硫酸盐还原菌及其在废水厌氧治理中应用
随着社会经济的高速发展，我国的工业化程度得到极大提高，但伴随着经济发展而出现的环境问题也日益严重。目前城市生活污水处理已在工艺上取得成熟技术并得到应用，但工业废水特别是含高浓度硫酸盐和重金属离子的废水处理仍是令人困惑的技术难题。但关于硫酸盐还原菌(SRB)的研究有望解决这一类废水的处理问题。硫酸盐还原菌(SRB)是一类厌氧异养细菌，其生命力很强，广泛存在于土壤、河水、海水等由微生物分解作用造成的厌氧水陆环境中。SRB是一类形态、营养多样化的细菌，以有机物作为生化代谢的能量来源和电子供体，通过异化作用以硫酸盐为电子受体将其还原。利用这一特性，将其广泛应用于含硫酸盐的废水和含重金属离子废水等方面的处理。SRB处理废水作为一项新技术极具潜力。本文论述了SRB处理废水机理及其生化作用的影响因子，对其在不同种类废水处理中的研究现状进行综述。
1硫酸盐还原菌(SRB)处理废水的机
理及厌氧环境中的影响因子
1.1硫酸盐还原菌(SRB)的分类
SRB是一类厌氧菌，革兰氏染色成阴性。目前已知的SRB有40多种，分类也较为复杂。通常根据其对不同有机物的利用性能。
1.2硫酸盐还原菌(SRB)处理废水的机理
对于硫酸盐还原菌(SRB)的代谢机理已有很多报道，但对其合成代谢过程的研究尚不明确，对其分解代谢过程已做过较多研究，现就SRB处理废水的机理简单概括如下:
1.2.1SRB对SO42-的还原机理
关于SRB还原SO42-的机理，具体分为三个阶段;
(1)分解阶段。在厌氧状态下，有机物通过“基质水平磷酸化”产生ATP和高能电子;
(2)电子转移阶段。在(1)阶段产生的高能电子通过SRB特有的电子传递链(如黄素蛋白、细胞色素C等)逐级传递，同时产生大量的ATP。
(3)氧化阶段。此阶段中电子转移给氧化态的硫元素(SO42-)，将其还原为S2-，产生H2S，同时消耗ATP。
SRB除了以硫酸盐为电子受体进行还原反应外，还需要有机物为其提供能量并作为生化反应的电子供体。
1.2.2SRB处理含重金属离子废水的机理
(1)因为重金属离子的硫化物在水中的溶度积极小，所以在SO42-还原时产生的H2S与重金属离子反应生成固体硫化物沉淀而得以去除;
(2)SRB还原SO42-时会产生碱度，使被处理的废水pH值提高，而许多重金属离子的氢氧化物溶解度很小，故有利于重金属离子形成氢氧化物沉淀去除;
(3)SRB代谢过程中分解有机物会生成CO2，
部分重金属可以转化成不溶性的碳酸盐而去除;
(4)利用SRB菌体细胞的直接吸附作用，将重金属离子吸附在胞外聚合物上同污泥一同沉淀，从而从水中去除;
(5)SRB的新陈代谢过程可以通过主动吸收、转化并最终积存在细胞原生质内，以此清除重金属的毒害。微生物细胞对重金属的毒害有一定限度的忍耐，超过某一限度可能会抑制SRB的生长代谢[2]。
1.3废水厌氧处理中对SRB的影响因子
1.3.1pH值
pH是影响SRB代谢功能的重要生态因子，SRB能适应的pH值范围很窄，过高或过低的pH均会抑制SRB的生长及代谢。pH对SRB代谢功能的影响主要表现在:①pH引起细胞膜内电荷的变化，进而影响SRB对底物的吸收;②影响SRB代谢过程中各种酶的活性和稳定性，会改变底物的可给性与毒物的毒性;③改变细胞内的pH，影响ATP的合成和许多生化反应的进行。
SRB一般适合在中性偏碱的环境下生长，不同研究者对于最佳pH的研究结果不同。有研究表明，SRB在pH为6.5~7.5范围内生长良好，最佳pH是7.5。SRB不能在pH<5.5，pH>8.0的环境中生存[3]。Renze[4]认为SRB在pH<6的条件下一般不生长，pH在6.48~7.43之间硫酸盐还原效果最好，在6.6时得到最大的硫酸盐还原率。一般认为SRB更适合在pH为7.0~7.8的环境下生存，它能忍耐的最大pH范围为5.5~9.0。
1.3.2温度
温度是影响硫酸盐还原的重要环境因素，它直接决定SRB的生长速度和代谢活性。根据SRB对环境温度要求不同，将其分类为中温菌和嗜热菌两类。目前研究报道的SRB大多为中温菌，其一般适合在30℃左右境环中生长[5]，最佳生长温度在30.5℃。此外有研究表明[6]:温度在31℃~35℃时，对SRB活性影响不大，温度小于30℃时活性受到抑制，温度降至20℃时活性受到强烈抑制。在含硫酸盐的废水和各种菌种混合共生的复杂体系中，一般在35℃是硫酸盐的还原率最大[2]。
1.3.3氧
早期研究表明，SRB是严格的厌氧菌，不能以氧气作为电子受体进行代谢。但有研究[7]表明:SRB可以在含氧量4.5mg/L的环境中生长，但环境中的含氧量达到9.0mg/L时，则不能生长。但总体来说，SRB属于厌氧菌，适合其生长的氧化还原电位(Eh)须低于-100mV。
1.3.4碳源
碳源是SRB代谢过程的重要影响因素。它为SRB提供能量并作为电子供体参与硫酸盐还原过程。最初的研究认为SRB仅能利用有限的基质作碳源，如乳酸盐、丙酸盐、反丁烯二酸、苹果酸、乙醇等。但近些年国内外学者利用不同的培养基进行研究，发现SRB可利用的有机碳源的种类不断扩大，迄今为止发现可以作为碳源的种类有100多种。除以上谈到的有机碳源外，SRB还可以利用尿素、乙酸、丙酸、丁酸和长链脂肪酸及苯甲酸。
有报道称乳酸盐(乳酸)是最合适的碳源。但其也存在不足，如价格比较昂贵，SRB对其只能部分分解而使处理后的水中存在大量的COD和有机碳。因此，这称为其应用到具体工程中的限制因素。
Chang等人[8]研究结果表明，多种有机废弃物均可作为SRB的碳源，这其中包括干草、稻草、泥炭、用过的蘑菇堆肥及废纸回收站的污泥。李亚新[6]用生活垃圾酸性中温发酵产物做有机碳源，对酸性矿山废水处理效果进行了研究，结果证明可行。
1.3.5硫化物
SRB在厌氧条件下将硫酸盐还原成S2-、HS-、H2S，H2S在气、液两相中都存在。还原产物对SRB有毒害作用，其中游离H2S的毒害作用最强。这可能是由于H2S成电中性，能穿透带负电的菌体细胞膜而破坏蛋白质[9]。关于硫化物影响SRB反应的机理，部分学者认为可能是由于硫化物与SRB特有的电子传递链中Fe结合生成FeS而使电子传递系统失去活性。也可能是H2S内在的毒性对系统直接作用的结果[10]。
1.3.6重金属离子
重金属离子对微生物的生长代谢有抑制作用。Oliver[11]等发现，金属对SRB的抑制顺序为Cu>Cd>Ni>Zn>Cr>Pb。抑制SRB的金属浓度分别为20mg/LCd、20mg/LCu、25mg/LZn、20mg/LNi、60mg/LCr和75mg/LPb及10mg/L的金属混合液。此外硫酸盐浓度较高时，Ca2+能沉积在污泥表面妨碍物质交换，致使污泥完全丧失活性[12]。故含高浓度硫酸盐废水处理中，Ca2+也能抑制SRB代谢作用。
2硫酸盐还原菌(SRB)在废水处理中的应用研究
根据SRB生化代谢特性可见其在废水处理中有极大的潜力和广阔的前景。近些年来SRB法被广泛应用在处理酸性矿山废水、重金属离子废水及高浓度硫酸盐废水等方面的研究，取得了一定效果，已成为废水处理领域的前沿课题。
2.1利用硫酸盐还原菌处理重金属离子废水
工业生产中排放的含有重金属离子的废水对环境危害巨大。重金属离子一旦进入天然水体内，便不能自行去除。水生动植物一旦摄取这些离子，就会沉积在体内，严重影响其生长发育。而重金属离子最终会通过食物链的作用在人体内累积，其有很强的致病性，严重威胁着人体健康。对重金属离子污染的治理一直是人们关注的课题。近些年来，利用SRB处理重金属离子废水的研究取得了一定的效果。
1994-1998年间，由美国环保总署(EPA)提供资金，利用SRB对利利-奥芬博依矿的酸性矿山废水进行处理和控制，半工业试验[13]结果表明金属去除率为:Zn99%，Al99%，Mn96%，Cd98%，Cu96%。SmithWL[14]等以乳酸盐为电子供体，利用SRB生物膜对某制革厂含Cr废水进行处理。结果浓度为500μmol/L的含Cr(Ⅵ)废水在经过48h处理后去除率达到88%，绝大部分可溶性有毒Cr(Ⅵ)被还原成为了不溶的Cr(Ⅲ)，同时发现由于Cr(Ⅵ)得毒性作用，废水处理过程中仅有10%的SRB保持着生物学活性。
田小光等[15]采用化学还原法并结合SRB吸附法研究了从电镀厂的含铬废水中去除铬。当废水中Cr(Ⅵ)的质量浓度为30~40mg/L时，Cr(Ⅵ)的去除率可达99.67%~99.97%。冯易君等[16]在研究共存离子对SRB处理含铬废水的影响中发现，经过SRB处理后，废水中的铬离子质量浓度从处理前的98mg/L下降到8.1mg/L，其它离子也得到去除。如铅的质量浓度从0.27mg/L降到0.02mg/L，锡的质量浓度从1.75mg/L降到0.3mg/L。江苏大学缪应祺[17]对用SRB处理钛白粉生产废水的研究结果表明，对模拟废水，42h内SO42-的去除率达到92.1%;对实际废水，42h内，SO42-的去除率可达到83.5%;COD/SO42-值对SO42-离子的去除有较大影响，比值在2~3时效果最佳。
2.2利用硫酸盐还原菌处理含硫酸盐的有机废水
现代工业中的食品、制药、造纸等工业生产中会排放大量的高浓度硫酸盐的有机废水。此类废水排放至水体中，会使水体发臭影响其水质指标。特别是在厌氧条件下硫酸盐经过生化反应产生刺激性气味的H2S，危害水生生态环境以及人体健康。对于高浓度硫酸盐有机废水，采用SRB生物脱硫法具有投资少、成本少、低能耗、去除率高及无二次污染等特点。
Boshoff等[18]以制革厂废水为碳源，采用UASB和SRB两种反应器进行了SO42-还原效果研究。实验中控制二反应器进水SO42-浓度均在1800mg/L，结果前者SO42-还原效率和COD去除速度分别为600mg/(d·L)、600~700mg/(d·L)，后者SO42-还原效率和COD去除速度分别为250mg/(d·L、200~600mg/(d·L)。河北科技大学杨景亮教授对SRB处理青霉素生产过程中排放的高浓度SO42-废水进行了研究[19]，试验结果表明，COD/SO42-、SO42-负荷是影响SO42-还原效果的主要因素。当SO42-负荷为5kg/(m3·d)，进水COD/SO42-为2.5~2.8时，SO42-去除率为68%~78%;进水COD/SO42-大于3时SO42-去除率大于90%。当进水SO42-为0.8~2.0g/L，反应器SO42-负荷分别为5、7.5、9、10kg/(m3·d)时，SO42-去除率分别达到93.2%、86%、82%和76%。SilvaAJ[20]等开发了一个厌氧固定化床反应器，对某生产有机氧化物工厂排放的含高浓度SO42-(12000~35000mg/L)废水进行了研究。该反应器容积为94.2L，内部填充油1cm3的聚氨酯泡沫块，反应初期以不连续条件运行。结果表明，向反应器中添加乙醇会刺激SRB生长，SO42-还原效率和COD去除率受到COD/SO42-值影响，在COD/SO42-较高情况下，SRB仍然比MPB占有优势;在半不连续和连续条件下运行时，SO42-去除率最高可达97%。
2.3利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水
酸性矿山废水的污染甚为严重。由于其酸度较高，pH值一般为3.0~3.5，排入水体会导致水体酸化。其中含有大量SO42-离子，同时富含多种重金属离子(铜、铁、铬、铅、锌、锰、镍、砷等)会破坏土壤中物质结构，毒害水生生物、污染水源，威胁人类健康，并且随酸度的提高重金属离子的毒性会增大。
目前常用的处理方法有石灰石(或石灰)中和法和湿地法。但都有一定缺点。中和法会产生大量的硫酸钙引起二次污染，并对水中的重金属离子不能去除;而湿地法对于产生的H2S处理不彻底，挥发至空气中也会造成污染。此外湿地法成本占用面积大，易受环境条件影响。而利用SRB法生物还原SO42-同时还能有效去除重金属离子、降解有机物，可达到以废治废的效果。对SRB在处理酸性矿山废水方面已有国内外的许多研究报道。
Kaksonen[21]利用SRB微生物同步去除锌、铁的实验表明，当废水含有170mg/L~230mg/L的锌和58mg/L的铁时，在FBR和UASB中锌的回收速率分别为250mg/(L·d)和350mg/(L·d)，水力停留时间(HRT)为16h时，铁的沉降速率为80mg/(L·d)。Maree等[22]对金矿排水进行了依据SRB生物还原法去除SO42-的中试规模研究，实验中的SRB连续式系统分为初级厌氧、好氧和两级厌氧消化3个阶段。实验结果表明有机碳中所含的难于生物降解的有机成分以及重金属含量经过SRB处理后可被大量去除。含硫酸盐废水经过生物处理后，单质S和碱度是最终产物，单质S可用于工业，生成的碱度可循环到最初工艺。
Ueki[23]研究了利用家畜粪便作为电子供体、利用SRB厌氧消化污泥去除酸性矿山废水中重金属离子的可能性，实验结果表明，废水中的重金属离子可得到有效去除。当污泥加入量为混合物的1.0%~5.0%时，废水中的铁离子去除率高于88%。Jong等[24]在25℃时利用实验室规模的上流厌氧填充床接种SRB处理酸性矿山废水，铜、锌和镍的去除率大于97.5%，砷的去除率大于77.5%。李亚新、苏冰琴[6]用生活垃圾酸性发酵产物作为碳源，研究了在初级厌氧阶段SRB处理酸性矿山废水的性能和工艺特点，结果表明在温度在35℃，回流比为50：1，HRT=12h，CODCr/SO42-值约为1.12条件下，废水经过SRB厌氧生物处理后，SO42-的还原率为86.73%，CODCr降解率达到85.69%，在有出水回流、废水的pH值为3.5时，仍有84%的SO42-还原率。
马晓航等[25]研究表明，当进水COD为1500mg/L，锌离子为500mg/L、水力停留时间为9h，其脱锌装置的锌离子去除速率可达1329mg/(L·d)。肖利萍、刘文颖、褚玉芬[26]2008年利用被动处理技术SAPS对酸性矿山废水进行处理，利用锯屑与鸡粪混合物的发酵产物作为SRB的碳源。试验结果表明，酸性矿山废水在实验装置内停留一定时间后，由于SRB对SO42-的还原作用，废水获得了充足的碱度，Fe2+和Cu2+的去除率均大于90%，SO42-也得到有效去除。
由于酸性矿山废水的酸性较强，偏离SRB生长代谢所适应的pH范围，所以在目前的工程应用上出现了限制性问题。对于酸性较强的矿山废水，可以在SRB微生物对其处理前进行酸度中和的预处理(避免用生石灰中和，因其产生硫酸钙沉淀附着在污泥表明而影响微生物活性)，或对纯种SRB微生物进行驯化，培养出能在酸性条件下进行生物法还原反应的优势SRB菌种。如何高效提高SRB处理酸性矿山废水的能力是一个前沿性的学术课题。
3有待进一步解决的问题
SRB法处理废水很有应用价值，但由于生化反应过程中影响因素多而复杂，在具体应用于实际之前还需要做大量的研究工作。
主要表现在:
(1)寻找技术上可行，经济上价廉的碳源，同时保证反应器处理后出水的COD不随外加碳源而提高;
(2)如何提高SRB在酸性环境中对SO42-的还原效率，如何消除还原产物H2S对其的影响;
(3)废水中重金属离子种类的不同，对SRB等微生物的毒性和抑制作用也会不同，而且多种金属离子的综合作用和单一金属离子的作用也会不一样，所以有必要对此进行全面研究;
(4)如何刺激SRB生长进行废水的原位生物修复处理。
作者简介:肖利萍(1970-)，女，内蒙古乌蒙人，博士，教授，研究方向:污水处理技术与资源化。
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