以氢气为电子供体的硫酸盐还原菌处理酸性矿山

矿产资源开发过程中产生的酸性矿山废水（acid mine drainage，AMD），具有低 pH、高重金属和硫酸 盐等特点，因其位于河流上游，会导致下游水环境污染、饮用水安全保障、土壤质量下降等问题。传 统采用石灰中和处理 AMD 存在中和废渣产生量大、重金属含量高、堆存处置成本高等缺点。

氢气为清洁能源其可作为 SRB 的电子供体，且以气体为电子供体的 SRB 运用于 AMD 处理的研究较 少。Foucher 等[以 H2/CO2 为电子供体的 SRB 治理 AMD，其侧重于气体传质和 pH 调控对重金属的选择 性沉淀的研究，对处理出水重金属、TOC 效果等还没有彻底研究。由于 CO2进入水体易导致水体酸化，且 其在 SRB 还原系统中易被代谢转化为大量的乙酸等有机物，本文仅采用 H2为 SRB 唯一电子供体处理 AMD， 对生化反应进程中 pH 和 ORP、目标代谢产物 H2S 和 S 2-、出水重金属和 TOC 进行研究，以求为 AMD 的 高效绿色处理提供一种可行途径。

材料与方法
 菌种来源及培养
将 SRB 菌种置于厌氧、温度适宜（为 35 ℃）的环境下进行培养。培养液的组成（g·L-1）为 4.97 Na2SO4， 0.53 Na2HPO4·2H2O，0.41 KH2PO4，0.3 NH4Cl，0.37 KCl，0.1 MgCl2·6H2O，0.09 CaCl2，2 NaHCO3，酸、 碱微量元素各 1 ml/L[20]。酸性矿山废水为 21 mg/L Cu2+，190 mg/L Fe2+，35 mg/ L Zn2+，29 mg/ L Mn2+，pH 为 2.90，4865、2650、1432mg/L SO4 2-。

实验装置及操作
实验装置，主要由气提 SRB 反应器、反应沉淀池 1、2 组成。反应器均由有机玻璃制成， 其中气提 SRB 反应器底部设有气体吹脱装置及磁力搅拌。N2、H2装置以 0.005 L/min 的气体流速引入反应 器。SRB 在代谢过程中会产生 H2S 和 S 2-，采用 N2、H2 将 SRB 反应器中产生的 H2S 吹脱至反应沉淀池 1 进行反应得到纯度较高的金属硫化物；将气提 SRB 反应器中（∑S 2-量及碱度较高）生化出水输送至反应沉 淀池 2 进行酸碱中和、金属沉淀反应；将反应沉淀池 2 中的上清液与培养基（体积比为 1:1）混合，该混合 液（为还原氛围）作为物料引入气提 SRB 反应器。

SO3 2-、S2O3 2-、SO4 2-的样品预处理在 4000 r/min 离心 10 min，经 0.22 μm 滤膜过滤后，使用离子色谱 （北京东西分析，IC-2800）分析搭配色谱柱（美国 Dionex，IonPac™AS23 4×250 mm）进行测定，淋洗液 配比为 4.5 mmol/L Na2CO3和 0.8 mmol/L NaHCO3，抑制电流 30 mA，淋洗液泵流速为 1.0 mL/min。

结果与讨论
反应器内 pH 变化如图 2 所示，4865、2650、1432 mg/L SO4 2-的反应器内 pH 值均呈上升趋势，24h 内 pH 均可快速上升至 8.75~8.80。SRB 以 H2 为电子供体将硫酸盐还原为硫化物和 OH-，其反应过程为： 8H2+2SO4 2-→H2S+HS-+5H2O+3OH-[21]，反应过程中所产生的大量 OH-，导致反应体系 pH 值不断上升。反 应中产生的 H2S 经 N2 吹脱，使原有的 H2S-HS- -S 2-的稳态平衡遭到破坏，体系中大量 H+与 HS-和 S 2-相结 合，导致 pH 迅速上升。随着反应的进行，∑S 2-的积累会抑制 SRB 的生长代谢，导致后期 pH 上升趋势减 缓。当 SO4 2-浓度≤2650 mg/L 时，随着 SO4 2-浓度的增加，出水 pH 不断上升；当 SO4 2-浓度＞2650 mg/L 时， 出水 pH 较 2650 mg/L SO4 2-低。这是因为当 SO4 2-浓度≤2650 mg/L 时，SRB 还原了更多的 SO4 2-，从而使 pH 逐渐升高；SO4 2-浓度较高时，∑S 2-的增加会抑制 SRB 的生理代谢速率[22]，导致出水 pH 较 2650 mg/L SO4 2-低。

体系中 ORP 集中于-330~-420 mV 之间，在该范围内 SRB 生长代谢持续进行；当 ORP<- 350 mV 时，与 pH、SO4 2-浓度相比，ORP 不再是影响硫酸盐还原速率的主要因素[23]；在 SRB 以 H2 为电子 供体进行 SO4 2-的生化代谢中，系统中的 ORP 受体系中 SO4 2-、还原性物质（H2S-HS- -S 2-）等涉硫组分组成 比例的控制。随着代谢底物 SO4 2-被 SRB 的不断生化代谢所消耗，以及代谢最终产物还原性物质（H2S-HS- -S 2-）的不断生成，反应体系中 ORP 呈不断下降的趋势。