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稀土采矿尾水硫酸盐污染的微生物处理技术及其影响

2024-12-28 73 上传者：管理员

摘要：本文对稀土采矿行业含硫酸盐污水处理领域的研究进展进行梳理与分析。对比目前常用的化学沉淀、离子交换、膜分离和生物技术等处理方法，发现利用硫酸盐还原菌微生物修复技术具有经济高效、环境友好、绿色安全等优势，为此进一步归纳生物法技术在提高污水处理效率、降低处理成本和减少环境危害等方面的关键因素，最后展望稀土含硫酸盐污水处理技术的发展方向、工艺优化和资源化利用等可能性。

关键词：
微生物处理法
硫酸盐污染
硫酸盐还原菌
稀土
稀土采矿污水
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稀土是元素周期表IIIB族15种镧系元素与钪、钇的总称[1]，由于其有独特的理化性质被广泛应用于信息通信、航空航天、国防军事等高科技领域[2]。稀土开采经历了从桶浸、池浸到堆浸的发展历程，但这些方法大多数都存在对植被造成破坏的问题，因此逐渐被工业淘汰[3]。目前，稀土开采广泛采用的浸矿方式为原位浸矿工艺。这种方法主要是将浸出剂通过注入孔直接注入矿体，浸矿剂在重力和压力作用下渗入矿体内部，浸出剂的阳离子与吸附在黏土矿物上的稀土发生交换，从而将稀土离子置换出来[4]。原位浸矿开采稀土离子常用的浸矿剂有硫酸铵、硫酸镁、硫酸铝和钙镁铵等化学药品，这些富含硫酸根的浸矿剂在稀土矿石原位浸出完成后，大量硫酸根残存于尾水中难以被回收处理。同时，闭矿后矿山内部残留的大量硫酸根会随降雨缓慢释放至周围环境[3]，对土壤微生物群落多样性造成破坏[5]。为此，本文归纳总结当前硫酸盐污水处理的稀土采矿尾水硫酸盐污染的微生物处理技术及其影响19新技术及其原理、调控机制和投入成本，探讨这些技术的优势和应用前景，期望能推动经济高效、绿色安全的酸性矿山废水处理方法的发展，为我国稀土资源绿色开采提供参考。

1、硫酸盐污水处理方法

近年来，研究者们已开发出多种处理硫酸盐污水的方法，包括物理法、化学法和微生物法，以缓解硫酸盐对环境的影响[6]。López J等利用螺旋缠绕（SW）配置的两种纳滤膜，对酸性矿山废水物理过滤，硫酸盐截留率达90%，但该法存在耗材较多、规格要求严格、成本高昂，浓缩液需进一步处理等缺陷，难以实现矿山污水的规模化处理[7]；Evgenia I通过用铁砂作为吸附材料，利用化学吸附法，约去除80%的硫酸盐[8]，但处理过程吸附剂用量大，会产生大量沉淀、维护过程复杂；Arulmani S等用Citrobacter freundiiSR10的SRB菌株去除硫酸盐，去除率达到98.4%，体现微生物法处理的高效性[9]。这些硫酸盐处理方法各有利弊，规模化应用于稀土矿山硫酸盐污水处理仍需探索。

表1不同方法处理硫酸盐污水的对比处理技术

优势劣势适用性参考文献化学中和法成本相对较低生成沉淀需处理适用于酸性废水[10]膜分离法高效分离设备投资和维护成本高适用于浓度较低废水[11]氧化还原法可将硫化物转化为不溶物氧化过程需要耗能适用于特定污染物[12]生物处理法环保经济，无需大量化学药剂需要维护生物体系适用于各种浓度硫酸盐[13]表1综合比较了当前硫酸盐处理的主要方法。化学中和法需要消耗大量中和剂，化学沉淀能有效去除重金属离子，但产生的沉淀物需后续处理；膜分离法投资运行成本高，浓缩液需后续处理；氧化还原法的氧化过程需要耗费能量资源，需增加额外的经济投入，且使用范围狭窄；微生物法处理硫酸盐污水是一种环保、经济可持续的方法，硫酸盐还原菌的培养和维护也相对简单，相较于其他处理工艺所需的化学药品，成本较低。Caroline R等从废弃煤矿废水（MIW）中分离得到SRB联合体，利用MIW、甲壳素和虾壳粉（SS）来刺激硫酸盐还原菌（SRB），使SRB良好生长，其对硫酸盐的去除率达到85%。近年来，SRB法处理硫酸盐污水在众多修复方法中脱颖而出，成为国内外学者研究的热点。

2、硫酸盐还原菌对硫酸盐还原处理

的代谢途径硫酸盐还原途径如图1所示，硫酸盐还原菌对硫酸盐的还原途径主要分硫酸盐同化还原和硫酸盐异化还原。硫酸盐还原途径中，少量硫酸盐通过同化作用还原为含硫生物质组分，大部分硫酸盐是通过异化作用还原为亚硫酸盐、金属硫化物、硫化氢等硫化物[14]。硫酸盐异化还原是指硫酸盐在进入SRB后，硫酸盐被硫酸盐腺苷基转移酶（Sat）激活形成APS，同时消耗两个ATP；APS还原酶使用两个电子将APS还原为HSO3-和SO32-；最后亚硫酸盐还原酶使用6个电子将SO32-还原为硫化物。

图1硫酸盐还原的主要代谢途径

3、影响

SRB处理硫酸盐污水效率的主要因素SRB处理硫酸盐废水过程中受到pH、温度和C/S（碳源与硫酸盐的比例）比例等众多因素影响。

3.1 pH对SRB处理硫酸盐污水的影响

SRB通常厌氧生长，酸性条件下，SRB的代谢产物（硫化氢有机酸等）具有潜在毒性，因为低pH环境对SRB溶解金属来说浓度较高，对细菌具有潜在毒性（使酶失活和蛋白质变性）[16]。Fan W等探究pH对SRB活性和硫酸盐还原效率的影响，结果表明随着pH升高，SRB活性和硫酸盐还原效率均呈现先升高后下降的趋势，当pH值调整为7时，SRB活性和硫酸盐还原效率较高[17]。王清良等在地浸采铀矿山污染地下水的治理研究中发现，当溶液中pH为6～820稀土采矿尾水硫酸盐污染的微生物处理技术及其影响时，SRB对硫酸盐还原效率较好，当pH为8时，硫酸盐还原效率达到80.17%[18]。当环境pH值超过9时会抑制SRB的代谢活动和生长，高pH值可能导致SRB细胞膜的损伤、酶的活性下降、营养物质的吸收效率降低等原因，从而影响其还原硫酸盐的能力。

3.2温度对SRB处理硫酸盐污水影响

温度在细菌相互作用中起着至关重要的作用，SRB活性和硫酸盐还原效率都随着温度的升高而迅速升高，因为温度升高增强了SRB的活性，从而促进SRB硫酸盐还原，然后逐渐趋于稳定[19][20]。Fan W等人利用SRB处理土壤盐渍化的硫酸盐，SRB和硫酸盐还原效率获得高活性的适宜温度为30℃，硫酸盐还原效率达到63%，此温度为SRB的生长提供了良好的环境[17]。王清良等研究SRB进行厌氧培养时，培养基的酸碱度趋于中性，温度在35℃的条件下对SRB进行培养具有较好的SRB生长环境[18]。

3.3不同碳源对SRB处理硫酸盐污水的影响

硫酸盐还原菌是一类利用硫酸盐作为电子受体进行还原代谢的微生物，这些微生物在代谢过程中通常需要有机物作为碳源，而不同的碳源可能会对它们的还原效率产生影响。Chaorui Z等主要把乙醇、甲酸酯和丙酸三种不同组成的分子作为研究对象，研究结果表明，当以乙醇和丙酸盐为碳源时，碳源含量在理论值的3倍，硫酸盐还原效率达到85%以上，而使用甲酸盐时，碳源用量只需为理论值的2倍，硫酸盐还原效率达到85.7%[21]，这是因为当乙醇和丙酸被用作碳源时，它们部分转化为乙酸，而乙酸没有被SRB充分利用作为电子供体，而甲酸则被充分利用。Jingjing P等研究了不同碳源对硫酸盐还原的影响，与常规对照实验相比，以乙醇为最佳碳源的硫酸盐还原速率达到170 mg·L-1d-1[23]。

3.4碳硫比对SRB处理硫酸盐污水的影响

许多相关研究表明，碳硫比（CSR）会影响SRB的代谢活性[19][20]。不同CSR的实验结果表明，高CSR时SRB活性和硫酸盐还原效率最佳，这是由于硫酸盐的减少和碳含量的增加激发了SRB的活性[17]。李亚等通过投加乙酸钠来调节废水中的碳硫比，当碳硫比为5时，对废水中硫酸盐的去除率为41%[24]。Boshoff G等在上流式厌氧反应器中，研究了以微藻的生物量为唯一碳源，通过改变培养基的有机碳含量来评估碳硫比对基质消耗和硫酸盐去除效率的影响，在进水碳硫比为8.1的反应器进水介质中，硫酸盐的去除率最高为90.3%[25]。

4、总结

与展望稀土含硫酸盐废水因其高毒性和难降解性而备受关注，对其的处理是一项关键的环境挑战。稀土废水传统的处理方法包括化学沉淀、离子交换、膜分离等，但存在着效率低、成本高、产生二次污染等问题。近年来，一些新型技术如吸附、氧化还原、生物处理方法等逐渐受到关注，并取得了一定的进展。由于废水中的稀土元素和硫酸盐含量高，处理过程中需要考虑高效去除以及资源化利用的问题。针对稀土含硫酸盐废水特性，预计将有更多的新型吸附剂、催化剂和膜材料被开发出来，以提高废水处理效率和资源化回收率。未来也会进一步发展绿色环保技术，如生物处理、光催化、电化学等，以实现废水处理的零排放、低能耗、低成本化，从而符合可持续发展的要求。

参考文献:

[5]王苗苗. 浸矿剂硫酸镁胁迫对土壤性质和微生物群落的影响研究[D]. City, 2023.

[10]李志伟, 付振海, 刘国建, et al. 蒸氨废液和钡法两级去除盐湖老卤中的硫酸根水处理技术[J].2021, 47(10): 58-61.

[18]王清良, 丁德馨, 张国奇, et al. SRB 治理地浸采铀矿山污染地下水条件试验研究%J 现代矿业[J]. 2010, 26(04): 71-73.

基金资助:福建省科技重大专项(2023YZ037002);

文章来源:曹杨慧,赖小彬,王明兹.稀土采矿尾水硫酸盐污染的微生物处理技术及其影响[J].福建冶金,2025,54(01):18-21.