硫酸盐还原菌厌氧生物处理废水的研究进展
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硫酸盐还原菌厌氧生物处理废水的研究进展*
方艳 闵小波 柴立元
（中南大学冶金科学与工程学院环境工程系长沙 410083）
摘要：本文介绍了硫酸盐还原菌（SRB）的分布及检测方法，SRB处理废水的机理，以及利用SRB处理酸性矿山废水、有机废水、城市生活污水、酸性地浸矿山地下水和重金属废水的研究进展和现状。
关键词：硫酸盐还原菌；厌氧；生物；废水处理
中图分类号:X703 文献标识码:A
社会不断进步和人们生活水平的提高，使得各种废（污）水的产生量随之增多，由此带来的环境问题受到人们的极大关注。废（污）水的污染已经成为一个全球性问题。废水治理的方法很多，如物理法、化学法、生物法等[1-3]。其中生物法由于成本低、效果好而受到广泛关注，成为新的研究方向，硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria ，SRB)处理废水作为一项新的实用技术极具应用和研究潜力。近年来，人们对硫酸盐还原菌的研究越来越深入，有利用固定化技术包埋硫酸盐还原菌（SRB）的研究，该技术具有降低出水有机物、避免二次污染和高效处理废水的优点，是一项颇有发展前景的新技术[4-5]。
国内外学者对硫酸盐还原菌研究做了大量的工作，包括SRB的生态特性、毒理学研究及其污染与防治方法、分离及筛选、处理工艺及反应器等[6-10]。从使用单一SRB菌种发展到使用SRB复合功能菌群及SRB污泥体系，从分批沉淀发展到厌氧污泥床、流化床工艺[11-13]，建立了硫酸盐还原过程中SRB的限制性生态因子的神经网络模型，定量描述反应器状态空间中多生态因子对硫酸盐去除过程的控制与影响[14]。
本文针对近年来硫酸盐还原菌的发展状况进行了综述，介绍了SRB的分布与检测方法，SRB处理废水的机理与特点，以及在各种废水中的研究现状与发展前景，提出SRB污泥固定化是一项颇有发展潜力的新技术。
1SRB的分布及检测方法
1.1 SRB的分布
硫酸盐还原菌(SRB)是一类利用硫酸盐或者其它氧化态硫化物作为电子受体来异化有机物质的严格厌氧菌，在淡水及其他含盐量较低的环境中，易分离到革兰氏阳性、产芽孢菌株。它分布广泛，SRB可存在于土壤、水稻田、海水、盐水、自来水、温泉水、地热地区，油井和天然气井，含硫沉积物，河底污泥、污水、绵羊瘤胃、动物肠道等[8]。一般来说，氧抑制SRB生长，与普通的土壤或水体中的微生物如假单胞菌相比，SRB生长速率相当缓慢，但它们有极强的生存能力。
1.2 SRB 的检测方法
人们对硫酸盐还原菌的检测方法做了研究，开发了多种检测技术，从原理上讲主要有[15]（1）培养法；（2）显微镜直接计数法；（3）细菌构成物的定量法；（4）代谢产物定量法；（5）硫离子选择电极法[20]等等。
*第一作者：方艳（1982-），湖南衡阳人，中南大学冶金院环境工程研究所在读硕士，联系电话：133********，0731-*******，E-mail: fangyankiki@https://www.wendangku.net/doc/4810814370.html,
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1.2.1 培养法
此法检测SRB，是根据APIRP－38美国石油学会崔建的地下注入水分析方法中的绝迹稀释法进行的[15]，结合现场的具体条件，在培养时间、培养温度等发面做了补充和修改。培养法试验周期长，需半个月才得结果，所以其缺陷还很多。
1.2.2 显微镜直接计数法
一般显微镜能直接数出细菌的总量，但不能得出SRB的总量。但有报道说[16]，用异硫氰酸盐荧光素（FTTC）和间接荧光抗体技术（IFA）可定量检测出细菌总数和SRB的含量。显微镜计数最大的特点是快速，但需特定的染料及受培训的操作人员，且该技术不能分辨细菌的死活，一些死细菌体也被计入，故显微镜计数往往偏高。
1.2.3 通过细菌构成物的定量分析
SRB快速检测系统：该系统是由美国修斯顿的Conocon公司开发生产的[17]，它通过专性抗体测定硫酸盐还原菌中的APS（腺苷－5－磷硫酸酐）还原酶来确定水样的含菌量。此法采用了先进的样品处理方法，排除了矿化度、有机残渣的干扰及某些SRB菌种培养困难等不利因素，使用此方法检测只需20min。故此方法是我们在实验中检测的很好方法。
1.2.4通过代谢产物定量测定
目前，国内外提出了以SRB新陈代谢活性大小来评价SRB危害程度的方法。放射性呼吸检测仪[18]就是根据SRB产生硫化物的量来检测其危害性的。国内对代谢产物的检测也有一定的探索，华中理工大学用三碘化亚甲基法测定SRB的方法进行了研究[19]，取得了阶段性的进展。
1.2.5硫离子选择电极法
硫离子选择电极对硫酸盐还原菌产生的硫离子可直接测定[20]，它比经典的硫化亚铁法检测硫酸盐还原菌的菌量有如下优点：方法快速，对一定量的菌量而言（５×１０５个／ｍｌ菌），无H2S溢出，易于实现在线分析。此方法能更好描述细菌生长过程的四个阶段，因而是一种方便、快速的检测硫酸盐还原菌量的好方法。
2 SRB处理废水的机理
2.1 SRB的代谢机理
SRB处理法的原理是利用SRB在厌氧条件下，通过称之为异化的硫酸盐还原作用，将硫酸盐还原为H2S，H2S与废水中的重金属离子反应生成溶解度很低的金属硫化物沉淀而去除重金属离子[21]。
关于SRB的合成代谢甚少，但对其分解代谢已有人作了不少研究[22]，可以简单地将SRB 的代谢过程分为3个阶段：分解代谢、电子传递、氧化，如图1所示。
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从图1这一过程可以看出，有机物不仅是SRB的碳源，也是其能源，SRB利用SO42-作为最终电子受体，将有机物作为细胞合成的碳源和电子供体，同时将SO42-还原为硫化物[23]。SRB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。钱泽澎等人[24]认为，SRB利用丙酸盐、丁酸盐、乳酸盐、乙酸盐的硫酸盐还原强度依次降低。
2.2影响SRB还原硫酸盐的因子及特点
影响SRB还原硫酸盐的因子主要有：不同的有机碳源细菌，pH值，污泥量，硫酸根离子的溶度，COD/sulfate，活性碳量，重金属，H2S浓度，温度和磷酸盐浓度等等。SRB处理法的特点是：处理费用低；处理效果好；处理废水和重金属种类多，出水的COD低和对重金属的毒害作用小等优点，因而具有长远的研究价值。
3 SRB处理废水的研究
3.1处理酸性矿山废水
目前，国内外主要采取的处理方法有中和法和湿地法。由于中和法和湿地法存在着明显的缺欠，国外有些学者已经把研究方向转向了微生物法[25]。利用SRB处理酸性矿山废水费用低，适用性强，无二次污染，因此受到环境工作者的广泛关注，成为酸性矿山废水处理技术研究的前沿课题。
SRB还原硫酸盐的过程中需要供应碳源有机物，国外许多研究者曾利用乙酸、丙酸、丁酸和一些长链肪酸以及初沉池污泥、剩余活性污泥、糖蜜、经过气提的奶酪乳清和橡胶废水等作为碳源进行过研究[26-27]。Sergey1997年进行了矿山酸性废水中SO42-生物还原的研究
[28]，结果表明，当SO
42-负荷率为6g/L?d，HRT为5.0～0.85d，进水SO
4
2-浓度为0.84～5.0g/L
时，SO42-还原率达到80%。1989年Maree 和Hill[29]在对酸性矿山废水进行的研究中，于初级厌氧阶段采用完全混合厌氧反应器和沉淀池，反应后COD值由进水的2800mg/l降解为1500mg/l，SO42-的值由1600mg/l降解为200mg/l，同时生成了700mg/l可溶性硫化物、700mg/l 单质硫和少量的金属硫化物。1990年Preez等[30]发生煤气（H2、CO、CO2、和N2）作为碳源，以35mg/min的速率注入厌氧填充床反应器内处理酸性矿山废水。厌氧处理后，pH值由6.1升为8.0，SO42-浓度由3700mg/l还原为100mg/l。
3.2 处理有机废水
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[31]。试验结果表明，COD/ SO42-、SO42-负荷是影响SO42-还原效果的主要因素。葛长海等利用光合细菌(PSB)单独处理经硫酸盐还原菌(SRB)处理过后的有机废水[32]，与PSB和SRB配合混合处理有机废水的效果作了对比，结果表明与SRB分别单独处理优于两菌混合处理有机废水。
3.3 处理城市生活废水
随着城市污水排放量增大，用SRB净化城市污水也引起了人们的关注。有人曾采用SRB 对哈尔滨城市生活废水进行了处理试验，结果各项指标均达到了排放标准。同时也表明，SRB不仅可使固体悬浮物凝集沉淀，而且可以降低BOD，这是其它类型絮凝剂无法比拟的。
3.4 处理酸性地浸矿山地下水
俄罗斯采用原地微生物净化技术代替化学或物理方法，使用天然SRB菌，取得了良好的试验效果[33]。我国地浸采矿技术于20世纪80年代取得成功，对地浸地下水污染的治理虽然进行了多年的研究，但许多方法都因费用太高而被搁置，至今尚未找到经济适用的治理方法。随着地浸开采的不断进行，地浸矿山酸性地下水污染已经越来越严重，污染元素主要为重金属离子、放射性元素和硫酸根离子等。SRB取代化学、物理方法处理酸性地浸矿山地下水将成为新的研究课题，也使人们看到了希望。
3.5处理含重金属离子工业废水
为了降低处理成本、提高处理效率，近年来人们对利用微生物处理重金属废水进行了大量研究，并取得了较大进展。1995年华尧熙等人研究了以厌氧污泥床培养SRB处理含锌废水的工艺[34]，反应器对锌的去除率高于99%，其单位容积对重金属的去除率最高可达1300mg/L?d。冯易君等采用SRB处理某厂的镀铬废水[35]，效果良好。1997年田小光[36]等研究了化学还原法和SRB吸附相结合的工艺处理电镀厂的含铬(Ⅵ)废水，Cr(Ⅵ)去除率可达99.67%～99.97%。江苏大学缪应祺教授进行SRB处理钛白粉生产废水的试验研究[37]。试验结果表明，对钛白粉生产废水，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。1994～1998年间，由美国环保总署(EPA)提供资金，利用SRB对利利-奥芬博伊矿的酸性矿山废水进行处理和控制，半工业试验[38]
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结果表明金属去除率为：Zn99%,A199%,Mn96%,Cd98%和Cu96%。1993年日本金属矿业集团用全混合反应器处理重金属矿山酸性废水[39]。该工艺的工作原理是：SRB在厌氧条件下产生的H2S和废水中的重金属离子反应生成不溶性硫化物沉淀于反应器中。马晓航等人[40]研究了用硫酸盐还原菌处理含锌废水的厌氧污泥床工艺及影响运行的主要因素。结果表明，该工艺可在进水COD和锌浓度分别为320 mg/L与100 mg/L时有效运行，Zn2+的去除率达到99.63%。
4 SRB处理废水新的研究趋势
目前，把SRB用固定化的方法来处理废水的研究甚少，但有这样的发展趋势。固定化方法主要有：载体结合固定化、交联(键联)固定化、(多聚体)包埋固定化等几种方法[41]。这种技术具有效率高、稳定性强、能纯化和保持菌种高效的优点，克服了生物细胞太小、与水溶液分离较难、易造成二次污染的缺点，有利于提高反应器内的微生物浓度，利于反应后的固液分离，缩短处理所需的时间。
闵航等[42]用以PVA为主要包埋材料的混合载体固定厌氧活性污泥处理有机废水。王磊等[43]以PVA为包埋载体，添加适量粉末活性炭包埋固定硝化污泥，处理用硫酸铵和葡萄糖配成的废水，铵氮去除率可达95.5%。罗志腾等[44]人研究了固定化活性污泥的性质，并用于厌氧膨胀床中处理高浓度有机废水，研究发现，固定化细胞颗粒操作稳定性较好，pH在6.0～8.0时，COD去除率均在75%以上。赵兴利等[45]采用聚乙烯醇(PVA) 硼酸包埋固定化法，包埋固定A/O生物脱氮系统中的再经驯化过的硝化污泥，制成固定化硝化菌颗粒来处理废水。Wong P.K. [46]研究了用固定化细胞除Cu(II)的技术，将Pseudomonas putida-11细胞包埋在丙烯酰铵中，Cu(II)的去除率在pH为8.0时达到最大。
5 前景展望
随着冶金、化工等产业的日益发展，人们生活水平的不断提高，废水的排放必将影响到人类生存环境的改善，所以解决废水的污染问题已迫在眉睫。然而传统的处理方法都存在一定的问题。微生物法作为一种最有前途的处理方法，具有高效、无二次污染，处理费用低等优点。其中，硫酸盐还原菌处理废水的理论在国内外处于热点研究探索中，又由于硫酸盐还原菌容易培养，等一系列优点，使其在工程上的应用成为可能。此外，若对硫酸盐还原菌进行工艺上的改进，如进行固定化技术，可以重复利用，降低成本，处理废水更具优势等都可能为它的应用创造更为广阔的前景。
SRB处理废水是很有应用前景的处理方法，但在实际应用中还有大量的研究工作需要完成。如SRB的生长规律有待探明，SRB与生态系中的其它微生物(如产甲烷菌、产氢产乙酸菌)之间的相互关系也有待进一步的研究。
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Fang Y an Min Xiaobo Chai Liyuan
Environmental Engineer Department School of Metallurgical Science and Engineering
Central South University, Changsha, P.R.China 410083
Abstract: The distribution and monitor of the sulfate reducing bacteria(SRB) are introduced in this paper, which the mechanisms of wastewater treatment by SRB are indicated. Especially, from this point of review, the progress of research and the present conditions are made on SRB in use for the treatment of wastewaters from acid mine drainage, organic compound, municipal wastewaters，acid penetrate mine ground water, heavy metals containing wastewaters.
https://www.wendangku.net/doc/4810814370.html, Keywords: sulfate reducing bacteria；anaerobic；biological；wastewater treatment