王 淼，李澤兵，孫曉宇，張子妍，孫占學(xué)，吳昱萱，涂友誼

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013)

酸性礦山廢水(Acid Mine Drainage，AMD)是許多國家面臨的最大水環(huán)境問題[1]。據(jù)估計(jì)，在1989年，全球約有72 000公頃的湖泊和水庫受到礦山廢水的嚴(yán)重破壞[2]。在我國工業(yè)廢水排放總量中，礦山廢水排放量就占了10%，而其中只有不到5%得到處理[3]。AMD因具有低pH值、高酸度、高硫酸鹽和含有毒金屬(如鈾、砷、鐵、鎘、鉛、鐵、銅等)的特點(diǎn)[4]，若處置不當(dāng)，勢必會嚴(yán)重污染周邊的土壤和水體環(huán)境，影響生態(tài)系統(tǒng)，危害動植物和人體健康[5]。近年，研究人員一直在研究通過各種處理技術(shù)(主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法)減輕AMD對環(huán)境的影響[6]。在眾多處理技術(shù)中，物理方法耗能較大，條件苛刻；化學(xué)方法會產(chǎn)生大量化學(xué)污泥，易造成二次污染；而采用生物方法處理AMD具有成本低、產(chǎn)泥少、無二次污染和效率高等優(yōu)點(diǎn)[7]。且以硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，SRB)法為代表的生物方法，不僅成本低，無二次污染，效率高，還能在去除AMD中硫酸鹽的同時(shí)，回收金屬不造成資源浪費(fèi)[8]。

目前，利用SRB法處理AMD中高硫酸鹽和金屬已然成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)[9-11]，但大多數(shù)研究體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)尋求SRB的最佳參數(shù)上[12-13]。而對SRB法去除AMD雖有相關(guān)報(bào)道，但此類文獻(xiàn)綜述相對較少，且形式單一，同時(shí)綜述SRB處理AMD中高硫酸鹽和重金屬的文獻(xiàn)相對匱乏。因此，本文對近年來有關(guān)SRB及其工藝研究和SRB處理AMD等文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，綜述了AMD的來源及危害、SRB處理AMD的機(jī)理、SRB處理AMD效果的主要影響因素及簡要介紹了處理AMD的生物反應(yīng)器系統(tǒng)類型，并對SRB處理AMD提出挑戰(zhàn)和展望。以期為SRB處理實(shí)地AMD提供工程應(yīng)用基礎(chǔ)并為未來SRB的研究方向和工藝提供支持。

1 酸性礦山廢水來源及危害

1.1 酸性礦山廢水來源

AMD的主要來源是礦山開采過程中產(chǎn)生的礦井水、自然降水和地表徑流引起的地下水、礦山廢料堆和采石場的地下水滲透以及油田在酸壓鉆井過程中的廢水[14-15]。在金屬礦床類，黃鐵礦是產(chǎn)生AMD最主要的礦物，是金屬硫化物礦物中最常見的成分之一。當(dāng)這類金屬硫化物礦物與水、氧氣和微生物接觸時(shí)，會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)、物理和生化反應(yīng)，進(jìn)而引起地下水中硫酸鹽和金屬污染，最終導(dǎo)致AMD的產(chǎn)生。涉及的反應(yīng)主要有以下四個[16]：

(1)

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O

(2)

Fe3++3H2O→Fe(OH)3+3H+

(3)

(4)

在反應(yīng)過程中，不僅僅是鐵的硫化物會發(fā)生上述反應(yīng)，其他金屬的硫化物(如鎘、鈾、鎳、鋅、銅等)也會發(fā)生類似的氧化反應(yīng)，最終引起硫酸鹽和金屬污染，并產(chǎn)生AMD[17]。

1.2 酸性礦山廢水危害

AMD由于高酸度、重金屬和硫酸鹽化合物的存在，與土壤和水體接觸會危害環(huán)境，一旦存在于食物鏈中，會直接影響人類健康[18-19]。一方面，AMD對環(huán)境的影響表現(xiàn)在化學(xué)(例如環(huán)境中酸度和金屬的增加)、物理(例如周圍水體中光線穿透的減少)和生態(tài)(例如食物鏈和棲息地的改變、食物源的損失)三個層面。另一方面，水中存在的金屬離子可長期留在自然生態(tài)系統(tǒng)中，并在食物鏈中不同程度的積累，引起慢急性疾病[20]。

2 硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水機(jī)理

2.1 硫酸鹽還原菌介紹

BEIJERINCK在1895年發(fā)現(xiàn)了第一株硫酸鹽還原菌株[21]。SRB是一類以單極鞭毛運(yùn)動，單細(xì)胞，無芽孢，廣泛存在于厭氧環(huán)境中，以有機(jī)物為碳源，把硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽還原為硫化物(S2-、HS-和H2S)的細(xì)菌總稱[22-23]。此外，SRB作為一類多種多樣的原核生物，根據(jù)rRNA序列分析可分為革蘭氏陰性嗜溫性SRB、革蘭氏陽性產(chǎn)孢子SRB、嗜熱SRB和嗜熱古SRB四類[24]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已發(fā)現(xiàn)的具有硫酸鹽還原功能的細(xì)菌有60個屬220多種[25]，包括利用碳源將硫酸鹽還原為H2S的脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫單胞菌屬(Desulfomonas)、脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum)等，氧化脂肪酸并將硫酸鹽還原為硫的脫硫菌屬(Desulfobacter)、脫硫球菌屬(Desulfococcus)和脫硫八疊菌屬(Desulfosarcina)[26]。因其代謝還原硫酸鹽的特性，SRB在AMD、固化重金屬、材料保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[27]。

2.2 硫酸鹽還原菌去除硫酸鹽和金屬機(jī)理

2.2.1 硫酸鹽還原菌去除硫酸鹽機(jī)理

在厭氧環(huán)境中，SRB以硫酸鹽、亞硫酸鹽等氧化態(tài)硫?yàn)殡娮邮荏w，以有機(jī)物(乳酸、甲醇、乙醇等)作為電子供體和碳源，通過異化作用獲得能量從而進(jìn)行硫酸鹽還原。SRB還原硫酸鹽的過程主要包括分解階段、電子轉(zhuǎn)移階段和氧化階段[28]。SRB分解代謝過程如圖1所示。首先在分解階段，SRB在厭氧狀態(tài)下，為維持自身代謝，把碳源分解為二氧化碳、水和乙酸，通過基質(zhì)水平磷酸化，產(chǎn)生少量ATP和高能電子。接著進(jìn)入電子轉(zhuǎn)移階段，SRB利用分解階段產(chǎn)生的高能電子通過SRB特有的電子傳遞通道(如細(xì)胞色素C3、黃素蛋白等)逐級傳遞，同時(shí)產(chǎn)生大量的ATP。最后SRB在完成碳源分解和電子轉(zhuǎn)移階段的基礎(chǔ)上進(jìn)入氧化階段，把前期產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移給氧化態(tài)的硫元素，氧化態(tài)硫元素得到電子被還原為S2-，此時(shí)需要消耗大量的ATP，并產(chǎn)生OH-和H2S。在整個代謝過程中，有機(jī)物既是碳源也是能源。產(chǎn)生的S2-和OH-可以沉淀AMD中的金屬離子，提高AMD的pH值。

圖1 SRB分解代謝示意圖[29]

圖在細(xì)胞內(nèi)外變化示意圖[29]

2.2.2 硫酸鹽還原菌去除金屬離子機(jī)理

SRB去除AMD中金屬離子主要是通過氧化分解產(chǎn)生的S2-和H2S與金屬離子結(jié)合成硫化物沉淀、分解有機(jī)物產(chǎn)生的CO2溶于水后沉淀金屬離子、產(chǎn)生的OH-沉淀金屬離子和通過SRB分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymer Substances，EPS)吸附絡(luò)合金屬離子等方式。

SRB在異化還原硫酸鹽過程中，產(chǎn)生的S2-與水中U(IV)、Cu2+、Fe2+/Fe3+、Cd2+等重金屬離子結(jié)合，因其溶度積非常低易形成難溶性的金屬硫化物沉淀(如表1所示)，從而達(dá)到去除AMD中金屬離子的目的[33]。王海霞等采用上流式厭氧填充床生物反應(yīng)器處理含有高濃度的多種重金屬離子的AMD，發(fā)現(xiàn)該生物反應(yīng)器在進(jìn)水pH=2.8和高濃度金屬(Fe 463 mg/L、Mn79 mg/L、Cu76 mg/L、Cd 58 mg/L和Zn 118 mg/L)下，出水pH值范圍為7.8～8.3，并且除Mn(42.1%～99.3%)外，F(xiàn)e、Cu、Zn和Cd的去除效率均超過99.9%[34]。其中，SRB異化硫酸鹽產(chǎn)生的S2-與沉淀AMD中的金屬離子可以用下式表示：

表1 部分硫化金屬的溶度積(18～25 ℃)[40]

(5)

(6)

(7)

式中：CH2O表示有機(jī)物，Me代表金屬元素。

此外，SRB在分解有機(jī)物階段產(chǎn)生的二氧化碳溶于水后形成的碳酸根也可以沉淀部分金屬離子。例如，與AMD中Mn2+、Ca2+金屬離子結(jié)合生成MnCO3和CaCO3沉淀。

而SRB在氧化階段，產(chǎn)生S2-的同時(shí)，會產(chǎn)生OH-沉淀水中的部分金屬離子，另一方面，OH-也可以提高水體的堿度，為SRB提供一個有利的生長環(huán)境。研究表明，麥飯石聯(lián)合SRB修復(fù)酸性礦山廢水可以使AMD的pH值由4.08提高到7.64[35]。

與前面三種去除AMD中金屬離子機(jī)理不同，利用SRB分泌的EPS去除金屬離子不是以化學(xué)沉淀的形式去除而是通過吸附絡(luò)合作用。研究表明，EPS主要來源于細(xì)胞代謝過程中的細(xì)胞裂解和主動分泌等過程，是一種由蛋白質(zhì)、多糖、核酸和腐殖質(zhì)等高分子物質(zhì)組成的聚合物，一般分布于微生物細(xì)胞表面及周圍環(huán)境[36]。由于EPS對重金屬具有吸附和螯合作用[37]，從而可以達(dá)到去除AMD中金屬離子的目的。趙瑩通過對SRB去除金屬離子機(jī)理的研究表明，Cu2+主要以細(xì)胞吸附的形式被去除[38]。此外，EPS含有大量像羧基、羥基等可以與金屬離子結(jié)合的陰離子官能團(tuán)可以通過靜電作用、離子交換、表面沉積和絡(luò)合作用與AMD中的金屬離子結(jié)合[39]。

3 硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水影響因素

SRB處理AMD受多種因素的影響，包括溫度、硫酸鹽和重金屬的濃度、碳源、AMD的pH值、氧化還原電位、硫化氫毒性和水力停留時(shí)間等[41-43]。因此，研究這些因素對SRB高效處理AMD具有重要意義。而氧化還原電位、水力停留時(shí)間和硫化氫毒性對SRB處理AMD的影響已在前人研究中有詳細(xì)的介紹[44-45]。本文重點(diǎn)對溫度、硫酸鹽和重金屬的濃度、碳源和進(jìn)水的pH值四個關(guān)鍵影響因素進(jìn)行闡述。

3.1 pH值

pH值會影響微生物細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓及膜表面電荷的性質(zhì)，進(jìn)而影響細(xì)胞膜對物質(zhì)的吸收[46]。最初的研究都認(rèn)為，SRB只能在中性的條件下生長，一旦pH值小于5，SRB的活性將會受到抑制[47]。但是，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)通常SRB可以在pH值為5～9內(nèi)正常生長，甚至在高酸性條件下仍能存活。這無疑對SRB處理AMD中的硫酸鹽和金屬有著極大的意義[48]。吳文菲等研究表明，在適宜的條件下，進(jìn)水pH值在4以下，硫酸鹽的去除率能達(dá)到60%[49]。ROWE等[50]在西班牙的廢棄硫化礦場的AMD中分離出了一株可以在高酸(pH=2.5)環(huán)境下存活的SRB。

3.2 碳源

3.3 硫酸鹽和金屬濃度

AMD中硫酸鹽和金屬的濃度會影響SRB處理AMD的效果[55-56]。高濃度的硫酸鹽和金屬并不利于SRB處理AMD。硫酸鹽濃度過高，會使SRB因細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓力差過大，造成SRB脫水死亡。MAREE等[57]發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽濃度過高時(shí)，Ca2+和Na+會對SRB的活性產(chǎn)生抑制。而AMD中的重金屬因具有毒性，也會影響SRB的生長代謝[58-59]。研究[60]發(fā)現(xiàn)，重金屬對SRB活性的抑制順序?yàn)镃u>Cd>Ni>Zn>Cr>Pb。但是，并不是所有的重金屬都會影響SRB的活性，有研究表明，重金屬(Zn、Cd、Co、Ni和Cu)的存在對制革廠流出物中分離的嗜溫硫酸鹽還原菌株的還原沒有顯著影響[61]。此外，在低濃度下，SRB都能實(shí)現(xiàn)對不同金屬(Cd2+，Cu2+，Ni2+，F(xiàn)e3+，Pb2+和Zn2+)的去除，但在高金屬濃度組合下，SRB會受到抑制[62]。當(dāng)然，鐵、鋅和鉻等金屬是細(xì)菌生長所必需的微量營養(yǎng)素，在低濃度下會刺激SRB，只有在較高濃度下才有毒。因此，高負(fù)荷的硫酸鹽和金屬濃度不僅會影響SRB的活性還會削弱SRB處理AMD的效果。

3.4 溫度

溫度是影響微生物生長的最重要的因素之一。根據(jù)細(xì)菌生長的溫度范圍可以分為耐高溫(55 ℃及以上)生長的嗜熱菌、耐中等溫度(20～55 ℃)范圍生長的嗜溫細(xì)菌和耐低溫(-10～20 ℃)范圍生長的嗜冷細(xì)菌。國內(nèi)外研究表明，SRB適宜生長的溫度為28～38 ℃[63]。馬賽等在UASB反應(yīng)器中改進(jìn)了SRB對模擬AMD中硫酸鹽的去除，結(jié)果表明，在35 ℃、C/S=3.0、pH=6.5、HRT=10 h的最佳運(yùn)行條件下，硫酸鹽的去除率最高達(dá)86.3%[64]。另外，溫度也可以影響微生物體內(nèi)酶的活性從而影響其自身的代謝和SRB還原速率[65]。國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在水體溫度為0.1 ℃下，硫酸鹽的還原速率平均比室溫(20 ℃)下低6倍，并且在Rybinsk水庫發(fā)現(xiàn)，嗜冷SRB在14 ℃時(shí)，硫酸鹽還原最快，而嗜中SRB在27～35 ℃時(shí)硫酸鹽還原最快[66]。陳煒婷等[67]通過研究溫度對SRB脫鉈的影響發(fā)現(xiàn)，溫度在30 ℃時(shí)，鉈的去除率超過90%，低于28 ℃或大于32 ℃時(shí)，SRB對鉈的去除率會降低。可見，溫度過低或過高都會影響SRB處理AMD的效率，溫度過低會使SRB代謝速率下降，溫度過高會抑制SRB的生長。因此，適宜的溫度能夠?yàn)镾RB處理AMD提供一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)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種至液相或固相的反應(yīng)系統(tǒng)。而硫酸鹽還原是伴隨在厭氧生物反應(yīng)器中，到目前為止，已經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展[68]。第一階段的反應(yīng)器是污泥與廢水完全混合，完全利用生物污泥法處理廢水，負(fù)荷較低；第二階段的反應(yīng)器是結(jié)合生物膜法，使用填料形成生物膜和保留活性污泥，將固體污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)間相分離，提高了系統(tǒng)負(fù)荷；第三階段的反應(yīng)器在第二階段反應(yīng)器的基礎(chǔ)上使固相和液相充分接觸，解決了前兩階段出現(xiàn)的短流和堵塞問題。根據(jù)去除AMD中金屬的化學(xué)或生物機(jī)制，可分為主動式和被動式生物反應(yīng)器。主動式和被動式生物反應(yīng)器都被認(rèn)為是處理AMD最有前途和潛力的處理系統(tǒng)，且這些生物反應(yīng)系統(tǒng)提供了更緊湊的設(shè)計(jì)、高效的控制和更輕松的性能。此外，生物反應(yīng)器系統(tǒng)正在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行廣泛研究，其中部分反應(yīng)器已充分應(yīng)用于AMD中硫酸鹽去除和金屬回收。有研究發(fā)現(xiàn)使用幾丁質(zhì)作為底物加入到SRB生物反應(yīng)器中可以有效提高反應(yīng)器中金屬和硫酸鹽的去除效率[69]。

4.1 被動式生物反應(yīng)器

硫酸鹽還原被動生物反應(yīng)器最近作為用于 AMD 治療的有前途的生物技術(shù)受到了廣泛關(guān)注[70]。AMD中的許多金屬沉淀機(jī)制，如金屬碳酸鹽和氫氧化物的吸附和沉淀，都發(fā)生在被動生物反應(yīng)器中?；赟RB法處理AMD的被動式生物反應(yīng)器處理系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括通過底物注入表面[71]、濕地系統(tǒng)[72]、厭氧池[73]、滲透床[74]和滲透反應(yīng)性屏障系統(tǒng)[75]。被動式生物反應(yīng)系統(tǒng)處理AMD具有在低 pH值下金屬去除率高、污泥穩(wěn)定、較低資源投入(包括人工成本、運(yùn)行和維護(hù)成本)等優(yōu)點(diǎn)，但被動式生物反應(yīng)系統(tǒng)也存在部分缺點(diǎn)，如處理AMD時(shí)占地面積較大、處理過程不易控制以及系統(tǒng)中SRB的活性易受到反應(yīng)組分混合物(有機(jī)碳源)的影響。并且，現(xiàn)場被動式生物反應(yīng)器系統(tǒng)性能也易受到AMD高負(fù)荷硫酸鹽和金屬毒性的限制。

4.2 主動式生物反應(yīng)器

與被動式生物反應(yīng)器系統(tǒng)不同，雖然主動式生物反應(yīng)器系統(tǒng)需要持續(xù)的資源投入，但主動式生物反應(yīng)器系統(tǒng)潛在的優(yōu)勢是選擇性地回收AMD中的金屬、顯著降低AMD中硫酸鹽的濃度和可預(yù)測且易于控制的性能。因此，運(yùn)用主動式生物反應(yīng)系統(tǒng)作為硫化生物反應(yīng)器來消除重金屬是更好的選擇。表2總結(jié)了幾種常見的處理AMD主動式生物反應(yīng)器系統(tǒng)類型。

表2 基于SRB的主動式生物反應(yīng)器類型[76]

5 結(jié)語與展望

SRB法處理AMD是一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的生物方法，能夠同時(shí)去除AMD中的金屬離子和高濃度硫酸鹽。近年，在眾多修復(fù)方法中脫穎而出，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，因當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境、氣候條件和AMD的性質(zhì)不同，單一的處理方法往往具有一定的缺陷。結(jié)合在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，未來可以重點(diǎn)圍繞以下方面展開研究：

1)針對AMD的具體性質(zhì)和實(shí)地應(yīng)用中的氣候特點(diǎn)，馴化或者誘變同時(shí)耐低溫和低pH值的SRB既是現(xiàn)階段的難點(diǎn)也是未來發(fā)展的重點(diǎn)。而單一的SRB法雖在處理AMD方面已取得不錯的成果，但若結(jié)合其他工藝方法(如人工濕地)協(xié)同處理，集各種工藝方法的優(yōu)點(diǎn)于一體，對AMD的處理效果可能會更好。因此，未來應(yīng)加大力度開展SRB法與其他工藝組合的研究。

2)基于SRB處理AMD的生物反應(yīng)器是近年的熱門研究，其處理效果顯著且易于控制，而對半被動的硫酸鹽生物反應(yīng)器系統(tǒng)雖有研究，但研究甚少。未來在繼續(xù)研究主動式和被動式生物反應(yīng)器的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注半被動硫酸鹽生物反應(yīng)器的研究。

3)對于SRB修復(fù)AMD，在了解SRB異化硫酸鹽機(jī)理的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注SRB與其他微生物對碳源的競爭作用，并展開對新型碳源和新型電子供體的研究。