硫酸鹽還原菌及其在廢水厭氧治理中的應(yīng)用
更新時(shí)間：2012-05-25 11:28
來源：水資源與水工程學(xué)報(bào)
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隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的工業(yè)化程度得到極大提高，但伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而出現(xiàn)的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。目前城市生活污水處理已在工藝上取得成熟技術(shù)并得到應(yīng)用，但工業(yè)廢水特別是含高濃度硫酸鹽和重金屬離子的廢水處理仍是令人困惑的技術(shù)難題。但關(guān)于硫酸鹽還原菌(SRB)的研究有望解決這一類廢水的處理問題。硫酸鹽還原菌(SRB)是一類厭氧異養(yǎng)細(xì)菌，其生命力很強(qiáng)，廣泛存在于土壤、河水、海水等由微生物分解作用造成的厭氧水陸環(huán)境中。SRB是一類形態(tài)、營養(yǎng)多樣化的細(xì)菌，以有機(jī)物作為生化代謝的能量來源和電子供體，通過異化作用以硫酸鹽為電子受體將其還原。利用這一特性，將其廣泛應(yīng)用于含硫酸鹽的廢水和含重金屬離子廢水等方面的處理。SRB處理廢水作為一項(xiàng)新技術(shù)極具潛力。本文論述了SRB處理廢水機(jī)理及其生化作用的影響因子，對(duì)其在不同種類廢水處理中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
1硫酸鹽還原菌(SRB)處理廢水的機(jī)
理及厭氧環(huán)境中的影響因子
1.1硫酸鹽還原菌(SRB)的分類
SRB是一類厭氧菌，革蘭氏染色成陰性。目前已知的SRB有40多種，分類也較為復(fù)雜。通常根據(jù)其對(duì)不同有機(jī)物的利用性能，將SRB分為8個(gè)屬[1](見表1)。
1.2硫酸鹽還原菌(SRB)處理廢水的機(jī)理
對(duì)于硫酸鹽還原菌(SRB)的代謝機(jī)理已有很多報(bào)道，但對(duì)其合成代謝過程的研究尚不明確，對(duì)其分解代謝過程已做過較多研究，現(xiàn)就SRB處理廢水的機(jī)理簡單概括如下:
1.2.1SRB對(duì)SO42-的還原機(jī)理
關(guān)于SRB還原SO42-的機(jī)理，具體分為三個(gè)階段;
(1)分解階段。在厭氧狀態(tài)下，有機(jī)物通過“基質(zhì)水平磷酸化”產(chǎn)生ATP和高能電子;
(2)電子轉(zhuǎn)移階段。在(1)階段產(chǎn)生的高能電子通過SRB特有的電子傳遞鏈(如黃素蛋白、細(xì)胞色素C等)逐級(jí)傳遞，同時(shí)產(chǎn)生大量的ATP。
(3)氧化階段。此階段中電子轉(zhuǎn)移給氧化態(tài)的硫元素(SO42-)，將其還原為S2-，產(chǎn)生H2S，同時(shí)消耗ATP。
SRB除了以硫酸鹽為電子受體進(jìn)行還原反應(yīng)外，還需要有機(jī)物為其提供能量并作為生化反應(yīng)的電子供體。
1.2.2SRB處理含重金屬離子廢水的機(jī)理
(1)因?yàn)橹亟饘匐x子的硫化物在水中的溶度積極小，所以在SO42-還原時(shí)產(chǎn)生的H2S與重金屬離子反應(yīng)生成固體硫化物沉淀而得以去除;
(2)SRB還原SO42-時(shí)會(huì)產(chǎn)生堿度，使被處理的廢水pH值提高，而許多重金屬離子的氫氧化物溶解度很小，故有利于重金屬離子形成氫氧化物沉淀去除;
(3)SRB代謝過程中分解有機(jī)物會(huì)生成CO2，部分重金屬可以轉(zhuǎn)化成不溶性的碳酸鹽而去除;
(4)利用SRB菌體細(xì)胞的直接吸附作用，將重金屬離子吸附在胞外聚合物上同污泥一同沉淀，從而從水中去除;
(5)SRB的新陳代謝過程可以通過主動(dòng)吸收、轉(zhuǎn)化并最終積存在細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)，以此清除重金屬的毒害。微生物細(xì)胞對(duì)重金屬的毒害有一定限度的忍耐，超過某一限度可能會(huì)抑制SRB的生長代謝[2]。
1.3廢水厭氧處理中對(duì)SRB的影響因子
1.3.1pH值
pH是影響SRB代謝功能的重要生態(tài)因子，SRB能適應(yīng)的pH值范圍很窄，過高或過低的pH均會(huì)抑制SRB的生長及代謝。pH對(duì)SRB代謝功能的影響主要表現(xiàn)在:①pH引起細(xì)胞膜內(nèi)電荷的變化，進(jìn)而影響SRB對(duì)底物的吸收;②影響SRB代謝過程中各種酶的活性和穩(wěn)定性，會(huì)改變底物的可給性與毒物的毒性;③改變細(xì)胞內(nèi)的pH，影響ATP的合成和許多生化反應(yīng)的進(jìn)行。
SRB一般適合在中性偏堿的環(huán)境下生長，不同研究者對(duì)于最佳pH的研究結(jié)果不同。有研究表明，SRB在pH為6.5~7.5范圍內(nèi)生長良好，最佳pH是7.5。SRB不能在pH<5.5，pH>8.0的環(huán)境中生存[3]。Renze[4]認(rèn)為SRB在pH<6的條件下一般不生長，pH在6.48~7.43之間硫酸鹽還原效果最好，在6.6時(shí)得到最大的硫酸鹽還原率。一般認(rèn)為SRB更適合在pH為7.0~7.8的環(huán)境下生存，它能忍耐的最大pH范圍為5.5~9.0。
1.3.2溫度
溫度是影響硫酸鹽還原的重要環(huán)境因素，它直接決定SRB的生長速度和代謝活性。根據(jù)SRB對(duì)環(huán)境溫度要求不同，將其分類為中溫菌和嗜熱菌兩類。目前研究報(bào)道的SRB大多為中溫菌，其一般適合在30℃左右境環(huán)中生長[5]，最佳生長溫度在30.5℃。此外有研究表明[6]:溫度在31℃~35℃時(shí)，對(duì)SRB活性影響不大，溫度小于30℃時(shí)活性受到抑制，溫度降至20℃時(shí)活性受到強(qiáng)烈抑制。在含硫酸鹽的廢水和各種菌種混合共生的復(fù)雜體系中，一般在35℃是硫酸鹽的還原率最大[2]。
1.3.3氧
早期研究表明，SRB是嚴(yán)格的厭氧菌，不能以氧氣作為電子受體進(jìn)行代謝。但有研究[7]表明:SRB可以在含氧量4.5mg/L的環(huán)境中生長，但環(huán)境中的含氧量達(dá)到9.0mg/L時(shí)，則不能生長。但總體來說，SRB屬于厭氧菌，適合其生長的氧化還原電位(Eh)須低于-100mV。
1.3.4碳源
碳源是SRB代謝過程的重要影響因素。它為SRB提供能量并作為電子供體參與硫酸鹽還原過程。最初的研究認(rèn)為SRB僅能利用有限的基質(zhì)作碳源，如乳酸鹽、丙酸鹽、反丁烯二酸、蘋果酸、乙醇等。但近些年國內(nèi)外學(xué)者利用不同的培養(yǎng)基進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SRB可利用的有機(jī)碳源的種類不斷擴(kuò)大，迄今為止發(fā)現(xiàn)可以作為碳源的種類有100多種。除以上談到的有機(jī)碳源外，SRB還可以利用尿素、乙酸、丙酸、丁酸和長鏈脂肪酸及苯甲酸。有報(bào)道稱乳酸鹽(乳酸)是最合適的碳源。但其也存在不足，如價(jià)格比較昂貴，SRB對(duì)其只能部分分解而使處理后的水中存在大量的COD和有機(jī)碳。因此，這稱為其應(yīng)用到具體工程中的限制因素。
Chang等人[8]研究結(jié)果表明，多種有機(jī)廢棄物均可作為SRB的碳源，這其中包括干草、稻草、泥炭、用過的蘑菇堆肥及廢紙回收站的污泥。李亞新[6]用生活垃圾酸性中溫發(fā)酵產(chǎn)物做有機(jī)碳源，對(duì)酸性礦山廢水處理效果進(jìn)行了研究，結(jié)果證明可行。
1.3.5硫化物
SRB在厭氧條件下將硫酸鹽還原成S2-、HS-、H2S，H2S在氣、液兩相中都存在。還原產(chǎn)物對(duì)SRB有毒害作用，其中游離H2S的毒害作用最強(qiáng)。這可能是由于H2S成電中性，能穿透帶負(fù)電的菌體細(xì)胞膜而破壞蛋白質(zhì)[9]。關(guān)于硫化物影響SRB反應(yīng)的機(jī)理，部分學(xué)者認(rèn)為可能是由于硫化物與SRB特有的電子傳遞鏈中Fe結(jié)合生成FeS而使電子傳遞系統(tǒng)失去活性。也可能是H2S內(nèi)在的毒性對(duì)系統(tǒng)直接作用的結(jié)果[10]。
1.3.6重金屬離子
重金屬離子對(duì)微生物的生長代謝有抑制作用。Oliver[11]等發(fā)現(xiàn)，金屬對(duì)SRB的抑制順序?yàn)镃u>Cd>Ni>Zn>Cr>Pb。抑制SRB的金屬濃度分別為20mg/LCd、20mg/LCu、25mg/LZn、20mg/LNi、60mg/LCr和75mg/LPb及10mg/L的金屬混合液。此外硫酸鹽濃度較高時(shí)，Ca2+能沉積在污泥表面妨礙物質(zhì)交換，致使污泥完全喪失活性[12]。故含高濃度硫酸鹽廢水處理中，Ca2+也能抑制SRB代謝作用。
2硫酸鹽還原菌(SRB)在廢水處理中的應(yīng)用研究
根據(jù)SRB生化代謝特性可見其在廢水處理中有極大的潛力和廣闊的前景。近些年來SRB法被廣泛應(yīng)用在處理酸性礦山廢水、重金屬離子廢水及高濃度硫酸鹽廢水等方面的研究，取得了一定效果，已成為廢水處理領(lǐng)域的前沿課題。
2.1利用硫酸鹽還原菌處理重金屬離子廢水
工業(yè)生產(chǎn)中排放的含有重金屬離子的廢水對(duì)環(huán)境危害巨大。重金屬離子一旦進(jìn)入天然水體內(nèi)，便不能自行去除。水生動(dòng)植物一旦攝取這些離子，就會(huì)沉積在體內(nèi)，嚴(yán)重影響其生長發(fā)育。而重金屬離子最終會(huì)通過食物鏈的作用在人體內(nèi)累積，其有很強(qiáng)的致病性，嚴(yán)重威脅著人體健康。對(duì)重金屬離子污染的治理一直是人們關(guān)注的課題。近些年來，利用SRB處理重金屬離子廢水的研究取得了一定的效果。
1994-1998年間，由美國環(huán)保總署(EPA)提供資金，利用SRB對(duì)利利-奧芬博依礦的酸性礦山廢水進(jìn)行處理和控制，半工業(yè)試驗(yàn)[13]結(jié)果表明金屬去除率為:Zn99%，Al99%，Mn96%，Cd98%，Cu96%。SmithWL[14]等以乳酸鹽為電子供體，利用SRB生物膜對(duì)某制革廠含Cr廢水進(jìn)行處理。結(jié)果濃度為500μmol/L的含Cr(Ⅵ)廢水在經(jīng)過48h處理后去除率達(dá)到88%，絕大部分可溶性有毒Cr(Ⅵ)被還原成為了不溶的Cr(Ⅲ)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于Cr(Ⅵ)得毒性作用，廢水處理過程中僅有10%的SRB保持著生物學(xué)活性。田小光等[15]采用化學(xué)還原法并結(jié)合SRB吸附法研究了從電鍍廠的含鉻廢水中去除鉻。當(dāng)廢水中Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度為30~40mg/L時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除率可達(dá)99.67%~99.97%。馮易君等[16]在研究共存離子對(duì)SRB處理含鉻廢水的影響中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過SRB處理后，廢水中的鉻離子質(zhì)量濃度從處理前的98mg/L下降到8.1mg/L，其它離子也得到去除。如鉛的質(zhì)量濃度從0.27mg/L降到0.02mg/L，錫的質(zhì)量濃度從1.75mg/L降到0.3mg/L。江蘇大學(xué)繆應(yīng)祺[17]對(duì)用SRB處理鈦白粉生產(chǎn)廢水的研究結(jié)果表明，對(duì)模擬廢水，42h內(nèi)SO42-的去除率達(dá)到92.1%;對(duì)實(shí)際廢水，42h內(nèi)，SO42-的去除率可達(dá)到83.5%;COD/SO42-值對(duì)SO42-離子的去除有較大影響，比值在2~3時(shí)效果最佳。
2.2利用硫酸鹽還原菌處理含硫酸鹽的有機(jī)廢水
現(xiàn)代工業(yè)中的食品、制藥、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)排放大量的高濃度硫酸鹽的有機(jī)廢水。此類廢水排放至水體中，會(huì)使水體發(fā)臭影響其水質(zhì)指標(biāo)。特別是在厭氧條件下硫酸鹽經(jīng)過生化反應(yīng)產(chǎn)生刺激性氣味的H2S，危害水生生態(tài)環(huán)境以及人體健康。對(duì)于高濃度硫酸鹽有機(jī)廢水，采用SRB生物脫硫法具有投資少、成本少、低能耗、去除率高及無二次污染等特點(diǎn)。
Boshoff等[18]以制革廠廢水為碳源，采用UASB和SRB兩種反應(yīng)器進(jìn)行了SO42-還原效果研究。實(shí)驗(yàn)中控制二反應(yīng)器進(jìn)水SO42-濃度均在1800mg/L，結(jié)果前者SO42-還原效率和COD去除速度分別為600mg/(d·L)、600~700mg/(d·L)，后者SO42-還原效率和COD去除速度分別為250mg/(d·L、200~600mg/(d·L)。河北科技大學(xué)楊景亮教授對(duì)SRB處理青霉素生產(chǎn)過程中排放的高濃度SO42-廢水進(jìn)行了研究[19]，試驗(yàn)結(jié)果表明，COD/SO42-、SO42-負(fù)荷是影響SO42-還原效果的主要因素。當(dāng)SO42-負(fù)荷為5kg/(m3·d)，進(jìn)水COD/SO42-為2.5~2.8時(shí)，SO42-去除率為68%~78%;進(jìn)水COD/SO42-大于3時(shí)SO42-去除率大于90%。當(dāng)進(jìn)水SO42-為0.8~2.0g/L，反應(yīng)器SO42-負(fù)荷分別為5、7.5、9、10kg/(m3·d)時(shí)，SO42-去除率分別達(dá)到93.2%、86%、82%和76%。SilvaAJ[20]等開發(fā)了一個(gè)厭氧固定化床反應(yīng)器，對(duì)某生產(chǎn)有機(jī)氧化物工廠排放的含高濃度SO42-(12000~35000mg/L)廢水進(jìn)行了研究。該反應(yīng)器容積為94.2L，內(nèi)部填充油1cm3的聚氨酯泡沫塊，反應(yīng)初期以不連續(xù)條件運(yùn)行。結(jié)果表明，向反應(yīng)器中添加乙醇會(huì)刺激SRB生長，SO42-還原效率和COD去除率受到COD/SO42-值影響，在COD/SO42-較高情況下，SRB仍然比MPB占有優(yōu)勢;在半不連續(xù)和連續(xù)條件下運(yùn)行時(shí)，SO42-去除率最高可達(dá)97%。
2.3利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水
酸性礦山廢水的污染甚為嚴(yán)重。由于其酸度較高，pH值一般為3.0~3.5，排入水體會(huì)導(dǎo)致水體酸化。其中含有大量SO42-離子，同時(shí)富含多種重金屬離子(銅、鐵、鉻、鉛、鋅、錳、鎳、砷等)會(huì)破壞土壤中物質(zhì)結(jié)構(gòu)，毒害水生生物、污染水源，威脅人類健康，并且隨酸度的提高重金屬離子的毒性會(huì)增大。目前常用的處理方法有石灰石(或石灰)中和法和濕地法。但都有一定缺點(diǎn)。中和法會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸鈣引起二次污染，并對(duì)水中的重金屬離子不能去除;而濕地法對(duì)于產(chǎn)生的H2S處理不徹底，揮發(fā)至空氣中也會(huì)造成污染。此外濕地法成本占用面積大，易受環(huán)境條件影響。而利用SRB法生物還原SO42-同時(shí)還能有效去除重金屬離子、降解有機(jī)物，可達(dá)到以廢治廢的效果。對(duì)SRB在處理酸性礦山廢水方面已有國內(nèi)外的許多研究報(bào)道。
Kaksonen[21]利用SRB微生物同步去除鋅、鐵的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)廢水含有170mg/L~230mg/L的鋅和58mg/L的鐵時(shí)，在FBR和UASB中鋅的回收速率分別為250mg/(L·d)和350mg/(L·d)，水力停留時(shí)間(HRT)為16h時(shí)，鐵的沉降速率為80mg/(L·d)。Maree等[22]對(duì)金礦排水進(jìn)行了依據(jù)SRB生物還原法去除SO42-的中試規(guī)模研究，實(shí)驗(yàn)中的SRB連續(xù)式系統(tǒng)分為初級(jí)厭氧、好氧和兩級(jí)厭氧消化3個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有機(jī)碳中所含的難于生物降解的有機(jī)成分以及重金屬含量經(jīng)過SRB處理后可被大量去除。含硫酸鹽廢水經(jīng)過生物處理后，單質(zhì)S和堿度是最終產(chǎn)物，單質(zhì)S可用于工業(yè)，生成的堿度可循環(huán)到最初工藝。
Ueki[23]研究了利用家畜糞便作為電子供體、利用SRB厭氧消化污泥去除酸性礦山廢水中重金屬離子的可能性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，廢水中的重金屬離子可得到有效去除。當(dāng)污泥加入量為混合物的1.0%~5.0%時(shí)，廢水中的鐵離子去除率高于88%。Jong等[24]在25℃時(shí)利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的上流厭氧填充床接種SRB處理酸性礦山廢水，銅、鋅和鎳的去除率大于97.5%，砷的去除率大于77.5%。李亞新、蘇冰琴[6]用生活垃圾酸性發(fā)酵產(chǎn)物作為碳源，研究了在初級(jí)厭氧階段SRB處理酸性礦山廢水的性能和工藝特點(diǎn)，結(jié)果表明在溫度在35℃，回流比為50：1，HRT=12h，CODCr/SO42-值約為1.12條件下，廢水經(jīng)過SRB厭氧生物處理后，SO42-的還原率為86.73%，CODCr降解率達(dá)到85.69%，在有出水回流、廢水的pH值為3.5時(shí)，仍有84%的SO42-還原率。
馬曉航等[25]研究表明，當(dāng)進(jìn)水COD為1500mg/L，鋅離子為500mg/L、水力停留時(shí)間為9h，其脫鋅裝置的鋅離子去除速率可達(dá)1329mg/(L·d)。肖利萍、劉文穎、褚玉芬[26]2008年利用被動(dòng)處理技術(shù)SAPS對(duì)酸性礦山廢水進(jìn)行處理，利用鋸屑與雞糞混合物的發(fā)酵產(chǎn)物作為SRB的碳源。試驗(yàn)結(jié)果表明，酸性礦山廢水在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)停留一定時(shí)間后，由于SRB對(duì)SO42-的還原作用，廢水獲得了充足的堿度，F(xiàn)e2+和Cu2+的去除率均大于90%，SO42-也得到有效去除。
由于酸性礦山廢水的酸性較強(qiáng)，偏離SRB生長代謝所適應(yīng)的pH范圍，所以在目前的工程應(yīng)用上出現(xiàn)了限制性問題。對(duì)于酸性較強(qiáng)的礦山廢水，可以在SRB微生物對(duì)其處理前進(jìn)行酸度中和的預(yù)處理(避免用生石灰中和，因其產(chǎn)生硫酸鈣沉淀附著在污泥表明而影響微生物活性)，或?qū)兎NSRB微生物進(jìn)行馴化，培養(yǎng)出能在酸性條件下進(jìn)行生物法還原反應(yīng)的優(yōu)勢SRB菌種。如何高效提高SRB處理酸性礦山廢水的能力是一個(gè)前沿性的學(xué)術(shù)課題。
3有待進(jìn)一步解決的問題
SRB法處理廢水很有應(yīng)用價(jià)值，但由于生化反應(yīng)過程中影響因素多而復(fù)雜，在具體應(yīng)用于實(shí)際之前還需要做大量的研究工作。主要表現(xiàn)在:
(1)尋找技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上價(jià)廉的碳源，同時(shí)保證反應(yīng)器處理后出水的COD不隨外加碳源而提高;
(2)如何提高SRB在酸性環(huán)境中對(duì)SO42-的還原效率，如何消除還原產(chǎn)物H2S對(duì)其的影響;
(3)廢水中重金屬離子種類的不同，對(duì)SRB等微生物的毒性和抑制作用也會(huì)不同，而且多種金屬離子的綜合作用和單一金屬離子的作用也會(huì)不一樣，所以有必要對(duì)此進(jìn)行全面研究;
(4)如何刺激SRB生長進(jìn)行廢水的原位生物修復(fù)處理。
作者簡介:肖利萍(1970-)，女，內(nèi)蒙古烏蒙人，博士，教授，研究方向:污水處理技術(shù)與資源化。
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1硫酸鹽還原菌(SRB)處理廢水的機(jī)
理及厭氧環(huán)境中的影響因子
1.1硫酸鹽還原菌(SRB)的分類
SRB是一類厭氧菌，革蘭氏染色成陰性。目前已知的SRB有40多種，分類也較為復(fù)雜。通常根據(jù)其對(duì)不同有機(jī)物的利用性能，將SRB分為8個(gè)屬[1](見表1)。
表1硫酸鹽還原菌(SRB)的分類
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1.2硫酸鹽還原菌(SRB)處理廢水的機(jī)理
對(duì)于硫酸鹽還原菌(SRB)的代謝機(jī)理已有很多報(bào)道，但對(duì)其合成代謝過程的研究尚不明確，對(duì)其分解代謝過程已做過較多研究，現(xiàn)就SRB處理廢水的機(jī)理簡單概括如下:
1.2.1SRB對(duì)SO42-的還原機(jī)理
關(guān)于SRB還原SO42-的機(jī)理，具體分為三個(gè)階段;
(1)分解階段。在厭氧狀態(tài)下，有機(jī)物通過“基質(zhì)水平磷酸化”產(chǎn)生ATP和高能電子;
(2)電子轉(zhuǎn)移階段。在(1)階段產(chǎn)生的高能電子通過SRB特有的電子傳遞鏈(如黃素蛋白、細(xì)胞色素C等)逐級(jí)傳遞，同時(shí)產(chǎn)生大量的ATP。
(3)氧化階段。此階段中電子轉(zhuǎn)移給氧化態(tài)的硫元素(SO42-)，將其還原為S2-，產(chǎn)生H2S，同時(shí)消耗ATP。
SRB除了以硫酸鹽為電子受體進(jìn)行還原反應(yīng)外，還需要有機(jī)物為其提供能量并作為生化反應(yīng)的電子供體。
1.2.2SRB處理含重金屬離子廢水的機(jī)理
(1)因?yàn)橹亟饘匐x子的硫化物在水中的溶度積極小，所以在SO42-還原時(shí)產(chǎn)生的H2S與重金屬離子反應(yīng)生成固體硫化物沉淀而得以去除;
(2)SRB還原SO42-時(shí)會(huì)產(chǎn)生堿度，使被處理的廢水pH值提高，而許多重金屬離子的氫氧化物溶解度很小，故有利于重金屬離子形成氫氧化物沉淀去除;
(3)SRB代謝過程中分解有機(jī)物會(huì)生成CO2，部分重金屬可以轉(zhuǎn)化成不溶性的碳酸鹽而去除;
(4)利用SRB菌體細(xì)胞的直接吸附作用，將重金屬離子吸附在胞外聚合物上同污泥一同沉淀，從而從水中去除;
(5)SRB的新陳代謝過程可以通過主動(dòng)吸收、轉(zhuǎn)化并最終積存在細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)，以此清除重金屬的毒害。微生物細(xì)胞對(duì)重金屬的毒害有一定限度的忍耐，超過某一限度可能會(huì)抑制SRB的生長代謝[2]。
1.3廢水厭氧處理中對(duì)SRB的影響因子
1.3.1pH值
pH是影響SRB代謝功能的重要生態(tài)因子，SRB能適應(yīng)的pH值范圍很窄，過高或過低的pH均會(huì)抑制SRB的生長及代謝。pH對(duì)SRB代謝功能的影響主要表現(xiàn)在:①pH引起細(xì)胞膜內(nèi)電荷的變化，進(jìn)而影響SRB對(duì)底物的吸收;②影響SRB代謝過程中各種酶的活性和穩(wěn)定性，會(huì)改變底物的可給性與毒物的毒性;③改變細(xì)胞內(nèi)的pH，影響ATP的合成和許多生化反應(yīng)的進(jìn)行。
SRB一般適合在中性偏堿的環(huán)境下生長，不同研究者對(duì)于最佳pH的研究結(jié)果不同。有研究表明，SRB在pH為6.5~7.5范圍內(nèi)生長良好，最佳pH是7.5。SRB不能在pH<5.5，pH>8.0的環(huán)境中生存[3]。Renze[4]認(rèn)為SRB在pH<6的條件下一般不生長，pH在6.48~7.43之間硫酸鹽還原效果最好，在6.6時(shí)得到最大的硫酸鹽還原率。一般認(rèn)為SRB更適合在pH為7.0~7.8的環(huán)境下生存，它能忍耐的最大pH范圍為5.5~9.0。
1.3.2溫度
溫度是影響硫酸鹽還原的重要環(huán)境因素，它直接決定SRB的生長速度和代謝活性。根據(jù)SRB對(duì)環(huán)境溫度要求不同，將其分類為中溫菌和嗜熱菌兩類。目前研究報(bào)道的SRB大多為中溫菌，其一般適合在30℃左右境環(huán)中生長[5]，最佳生長溫度在30.5℃。此外有研究表明[6]:溫度在31℃~35℃時(shí)，對(duì)SRB活性影響不大，溫度小于30℃時(shí)活性受到抑制，溫度降至20℃時(shí)活性受到強(qiáng)烈抑制。在含硫酸鹽的廢水和各種菌種混合共生的復(fù)雜體系中，一般在35℃是硫酸鹽的還原率最大[2]。
1.3.3氧
早期研究表明，SRB是嚴(yán)格的厭氧菌，不能以氧氣作為電子受體進(jìn)行代謝。但有研究[7]表明:SRB可以在含氧量4.5mg/L的環(huán)境中生長，但環(huán)境中的含氧量達(dá)到9.0mg/L時(shí)，則不能生長。但總體來說，SRB屬于厭氧菌，適合其生長的氧化還原電位(Eh)須低于-100mV。
1.3.4碳源
碳源是SRB代謝過程的重要影響因素。它為SRB提供能量并作為電子供體參與硫酸鹽還原過程。最初的研究認(rèn)為SRB僅能利用有限的基質(zhì)作碳源，如乳酸鹽、丙酸鹽、反丁烯二酸、蘋果酸、乙醇等。但近些年國內(nèi)外學(xué)者利用不同的培養(yǎng)基進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SRB可利用的有機(jī)碳源的種類不斷擴(kuò)大，迄今為止發(fā)現(xiàn)可以作為碳源的種類有100多種。除以上談到的有機(jī)碳源外，SRB還可以利用尿素、乙酸、丙酸、丁酸和長鏈脂肪酸及苯甲酸。有報(bào)道稱乳酸鹽(乳酸)是最合適的碳源。但其也存在不足，如價(jià)格比較昂貴，SRB對(duì)其只能部分分解而使處理后的水中存在大量的COD和有機(jī)碳。因此，這稱為其應(yīng)用到具體工程中的限制因素。
Chang等人[8]研究結(jié)果表明，多種有機(jī)廢棄物均可作為SRB的碳源，這其中包括干草、稻草、泥炭、用過的蘑菇堆肥及廢紙回收站的污泥。李亞新[6]用生活垃圾酸性中溫發(fā)酵產(chǎn)物做有機(jī)碳源，對(duì)酸性礦山廢水處理效果進(jìn)行了研究，結(jié)果證明可行。
1.3.5硫化物
SRB在厭氧條件下將硫酸鹽還原成S2-、HS-、H2S，H2S在氣、液兩相中都存在。還原產(chǎn)物對(duì)SRB有毒害作用，其中游離H2S的毒害作用最強(qiáng)。這可能是由于H2S成電中性，能穿透帶負(fù)電的菌體細(xì)胞膜而破壞蛋白質(zhì)[9]。關(guān)于硫化物影響SRB反應(yīng)的機(jī)理，部分學(xué)者認(rèn)為可能是由于硫化物與SRB特有的電子傳遞鏈中Fe結(jié)合生成FeS而使電子傳遞系統(tǒng)失去活性。也可能是H2S內(nèi)在的毒性對(duì)系統(tǒng)直接作用的結(jié)果[10]。
1.3.6重金屬離子
重金屬離子對(duì)微生物的生長代謝有抑制作用。Oliver[11]等發(fā)現(xiàn)，金屬對(duì)SRB的抑制順序?yàn)镃u>Cd>Ni>Zn>Cr>Pb。抑制SRB的金屬濃度分別為20mg/LCd、20mg/LCu、25mg/LZn、20mg/LNi、60mg/LCr和75mg/LPb及10mg/L的金屬混合液。此外硫酸鹽濃度較高時(shí)，Ca2+能沉積在污泥表面妨礙物質(zhì)交換，致使污泥完全喪失活性[12]。故含高濃度硫酸鹽廢水處理中，Ca2+也能抑制SRB代謝作用。
2硫酸鹽還原菌(SRB)在廢水處理中的應(yīng)用研究
根據(jù)SRB生化代謝特性可見其在廢水處理中有極大的潛力和廣闊的前景。近些年來SRB法被廣泛應(yīng)用在處理酸性礦山廢水、重金屬離子廢水及高濃度硫酸鹽廢水等方面的研究，取得了一定效果，已成為廢水處理領(lǐng)域的前沿課題。
2.1利用硫酸鹽還原菌處理重金屬離子廢水
工業(yè)生產(chǎn)中排放的含有重金屬離子的廢水對(duì)環(huán)境危害巨大。重金屬離子一旦進(jìn)入天然水體內(nèi)，便不能自行去除。水生動(dòng)植物一旦攝取這些離子，就會(huì)沉積在體內(nèi)，嚴(yán)重影響其生長發(fā)育。而重金屬離子最終會(huì)通過食物鏈的作用在人體內(nèi)累積，其有很強(qiáng)的致病性，嚴(yán)重威脅著人體健康。對(duì)重金屬離子污染的治理一直是人們關(guān)注的課題。近些年來，利用SRB處理重金屬離子廢水的研究取得了一定的效果。
1994-1998年間，由美國環(huán)保總署(EPA)提供資金，利用SRB對(duì)利利-奧芬博依礦的酸性礦山廢水進(jìn)行處理和控制，半工業(yè)試驗(yàn)[13]結(jié)果表明金屬去除率為:Zn99%，Al99%，Mn96%，Cd98%，Cu96%。SmithWL[14]等以乳酸鹽為電子供體，利用SRB生物膜對(duì)某制革廠含Cr廢水進(jìn)行處理。結(jié)果濃度為500μmol/L的含Cr(Ⅵ)廢水在經(jīng)過48h處理后去除率達(dá)到88%，絕大部分可溶性有毒Cr(Ⅵ)被還原成為了不溶的Cr(Ⅲ)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于Cr(Ⅵ)得毒性作用，廢水處理過程中僅有10%的SRB保持著生物學(xué)活性。田小光等[15]采用化學(xué)還原法并結(jié)合SRB吸附法研究了從電鍍廠的含鉻廢水中去除鉻。當(dāng)廢水中Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度為30~40mg/L時(shí)，Cr(Ⅵ)的去除率可達(dá)99.67%~99.97%。馮易君等[16]在研究共存離子對(duì)SRB處理含鉻廢水的影響中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過SRB處理后，廢水中的鉻離子質(zhì)量濃度從處理前的98mg/L下降到8.1mg/L，其它離子也得到去除。如鉛的質(zhì)量濃度從0.27mg/L降到0.02mg/L，錫的質(zhì)量濃度從1.75mg/L降到0.3mg/L。江蘇大學(xué)繆應(yīng)祺[17]對(duì)用SRB處理鈦白粉生產(chǎn)廢水的研究結(jié)果表明，對(duì)模擬廢水，42h內(nèi)SO42-的去除率達(dá)到92.1%;對(duì)實(shí)際廢水，42h內(nèi)，SO42-的去除率可達(dá)到83.5%;COD/SO42-值對(duì)SO42-離子的去除有較大影響，比值在2~3時(shí)效果最佳。
2.2利用硫酸鹽還原菌處理含硫酸鹽的有機(jī)廢水
現(xiàn)代工業(yè)中的食品、制藥、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)排放大量的高濃度硫酸鹽的有機(jī)廢水。此類廢水排放至水體中，會(huì)使水體發(fā)臭影響其水質(zhì)指標(biāo)。特別是在厭氧條件下硫酸鹽經(jīng)過生化反應(yīng)產(chǎn)生刺激性氣味的H2S，危害水生生態(tài)環(huán)境以及人體健康。對(duì)于高濃度硫酸鹽有機(jī)廢水，采用SRB生物脫硫法具有投資少、成本少、低能耗、去除率高及無二次污染等特點(diǎn)。
Boshoff等[18]以制革廠廢水為碳源，采用UASB和SRB兩種反應(yīng)器進(jìn)行了SO42-還原效果研究。實(shí)驗(yàn)中控制二反應(yīng)器進(jìn)水SO42-濃度均在1800mg/L，結(jié)果前者SO42-還原效率和COD去除速度分別為600mg/(d·L)、600~700mg/(d·L)，后者SO42-還原效率和COD去除速度分別為250mg/(d·L、200~600mg/(d·L)。河北科技大學(xué)楊景亮教授對(duì)SRB處理青霉素生產(chǎn)過程中排放的高濃度SO42-廢水進(jìn)行了研究[19]，試驗(yàn)結(jié)果表明，COD/SO42-、SO42-負(fù)荷是影響SO42-還原效果的主要因素。當(dāng)SO42-負(fù)荷為5kg/(m3·d)，進(jìn)水COD/SO42-為2.5~2.8時(shí)，SO42-去除率為68%~78%;進(jìn)水COD/SO42-大于3時(shí)SO42-去除率大于90%。當(dāng)進(jìn)水SO42-為0.8~2.0g/L，反應(yīng)器SO42-負(fù)荷分別為5、7.5、9、10kg/(m3·d)時(shí)，SO42-去除率分別達(dá)到93.2%、86%、82%和76%。SilvaAJ[20]等開發(fā)了一個(gè)厭氧固定化床反應(yīng)器，對(duì)某生產(chǎn)有機(jī)氧化物工廠排放的含高濃度SO42-(12000~35000mg/L)廢水進(jìn)行了研究。該反應(yīng)器容積為94.2L，內(nèi)部填充油1cm3的聚氨酯泡沫塊，反應(yīng)初期以不連續(xù)條件運(yùn)行。結(jié)果表明，向反應(yīng)器中添加乙醇會(huì)刺激SRB生長，SO42-還原效率和COD去除率受到COD/SO42-值影響，在COD/SO42-較高情況下，SRB仍然比MPB占有優(yōu)勢;在半不連續(xù)和連續(xù)條件下運(yùn)行時(shí)，SO42-去除率最高可達(dá)97%。
2.3利用硫酸鹽還原菌處理酸性礦山廢水
酸性礦山廢水的污染甚為嚴(yán)重。由于其酸度較高，pH值一般為3.0~3.5，排入水體會(huì)導(dǎo)致水體酸化。其中含有大量SO42-離子，同時(shí)富含多種重金屬離子(銅、鐵、鉻、鉛、鋅、錳、鎳、砷等)會(huì)破壞土壤中物質(zhì)結(jié)構(gòu)，毒害水生生物、污染水源，威脅人類健康，并且隨酸度的提高重金屬離子的毒性會(huì)增大。目前常用的處理方法有石灰石(或石灰)中和法和濕地法。但都有一定缺點(diǎn)。中和法會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸鈣引起二次污染，并對(duì)水中的重金屬離子不能去除;而濕地法對(duì)于產(chǎn)生的H2S處理不徹底，揮發(fā)至空氣中也會(huì)造成污染。此外濕地法成本占用面積大，易受環(huán)境條件影響。而利用SRB法生物還原SO42-同時(shí)還能有效去除重金屬離子、降解有機(jī)物，可達(dá)到以廢治廢的效果。對(duì)SRB在處理酸性礦山廢水方面已有國內(nèi)外的許多研究報(bào)道。
Kaksonen[21]利用SRB微生物同步去除鋅、鐵的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)廢水含有170mg/L~230mg/L的鋅和58mg/L的鐵時(shí)，在FBR和UASB中鋅的回收速率分別為250mg/(L·d)和350mg/(L·d)，水力停留時(shí)間(HRT)為16h時(shí)，鐵的沉降速率為80mg/(L·d)。Maree等[22]對(duì)金礦排水進(jìn)行了依據(jù)SRB生物還原法去除SO42-的中試規(guī)模研究，實(shí)驗(yàn)中的SRB連續(xù)式系統(tǒng)分為初級(jí)厭氧、好氧和兩級(jí)厭氧消化3個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有機(jī)碳中所含的難于生物降解的有機(jī)成分以及重金屬含量經(jīng)過SRB處理后可被大量去除。含硫酸鹽廢水經(jīng)過生物處理后，單質(zhì)S和堿度是最終產(chǎn)物，單質(zhì)S可用于工業(yè)，生成的堿度可循環(huán)到最初工藝。
Ueki[23]研究了利用家畜糞便作為電子供體、利用SRB厭氧消化污泥去除酸性礦山廢水中重金屬離子的可能性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，廢水中的重金屬離子可得到有效去除。當(dāng)污泥加入量為混合物的1.0%~5.0%時(shí)，廢水中的鐵離子去除率高于88%。Jong等[24]在25℃時(shí)利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的上流厭氧填充床接種SRB處理酸性礦山廢水，銅、鋅和鎳的去除率大于97.5%，砷的去除率大于77.5%。李亞新、蘇冰琴[6]用生活垃圾酸性發(fā)酵產(chǎn)物作為碳源，研究了在初級(jí)厭氧階段SRB處理酸性礦山廢水的性能和工藝特點(diǎn)，結(jié)果表明在溫度在35℃，回流比為50：1，HRT=12h，CODCr/SO42-值約為1.12條件下，廢水經(jīng)過SRB厭氧生物處理后，SO42-的還原率為86.73%，CODCr降解率達(dá)到85.69%，在有出水回流、廢水的pH值為3.5時(shí)，仍有84%的SO42-還原率。
馬曉航等[25]研究表明，當(dāng)進(jìn)水COD為1500mg/L，鋅離子為500mg/L、水力停留時(shí)間為9h，其脫鋅裝置的鋅離子去除速率可達(dá)1329mg/(L·d)。肖利萍、劉文穎、褚玉芬[26]2008年利用被動(dòng)處理技術(shù)SAPS對(duì)酸性礦山廢水進(jìn)行處理，利用鋸屑與雞糞混合物的發(fā)酵產(chǎn)物作為SRB的碳源。試驗(yàn)結(jié)果表明，酸性礦山廢水在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)停留一定時(shí)間后，由于SRB對(duì)SO42-的還原作用，廢水獲得了充足的堿度，F(xiàn)e2+和Cu2+的去除率均大于90%，SO42-也得到有效去除。
由于酸性礦山廢水的酸性較強(qiáng)，偏離SRB生長代謝所適應(yīng)的pH范圍，所以在目前的工程應(yīng)用上出現(xiàn)了限制性問題。對(duì)于酸性較強(qiáng)的礦山廢水，可以在SRB微生物對(duì)其處理前進(jìn)行酸度中和的預(yù)處理(避免用生石灰中和，因其產(chǎn)生硫酸鈣沉淀附著在污泥表明而影響微生物活性)，或?qū)兎NSRB微生物進(jìn)行馴化，培養(yǎng)出能在酸性條件下進(jìn)行生物法還原反應(yīng)的優(yōu)勢SRB菌種。如何高效提高SRB處理酸性礦山廢水的能力是一個(gè)前沿性的學(xué)術(shù)課題。
3有待進(jìn)一步解決的問題
SRB法處理廢水很有應(yīng)用價(jià)值，但由于生化反應(yīng)過程中影響因素多而復(fù)雜，在具體應(yīng)用于實(shí)際之前還需要做大量的研究工作。主要表現(xiàn)在:
(1)尋找技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上價(jià)廉的碳源，同時(shí)保證反應(yīng)器處理后出水的COD不隨外加碳源而提高;
(2)如何提高SRB在酸性環(huán)境中對(duì)SO42-的還原效率，如何消除還原產(chǎn)物H2S對(duì)其的影響;
(3)廢水中重金屬離子種類的不同，對(duì)SRB等微生物的毒性和抑制作用也會(huì)不同，而且多種金屬離子的綜合作用和單一金屬離子的作用也會(huì)不一樣，所以有必要對(duì)此進(jìn)行全面研究;
(4)如何刺激SRB生長進(jìn)行廢水的原位生物修復(fù)處理。
作者簡介:肖利萍(1970-)，女，內(nèi)蒙古烏蒙人，博士，教授，研究方向:污水處理技術(shù)與資源化。
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