硫酸鹽還原菌及其在廢水厭氧治理中應用
隨著社會經濟的高速發展，我國的工業化程度得到極大提高，但伴隨著經濟發展而出現的環境問題也日益嚴重。目前城市生活污水處理已在工藝上取得成熟技術并得到應用，但工業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難題。但關于硫酸鹽還原菌(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)是一類厭氧異養細菌，其生命力很強，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境中。SRB是一類形態、營養多樣化的細菌，以有機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處理廢水作為一項新技術極具潛力。本文論述了SRB處理廢水機理及其生化作用的影響因子，對其在不同種類廢水處理中的研究現狀進行綜述。
1硫酸鹽還原菌(SRB)處理廢水的機
理及厭氧環境中的影響因子
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，分類也較為復雜。通常根據其對不同有機物的利用性能。
1.2硫酸鹽還原菌(SRB)處理廢水的機理
對于硫酸鹽還原菌(SRB)的代謝機理已有很多報道，但對其合成代謝過程的研究尚不明確，對其分解代謝過程已做過較多研究，現就SRB處理廢水的機理簡單概括如下:
1.2.1SRB對SO42-的還原機理
關于SRB還原SO42-的機理，具體分為三個階段;
(1)分解階段。在厭氧狀態下，有機物通過“基質水平磷酸化”產生ATP和高能電子;
(2)電子轉移階段。在(1)階段產生的高能電子通過SRB特有的電子傳遞鏈(如黃素蛋白、細胞色素C等)逐級傳遞，同時產生大量的ATP。
(3)氧化階段。此階段中電子轉移給氧化態的硫元素(SO42-)，將其還原為S2-，產生H2S，同時消耗ATP。
SRB除了以硫酸鹽為電子受體進行還原反應外，還需要有機物為其提供能量并作為生化反應的電子供體。
1.2.2SRB處理含重金屬離子廢水的機理
(1)因為重金屬離子的硫化物在水中的溶度積極小，所以在SO42-還原時產生的H2S與重金屬離子反應生成固體硫化物沉淀而得以去除;
(2)SRB還原SO42-時會產生堿度，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物會生成CO2，
部分重金屬可以轉化成不溶性的碳酸鹽而去除;
(4)利用SRB菌體細胞的直接吸附作用，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吸收、轉化并最終積存在細胞原生質內，以此清除重金屬的毒害。微生物細胞對重金屬的毒害有一定限度的忍耐，超過某一限度可能會抑制SRB的生長代謝[2]。
1.3廢水厭氧處理中對SRB的影響因子
1.3.1pH值
pH是影響SRB代謝功能的重要生態因子，SRB能適應的pH值范圍很窄，過高或過低的pH均會抑制SRB的生長及代謝。pH對SRB代謝功能的影響主要表現在:①pH引起細胞膜內電荷的變化，進而影響SRB對底物的吸收;②影響SRB代謝過程中各種酶的活性和穩定性，會改變底物的可給性與毒物的毒性;③改變細胞內的pH，影響ATP的合成和許多生化反應的進行。
SRB一般適合在中性偏堿的環境下生長，不同研究者對于最佳pH的研究結果不同。有研究表明，SRB在pH為6.5~7.5范圍內生長良好，最佳pH是7.5。SRB不能在pH<5.5，pH>8.0的環境中生存[3]。Renze[4]認為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時得到最大的硫酸鹽還原率。一般認為SRB更適合在pH為7.0~7.8的環境下生存，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境因素，它直接決定SRB的生長速度和代謝活性。根據SRB對環境溫度要求不同，將其分類為中溫菌和嗜熱菌兩類。目前研究報道的SRB大多為中溫菌，其一般適合在30℃左右境環中生長[5]，最佳生長溫度在30.5℃。此外有研究表明[6]:溫度在31℃~35℃時，對SRB活性影響不大，溫度小于30℃時活性受到抑制，溫度降至20℃時活性受到強烈抑制。在含硫酸鹽的廢水和各種菌種混合共生的復雜體系中，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是嚴格的厭氧菌，不能以氧氣作為電子受體進行代謝。但有研究[7]表明:SRB可以在含氧量4.5mg/L的環境中生長，但環境中的含氧量達到9.0mg/L時，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。最初的研究認為SRB僅能利用有限的基質作碳源，如乳酸鹽、丙酸鹽、反丁烯二酸、蘋果酸、乙醇等。但近些年國內外學者利用不同的培養基進行研究，發現SRB可利用的有機碳源的種類不斷擴大，迄今為止發現可以作為碳源的種類有100多種。除以上談到的有機碳源外，SRB還可以利用尿素、乙酸、丙酸、丁酸和長鏈脂肪酸及苯甲酸。
有報道稱乳酸鹽(乳酸)是最合適的碳源。但其也存在不足，如價格比較昂貴，SRB對其只能部分分解而使處理后的水中存在大量的COD和有機碳。因此，這稱為其應用到具體工程中的限制因素。
Chang等人[8]研究結果表明，多種有機廢棄物均可作為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酵產物做有機碳源，對酸性礦山廢水處理效果進行了研究，結果證明可行。
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。還原產物對SRB有毒害作用，其中游離H2S的毒害作用最強。這可能是由于H2S成電中性，能穿透帶負電的菌體細胞膜而破壞蛋白質[9]。關于硫化物影響SRB反應的機理，部分學者認為可能是由于硫化物與SRB特有的電子傳遞鏈中Fe結合生成FeS而使電子傳遞系統失去活性。也可能是H2S內在的毒性對系統直接作用的結果[10]。
1.3.6重金屬離子
重金屬離子對微生物的生長代謝有抑制作用。Oliver[11]等發現，金屬對SRB的抑制順序為Cu>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，Ca2+能沉積在污泥表面妨礙物質交換，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)在廢水處理中的應用研究
根據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
工業生產中排放的含有重金屬離子的廢水對環境危害巨大。重金屬離子一旦進入天然水體內，便不能自行去除。水生動植物一旦攝取這些離子，就會沉積在體內，嚴重影響其生長發育。而重金屬離子最終會通過食物鏈的作用在人體內累積，其有很強的致病性，嚴重威脅著人體健康。對重金屬離子污染的治理一直是人們關注的課題。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，由美國環保總署(EPA)提供資金，利用SRB對利利-奧芬博依礦的酸性礦山廢水進行處理和控制，半工業試驗[13]結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生物膜對某制革廠含Cr廢水進行處理。結果濃度為500μmol/L的含Cr(Ⅵ)廢水在經過48h處理后去除率達到88%，絕大部分可溶性有毒Cr(Ⅵ)被還原成為了不溶的Cr(Ⅲ)，同時發現由于Cr(Ⅵ)得毒性作用，廢水處理過程中僅有10%的SRB保持著生物學活性。
田小光等[15]采用化學還原法并結合SRB吸附法研究了從電鍍廠的含鉻廢水中去除鉻。當廢水中Cr(Ⅵ)的質量濃度為30~40mg/L時，Cr(Ⅵ)的去除率可達99.67%~99.97%。馮易君等[16]在研究共存離子對SRB處理含鉻廢水的影響中發現，經過SRB處理后，廢水中的鉻離子質量濃度從處理前的98mg/L下降到8.1mg/L，其它離子也得到去除。如鉛的質量濃度從0.27mg/L降到0.02mg/L，錫的質量濃度從1.75mg/L降到0.3mg/L。江蘇大學繆應祺[17]對用SRB處理鈦白粉生產廢水的研究結果表明，對模擬廢水，42h內SO42-的去除率達到92.1%;對實際廢水，42h內，SO42-的去除率可達到83.5%;COD/SO42-值對SO42-離子的去除有較大影響，比值在2~3時效果最佳。
2.2利用硫酸鹽還原菌處理含硫酸鹽的有機廢水
現代工業中的食品、制藥、造紙等工業生產中會排放大量的高濃度硫酸鹽的有機廢水。此類廢水排放至水體中，會使水體發臭影響其水質指標。特別是在厭氧條件下硫酸鹽經過生化反應產生刺激性氣味的H2S，危害水生生態環境以及人體健康。對于高濃度硫酸鹽有機廢水，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。
Boshoff等[18]以制革廠廢水為碳源，采用UASB和SRB兩種反應器進行了SO42-還原效果研究。實驗中控制二反應器進水SO42-濃度均在1800mg/L，結果前者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)。河北科技大學楊景亮教授對SRB處理青霉素生產過程中排放的高濃度SO42-廢水進行了研究[19]，試驗結果表明，COD/SO42-、SO42-負荷是影響SO42-還原效果的主要因素。當SO42-負荷為5kg/(m3·d)，進水COD/SO42-為2.5~2.8時，SO42-去除率為68%~78%;進水COD/SO42-大于3時SO42-去除率大于90%。當進水SO42-為0.8~2.0g/L，反應器SO42-負荷分別為5、7.5、9、10kg/(m3·d)時，SO42-去除率分別達到93.2%、86%、82%和76%。SilvaAJ[20]等開發了一個厭氧固定化床反應器，對某生產有機氧化物工廠排放的含高濃度SO42-(12000~35000mg/L)廢水進行了研究。該反應器容積為94.2L，內部填充油1cm3的聚氨酯泡沫塊，反應初期以不連續條件運行。結果表明，向反應器中添加乙醇會刺激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占有優勢;在半不連續和連續條件下運行時，SO42-去除率最高可達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重。由于其酸度較高，pH值一般為3.0~3.5，排入水體會導致水體酸化。其中含有大量SO42-離子，同時富含多種重金屬離子(銅、鐵、鉻、鉛、鋅、錳、鎳、砷等)會破壞土壤中物質結構，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。中和法會產生大量的硫酸鈣引起二次污染，并對水中的重金屬離子不能去除;而濕地法對于產生的H2S處理不徹底，揮發至空氣中也會造成污染。此外濕地法成本占用面積大，易受環境條件影響。而利用SRB法生物還原SO42-同時還能有效去除重金屬離子、降解有機物，可達到以廢治廢的效果。對SRB在處理酸性礦山廢水方面已有國內外的許多研究報道。
Kaksonen[21]利用SRB微生物同步去除鋅、鐵的實驗表明，當廢水含有170mg/L~230mg/L的鋅和58mg/L的鐵時，在FBR和UASB中鋅的回收速率分別為250mg/(L·d)和350mg/(L·d)，水力停留時間(HRT)為16h時，鐵的沉降速率為80mg/(L·d)。Maree等[22]對金礦排水進行了依據SRB生物還原法去除SO42-的中試規模研究，實驗中的SRB連續式系統分為初級厭氧、好氧和兩級厭氧消化3個階段。實驗結果表明有機碳中所含的難于生物降解的有機成分以及重金屬含量經過SRB處理后可被大量去除。含硫酸鹽廢水經過生物處理后，單質S和堿度是最終產物，單質S可用于工業，生成的堿度可循環到最初工藝。
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，實驗結果表明，廢水中的重金屬離子可得到有效去除。當污泥加入量為混合物的1.0%~5.0%時，廢水中的鐵離子去除率高于88%。Jong等[24]在25℃時利用實驗室規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]用生活垃圾酸性發酵產物作為碳源，研究了在初級厭氧階段SRB處理酸性礦山廢水的性能和工藝特點，結果表明在溫度在35℃，回流比為50：1，HRT=12h，CODCr/SO42-值約為1.12條件下，廢水經過SRB厭氧生物處理后，SO42-的還原率為86.73%，CODCr降解率達到85.69%，在有出水回流、廢水的pH值為3.5時，仍有84%的SO42-還原率。
馬曉航等[25]研究表明，當進水COD為1500mg/L，鋅離子為500mg/L、水力停留時間為9h，其脫鋅裝置的鋅離子去除速率可達1329mg/(L·d)。肖利萍、劉文穎、褚玉芬[26]2008年利用被動處理技術SAPS對酸性礦山廢水進行處理，利用鋸屑與雞糞混合物的發酵產物作為SRB的碳源。試驗結果表明，酸性礦山廢水在實驗裝置內停留一定時間后，由于SRB對SO42-的還原作用，廢水獲得了充足的堿度，Fe2+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，偏離SRB生長代謝所適應的pH范圍，所以在目前的工程應用上出現了限制性問題。對于酸性較強的礦山廢水，可以在SRB微生物對其處理前進行酸度中和的預處理(避免用生石灰中和，因其產生硫酸鈣沉淀附著在污泥表明而影響微生物活性)，或對純種SRB微生物進行馴化，培養出能在酸性條件下進行生物法還原反應的優勢SRB菌種。如何高效提高SRB處理酸性礦山廢水的能力是一個前沿性的學術課題。
3有待進一步解決的問題
SRB法處理廢水很有應用價值，但由于生化反應過程中影響因素多而復雜，在具體應用于實際之前還需要做大量的研究工作。
主要表現在:
(1)尋找技術上可行，經濟上價廉的碳源，同時保證反應器處理后出水的COD不隨外加碳源而提高;
(2)如何提高SRB在酸性環境中對SO42-的還原效率，如何消除還原產物H2S對其的影響;
(3)廢水中重金屬離子種類的不同，對SRB等微生物的毒性和抑制作用也會不同，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不一樣，所以有必要對此進行全面研究;
(4)如何刺激SRB生長進行廢水的原位生物修復處理。
作者簡介:肖利萍(1970-)，女，內蒙古烏蒙人，博士，教授，研究方向:污水處理技術與資源化。
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