基于不同碳源的硫酸盐还原菌处理硫酸盐酸性废水试验

2019-09-23狄军贞郭俊杰王明佳

水资源与水工程学报 2019年4期

狄军贞，孙娟，郭俊杰，王明佳

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000)

1 研究背景

酸性矿山废水(acid mine drainage，AMD)是我国水污染环境中对生态破坏和环境污染最大的污染源之一。AMD中的污染物质，对人类的健康也造成了威胁[1]。处理AMD主要是解决酸污染、硫酸盐污染、重金属污染的问题[2]。目前，AMD的处理方法主要有化学法、物理化学法、微生物法和湿地法[3]。微生物法是目前处理含AMD最有潜力的一种方法，具有处理费用低、无二次污染、提高pH、回收单质硫的优点[4-5]。微生物法处理AMD是在厌氧条件下，通过硫酸盐还原菌(SRB)利用有机营养物质将SO42-还原为H2S，提高溶液碱度，同时生成的H2S与废水中溶解的重金属离子反应生成不可溶金属硫化物沉淀，最终达到除硫、净化、回收重金属的目的[6]。

碳源为SRB生长过程提供能源和电子，是影响SRB处理AMD的重要经济因素。乳酸钠是目前SRB利用效果最好的一种碳源，但是作为一种速效碳源，需要不断补充，处理成本较高[7]。制糖工业废弃物甘蔗渣，资源丰富，价格低廉。在厌氧发酵的微生物作用下，能够将甘蔗渣中的纤维素、半纤维素、木质素分解成容易水解的低聚糖和单糖混合物，可以作为SRB的载体和缓释碳源[8-11]。本实验以甘蔗渣和乳酸钠作为的碳源，对比分析了SRB在不同pH条件下对SO42-的去除效果及其体系中氧化还原电位(ORP)变化规律，研究不同碳源条件下SRB最佳生长活性的pH范围，并以SO42-为底物拟合了SRB处理含硫酸盐酸性废水的动力学方程，以期为SRB利用甘蔗渣处理AMD提供一定的理论基础。

2 材料与方法

2.1 实验材料

菌种：由实验室筛选得到以SRB为主的优势菌种。

甘蔗渣预处理：甘蔗渣采自广东湛江。甘蔗渣水洗烘干后，经粉碎机研磨细化，筛网筛选后，选取100～200目备用。

2.2 实验方法

取500 mL、SO42-浓度为1000 mg/L废水于4个500 mL锥形瓶，分别加甘蔗渣22.5 g，调节pH分别为4、5、6和7，分别以G4、G5、G6和G7标记。取500 mL、SO42-浓度为1000 mg/L废水于4个500 mL锥形瓶，分别加乳酸钠1.75 g，调节pH分别4、5、6、7，分别以R4、R5、R6和R7标记。以10%的接种比例加入SRB菌液，用N2排氧15 min后密封。将试样全部置于35 ℃、转速为120 r/min的摇床中。取样方法采用注射器定期抽取。

2.3 分析项目

实验中pH采用PHS-3C型酸度计测定；氧化还原电位(ORP)采用CT8022笔式ORP计测定；SO42-浓度采用铬酸钡分光光度法测定。

3 结果分析与讨论

3.1 SO42-的去除效果分析

不同起始pH条件下SO42-浓度随时间变化及去除率如图1所示。由图1可看出，随着反应的进行，G7、G6、G5、G4、R7、R6、R5、R4的SO42-浓度显著下降，去除效果明显。8种溶液SO42-平均去除率分别为68.13%、71.82%、51.67%、49.04%、80.75%、85.31%、54.13%、36.24%。去除率大小顺序为R6>R7>G6>G7>R5>G5>G4>R4。可见，在pH=5～7，以乳酸钠为碳源的SRB去除SO42-效果优于以甘蔗渣为碳源的去除效果，且R6的去除率最高，为85.31%。这是因为乳酸是最适合SRB去除硫酸盐的底物[12]。而甘蔗渣碳源需要被水解为小分子有机物后才能被SRB所利用。本实验中COD和SO42-的比值大于2，大于SRB去除SO42-所需要的COD和SO42-的理论比值0.67，硫酸盐没有完全被还原，主要原因是SRB还原SO42-的过程是在SRB体内进行的，COD和SO42-须渗入SRB菌体内SO42-才能被还原，由于SRB细胞膜对COD与SO42-的选择透过性不同，因此，菌体内COD和SO42-的比值远远小于体外[13]，从而导致本实验SO42-的去除率最高达到85.31%。在同一碳源条件下，pH=6时，SRB去除SO42-效果最佳。说明SRB去除SO42-最适pH为6。pH=4时，以甘蔗渣为碳源的SRB去除SO42-效果优于以乳酸钠为碳源的去除效果。主要原因可是酸性条件催化了甘蔗渣的水解，酸化后的甘蔗渣表面结构发生了变化，表面的微孔数量增加，比表面积增大，甘蔗渣表面的活性基团增多，使其对低pH环境具有很好的缓冲效果[14]，从而使SRB在低pH条件下仍具有很好的活性。

3.2 pH和ORP变化规律分析

反应体系中pH和ORP随时间变化曲线如图2所示。由图2可以看出，随着反应的进行，R5、R6、R7溶液中pH值呈缓慢上升趋势，R5、R6、R7溶液的ORP值先下降后缓慢上升。主要原因有乳酸钠为强碱弱酸盐，对于酸性溶液具有一定的缓冲作用，能够缓解酸性条件对SRB生长活性的抑制作用，使得SRB在一定的酸性条件下仍然具有良好的生长活性；同时，在SRB还原硫酸盐的过程中，每还原1 g硫酸根生成1.042 g碱度[15]，使得溶液的pH一直呈缓慢上升状态。在1～7 d，R5、R6、R7溶液的ORP值呈下降趋势，溶液的ORP平均值均在-200 mV以下，而体系中的SO42-浓度下降较快，表明体系中SRB活性与OPR值呈负相关性[16]。第7 d之后，溶液的ORP呈缓慢上升趋势，且体系中的SO42-浓度在第7 d之后基本保持稳定，主要原因可能是随着反应的进行，SRB还原SO42-产生的H2S逐渐增多，当溶液中的H2S积累到一定程度，引起SRB的中毒衰亡[17-18]。同时，体系中乳酸钠随着SRB的生长代谢基本消耗殆尽，SRB的生长活性逐渐降低，SRB还原SO42-的过程逐渐减弱。

R4溶液的pH值一直呈上升趋势，ORP值逐渐降低，第13 d，ORP值降为-57 mV。主要因为溶液的初始pH较低，抑制了SRB细胞壁上的酶活性，从而抑制了SRB的生长繁殖[19]。虽然在此条件下SRB仍能生存，乃至繁殖，但SRB菌活性较差，SO42-去除效果较差。

图1 不同起始pH条件下SO42-浓度及去除率随时间的变化曲线

图2 反应体系中pH和ORP随时间的变化曲线

由图2可以看出，G6、G7溶液的pH值随着反应的进行先下降后上升，ORP值缓慢下降。主要原因是甘蔗渣水解过程产生一定的酸度[20]，使溶液的pH下降；在第1 d，G6、G7溶液的初始ORP均在-100 mV以下，SRB生长活性较好，随着反应的进行，溶液中SO42-浓度逐渐减小，反应产生的碱度导致溶液的pH逐渐上升[21]，随着SO42-的逐渐被还原，反应产生过多的H2S使得溶液的ORP值逐渐下降，同时对SRB的生长繁殖产生了抑制作用[21]，SRB还原SO42-的过程逐渐减弱，随着反应的缓慢进行，溶液中SO42-的浓度降低缓慢，产生的H2S逐渐减少，溶液的pH缓慢上升，体系中ORP值缓慢下降。第13 d，溶液中ORP值仍在-200 mV以下，说明G6、G7溶液中SRB菌仍具有良好的活性。

G4、G5溶液中pH值一直呈上升趋势，ORP呈缓慢下降趋势，主要原因是在酸性条件下，甘蔗渣表面的官能团中和了溶液的一部分酸度[22]，对于酸性溶液具有一定的缓冲作用，随着反应的进行，反应产生的碱度，使 G4、G5溶液中pH值一直呈缓慢上升状态，溶液中 SO42-浓度逐渐减小，产生的H2S逐渐增多，溶液的ORP值逐渐下降。

R5、R6、R7溶液的ORP值在第7 d开始上升，随着溶液中乳酸钠的不断消耗，SRB活性逐渐降低，第13 d，G7、G6、G5、G4溶液的ORP值仍较稳定，均在-200 mV以下，SRB具有良好的活性，主要因为甘蔗渣作为缓释碳源释放稳定，COD可稳定保持 200～300 mg/L之间[14]。R4溶液第13 d的ORP值才降至-57 mV，硫酸根去除率仅为36.24%，G4溶液第13 d的ORP值为-229 mV，硫酸根去除率为49.04%。说明甘蔗渣作为SRB缓释碳源处理硫酸盐酸性废水的可利用性。

3.3 SO42-动力学模型拟合

为了进一步探讨不同碳源条件下SRB还原SO42-的过程，对SO42-的还原过程进行动力学分析。通过曲线拟合法确定SRB还原SO42-的反应级数。假设硫酸盐降解速度模型符合指数速度模型，指数速度模型为：

(1)

式中：v为反应速度，mg/(L·d)；k为反应速率常数；C为SO42-的质量浓度，mg/L；n为反应级数；t为反应时间，d。

当n=0时，SO42-还原过程为零级反应，动力学模型为:

Ct=C0-k0t

(2)

当n=1时，SO42-还原过程为一级反应，动力学模型为:

lnCt=lnC0-k1t

(3)

式中：Ct为某时刻SO42-的质量浓度，mg/L；C0为初始SO42-的质量浓度，mg/L；k0为零级反应速率常数，mg/(L·d)；k1为一级反应速率常数，d-1。

对SO42-还原过程分别采用零级和一级反应动力学模型进行拟合，拟合曲线如图3和4所示。

图3 不同起始pH条件下SO42-还原零级反应动力学模型拟合

图4 不同起始pH条件下SO42-还原一级反应动力学模型拟合

由图3和4得出，两种碳源、不同pH条件下SO42-还原动力学拟合参数如表1所示。

表1 SO42-还原动力学拟合参数

由表1可知，一级反应动力学模型相比于零级反应动力学模型可更好地描述SRB对SO42-的还原过程。SO42-的还原过程与其浓度的一次方成正比关系，说明SRB对SO42-的还原过程主要以电子受体控制为主，SRB对SO42-的还原活性主要受氧化还原电位的影响[23]。在同一碳源条件下，溶液起始pH越低，反应速率常数k1越小，表示降解速度越慢。因为溶液中的H+对SRB细胞壁上的酶活性有一定的影响[24]，适宜的pH对SRB的生长代谢至关重要。在反应初期，SRB的生长代谢受pH影响，pH越低，SO42-的降解速率越慢；随着SO42-的逐渐降解，溶液的pH逐渐升高，溶液产生的H2S越来越多，ORP值逐渐降低，SRB的生长活性逐渐升高，SO42-的降解速率越来越快。在不同碳源条件下，R7、R6、R5的降解速率分别高于G7、G6、G5的降解速率，因为甘蔗渣需要不断水解为SRB提供碳源，使甘蔗渣溶液的COD/SO42-的比值较乳酸钠溶液小，从而导致SRB体内COD/SO42-的比值较低，SRB对SO42-的还原是在体内进行，COD与SO42-需要渗入SRB体内，SO42-才能被还原，SRB体内COD/SO42-的比值越大，硫酸盐的降解速率越快[13]，因此R7、R6、R5的降解速率分别高于G7、G6、G5的降解速率。造成R4的降解速率低于G4的降解速率的主要原因在于甘蔗渣表面的官能团(如羟基等)能中和一定的酸度，使得溶液对于低pH有一定的缓冲作用，解除了溶液中的H+对SRB细胞壁上酶活性的影响，而R4溶液没有足够的碱度来缓解酸度对SRB的冲击，使得R4溶液中的SRB失去生理活性；低pH条件加快了甘蔗渣的水解，使SRB体内COD/SO42-的比值增大，促进了SO42-的还原过程，反应产生较多的H2S使G4溶液ORP值逐渐降低。