摘 要:针对多组分酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)污染严重，治理费用高的特点，基于硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria,SRB)处理AMD具有成本低、适用性强、环境友好等诸多优点，从长期受煤矸石淋溶水污染的土壤中纯化培养一株SRB，并采用廉价易得的玉米芯、甘蔗渣和花生壳作为SRB生长碳源分别构造1号,2号,3号组动态柱，进行处理AMD的模拟实验，以探讨SRB利用生物质碳源处理AMD的有效性和规律性。各动态柱分别按照正交试验最优配比进行装填，其中，1号柱中SRB生物量和60目玉米芯按固液比分别为106.8∶100(mg∶ mL)和3.5∶100(g∶ mL)装填，2号柱中SRB生物量和100目甘蔗渣按固液比分别为71.2∶100(mg∶ mL)和4.5∶100(g∶ mL)装填，3号柱中SRB生物量和100目花生壳按固液比分别为106.8∶100(mg∶ mL)和4.5∶100(g∶ mL)装填。实验结果显示，以100目甘蔗渣为碳源的2号柱处理AMD的效果较好，对
平均去除率分别为61.63%,99.81%,72.35%,96.8%,100%，而体系出水的pH值和ORP值分别为6.38～7.30,-246 mV，表明SRB以甘蔗渣为碳源时的生长代谢活性优于玉米芯和花生壳，甘蔗渣可实现较持久的碳源供应。通过反应前后生物质材料的SEM和XRD分析表明，大量的Fe元素主要通过生物质材料的化学吸附方式被去除，而Mn和Cr元素主要通过与硫酸盐还原菌的代谢产物反应生成金属硫化物沉淀除去，少部分金属元素通过生物质材料的物理吸附被去除。同时，反应前生物质材料表面结构完整，反应后的生物质材料结构被破坏并附着纳米级金属硫化物沉淀。
含硫煤矿开采过程中产生的酸性矿山废水(Acid Mine Wastewater，AMD)具有低pH值，含有高浓度硫酸盐及重金属离子等特点，对生态环境造成严重的危害，是近年来最为突出的水污染问题之一。目前，处理AMD的方法主要有石灰石中和法、人工湿地法和硫酸盐还原菌降解的生物法，但中和法产生巨量的硫酸钙固体废弃物难以处置，易引起2次污染[1]，湿地法具有占地面积大、处理易受环境影响和产生H2S污染环境缺点[2]。而硫酸盐还原法通过生物有机体或其代谢产物与金属离子之间的相互作用达到处理酸性废水的目的，具有成本低、环境友好等优点[3]。但在利用硫酸盐还原法处理废水过程中，补加碳源是保证处理效果的手段之一，传统碳源乳酸钠、乙醇等运输不便且成本较高，为此，近年来相关学者[4-6]提出利用廉价易得的生物质材料代替传统碳源作为硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)生长所需碳源来治理废水。邵留等[7]监测玉米芯、甘蔗渣、花生壳等6种生物质材料在16 d内浸泡液中总有机碳(Total Organic Carbon，TOC含量)和总碳(Total Carbon，TC)，发现6种材料浸出液中TOC含量均占TC的90%以上，均能释放出大量有机碳，符合作为碳源材料的基本条件。张洪灿等[8]也发现玉米芯浸提液中含有大量能够被SRB、反硝化细菌利用的葡萄糖和半乳糖等有机物。张雅琳[9]以甘蔗渣为SRB缓释碳源及载体处理含低质量浓度Cu2+离子的模拟矿山淋滤水，SRB利用缓释碳源甘蔗渣释放出的小分子物质将硫酸根持续还原，硫酸根还原率可达92.4%。基于此，考虑到生物质材料具有的碳源溶出性和多孔吸附性特点，笔者提出利用玉米芯、甘蔗渣和花生壳作为SRB生长碳源，通过构建3组动态反应器，考察SRB在利用不同生物质碳源条件下对反应器运行的效果的影响，探求更适合SRB生长代谢的生物质碳源，以期为实现酸性矿山废水低成本、高效稳定的生物治理提供理论参考。
实验用菌取自阜新市新邱区某煤矿煤矸石山下，长期受煤矸石淋溶水污染的土壤，取样土层为煤矸石覆盖的20～40 cm深的土壤，后经制备土壤菌悬液并利用修正的Postgate培养基[10]富集培养，直到得到一株纯的SRB菌种后用于试验。试验用玉米芯、花生壳产自辽宁阜新某农田，甘蔗渣来自广东惠州某制糖厂，试验前各生物质材料按要求粒径进行打磨。
(1)正交试验。以前期单因素实验结果为依据，分别进行了以SRB生物量(35.6,71.2,106.8 mg)、玉米芯粒径(14，32，60目)及其投加量(1.5,2.5,3.5 g)，SRB生物量(35.6,71.2,106.8 mg)、甘蔗渣粒径(32，60，100目)及其投加量(2.5,3.5,4.5 g)和SRB生物量(35.6,71.2,106.8 mg)、花生壳粒径(32，60，100目)及其投加量(2.5,3.5,4.5 g)为因子水平的L9(34)正交试验，分析优化了SRB以玉米芯、甘蔗渣和花生壳为生物质碳源的最佳生长活性条件，即分别为:100 mL的废水中SRB投加量为106.8 mg，60目玉米芯投加量为3.5 g;100 mL的废水中SRB投加量为71.2 mg，100目甘蔗渣投加量为4.5 g;100 mL的废水中SRB投加量为106.8 mg，100目花生壳投加量为4.5 g。
(2)构建连续动态柱。试验动态柱采用3个高度600 mm、内径55 mm的圆柱形有机玻璃管，动态柱由下至上依次放置20 mm的鹅卵石层(防止材料堵塞进水口)、20 mm的石英砂层(保护层)、100 mm或200 mm的生物质材料、20 mm的石英砂(保护层)。生物质材料:1号柱为100 mm的60目玉米芯，2号柱为200 mm的100目甘蔗渣，3号柱为200 mm的100目花生壳。连续运行，下进上出，进出口高度差570 mm，流速为1 354.22 mL/d，通过蠕动泵和流量计控制。实验装置如图1所示，试验装置装填及其运行参数见表1。
图1 动态试验装置系统
Fig.1 Dynamic test device system
表1 3个动态柱运行参数
Table 1 3 dynamic column operating parameters
生物质材料粒径/目投加量/g菌液日投加量/mL日废水进水量/mL玉米芯(1号)6047.40203.131 354.22甘蔗渣(2号)10060.94135.421 354.22花生壳(3号)10060.94203.131 354.22
参考某煤矿排放的污染物质量浓度，配制模拟AMD中
平均质量浓度分别为800,24,98,9.8,18 mg/L，调节pH=4.0。
铬酸钡分光光度法(HJ/T 432—2007);Fe3+，邻菲啰啉比色法(MT/T 368—2005);Mn2+，高碘酸钾分光光度法(GB 11906—89);Cr6+，二苯碳酰二肼分光光度法(GB 7467—87);Cr3+，高锰酸钾氧化-二苯碳酰二肼分光光度法(GB 7466—87);pH，采用PHS-3C型精密pH计进行测定;氧化还原电位(Oxidation-reduction potential，ORP)，采用CT8022型ORP测定仪进行测定。
图2为动态试验pH变化规律，试验进水平均pH值为4.2。1号,2号,3号动态柱，前12 d，pH均逐渐上升，第14天，出水pH分别为5.49,6.72,6.49。1号柱出水pH在12～16 d达到一定的稳定范围为5.00～5.49，为弱酸性，16 d之后出水pH在4左右。2号柱出水pH在12～22 d达到一定的稳定范围为6.38～7.30，已达到中性，22 d以后出水pH逐渐下降，试验结束出水pH仍保持在6左右。3号柱出水pH在12～22 d达到一定的稳定范围为5.80～6.83，接近于中性，22 d之后出水pH逐渐降低，试验结束出水pH保持在5.5左右。各动态柱初期对pH的调节作用是由生物质材料表面的配位体与H3O+紧密结合。后期对pH的调节主要依靠菌株的生长代谢产碱所致[11]。1号柱的玉米芯后期的碳源释放殆尽，无法让菌株正常的生长，对pH的调节能力有限。2号,3号柱对pH调节较好，且2号柱优于3号柱，这是由于在甘蔗渣为碳源条件下，可以较长时间缓慢释放碳源，使得菌株能够较好繁殖和代谢，从而不断提高进水pH，使后期出水pH仍保持在6左右。甘蔗渣的碳源缓释性能优于玉米芯和花生壳，能提供较持久碳源。
图2 动态试验pH变化规律
Fig.2 Dynamic test pH change law
图3(a)，(b)为动态试验
质量浓度和去除率变化规律，试验进水平均质量浓度为880 mg/L。前10 d，1号,2号,3号动态柱质量浓度在407.61～772.16 mg/L内波动，对去除率波动范围较大为11.40%～52.93%。10 d后，1号,2号,3号动态柱中质量浓度开始逐渐下降，去除率逐渐升高，1号柱在第15 d时去除率最高为56.35%，2号柱在第14天时去除率最高为61.63%，3号柱在第22天时去除率最高为46.49%。22 d后，1号,2号,3号柱中质量浓度逐渐升高，去除率逐渐降低，最终去除率分别为12.00%,27.56%,20.15%。图3(c)为动态试验ORP变化规律，前10 d，1号,2号,3号动态柱出水ORP较进水310 mV均有所下降但仍高于0 mV。10 d以后1号,2号,3号动态柱中ORP逐渐下降，1号柱在第15天时ORP下降至最低值为-100 mV，2号柱在第17天时ORP下降至最低值为-246 mV，3号柱在第19天时ORP下降至最低值为-234 mV。1号柱在第19天开始ORP逐渐升高，2号,3号柱在第22天后ORP逐渐升高，最终1号,2号,3号柱ORP分别为192,-117,-96 mV。
图3 动态试验SRB生长活性指标
Fig.3 Dynamic test SRB growth activity index
结合图3分析，前10 d，1号,2号,3号动态柱中SRB为生长适应期，此时主要以生物质材料对
的物理吸附为主，生物质材料对阴离子的吸附作用也会发生解析作用[12]，因此后期质量浓度略有升高。从10 d开始菌株开始利用生物质水解得碳源大量增值，还原
且出水ORP降至-150 mV以下，去除率逐渐升高，填充层开始变黑。22 d后，1号,3号柱由于碳源释放殆尽，细菌可利用的营养物质质量浓度降低，细菌的增殖与活性受到抑制，出水ORP和质量浓度均升高，2号最终的ORP最低，去除率最高，说明2号柱能够缓慢水解释放碳源，SRB对甘蔗渣为碳源的动态试验表现出良好的适应性。
图4(a),(b)为动态试验Fe3+质量浓度和去除率变化规律，试验进水Fe3+平均质量浓度为98 mg/L。整个试验过程中，1号,2号,3号动态柱中Fe3+质量浓度一直低于1 mg/L，最终对Fe3+去除率分别为100%,99.81%，99.79%。如图4(c),(d)为动态试验Mn2+质量浓度和去除率变化规律，试验进水Mn2+平均质量浓度为24 mg/L。1号柱，第1天，Mn2+质量浓度最低，去除率达82.2%，之后Mn2+质量浓度逐渐升高，并保持在12.5±3 mg/L，10 d以后，Mn2+质量浓度开始下降，去除率升高。2号,3号柱，前6 d，Mn2+质量浓度下降，最低去除率分别为36.36%,43.45%，6 d后，Mn2+质量浓度均逐渐升高，从第16天开始，Mn2+质量浓度逐渐降低，Mn2+去除率逐渐升高，1号,2号,3号柱最终对Mn2+去除率分别为91.74%,72.35%,71.54%。如图4(e)，(f)为动态试验Cr6+质量浓度和去除率变化规律，试验进水Cr6+平均质量浓度为9.8 mg/L。1号,2号,3号动态柱，前12 d，Cr6+质量浓度均低于1.3 mg/L，去除率在70%～90%，13～18 d，出水Cr6+质量浓度均小幅度上升，去除率降低，18 d以后，出水Cr6+质量浓度再次降低且均在1 mg/L以下，最终对Cr6+的去除率分别为98.6%,96.8%,96.2%。如图4(g)，(h)为动态试验Cr3+质量浓度和去除率变化规律，试验进水Cr3+平均质量浓度为18 mg/L。1号,2号,3号柱，前10 d，出水Cr3+质量浓度逐渐下降，但1号柱出水Cr3+质量浓度高于2号,3号柱，在第10天，对Cr3+去除率分别为92.17%,92.17%,96.63%，10 d后，出水Cr3+质量浓度均逐渐下降，最终对Cr3+去除率为99.4%,100%,100%。
图4 动态试验重金属离子质量浓度和去除率变化规律
Fig.4 Dynamic test of heavy metal ion concentration and removal rate change law
结合图4分析，整个试验过程中，1号,2号,3号动态柱的初期对Fe3+和Cr6+表现出非常好的去除效果，因为多孔结构的生物质材料对金属离子的吸附作用[13-14]及产物还原糖还原Cr6+，其醛基与Cr6+结合生成铬酸络合物或者氢氧化铬[15]。最终去除率接近100%。对于Mn2+和Cr3+的去除，前期去除率处于波动状态，这是因为各竞争性阳离子与吸附点位之间的亲和力不同，存在共存离子竞争吸附[16]。纤维素的水解过程中原有纤维素链的断裂，其吸附点位所吸附的金属离子容易出现反溶现象。随着后期菌株的生长繁殖其代谢产物S2-与金属阳离子形成溶解度非常低金属硫化物沉淀，因此后期Mn2+和Cr3+也达到较高的稳定去除率。在试验一周后3个动态柱的生物质填料层均开始部分变黑。此外，微生物产生的EPS(胞外聚合物)含有大量的阴离子基团(羧基、羟基及氨基等)也可以通过静电作用与金属阳离子结合[17-18]。
本试验用SEM来观察动态试验运行前后玉米芯、甘蔗渣、花生壳表面微观形貌。各生物质材料经干燥磨粉后进行外表面结构扫描，得出动态试验前后玉米芯、甘蔗渣、花生壳结构特征的电镜图像，如图5,6所示。
图5,6分别是电镜扫描动态柱运行前、后，1号,2号,3号柱生物质材料结构图，放大倍数为1万倍。如图5所示，玉米芯、甘蔗渣、花生壳表面形态结构完整，有少量生物质粉末附着在材料上。如图6所示，玉米芯、甘蔗渣、花生壳表面形态结构均被破坏，并且已经在表面形成了一些纳米级团聚物。说明重金属离子与菌株代谢硫酸盐终产物S2-反应生成金属硫化物形成了纳米级沉淀物，菌株利用玉米芯、甘蔗渣和花生壳为碳源进行生长代谢活动。
图5 电镜扫描动态柱运行前生物质材料结构
Fig.5 Electron microscopy scanning dynamic column structure diagram of biomass material before operation
图6 电镜扫描动态柱运行后生物质材料结构
Fig.6 Electron microscopy scanning dynamic column structure diagram of biomass material after operation
XRD为利用射线衍射现象研究物相晶体结构，本动态试验将反应前、后的玉米芯、甘蔗渣、花生壳干燥磨粉，进行XRD物相分析并作图。其反应前、后主要化学成分如图7所示。
图7 动态柱反应前后生物质材料XRD分析
Fig.7 XRD analysis of biomass materials before and after dynamic column reaction
图7为动态反应前后1号,2号,3号动态柱中生物质材料物相分析图。试验反应前1号,2号,3号动态柱中只含有C,H，O元素，试验反应后1号,2号,3号动态柱中都含有Fe,Mn,Cr,S，C,H，O元素。C,H，O为生物质材料的基本组成元素，Fe,Mn,Cr为废水中的元素。其中，Fe元素主要以和生物质材料中碳形成碳化物的形式脱离反应体系，说明本试验中Fe元素主要通过生物质材料的化学吸附方式被去除，Mn和Cr元素主要以硫化物沉淀形式脱离反应体系，也存在氧化物形态，说明Mn和Cr元素的去除主要是与SRB代谢硫酸盐的终产物发生沉淀反应，部分Mn和Cr元素也存在生物质材料吸附反应，该物相分析结果与2.3节试验数据分析结果一致。
(1)试验1号(玉米芯)、2号(甘蔗渣)、3号(花生壳)动态柱，对最高去除率分别为56.35%,61.63%,46.49%，可调节pH分别为5.00～5.49,6.38～7.30,5.80～6.83，SRB生长环境中最低ORP分别为-100,-246,-234 mV，SRB以甘蔗渣为碳源时的生长代谢活性优于玉米芯和花生壳，甘蔗渣可实现较持久的碳源供应。
(2)试验1号(玉米芯)、2号(甘蔗渣)、3号(花生壳)动态柱对Fe3+的最终去除率分别为100%,99.81%,99.79%，对Cr6+的去除率分别为98.6%,96.8%,96.2%，对Fe3+,Cr6+的去除主要以生物质材料的化学吸附方式为主。1号,2号,3号动态柱对Mn2+去除率分别为91.74%,72.35%,71.54%，对Cr3+去除率为99.4%,100%,100%。Mn2+,Cr3+主要通过与硫酸盐还原菌的代谢终产物反应生成金属硫化物沉淀，以及少部分通过生物质材料的物理吸附被去除。
(3)经SEM和XRD对比分析动态试验反应前后的生物质材料，反应前生物质材料表面结构完整，反应后的生物质材料结构被破坏并附着纳米级团聚物。反应前生物质材料只含有C,H，O元素，反应后生物质材料含有Fe,Mn,Cr,S，C,H，O元素。
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Abstract:In terms of the serious pollution of multi-component Acid Mine Wastewater (AMD) and the high treat-ment cost,the treatment of AMD based on Sulfate-Reducing Bacteria (SRB) has many advantages such as low cost,applicability and environmental friendliness.A strain of SRB was purified and cultured for a long time from soil contaminated with coal gangue leaching water.Using cheap and easy-obtained corncob,bagasse and peanut shells as the carbon source for SRB growth,the dynamic columns 1,2 and 3 were constructed respectively and the simulation experiment of AMD was carried out.Each dynamic column was filled according to the optimal ratio of the orthogonal test.Column 1 filled with SRB biomass and 60 mesh corncob was loaded at a solid-liquid ratio of 106.8∶100 (mg∶mL) and 3.5∶100 (g∶mL).Column 2 filled with SRB biomass and 100 mesh bagasse was loaded at a solid-liquid ratio of 71.2∶100 (mg∶mL) and 4.5∶100 (g∶mL).Column 3 filled with SRB biomass and 100 mesh peanut shell was loaded at a solid-liquid ratio of 106.8∶100 (mg∶mL) and 4.5∶100 (g∶mL).The results showed that Column 2 with the 100 mesh bagasse as the carbon source performed better in repairing AMD.The average removal rates of 
and Cr3+ were 61.63%,99.81%,72.35%,96.8%,100%,respectively.The pH and ORP values of the system effluent were 6.38-7.30 and -246 mV,respectively.Therefore,as a carbon source,the growth and metabolism activity of the bagasse was better than those of corncob and peanut shell.Bagasse could supply carbon source for a longer time.The SEM and XRD analysis of the biomass material before and after the reaction showed that the element Fe was mainly removed by chemical adsorption of the biomass material,and the elements Mn and Cr were mainly removed by precipitation of metal sulfides formed by reaction with metabolites of sulfate-reducing bacteria.A small part of the metal element was removed by the physical adsorption of biomass material.The surface structure of the biomass material before the reaction was complete,but,it was destroyed and the nano-scale metal sulfide precipitate was attached on it after the reaction.
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