u r e a n dc o m p o s i t i o no ft h ep r o d u c t sw e na l s or e s e a r c h e d ，a n d m e c h a n i s mo fb i o m i n e r a l i z a t i o nw e r ep r o p o s e d ；w i t hap r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n g o l b i o m i n e r a l i z a t i o n as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u t ，i no r d e rt op r o v et h a tt r e a t i n g a c i dm i n ed r a i n a g ei nt a i l i n g si m p o u n d m e n ti sf e a s i b l e ，t os t u d yt h ee f f e c to fo p e r a t i o n m o d ea n dm er e s u m eo fs u l f a t e - r e d u c i n gc a p a c i t ya f t e rl o n g r u n n i n g ；t h ec o s t s o ft h r e e m e t h o d so fa c i dm i n ed r a i n a g et r e a t m e n tw e r ec a l c u l a t e d r e s u i t sd e m o n s t r a t e d ：t h es u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i ac a l lr e d u c es u l f a t et os u l f i d eu n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s ，a n df o r mm e t a ls u l f i d eo fn a n os c a l e ；t h es r b h a v et h ea b i l i t yo f a c c m u l a t i n gs r bl o wc o n c e n t r a t i o no fs u l f a t ei ns o l u t i o n t os r bc e l l s ，t h r o u g hs u l f a t e r e d u c t i o ni nc e l l s ，t h ef o r m a t i o no fs u l p h i d em i n e r a l i z a t i o n i ns o l u t i o nt oc o m p l e t e b i o m i n e r a l i z a t i o n ；t h ep r o c e s s o fa d d i n gs t r a wa n ds l u d g e i ns i m u l a t e dr a i l i n g s i m p o u n d m e n tt o t r e a ta c i dm i n ed r a i n a g ew o r k sw e l l ，a n d i n d i c a t e s g o o d t e c h n i c a l f e a s i b i l i t y ；p l a c i n gs t r a wa n ds l u d g ei nd i f f e r e n tp o s i t i o n so f t h et a i l i n g si m p o u n d m e n ti sa l l e f i e c t i v ei nt r e a t i n ga m d ，d i f f e r e n tf i l l i n gw a y sc a nu s et od e a lw i t ht a i l i n g si m p o u n d m e n t o fd i v e r s es i t u a t i o n s ；a f t e rl o n g r u n n i n g ，t h es y s t e mw a sl a c ko fc a r b o ns o u r c ea n d t h e a b i l i t yo fr e d u c i n gs u l p h a t ew a sd e p r e s s e do w i n gt ot h ed e c r e a s i n gs o l u b l ec o m p o n e n t so t s t r a w b u tt h es u l f a t e r e d u c i n gc a p a c i t yc a nb er e s u m e db ya d d i n gs o m es t r a w ；t h ec o s to f t r e a t i n ga m d i nt a i l i n g si m p o u n d m e n ti sl o wa n ds u i t a b l ef o rd e v e l o p i n gc o u n t r i e s - k e yw o r d s ：s u l p h a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ；b i o m i n e r a l i z a t i o n ；t a i l i n g si m p o u n d m e n t ；a c i d m i n ed r a i n a g e 插图清单 图1 1 硫酸盐还原菌的扫描电镜图片9 图1 2s r b 的分解代谢过程8 图1 3 尾矿库中溶解氧随深度变化的示意图1 2 图1 4 酸性矿山废水在尾矿库中的净化示意图1 3 图2 1 静态实验装置1 8 图2 2 硫酸根浓度一时间趋势图1 8 图2 3 生物矿化产物的光学显微镜图1 9 图2 4 样品x r d 图谱1 9 图2 5 矿化产物的扫描电镜图片和e d s 分析结果2 0 图2 - 6 生物样品扫描电镜图片2 0 图2 7 硫酸盐还原菌中的电子传递和质子动力的产生2 2 图2 - 8 硫酸盐还原菌生物矿化过程示意图2 3 图3 1 实验装置示意图2 4 图3 2 渗透系数测定装置2 7 图3 3 实验反应器运行方式l 2 9 图3 - 4 实验反应器运行方式2 3 0 图3 5 效果实验硫酸根离子出水浓度图3 2 图3 - 6 效果实验渗透系数变化图3 3 图3 7 效果实验p h 变化图3 4 图3 8 效果实验出水重金属浓度变化图3 4 图3 - 9sl 出水的c o d 和硫酸根浓度3 5 图3 1 0s 1 进水出水c d 2 + 离子浓度变化图3 6 图3 11s 2 出水的c o d 和硫酸根浓度一3 7 图3 1 2s 2 进水出水c d 2 + 离子浓度变化图3 7 图3 13s 3 出水的c o d 和硫酸根浓度3 8 图3 1 4s 3 进水出水c d 2 + 离子浓度变化图3 8 图3 1 5s 4 出水的c o d 和硫酸根浓度4 0 图3 1 6s 4 进水出水c d 2 + 离子浓度变化图4 0 图3 1 7s 5 出水的c o d 和硫酸根浓度4 1 图3 1 8s 5 进水出水c d 2 + 离子浓度变化图4 l 图4 1 中和法处理酸性矿山废水工艺流程4 5 图4 2 厌氧法处理酸性矿山废水工艺流程4 8 图禾3 尾矿库综合法处理酸性矿山废水工艺流程5 0 表格清单 表1 1 目前已知的硫酸盐还原菌和它们的一些特性6 表1 2 部分硫化重金属的溶度积1 0 表2 1 硫酸盐还原菌培养基成分表1 6 表3 1 几个矿井酸性矿山废水的主要成分2 8 表4 1 目标酸性矿山废水水质4 5 表4 2 拟达到的水质要求4 5 表4 3 中和处理法主要构筑物及设计参数表4 6 表4 4 中和处理法土建安装费用估算表4 6 表4 5 中和处理法运行费用估算表4 7 表4 6 厌氧处理法主要构筑物及设计参数表4 8 表4 7 厌氧处理法土建安装费用估算表4 8 表4 8 厌氧处理法运行费用估算表4 9 表4 9 尾矿库综合处理法主要构筑物及设计参数表5 0 表4 1 0 尾矿库综合处理法运行费用估算表5 1 表4 11 三种方法经济指标的比较表5 2 4 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， 也不包含为获得金胆：些厶堂 或其他教育机构的学位或证j 协而使川过的材料。与我一同_ 丁作 的同忠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。 学位论文作者签字：有氍签字嗍带4 月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴：些厶堂有关保留、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a 巴：i ：些厶 三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h j 影印、缩印或扫 描笛复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 5 ) 掌位论文者签名：匍准 导师签名 签字日期：) 研年年月f 。i z 学位论文作者毕业后去向： 1 1 ：作单位： 通讯地址： 辩醐叩糊枷 | 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，岁月如梭，转眼间研究生学习生活就要结束了。此时此刻，心 中既有浓浓的喜悦，又有淡淡的失落。回首三载，常自问是否已经努力，是否 已经实现了入学前的种种愿望。 三年前，作为一名工大环境工程的本科毕业生，我对专业知识只是一知半 解，我开始了在研究生的学习生活。求学过程是清苦的，却也是充实的。不经 意中，自己恍然已经提高了很多，收获了不少，这一切既是自己努力的结果， 更是工大诸位老师教导点拨的成就。这里我首先要感谢恩师陈天虎教授，感谢 他三年来对我的精心栽培，没有恩师开启思路、指点迷津，就不会有本文的完 成。陈老师广博的知识，严谨的学风，谦虚的为人，是我终身难忘的，在学生 心目中j 他将永远是自己学问的导师、人生的导师；再次，要感谢资环学院彭 书传老师、谢巧勤老师、王进和岳正波老师以及孙玉兵师兄，感谢他们在我的 实验和论文的撰写过程中悉心指点和帮助；另外，还要感谢一下本课题组的黄 晓鸣、余新林、宋浩、石莹、刘雨、熊长军、潘敏对我的帮助。 硕士毕业论文的完成标志着另一段日子的开始，我将以此作为人生新的起 点，努力地学习工作，以不辜负所有关心与爱护我的人。 i i i 何准 前言 保护环境与经济发展是全球最为关注的问题之一，而矿产资源的开发利用 是人类社会经济发展的重要保证，它是人类生存发展不可缺少的生产和生活资 料。目前，约有9 5 的能源、8 0 左右的工业原料、7 0 以上的农业生产资料 均来自矿产资源。但随着各类矿产资源的开发利用，地表被矿业废渣覆盖的面 积与采矿造成的基岩裸露面积将随之迅速增大，大量在还原环境稳定存在的硫 化物暴露在氧化环境，在水、空气和生物的作用下由于化学氧化、生物氧化作 用，产生严重的酸性矿区废水。 矿山开发不仅产生大量的固体废弃物，而且由于矿业活动改变了原有的地 质环境，使大量在还原环境稳定存在的硫化物( 如黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿、 黄铜矿等) 暴露在氧化环境，在水、空气和生物的作用下由于化学氧化、生物氧 化作用，产生严重的酸性矿区废水q 引。这些酸性废水包括矿坑水、选矿废水、 尾矿库和废石场排出的淋滤雨水。酸性矿区废水导致严重的重金属污染和生态 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 j 。 虽然过去几十年来国内也有很多学者关注和研究矿山环境问题，对矿山固 体废弃物有害物质的转化和迁移也开展了一些有益的基础研究工作，但这些工 作主要集中在矿山开采引起酸性水和重金属污染的机制、环境污染现状评价方 面，有关矿山环境污染综合防治技术研究很少，尤其是在矿山环境生态修复技 术的基础理论研究方面十分薄弱。由于我国国民经济对资源的依赖性，矿业在 相当长的时期内都是国民经济的支柱，如何防止环境污染、改善环境质量是国 家层次上的技术需求，矿山环境生物修复技术研究是“十一五”科技规划的重 要内容之一，也是未来相当长的时期内多学科学领域内探索和研究的科学问题 之。 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 应机制研究一一微生物群落分解矿物的机理及其对生态环境影响 ( 2 0 0 7 c b 815 6 0 3 ) 的支持下，主要研究内容有以下几个方面： ( 1 )研究硫酸盐还原菌的生物矿化，揭示这种生物矿化的机理、矿化产 物的形貌、结构和成分，为利用这种生物矿化处理酸性矿山废水以及回收废水 中的重金属提供理论上的依据； ( 2 )验证在尾矿库中利用硫酸盐还原菌的生物矿化作用来进行矿山环境 综合生态修复的可行性，为使用尾矿库处理酸性矿山废水提供依据； ( 3 )验证不同运行方式处理酸性矿山废水的可行性，以解决不同尾矿库 的不同实际情况； ( 4 )研究如何恢复因缺乏碳源而失去硫酸盐还原能力的体系的硫酸盐还 原能力。 由于本人学识有限，论文难免有浅陋之处，敬请给予批评指正。 2 第一章绪论 1 1 酸性矿山废水的来源及矿山环境保护概述 1 1 1 酸性矿山废水的来源 酸性矿山废水是指硫化矿系的矿山( 如煤矿、硫铁矿、多金属硫化矿等) 在 丌采过程中，所含的硫及硫化物被氧化成h 2 s 0 4 而产生的酸性水5 1 。对于酸性 矿山废水的成因，许多学者作了大量的研究工作，指出酸性矿山废水是一个全 球性的问题，它不仅与矿山排放水有关，而且与含任何硫化矿物的开采加工过 程中的排放物有关( 6 ) 。 下面以黄铁矿氧化产酸来简要说明酸性矿山废水的产生【6 】，【7 】： ( 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 一一2 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 + + 0 2 + 4 h + f e ”+ 2 h 2 0 ( 1 2 ) 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 h 2 0 f e ( o h ) 3 + 3 h + ( 1 3 ) 即 f e 2 ( s 0 4 ) a + 6 h 2 0 2 f e ( o h ) 3 + 3 h 2 s 0 4 或l4f e 3 + + f e s 2 + 8 h 2 0 l5 f e 2 + + 2 8 0 4 2 - + 16 h +( 1 4 ) 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 ( 1 5 ) 2 s o + 12 f e 3 + + 8 h 2 0 一一f e 2 + + 16 h + + 2 s 0 4 2 或2 s o + 3 0 2 + h 2 0 一一h 2 s 0 4 实验发现，当有三价铁离子存在时，氧对黄铁矿的氧化作用不是产酸的主 要因素，三价铁离子对黄铁矿的氧化作用更为重要，使得反应式1 2 和1 4 构 成循环，可用如下模式来表示： f e s 2 二：坐f e 2 + + 0 2 f e 2 + 壁垒f e 3 + 石= f e ( o h ) 3 黄铁矿氧化产酸过程可划分为两个阶段：第一阶段是以自然界中的氧参加 为主的反应，主要生成产物为硫酸和硫酸亚铁，且在氧充足时亚铁可被氧化成 高铁，但此过程极为缓慢；第二阶段是p h 值降至4 5 以后，细菌参与了黄铁矿的 氧化过程，这时的反应比第一阶段快。与黄铁矿类产酸有关的细菌主要是氧化 铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化铁硫杆菌生金属菌。它们在定的p h 值和温度 范围内有较强的催化氧化活力，在常温下能使硫铁矿的氧化速率提高几十倍。 f e 2 + 吣沪氧化型细胞色素吣沪还原型细胞色素吣伊0 2 f e 3 + 影吣还原型细胞色素氧化型细胞色素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。 1 1 2 矿山环境保护概述 由于以黄铁矿为主的硫化矿物广泛存在于世界各地的各种矿山中，且伴生 有其他会属硫化物，使酸性矿山废水具有来源广泛，水量大，p h 低，含有有害 重金属多等特点。伴随着酸性矿山废水渗入地下、排入河流，能对矿山周围的 土壤、河流、地下水造成严重的危害。 国内外矿山环境保护工作主要是对矿山产生的酸性废水进行处理，实现达 标排放。使用石灰、碳酸盐岩、碱灰等碱性物质化学中和处理，但是会产生大 量含有重金属的污泥( 如产生大量含有重金属的石膏) ，不仅难以有效利用， 而且容易产生二次污染，进一步产生环境问题和高昂的经济代价，这类高成本 的技术已经面临巨大的经济压力 8 1 “9 1 。因而，近年来低成本酸性排水处理技术 研究受到很大关注，其中研究和关注较多的是湿地生态工程处理法、生物质吸 附法和硫化物沉淀法。湿地生态工程处理法是近期迅速发展起来的种污水处 理技术，在国外已用于实际酸性水处理。湿地处理系统，包括天然和人工湿地 处理，具有低投资、低运行成本、没有额外能耗的优点【9 l 【l l j ，但是湿地法占地 面积大，很多情况下矿山不具备天然湿地或构建人工湿地的场地和条件，并且， 受环境的影响很大，处理不彻底，逸出的硫化氢对环境有污染，当酸度较高时， 处理的长期有效性被人们质疑】 【1 3 】。另外，湿地中的水生生物会富集重金属， 仍然有可能通过食物链威胁人类健康【1 4 】 【1 。生物质吸附法也是受到很大重视 的生物技术【1 4 】 【2 1 1 。但是，生物质吸附剂的吸附容量较低，再生也比较困难， 有很多生物质吸附剂来源制备困难。从目前来看生物质吸附剂，很难用于解决 矿冶含重金属酸性排水问题。各种处理方法比较而言，硫化物沉淀法具有适用 p h 范围宽、出水重会属浓度低、受络合物和螯合物干扰小、具有还原性可以去 除高价态重金属( 如铬和铀) 、选择性沉淀、沉淀污泥含水量低、体积小易于 脱水等、可以分离回收重金属等优点。但是直接投加易溶硫化物沉淀重金属存 在药剂消耗大，处理成本高，剂量难于准确控制，硫化物运输、贮藏、投加系 统存在安全风险1 2 2 1 。 矿山开采出来的矿石，经过选矿破碎，从中选出有用物后，剩下的矿渣叫 尾矿。选矿厂在选别矿石后将产生大量的尾矿，通常是以矿浆状态排出的，这 样大量的尾矿如不妥善处理，就会大面积地覆没农田和污染水系，对环境造成 4 严重的危害。同时，尾矿中往往还含有目前尚不能回收的贵重、稀有会属，因 此尾矿仍是一种资源，也不允许随意丢弃。尾矿库就是为了解决尾矿的堆放问 题而建造的。尾矿库工程的目的就是要保障矿山生产的顺利进行和生命财产的 安全，经济上少受损失，保护生态环境。层矿坝是尾矿库的重要组成部分，由 初期坝和堆积坝组成。初期坝有堆石透水坝和粘土坝等，堆积坝是出尾矿堆积 而成，尾矿是尾矿坝的主要筑坝材料。尾矿坝作为一种特殊的水工建筑物和一 般挡水土坝不同，主要区别在于其运营期坝体断面一直在变化，坝的体积比土 坝大得多。 但是，由于尾矿库是选矿厂排出的细粒尾矿砂堆筑而成的废渣库。尾矿砂 颗粒小，比大块矿岩更易氧化分解，在露天情况下经水淋洗后部分物质如硫酸 盐和重金属等溶解形成淋溶水汇集成地表径流进入水体从而造成对环境的影 响；同时由于浮选工艺中添加了选矿试剂，使尾矿库淋滤废水含有比酸性矿山 废水更多的污染物如黄药和氰化物，因此尾矿库特别是金属硫化矿山尾矿库对 周围地表水、地下水和土壤容易造成严重的危害。 根据矿山酸性排水产生的机制和控制因素，防止尾矿酸性排水产生主要是 防止氧气渗透、保持孔隙高p h 值、提高尾矿中和潜力。具体措施包括水下处 理、湿地处理系统、显微封闭技术、包覆技术、覆盖处理、复垦绿化、投加碱 性物质【23 】 【2 训。但是这些技术措施都需要付出很高的经济代价，大多数情况下 是发展中国家矿业企业难以承受的。 所以，目前为止还没有很好的办法来消除尾矿库对周围环境造成的严重危 害，且绝大多数尾矿库处于病、危状态，时刻威胁着周围的生态环境。 1 2 硫酸盐还原菌处理酸性废水 目前处理酸性矿山废水的方法都存在一些难以克服和推广的问题，硫酸盐 还原菌处理酸性矿山废水的技术以其处理效果好、成本低廉、无二次污染等有 点，在最近几年得到了国内外学者广泛的关注和研究。 1 2 1 硫酸盐还原菌 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 ) 通常指的是能通过异化作 用进行硫酸盐还原的一类细菌f 7 】 【2 引。一般来说，s r b 是一类形态多样化的，利 用硫酸盐作为有机物异化作用的电子手提的严格厌氧菌。18 9 5 年首先由 b e i j e r i n c k 发现，至今已有百年的历史。根据不同的生理生化特性，它们可以分 为异化硫酸盐还原细菌和异化硫还原细菌( “异化 的意思是指还原的硫酸盐组 分并未同化为细菌的细胞组分，而是作为产物释放) 。前者可以利用乳酸盐、丙 酮酸赫、乙醇等作为碳源和能源，还原硫酸盐生成硫化物；后者则不能还原硫 酸盐，只能还原元素硫或其它含硫化合物( 如亚硫酸赫、硫代代硫酸盐) 。一般 的研究多限于异化硫酸盐还原菌。s r b 在高含硫酸盐有机废水中起着双重作用。 5 一方面，s r b 在厌氧环境中能将废水中的硫酸盐还原为h 2 s ，使水变黑变臭， 并且毒害大最水生生物：另一方面，s r b 在厌氧消化工艺中能有效地降解硫酸 能，使之净化。因此，研究s r b 的各种生物特性从而j 下确认以和允分利用s r b 有着特殊的意义。 目前已知的s r b 有l8 种井从生理学上分为两大亚类：1 类中如脱硫弧荫属 ( d e s u l f o v i b r i o ) 、脱硫单胞苗属( d e s u l f o m o n a s ) 、脱硫肠状茼属 ( d e s u z f o t o m a c u l u n a ) 和脱硫叶菌属( d e s u l f o b u l b u s ) ，町利片j 乳酸、丙酮酸、 己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 ) 。脱硫八叠球蒲属 ( d e s u z f o s a r i c i n a ) 和脱硫线菌属( d e s u l f o n e m a ) ，它们的特别之处足可以氧 化脂肪酸，尤其是乙酸盐并将硫酸还原为硫。s r b 都是专性厌氧的，因此埘它 们的培养要运用严格的无氧技术”l 。 凹1 i 硫酸盐还原苗的扫描电镜削片 1 6 f i g l - is e mp h o t o g r a p ho f s r b 表1 1 列出了目前已知的s r b 和它们的一些特性 袅i 1 目前己知的硫酸盐还原茁平它们的一些特性7 旦! ! ! ! ：! ! 坐! ! ! ! ! ! ! ! 坐! ! ! 竺! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺苎! 塑! 坐 属特性 类s r b ：不能氧化乙酸盐的 脱硫弧曲属 ( d e s u l f o v i b r i o ) 脱硫微哺属 ( d e s u l f o m i c r o b i u m 脱硫肠状苗属 极生鞭毛，弯曲杆菌，无孢芽：革兰阴性；含有脱硫绿胶 霉素；1 2 个种，其中一种为嗜热的 运动杆苗；无芽孢，堆兰阴性；无脱硫缄胶徭素：两个种 弧形；革兰阴性；运动：无脱硫绿股霉素：一个种 垂直或弯曲杆苗，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 ) 脱硫念珠菌属 ( 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 古生球菌属 ( 彳，c 向口p o g ，d 6 “s ) 脱硫叶菌属 ( d e s u l f o b u l b u s ) 嗜热脱硫杆菌属 ( t h e r m o d e s u l f o b o c t e r i u m ) i i 类s r b ：能氧化乙酸盐的 脱硫菌属 ( d e s u l f o b a c t e r ) 脱硫杆菌属 ( d e s u l f o b a c t e r i u m ) 脱硫球菌属 ( d e s u l f o c o c c u s ) 脱硫线菌属( d e s u l f o n e m a ) 脱硫八替球菌属 ( d e s u l f o s a r c i n a ) d e s u l f o a r c u l u s 脱硫状菌属 ( d e s u l f a c i n u m ) d e s b t l f o r h a b d u s t h e r m o d e s u l f o r h a b d u s 无脱硫绿胶霉素，产生内孢子；两个种，其中一种为嗜热 菌，一种可以乙酸盐为能景米源 杆菌；能将3 一氯苯甲酸酯经还原脱氯作用还原为苯甲酸酯 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 o ：，一个种 古生的，高温型的，最适温度为8 3 ，含有一种独特的甲 烷营养菌所具有的辅酶，生长时产生少量甲烷；h ”甲酸、 糖、乳酸和丙酮酸是电子供体，c 0 3 厶、s 2 0 3 2 - 或s 0 3 2 - 为电 子受体，两个种 卵圆形或柠檬形细胞；无芽孢；革兰刚性：不含脱硫绿脱 霉素；可通过单极生鞭毛运动( 如果能够) ；可利用丙酸为 电子供体，产物为乙酸盐和c o ；三个种 小，革兰阴性杆菌；存在脱硫绿胶霉素；嗜热的，最适生 长温度为7 0 杆菌；无芽孢，革兰阴性：没有脱硫绿胶霉素：如果可以 运动是通过单极生鞭毛；只有利h j 乙酸盐为电子供体并通 过柠檬酸循环将其氧化为c 0 2 ；四个种 杆菌：有些含气泡，海洋的，通过乙酰c o a 途径可营自养 生长；三个种 球形细胞：不运动：革兰阴性；存在脱硫绿脱霉素，无芽 孢：利用c 1 到c 1 4 脂肪酸作为电子供体并完全氧化为c 0 2 ； 可通过乙酰c o a 途径营养生长；两个种 大，丝状滑行细菌；格兰刚性，无芽孢；有或没有脱硫绿 脱硫素：利用c 2 到c 1 2 脂肪酸作为电子供体并完全氧化为 c 0 2 ；通过乙醚c o a 途径营自养生艮( h 2 为电子供体) ； 两个种 细胞成堆积状( 八叠球菌的排列) ；格兰阴性；无芽孢；没 有脱硫绿脱硫素；可利用c 2 到c 1 4 脂肪酸作为电子供体并 完全氧化为c 0 2 ；通过乙醚c o a 途径营自养生长( c h 2 为 电子供体) ；两个种 弧形，格兰阴性；可运动没有脱硫绿胶霉素，可利用c 1 到 c 1 8 的脂肪酸作为电子供体 球形或卵圆形细胞，格兰阴性；可利用c 1 到c 1 8 脂肪酸， 营养型多种多样，可以自养生长；嗜热 杆菌；无芽孢，格兰阴性；不运动；可利刚脂肪酸并将其 完全氧化为c 0 2 格兰阴性可运动杆菌；嗜热，可利用c l8 以下的脂肪酸 7 一般好氧细菌的新陈代谢能够分为合成代谢和分解代谢，但关于s r b 的合 成代谢几乎一无所知，对其分解代谢已有人作了不少研究，可以简单地将s r b 的代谢过程分为3 个阶段：分解代谢、电子传递、氧化，如图2 1 所示 碳源5 0 4 2 - + h 2 0 l黄素蛋白细胞色素c 3 等i 产物a t p 高能电子i i 消耗a t p 1 l土 c 0 2 + h 2 0 + c h 3 c o o h s 2 - + o h 分解代谢电子传递氧化 图1 2s r b 的分解代谢过程( 2 7 ) f i g l - 2t h em e t a b o l i cp r o c e s so f s r b 在分解代谢的第一阶段，有机物碳源的降解是在厌氧状态下进行的，同时 通过“基质水平磷酸化 产生少量a t p ；第二阶段中，前一阶段释放的高能电 子通过s r b 中特有的电子传递链( 如黄素蛋白、细胞色素c 等) 逐级传递，产生大 量的a t p ；在最后阶段中，电子被传递给氧化态的硫元素，并将其还原为s 厶， 此时，需要消耗a t p 提供能量。从这一过程可以看出，有机物不仅是s r b 的碳 源，也是其能源，硫酸盐( 或氧化态的硫元素) 仅作为最终电子受体起作用。 以往认为s r b 仅利用有限的基质作为有机碳源和电子供体，如乳酸盐、丙 酸盐、反丁烯二酸、苹果酸、乙醇、甘油，个别也利用葡萄糖和柠檬酸盐，最 后形成h a c 茅l lc 0 2 作为终产物。近2 0 余年来，由于选用不同碳源的培养基，s r b 利用的有机碳源和电子供体的种类不断扩大，发现s r b 还能利用乙酸、丙酸、 丁酸和长链脂肪酸及苯甲酸等，对其作用的认识也不断深化。s r b 在利用多种 多样的化合物作为电子供体时表现出了很强的能力和多样性，迄今发现可支持 其生长的基质已超过10 0 种。另外，s r b 除了能利用单一有机碳化物作为碳源和 能源( 化能有机生长) 外，还可利用不同的物质分别作为碳源和能源。近来许多 研究结果表明，在有硫酸盐存在的条件下，s r b 以厌氧消化器中最常见的挥发 有机酸( 主要是乙酸、丙酸、丁酸、氯酸) 为电子供体来还原硫酸盐。不同的污 泥来源，不同的驯化条件得到的生态系统中利用各种碳基质的s r b 的分布必然 有较大差别，从而表现为污泥对于各种碳源具有不同的消化能力，进而影响到 它们对硫酸盐的摄取速度即硫酸盐还原速率。据研究报道，s r b 禾t j 用乳酸、丙 酸、丁酸的硫酸盐还原速率依次降低。而钱泽澎等人认为，s r b 禾i j 用丙酸盐、 丁酸盐、乳酸盐、乙酸盐的硫酸盐还原强度依次降低。 1 2 2 硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水的原理 酸性矿山废水由于排放量大、影响范围广，若采用一般工业废水的治理方 法，往往投资大、成本高、实用性受到限制，加之某些认识和技术上的原因， 8 致使酸性废水对生态环境的污染越来越严重。因此，环境研究者不断的寻求更 好的技术来处理酸性矿山废水，利用s r b 处理酸性矿山废水以其不可替代的优 点受到了国内外学者的广泛关注【2 6 】 【27 1 。 在厌氧条件下，s r b 通过异化硫酸盐还原作用将s 0 4 2 还原为h 2 sr 2 5 i 。废水 中的重金属离子可以和h 2 s 反应生成溶解度很低的金属硫化物沉淀，从而重金 属得以去除。8 0 4 2 - 的还原反应发生在初级厌氧阶段。只有当电子供体和有机碳 源投加到无机废水中时s 0 4 2 - 生物还原才可发生1 2 6 】， 27 1 。反应如下： 1 ) 发酵。有机分子如蔗糖转化为乳酸 c 1 2 h 2 2 0 1i + h 2 0 _ 4 c h 3 c h o h c o o h 发酵反应对于随后的8 0 4 2 - 还原是必不可少的。因为s r b 只可利用发酵产 物如乳酸和丙酮酸盐等作为碳源。 2 ) 细菌呼吸。如s r b 利用乳酸产生乙酸。 2 c h 3 c h o h c o o h + s 0 4 2 砣c h 3 c o o 。+ 2 h c 0 3 + 2 h 2 s 乙酸继续氧化： c h 3 c o o h + s 0 4 2 - h 2 s + 2 h c 0 3 。 3 ) 生成金属硫化物沉淀 m 2 + + h 2 s _ m s ( s ) + 2 h + 综上，在外加电子供体的条件下，s r b 厌氧处理含硫酸豁酸性矿山废水所 起的作用主要包括以下几个方面： 以硫酸盐为电子受体，生成硫化物，降低硫酸盐浓度，并对m p b 的活性 产生抑制作用； 在降解硫酸盐过程中产生碱度，从而改变反应器中消化液的p h 值，从 而提高出水p h ： 降低甲烷的产生速度，通过与m p b 竞争乙酸和h 2 等基质，减少甲烷产 且 里； 反应生成的s 2 与废水中的金属离子生成不可溶的金属硫化物，从溶液 中沉淀下来，降低金属离子浓度。 也就是说，s r b 在一定的还原条件下具有还原硫酸盐产生生物成因硫化物 ( h 2 s ) 的能力，产生的硫化氢能和重金属结合形成金属硫化物沉淀，大部分 重会属的溶度积很低，可以形成沉淀，部分硫化重金属如表1 2 所示： 通过从酸性矿山废水中分离形成的金属硫化物沉淀( 如过滤、沉淀等方法) ， 可以降低重金属离子浓度；同时，由于硫酸盐还原的过程中会生成一定的碱度， 可以中和酸性矿山废水的酸度，提高废水p h 从而达到处理酸性矿山废水的目 地。 9 表1 2 部分硫化重金属的溶度积( 1 8 2 5 ) ( 2 8 ) t a b l e l 2t h ek s po fs o m eh e a v ym e t a ls u l f i d e 硫化物溶度积k s p ( g l 。1 ) 1 4 x 1 0 1 5 3 7 x 1 0 。1 9 1 2 x 1 0 2 3 8 5 x1 0 4 5 4 0 x1 0 。5 3 3 4 x 1 0 2 8 3 0 x1 0 - 1 9 1 0 。2 5 3 6 x1 0 2 9 1 2 3 硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水的国内外研究现状 由于s r b 产生生物成因硫化物具有低成本、安全性、稳定性等优点，近年 来国内外学者利用s r b 生物处理矿山酸性排水和含重金属离子废水方面丌展了 大量的研究2 9 卜【4 1 1 。 李亚新，苏冰琴 2 9 1 等人采用以陶粒为填料的有回流的上向流厌氧反应器， 利用生活垃圾酸性发酵产物作s r b 碳源，在3 5 条件下进行了利用s r b 处理酸 性矿山废水的小试研究，s 0 4 2 - 还原率达到8 7 以上。 g a r c i a p o 】等用从某黄铁矿带尾矿池底部采集的s r b 来对该尾矿堆置场排放 的污染液进行处理。试验表明：在ph 4 时，s r b 仍可以在含有9 0 0 0 p p m s 0 4 扣、 3 0 p p mf e ( i i ) 和10 0 p p m c u ( i i ) 的环境中生长并碱化环境p h 值，9 天后s 0 4 2 。去除 率达8 5 ，铁铜去除率几乎达到lo o ，并且铁铜可以c u 7 s 4 ，f e s 2 形式进行回 收。 m a r e e t3 1 】等以3 m l 糖蜜l 废水为碳源，于初级厌氧阶段采用完全混合厌氧反 应器和沉淀池对某矿山a m d 进行处理，保持h r t = 5 d ，回流速度为1 6 l d 。厌 氧处理后环境p h 值由6 5 上升至7 3 ， s 0 4 2 。的浓度由16 0 0 m g l 下降至r j 2 0 0 m g l ， c o d 值由2 8 0 0 m g l 下降到l5 0 0 m g l 。 s e r g e y 3 2 l f u a s b n i 应器中以乙醇作为碳源，在3 5 条件下，研究了a m d 中s 0 4 2 。生物还原规律。结果证明，当s 0 4 2 。负荷率6 9 l d ，h r t 为5 o 8 5 d ，进 水s 0 4 2 浓度为0 8 4 - - - 5 9 l 时，s 0 4 2 。还原率达到8 0 。 万由令【2 8 】等以玉米芯为碳源对某矿山富含s 0 4 2 - 废水进行处理。室温( 2 3 2 8 ) 下保持u a s b 反应器中进水p h 值约7 0 ，进水s 0 4 厶浓度为1 5 0 0 m g l ，当h r t = 6 0 d , 时( 进水速度为1 9 2 m l s ) ，回流速度0 1m l s ，每天向反应器中添加2 k g 左右 的干燥粉碎玉米芯时，反应效果较好。结果出水s 0 4 2 。浓度可下降为2 2 4 9m g l ， 其还原率8 5 0 1 ，p h 值约为8 1 4 。 l o 腮(8幅瞒庐蜗腮m ；量瞄猫吣邺兰 l9 9 4 - - l9 9 8 年间，由美国环保总署( e p a ) 提供资金，利用s r b 对利利奥芬 博伊矿的酸性矿山废水进行处理和控制，半工业试验结果表明，金属去除率达 到：z n 9 9 ，a 19 9 ，m n9 6 ，c d9 8 和c u9 6 【3 ”。 c h a n g ( 4 9 ) 以塑料填料为载体构筑固定床生物反应器、以淀粉生产有机废水 为碳源，研究了s r b 处理六价铬电镀废水的效果和电子供体的电子效率。 g o n 9 a l v e s ( 5 0 ) 使用蒸馏酒精废液作为碳源、j o n g ( 5 1 ) 研究了以石英砂为固定床以乳 酸为碳源，上升流s r b 生物反应器处理重金属废水效果和p h 值对反应速率的影 响。k a k s o n e n 等( 52 ) 以乳酸和乙醇为碳源、构建流化床生物反应器研究了s r b 处理重金属废水效果、动力学和最佳条件。柴立元及其课题组( 5 习以乳酸为碳源， 采用内聚营养源s r b 固定化技术进行重金属废水的处理，取得很多有价值的成 果。 这些研究成果已经充分显示s r b 生物矿化作用在处理重金