何双双，徐建平，胡守恒

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖　241000)



载体前处理对SRB处理重金属的影响

何双双，徐建平，胡守恒

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖241000)

以乳酸钠作为进水碳源，以陶粒作为上向流式厌氧生物膜填充床中的填料，研究了利用硫酸盐还原菌处理模拟矿井废水的载体前处理方式、低进水pH值以及温度对硫酸盐还原菌处理重金属效果的影响。结果表明：在酸性前处理方式下，固定化硫酸盐还原菌处理重金属的效率要高于其他两种前处理方式处理重金属的效率，而且其对外界环境变化的抗冲击能力也要优于其他两种处理方式。

硫酸盐还原菌；陶粒；载体前处理；重金属；酸性矿井废水

wastewater

酸性矿井废水(AMD)的污染已经成为一个全球性的问题，为治理酸性矿井废水，一些学者进行了大量的研究。目前，国外处理酸性矿井废水的主要方法是中和法和湿地法。但这两种方法处理不彻底，易造成二次污染。鉴于以上方法的欠缺，国外有些学者将研究方向转向了微生物法[1-3]。而微生物法中应用最广泛的是固定化微生物法[4]。Jong等[5]利用硅砂为载体固定化硫酸盐还原菌的UASB反应器处理Cu2+、Zn2+、Fe2+等，结果显示：Cu2+、Zn2+去除率大于97.5%，Fe2+去除率大于82%。固定化微生物法有利于提高反应器内微生物浓度和系统的稳定性，且费用低、不会造成二次污染、能回收单质硫、运行简单、易于管理[6]。

硫酸盐还原菌(SRB)是广泛存在于自然界中具有还原硫酸盐能力的原核微生物的总称。SRB以硫酸盐中的硫作为末端电子受体，将硫酸根离子中正六价的硫还原为负二价，并产生硫化氢，其代谢过程可以分解为分解代谢、电子传递、氧化3个阶段。从其代谢过程可以看出：SRB将有机物作为细胞合成的碳源和电子供体，以硫酸根作为电子受体，将其还原为硫化物。因此硫酸盐还原菌在处理有机物和重金属复合污染方面有较大优势，它可以利用废水中有机物为碳源进行分解代谢，利用产生的H2S去除废水中的重金属离子。

本文采用陶粒作为SRB固定化载体，对载体采用不同的前处理方式，比较其对模拟废水中重金属的去除效率和对不同冲击条件下系统的稳定性。

1　材料与方法

1.1实验材料

1) 微生物菌种：硫酸盐还原菌(SRB)，取自合肥工业大学生物实验室。

2) 陶粒：生物固载材料，购于安徽华骐科技环保有限公司，直径5 mm。

3) 试剂药品：硫酸钠、硫酸镁、氯化铵、磷酸氢二钾、氯化锌、氯化铜、硫酸亚铁、硫酸镍、氯化钙、70%乳酸钠、抗坏血酸，均为分析纯。

图1　实验装置

1.2主要实验仪器

紫外可见分光光度计(TH-1901，北京普析通用仪器有限责任公司)；恒温振荡培养箱(QHZ-123B，太仓市华美生化仪器厂)；电子天平(FA2004B，上海越平科学仪器有限公司)；快速COD检测仪(HT-9012A，青岛海特尔环保科技有限公司)；消毒柜(ZTP-300，佛山市高明万和电器有限公司)；火焰原子吸收分光光度计(北京普析)。

1.3实验装置

实验装置如图1所示，反应器为自制的有机玻璃柱，柱内直径为5 cm，高25 cm，有效反应体积为500 mL。采用蠕动泵进料，水力停留时间可控。

1.4模拟废水的配置

实验所用废水组成见表1。

表1　实验废水组成

2　实验

1) 菌种的富集培养。实验菌种主要来自于合肥工业大学微生物实验室，但因保存时间较长，硫酸盐还原菌数量及活性较低，因此采用改进的Postgate’B培养基对菌种进行富集。在35 ℃恒温条件下，将菌种按10%接种到灭菌的Postgate’B培养基中密闭避光培养，直到培养基完全变黑，并产生强烈的臭鸡蛋气味，以此作为SRB还原硫酸根的反应标准。此后按相同比例反复接种，不断更换培养基，直至得到能在72 h内使培养基全部变黑的SRB菌液，将此菌液放入密闭容器内4 ℃冷藏避光保存待用。

2) 载体前处理。将过5 mm孔径筛的陶粒泡在水中2天，洗净后置于托盘中，在消毒柜中灭菌烘干待用。将上述陶粒分为3份，分别量取500 mL陶粒，并用0.1 mol/L的HCl和NaOH以及去离子水浸泡，2天后去掉酸液和碱液，去离子水洗涤3次，灭菌后待用[6]。

3) 载体制备及固定化床的建立。本实验采用吸附法对硫酸盐还原菌进行固定。将上述陶粒分别装入自制的反应柱中，加入接种后的培养基(接种量为30%)，静态培养3天后更换培养基，此后每隔3天更换培养基，连续更换2周后改为连续流进水，水力停留时间为10 h，待出水硫酸根浓度波动小于5%且连续运行3天时，认为反应器稳定，启动完成。

4) 分析方法[7]。CODCr的测定采用重铬酸钾法；重金属离子浓度采用原子吸收分光光度法；硫酸根浓度采用铬酸钡分光光度法。

5) 实验安排。为研究不同条件下固定化SRB处理酸性矿井废水重金属的能力，实验采用：① 常见pH值进水对SRB处理酸性矿井废水重金属能力的影响；② 低pH值进水SRB对处理酸性矿井废水重金属能力的影响；③ 温度对SRB处理酸性矿井废水重金属能力的影响。

3　实验结果与讨论

3.1载体前处理方式对重金属离子去除效果的影响

根据不同的前处理方式，分别建立酸性、碱性、中性处理的反应柱体系，实验进水各组分如表1所示。进水pH初始值为5，水力停留时间HRT为1天。连续运行7天后，各反应柱的重金属处理效果如图2～5所示。

图2　不同前处理方式下Fe的去除效果比较

图3　不同前处理方式下Cu的去除效果比较

图4　不同前处理方式下Zn的去除效果比较(pH=3)

图5　不同前处理方式下Zn的去除效果比较

图2～5表明：酸性处理反应柱体系在运行7天内，重金属去除率非常高，Fe、Cu、Zn和Ni的平均去除率分别达到了98.7%，98.2%，98.1%和98.7%；碱性处理反应柱运行条件下Fe、Cu、Zn和Ni的平均去除率分别达到了93.4%，93.7%，89.1%和89.3%；中性处理反应柱体系运行条件下，Fe、Cu、Zn和Ni的平均去除率分别达到了96.1%，94.0%，93.4%，89.4%。通过比较这3种前处理方式下固定化硫酸盐还原菌处理重金属效率可以发现：酸性处理条件下的反应体系重金属去除率要高于碱性和中性处理的反应体系，且中性处理反应体系重金属去除效率要高于碱性处理体系。通过原理分析可知：陶粒对菌体的吸附主要是物理吸附，而陶粒表面带负电荷，微生物表面也带有负电荷，经酸处理的反应体系，其载体表面电性被改变，有助于SRB菌的吸附使得酸性处理陶粒表面形成的生物膜比其他两者表面的生物膜密集，所以从重金属的去除率来看(Fe、Cu、Zn和Ni的平均去除率均高于98%)，其去除效果更优于其他两者。

3.2进水低pH值对不同体系下SRB去除重金属效果的影响

我国酸性矿井废水pH值均小于6.0，一般在4.5～6.5左右，在某些高硫煤矿中pH值低至2.5～3.0，甚至会达到2.0[8]。为模拟固定化SRB原位治理酸性矿井废水的效果，将进水pH值直接调至3，运行7天，重金属处理效果如图6～9所示。

图6　中性处理反应柱重金属处理效果(pH=3)

图7　不同前处理方式下Cu的去除效果比较(pH=3)

图8　不同前处理方式下Ni的去除效果比较(pH=3)

图9　不同前处理方式下Ni的去除效果比较

在其他条件不变的情况下改变进水pH值，观察各体系对酸的耐受性。由图6～9所示，虽然在pH条件改变很大的情况下，各体系重金属去除率有所下降，但与pH值为5时总体趋势一致，说明系统在外界条件的改变下能很快恢复稳定，使重金属去除率均保持稳定状态。从数据上来看，经酸性处理的反应体系虽然有所下降，但重金属去除率也高于其他两者，说明酸性处理反应体系更容易适应pH的变化，稳定性优于其他两者。

3.3温度对不同体系下SRB去除重金属效果的影响

试验初期，各体系处于30 ℃条件下。由于酸性矿井废水水温差异大，对微生物有较大影响，为研究不同温度对各体系处理重金属的影响，采用了6个温度梯度(10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃)检测温度对各体系的影响。进水pH值为3，水力停留时间为1天，连续运行7天，不同试验温度对去除率的影响见图10。

图10　不同前处理方式下不同温度时Cu的

图11　不同前处理方式下不同温度时Fe的

图12　不同前处理方式下不同温度时Zn的

图13　不同前处理方式下不同温度时Ni的

反应体系在30～35 ℃之间运行时，温度对重金属去除率影响不大，但温度低于20 ℃时，SRB生物活性受到抑制，重金属去除率明显下降，但反应器仍在运行状态，且酸处理反应体系的重金属去除率仍大于碱性和中性处理的反应体系。由此可见，在受到相同外界环境影响条件下，经酸性前处理体系的稳定性要优于其他两者，具有更好的应用性。

4　结论

1) 采用陶粒对SRB固定化重金属进行实验，发现以陶粒作为载体能很好地去除重金属离子，而且陶粒价格低廉，使构建体系成本低且去除重金属效率稳定。

2) 通过在不同条件下对不同前处理体系的试验表明，酸性前处理体系Fe、Cu、Zn和Ni的平均处理率分别达到了98.7%，98.2%，98.1%和98.7%，均高于碱性处理和中性处理反应柱体系，且连续运行过程中重金属去除效率在90%以上。

3) 通过外界条件的改变，观察不同预处理体系的抗冲击能力，结果表明：酸处理反应柱体系能更好地适应外界条件的改变。

[1]李亚新,苏冰琴.利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水研究[J].中国给水排水,2000,16(2):13-17.

[2]易正戟,谭凯旋,澹爱丽,等.硫酸盐还原菌及其在工业和矿山废水治理中的应用[J].云南师范大学学报(自然科学版),2006,26(3):39-45.

[3]胡凯光,汪爱河,冯志刚,等.硫酸盐还原菌及在处理硫酸盐废水中的作用[J].铀矿冶,2007,26(1):48-52.

[4]沈耀良.固定化微生物技术及其在废水处理中的应用[J].污染防治技术,1995,8(1):12-18.

[5]JONG T,PARRY D L.Removal of Sulfate and Heavy Metals by Sulfate Reducing Bacteria in Short-term Bench Scale Up flow Anaerobic Packed Bed Reactor Runs[J].Water Res,2003,37(14):3379-3389.

[6]徐雪芹,李小明,杨麒,等.固定化微生物技术及其在重金属废水处理中的应用[J].环境污染治理技术与设备,2006,7(7):99-105.

[7]倪红,熊哲,张珊,等.多孔陶粒固定化微生物效果及扫描电镜观察[J].湖北大学学报(自然科学版),2011,33(2):182-186.

[8]胡文容,高廷耀.酸性矿井水的处理方法和利用途径[J].煤矿环境保护,1994,8(1):17-21.

(责任编辑何杰玲)

Effect of Pretreatment of Carrier on Immobilized Sulfate-Reducing Bacteria Heavy Metal Treatment

HE Shuang-shuang, XU Jian-ping, HU Shou-heng

(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Using the sodium lactate as carbon source and ceramics as media of up-flow anaerobic packed bed reactor, the influences of pretreatment of carrier, low pH value and temperature on the effect of heavy metal treatment by sulfate-reducing bacteria were analyzed. Results show that the acid pretreatment method treatment efficiency of heavy metals is higher than other two kinds of pretreatment process efficiency of heavy metals by immobilized sulfate-reducing bacteria and the changes in the external environment impact resistant ability is superior to other two processes.

sulfate-reducing bacteria; ceramic; pretreatment of carrier; heavy metal; acid mine

2016-03-09

国家自然科学基金资助项目(51274001)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题基金资助项目(SKLCRSM10KFA05)

何双双(1990—)，男，安徽蚌埠人，硕士研究生，主要从事水环境治理与资源化研究； 通讯作者 徐建平(1956—)，男，安徽芜湖人，教授，主要从事水环境治理与资源化研究，E-mail:xy1204@auts.edu.cn。

format：HE Shuang-shuang, XU Jian-ping, HU Shou-heng.Effect of Pretreatment of Carrier on Immobilized Sulfate-Reducing Bacteria Heavy Metal Treatment[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):63-68.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.010

X753

A

1674-8425(2016)08-0063-06

引用格式：何双双，徐建平，胡守恒.载体前处理对SRB处理重金属的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):63-68.