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硫酸盐还原菌在废水处理中的应用


北京城市学院 2013 级课程结业论文

硫酸盐菌在矿山废水处理中的应用
学生姓名: 学 班 专 学 号: 级: 王晨霁 13111521035 13 资源本

业: 自然地理与资源环境(环境工程管理) 部: 城市建设学部 于艳卿

指导教师:

二○一五年一月

硫酸

盐菌在矿山废水处理中的应用
摘要
硫酸盐还原菌 (Sulfate-Reducing Bacteria,简称 SRB) 是一种厌氧的微生 物。广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油气井等缺氧环境中。是一类 对重金属和酸性环境有较强抗性的厌氧菌。本文主要讲解该菌在酸性废水中的处 理应用。

Abstract
Sulfate Reducing Bacteria (Sulfate - Reducing Bacteria, SRB for short) is a kind of anaerobic microorganisms. Widely exist in soil, water, river water, underground pipes and anoxic environments, such as oil and gas wells .Is a kind of heavy metals and acid environment has the strong resistance of anaerobic bacteria .This paper mainly explains the bacteria in the acid waste water treatment applications.

关键词
硫酸盐还原菌 酸性废水 矿山废水 微生物吸附

Keywords
Sulfate reducting bacteria Microbial adsorption Acid wastewater Mine wastewater

引言
随着全球工业化的迅速发展, 矿产资源的开发进一步加剧, 由此而产生的酸 性矿山废水( AMD) 已经成为许多国家水体污染的主要来源之一。酸性矿山废水中 硫酸盐的质量浓度较高 , 废水呈现较强的酸性。酸性矿山废水若不经处理任意排 放就会造成大面积的酸污染和重金属污染 , 它能够腐蚀管道、水泵、钢轨等矿井 设备和混凝土结构, 还危害人体健康。另外, 酸性水会污染水源, 危害鱼类和其 他水生生物; 用酸性水灌溉农田, 会使土壤板结, 农作物发黄, 并且随着酸度提 高, 废水中某些重金属离子由不溶性化合物转变为可溶性离子状态 , 毒性增大。 目前, 对于酸性矿山废水的处理主要有这几种方法 : 中和法、人工湿地法、硫化

物沉淀法和微生物法。 微生物法就是利用硫酸盐还原菌( SRB) 在厌氧条件下将 AMD 中的硫酸盐还原为硫化物, 生成的硫化物再与废水中的重金属发生反应生成难溶 解的金属硫化物。由于微生物技术的处理效果较好, 成本也较低, 且无二次污染, 因而受到广泛关注。

1.硫酸盐还原菌简介
硫酸盐还原菌 (Sulfate-Reducing Bacteria,简称 SRB) 是一种厌氧的微生 物。是一类能把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化以及元素硫还原形成硫 化氢的生理特性细菌的统称。 硫酸盐还原菌是在无氧状态下 , 用乳酸或丙酮酸等有机物作为电子供体 , 用 硫酸盐作为末端电子接受体而繁殖的一群偏性厌氧嫌气性细菌。硫酸盐还原菌是 一种进行硫酸盐还原代谢的厌氧菌类, 呈革兰氏阴性, 以有机物为电子供体, 硫酸 盐为电子受体。根据不同的有机物利用性能,分为 8 个属: 脱硫弧菌属 (Desulfovibrio) 短螺状 ,脱硫肠状菌属 (Desulfortomaculum) 孢子环状 , 脱硫单胞菌 属 (Desulfomonas) 环 状 , 脱 硫 洋 葱 状 菌 属 (Desulfobulbus) , 脱 硫 杆 菌 属 (Desulfobacter) 短 环 状 , 脱 硫 球 菌 属 (Desulfococcus) 球 状 , 脱 硫 八 叠 球 菌 属 (Desulfosarcina) , 脱硫螺旋体属(Desulfonema)丝状。 其中前 4 属利用乳酸盐、 丙酮 酸盐、乙醇等作为生长基质, 只氧化到乙酸盐的水平, 故又称为不完全氧化菌。后 4 属专一性地氧化某些脂肪酸,特别是乙酸, 以及乳酸、琥珀酸、苯甲酸等, 最终彻 底降解为二氧化碳 故又称为完全氧化菌。

1.1 研究历程
早在 1924 年,英国科学家就认为 SRB 产生的硫化氢对埋在地下的铁构件的腐 蚀起着重要作用,1934 年,荷兰学者库尔和维卢特提出了 SRB 对金属腐蚀作用的 机制;随后,邦克(1939) 、HEDELAI(1940) 、史塔克和威特(1945)也证实腐蚀 的主要细菌有铁细菌(好氧)和 SRB(厌氧),土壤中钢铁的腐蚀主要是后者。 研究表明在无氧或极少氧情况下,它能利用金属表面的有机物作为碳源,并 利用细菌生物膜内产生的氢,将硫酸盐还原成硫化氢,从氧化还原反应中获得生 存的能量。 根据硫酸盐还原菌的生长繁殖条件、 腐蚀活动机制和作用对象等因素, SRB 腐 蚀的防治可以分为物理方法、化学方法、阴极保护方法、微生物保护方法和防腐

材料保护方法等几种。 但上述一些方法不是杀菌效率降低、就是花费较为昂贵。而且像某些化学方 法(杀菌剂)的使用,也给环境治理带来新的负担。随着人们环保意识日益加强, 研制和开发新的高效环保型防治方法就显得尤为重要,防止 SRB 腐蚀已是腐蚀科 学和微生物学共同关注的课题。一些防腐专家认为从环境的角度考虑,SRB 的防治 有必要从微生物学自身去寻找新的方法。

1.2 硫酸盐还原菌分类情况
据不完全统计,S R B 目前已有 1 2 个属 4 0 多个种 ,S R B 的分类学研 究进展比较缓慢。目前已知的 S R B 从生理学上分为两大亚类。 第一类:如脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫叶菌属和脱硫肠状菌属,其特 点是可利用乳酸、丙酮酸、乙醇或某些脂肪酸为碳源及能源,将硫酸盐还原为硫 化氢。 第二类:如脱硫菌属、脱硫球菌属、脱硫八叠球菌属和脱硫线菌属,它们的 特别之处是可以氧化脂肪酸,并将硫酸盐还原为硫。现在,随着研究的进展,陆 续又有一些新的种属被命名。 根据所利用底物的不同, 硫酸盐还原菌(SRB) 可分为以下 4 类: ①氧化氢的硫酸盐还原菌(HSRB) ②氧化乙酸的硫酸盐还原菌(ASRB) ③氧化较高级脂肪酸的硫酸盐还原菌(FASRB) , 较高级脂肪酸这里是指含 3 个或 3 个以上碳原子的脂肪酸 ④氧化芳香族化合物的硫酸盐还原菌( PSRB) 。

1.3 硫酸盐还原菌培养条件
从理论上讲,SRB 为严格的厌氧菌,但随着研究的深入,已有研究结果表明 SRB 并非严格意义上的绝对厌氧,而是兼性厌氧。 但总体上来说,SRB 对氧还是极其敏感的,因此对其培养与分离关键要采用严 格的厌氧技术培养 SRB 不仅仅要求周围生长的环境是无氧的,还有培养基中氧化 还原电位必须在-100mV 以下。

所以通常在培养基中加入一些强还原剂,如巯基乙醇、抗坏血酸、L2 半胱氨 酸盐酸盐,这些物质受热容易分解,所以要采用过滤除菌的方法单独灭菌。 1.3.1 温度 ⑴中温型:30-40 ℃ 之 间 ⑵高温型:55-60 ℃ 之 间 1.3.2 PH 值 为 5-10 内均能生存,最佳 pH 值在 7-8。 1.3.3 判断生成标志 是在加有二价铁盐的培养基中,液体培养基表现为全部变黑;而固体培养基 在有二价铁盐的存在下则有黑色的菌落生成。

1.4 培养方法
1.4.1 液体培养法 液体培养 SRB,首先排除培养基内的空气,可以采用高纯氮气吹脱培养基内的 空气以及使培养基加热的方法,然后接入适量菌液,在适宜的温度下静置培养。 若在培养基上方覆盖一层灭过菌的液体石蜡效果更佳 1.4.2 固体培养法 ⑴稀释摇管法 稀释摇管法是稀释倒平板法的一种变通形式,先将一系列盛有无菌琼脂培养 基的试管加热使琼脂熔化并保持在 50℃左右,将已稀释成不同梯度的菌液加入到 这些已熔化好的琼脂试管中,迅速充分混匀。待凝后,在琼脂柱表面倒一层灭菌的 液体石蜡和固体石蜡的混合物,使培养基尽量隔绝空气。培养后,菌落形成在琼 脂柱的中间。 困难之处在于菌落的挑取,首先需用一只灭菌针将覆盖的石蜡盖取出,然后 再用一只毛细管插入琼脂和管壁之间,吹入无菌无氧气体,将琼脂柱吸出,放在 培养皿中,最后用无菌刀将琼脂柱切成薄片进行观察并转移菌落。 该法的不足之处是观察与挑取菌落比较困难,但在缺乏专业设备的条件下,

此法仍是一种方便有效地进行厌氧微生物分离、纯化和培养的低成该方法 ⑵叠皿夹层法 叠皿夹层法实质是将菌落夹在上下两层培养基之间,使其造成一个相对无氧 的环境,从而使 SRB 能在夹缝中生长。 具体做法是将已经富集好的菌液采用无菌操作技术稀释成不同浓度。将含有 质量分数为 2%琼脂的固体培养基熔化并保持在 50℃左右,在无菌条件下,向培养 皿(90mm×15mm)的皿盖中倒入约 1/3 高度的固体培养基,待其刚刚冷凝后,将 不同浓度的稀释液吸取适量,快速涂布平板上,使稀释液渗透培养基约 30s 后, 在培养皿的中间位置倒入同种营养型固体培养基,直到将溢未溢的突起状态,随 后迅速盖上皿盖、并往下压,最终皿内不能有气泡。 去掉培养皿内外两层侧壁间多余的琼脂,并在其中灌入适量熔化的石蜡,使 培养皿侧壁缝隙被石蜡密封,尽量不要留有气泡。培养一周后,在加有二价铁离 子的平板中会长出黑色的 SRB 菌落,在酒精灯旁加热使固体石蜡熔化,由于上下 两层培养基凝固时间不同, 所以当移去内皿后, 用镊子很容易将上层培养基揭起, 从而露出下层培养基的菌落。当需要进行菌落挑取时,可以对其进行切块转移,放 入液体培养基时捣碎即可。 该方法的优点是培养物均采用涂布或划线生长于营养琼脂夹层中,取菌落时 可很方便地做到定点取菌,同时该方法不需要另外创建一个无氧环境,故省时、 省力,具备了所有好氧、厌氧分离方法的优点。 ⑶亨盖特滚管技术 亨盖特滚管技术是培养厌氧菌最佳的方法。滚管技术是美国微生物学家亨盖 特于 1950 年首次提出并应用于瘤胃厌氧微生物研究的一种厌氧培养技术。这项技 术又经历了几十年的不断改进,从而使亨盖特厌氧技术日趋完善,并逐渐发展成 为研究厌氧微生物的一套完整技术。目前国内外很多专门做厌氧培养的实验室大 都采用此技术。 亨盖特滚管技术是指将适当稀释度的菌液,在无菌无氧条件下接入含有琼脂 培养基的厌氧试管中,然后将其在滚管机或冰盘上均匀滚动,使含菌培养基均匀 地凝固在试管内壁上。当琼脂绕管壁完全凝固后,琼脂试管即可垂直放置贮存, 并可使少量的水分集中在底部,经过几天的培养后,就可见到厌氧管内固体培养 基内部和表面有菌落出现。挑取菌落时也很方便,可以在酒精灯旁用自制的玻璃 细管接种针挑取生长状态良好的菌落,快速接到液体培养基中富集培养。

亨盖特滚管技术的优点在于,培养基可以在厌氧管内壁上形成一层均匀透明 的薄层,同时菌落可以埋藏在培养基内部或生长在表面,同平板涂布法相比,与 氧气接触的机会大大减少。

2.硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水作用机理
利用硫酸盐还原菌( Sulfate Reducing Bacteria.SRB) 通过异化硫酸盐的生物还 原反应, 将硫酸盐还原为 H2S, 并利用某些微生物将 H2S 氧化为单质硫,产生的 硫化物与重金属结合为金属硫化物沉淀, 可以去除废水中的重金属离子。 同时还能 使某些废水脱毒, 例如亚硫酸盐可以被转化为毒性较轻的硫化物。

2.1 硫酸盐还原菌的代谢过程和发现
硫酸盐还原菌的代谢过程可以分为分解阶段、 电子传递阶段和氧化 3 个阶段。 在分解的第一阶段, 有机物碳源的降解是在厌氧状态下进行的, 同时通过“机质水 平磷酸化”产生少量 ATP; 第二阶段中, 前一阶段释放的高能电子通过硫酸盐还原 菌中特有的电子传递链( 如黄索蛋白、 细胞色索 C 等)逐级传递产生大量的 ATP; 在 最后阶段中, 电子被传递给氧化态的硫元素, 并将其还原为二价硫离子, 此时需要 消耗 ATP 提供能基。从这一过程可以看出, 有机物不仅是硫酸盐还原菌 的碳源, 也是其能源, 硫酸盐(或氧化态的硫元素) 仅作为最终电子受体起作用。 即硫酸盐还 原菌利用硫酸根离子为最终电子受体, 将有机物作为细胞合成的碳源和电子供体 , 同时将硫酸根离子还原为硫化物。 以前 , 认为硫酸盐还原菌仅利用有限的基质作为有机碳源和电子供体 , 如乳 酸盐、丙酸盐、反丁烯二酸、苹果酸、乙醇、甘油, 个别也利用葡萄糖和柠檬酸盐, 最后形成乙酸和二氧化碳作为终产物。 近 20 余年来, 由于选用不同碳源的培养基, 硫酸盐还原菌利用的有机碳源和电子供体的种类不断扩大, 发现硫酸盐还原菌还 能利用乙酸、丙酸、丁酸和长链脂肪酸及苯甲酸等对其作用。硫酸盐还原菌在利 用多种多样的化合物作为电子供体时表现出了很强的能力和多样性, 迄今发现可 支持其生长的基质已超过 100 种。

2.2 目前存在的问题
利用硫酸盐还原菌、还原硫酸盐的特性处理含重金属离子酸性废水是一种切

实可行的方法。但是由于影响生化过程的因素复杂繁多,所以仍存在不少技术上 的问题,主要包括: (1)有机碳源种类的选择及投加量的控制; (2)如何筛选硫酸盐还原菌高效菌株、细胞固定化、保持常温下硫酸盐还原菌 的生化活性; (3)在酸性环境中,如何达到较高的二氧化硫离子还原率,如何消除硫化氢对 硫酸盐还原菌的抑制; (4)如何消除重金属离子对硫酸盐还原菌的抑制,废水中重金属种类不同,对 硫酸盐还原菌及其它有关微生物的毒性和抑制作用也会有所不同,此外多种金属 离子的综合作用和单一金属离子的作用也会不一样; (5)如何在满足还原过程需要的条件下,尽量降低出水中的 COD; (6)污泥中有用物质的回收和无用物质的贮存。 解决上述问题,有利于硫酸盐还原菌技术在实践中的推广和应用。

3.结论
在采用微生物法处理酸性矿山废水时 , 如何克服它自身存在的问题 , 使微生 物发挥出最大的功效,集硫酸盐还原、重金属沉淀、单质硫回收为一体 , 彻底改变 酸性矿山废水的理化性质 , 减少甚至消除它对环境产生的不良影响 , 是今后处理 废水过程中的研究重点。与此同时, 更应从源头控制酸性矿山废水的产生。

参考文献
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