DNB和SRB治理地浸采铀矿山污染地下水的研究现状及展望

DNB和SRB治理地浸采铀矿山污染地下水的研究现状及展
望
张国奇;胡鄂明;丁德馨;阳奕汉;蒋小辉;徐屹群;王清良
【摘要】文章简述了地浸采铀工艺的特点,分析了地浸采铀矿山退役井场地下水的主要污染成分,强调了治理地浸采铀矿山退役井场污染地下水的必要性和紧迫性.在分别介绍DNB和SRB治理污染地下水中污染物的原理、影响因素等的基础上,综述了用DNB和SRB分别处理矿山废水的研究现状及进展.针对地浸采铀退役井场污染地下水成分特点,在国内首次提出了采用反硝化细菌(DNB)和硫酸盐还原菌(SRB)联合治理地浸采铀矿山退役井场污染地下水的可行性和必要性,并提出了相关建议和展望.
【期刊名称】《中国矿业》
【年(卷),期】2009(018)011
【总页数】4页(P56-59)
【关键词】地浸采铀;地下水处理;DNB;SRB
【作者】张国奇;胡鄂明;丁德馨;阳奕汉;蒋小辉;徐屹群;王清良
【作者单位】南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南,衡阳,421001;南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南,衡阳,421001;南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南,衡阳,421001;中国核工业集团公司天山铀业有限公司,新疆,伊宁,835000;中国核工业集团公司天山铀业有限公司,新疆,伊宁,835000;
中国核工业集团公司天山铀业有限公司,新疆,伊宁,835000;南华大学铀矿冶生物技
术国防重点学科实验室,湖南,衡阳,421001
【正文语种】中文
【中图分类】X523
原地浸出采铀是将按一定配方配制好的溶浸液，经注液钻孔注入到天然的含矿含水层中，在水力梯度作用下沿矿层渗流，通过对流和扩散作用，选择性地氧化和溶解铀，形成含铀溶液，经抽液钻孔提升至地表，再进行水冶处理得到所需的铀浓缩物产品。

地浸采铀技术具有投资少、不破环地表环境、建设周期短和工作安全性好、自动化程度高等诸多优势，已成为疏松砂岩型铀矿床开采的主流。

由于我国地浸采铀矿山多采用酸法浸出工艺，采区退役后，地下水中的SO42-、NO3-、U（VI）、H+和重金属离子等许多组分严重超标。

若不及时加以治理，这些污染物便会通过
渗透迁移作用威胁下游地下水资源，对工农业的生产和人类的饮水安全造成很大的影响［1］。

目前，我国部分酸法地浸采铀矿山已到生产后期，加上政府部门对环境污染问题的日益重视，为了确保地浸采铀事业能在我国得到可持续发展，研究经济有效的退役采区地下水治理方法已迫在眉睫。

目前，我国铀矿山废水处理方法，主要采用中和沉淀法、离子交换法和湿地法，其中普遍采用中和沉淀法处理废水。

但经作者的研究结果表明（见表1），废水经中和沉淀后，硝酸根浓度基本没有下降，且仍含有较多的硫酸根和一定量的重金属，产生大量的沉渣，极易造成二次污染。

国内外学者对硫酸盐还原菌SRB（Sulfate Reducing Bacteria）治理矿山废水进
行了大量研究，但鉴于硝酸根的存在对SRB还原硫酸根产生强烈的抑制作用［2］，故在用微生物方法治理地浸铀矿山退役采区地下水时，必须先用反硝化细菌DNB （Denitrifying bacteria）去除硝酸根，再用SRB去除剩余的硫酸根和重金属离
子。

目前，采用DNB和SRB联合治理地浸铀矿山退役采区污染地下水的研究尚
未见报道，因此，采用DNB和SRB联合治理地浸铀矿山退役采区污染地下水，
将具有非常好的研究和应用前景。

2.1 DNB去除硝酸根的机理
反硝化细菌是一类化能异养兼缺氧型微生物。

当处于缺氧环境时，DNB以硝酸盐、氮化物等作为末端电子受体，以有机物作为碳源及电子供体提供能量，将硝酸盐和氮化物逐渐还原为NO、N2O，最终变为N2［3］。

其反应过程可表示为：
2.2 影响DNB去除硝酸根的因素
2.2.1 有机碳源的影响
一般认为，当污水中的BOD5/T-N值＞3～5时，即可认为碳源是充足的，此时不需要补充碳源。

甲醇作为碳源时，反硝化速率高，分解后的产物为CO2和H2O，但处理费用较高。

污水处理系统中碳源的种类不同，可导致反硝化细菌的类群及反硝化活性不同。

2.2.2 p H值的影响
反硝化过程最适宜的p H范围为6.5～7.5，不适宜的p H值会影响反硝化细菌的
生长速率和反硝化酶的活性。

当p H值低于5.5或高于8.0时，反应受到强烈抑制。

式（1）所示反应过程表明，反硝化反应对NO3-的消耗，有助于p H值保持在所需范围内，并可补充在反硝化过程中消耗的一部分碱度。

2.2.3 温度的影响
DNB适宜生长温度在25℃～35℃之间，低于15℃时增殖速率和代谢速率降低，
导致反硝化速率降低。

实际操作中，反硝化温度一般控制在15℃～30℃。

2.2.4 溶解氧的影响
当同时存在分子态氧和硝酸盐时，反硝化细菌优先进行有氧呼吸。

微生物从有氧呼吸转变为无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸酶，而分子态氧的存在会抑制这类酶的合
成及活性。

为了保证反硝化过程的顺利进行，必须保持严格的缺氧状态，一般认为，系统中溶解氧保持在0.5mg·L-1以下时，反硝化过程才能正常进行［4］。

另外，一些其它因素，如污水中有毒有害物质、盐度等，都会影响反消化过程的进行，如随着污水中盐度的增加，反硝化细菌活性逐渐降低［5］。

3.1 SRB去除硫酸根的机理
利用SRB在厌氧条件下，通过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［6-12］。

主要通过以下三种方式改善废水质量：产生的硫化氢与溶解的金属离子反应，生成不可溶的金属硫化物从溶液中除去；硫酸盐还原一方面消耗水合氢离子，使得溶液p H值升高，金属离子以氢氧化物形式沉淀；另一方面，
硫酸盐还原反应降低了溶液中硫酸根浓度；硫酸盐还原反应以有机营养物氧化产生的重碳酸盐形式使得溶液成碱性，使水质得到改善。

3.2 影响SRB去除硫酸根的因素
3.2.1 p H值的影响
p H值是影响SRB活性的主要因素。

大量的研究表明，SRB生长的最佳p H值为中性偏碱，可容忍的范围为5.5～9.0。

有研究报道，SRB经过驯化适应后，可在
酸性条件下还原SO42-［12-14］。

3.2.2 温度的影响
SRB可分为中温菌和嗜热菌两类。

至今所分离得到的SRB菌属大多是中温性的。

研究结果表明，纯培养SRB最佳的生长温度为30℃左右［15］，但在含废水和各种菌种混合共生的复杂体系中，SRB的硫酸盐还原速率不仅取决于环境温度是否
为最佳温度，还要受竞争的影响，一般在35℃硫酸盐还原速率最大。

高温SRB的最佳生长温度为54～70℃，最高值为56～85℃［16］。

3.2.3 氧化还原电位的影响
SRB为严格的厌氧菌，只有氧化还原电位低于-100 m V才能生长。

但据文献报道，脱硫弧菌属中的很多菌，都具有超氧化物歧化酶、NADH氧化酶、H2O2酶，这
类酶为SRB胞内抗分子氧的保护酶［17］，说明SRB可以耐受微量的氧，已有报道证明了这一点［18］。

3.2.4 营养元素的影响
SRB的生长需要碳源、氮源、磷源，另外还需要一些微量元素（铁、钴、镍）。

3.2.5 抑制作用
还原产生的游离H2S浓度达到一定程度（16 mmol/L）时，就会明显抑制SRB的生长［19］。

SRB对光很敏感，在光照条件下，SRB会受到完全的抑制，故SRB
有机体必须在黑暗中培养［20］。

在反应初期低p H值时，HAc的抑制作用大于
H2S；在接近中性p H值时，SRB会受生成的H2S影响，而受HAc的影响很小。

类似结构的基团，如、、、等都会影响SRB的代谢，其机理可能是通过空间替代，阻碍活性酶的产生。

因此，对SRB有抑制作用的主要金属盐有Na2AsO4、K2Cr
O4、Na2MoO4等。

刘建等人［21］研究了溶液p H、、Cl-、、CH3OH投加量、反应时间和反应温
度等条件，对DNB脱除铀水冶废水中NO3-的影响；并用活性炭粒料生物滤床进行了脱除铀水冶工艺废水中的连续试验。

在进水硝酸根1.0～1.2g·L-1，控制在m 时，的脱除率＞99%，生物滤床的脱负荷可达12～16 kg/（m3·d）。

林桂炽等人［22］在乙酸为碳源的SBR（序批式生物反应器）系统中，在水力停留时间（HRT）为2.5 d时，在进水NO3-N为1200 mg·L-1，脱氮速率和去除率可达16.67 mg.L-1·h-1和94.7%，可实现高浓度硝酸根废水处理，出水硝态氮浓度小
于50 mg· L-1。

同时，作者指出，在使用不同碳源作为电子供体时，脱氮速率存
在较大差异，乙酸有最大脱氮速率，甲醇次之，葡萄糖最低。

俄罗斯科研人员采用SRB混合菌原地治理地浸矿山地下水，取得了较好的试验效
果［23］。

试验条件如下：钻孔深度-676m，被处理溶液体积的直径约2m，层
内温度40℃，含水层的渗透系数为10m·d-1。

试验方法是：在培养了相当数量的SRB后，将其注入钻孔，并使之到达过滤器所在部位。

净化过程完成后进行检查
分析，发现地下水的污染情况大大减轻。

澹爱丽用混合SRB菌群，利用动态还原
法模拟酸法地浸采铀地下水，最后测得的铀和硫酸根的去除率分别约为93.55%和75.5%［24］。

冯颖［25］用自行设计的生物反应器，在25℃下，利用
SRB+Fe0体系处理德兴铜矿实际酸性矿山废水，体系硫酸根浓度由进液的
20800mg·L-1降低到8200mg·L-1，还原率为61%，还原速度为131mg·L-1·h-1。

针对我国地浸采铀污染地下水的特点，结合生物治理技术，认为地浸采铀污染地下水治理过程中，首先需要解决以下问题。

第一，原地浸出采矿是新的化学采矿工艺，对于地浸采铀污染地下水的治理，国内目前尚无标准。

因此，根据原地浸出采铀污染地下水成分特点，需要尽快确定治理标准和适宜的治理对象。

地浸开采过程中，新采区不断投入，旧采区不断关停退役，这就使得可以将刚退役采区部分地下水抽至新采区，从而达到回收利用、降低酸耗及降低治理难度的目的。

因此，确定适宜的治理对象和治理标准至关重要。

第二，酸法地浸采铀矿山污染地下水治理，是一项复杂的技术难题，从技术经济角度考虑，必须采用多种工艺联合使用，与其它子系统结合起来。

先用化学方法中和，再进入微生物处理系统，这样就将化学方法的直接、快速性和微生物方法的廉价、长效性有机地结合起来，从而能达到更好的处理效果。

对于先用石灰中和法处理地浸采铀退役采区地下水，还要解决下注溶液时造成的部分地下堵塞，下注的压力不断增大，下注量减少等问题。

如何将处理后的废水和中和渣最大限度的再利用，是节约资源、变废为宝的一项重要途径，也是今后研究与探索的方向。

第三，寻找最优的碳源，高效、经济地促进、还原，避免投加过量的营养物质而导
致出水COD或其它成分增加，是利用微生物治理地浸矿山废水的关键问题之一。

选择碳源时，应本着取材方便，来源充足，成本低廉，以废治废的原则，如采用矿区生活垃圾的消化液、污水厂的剩余污泥、酸性发酵产物等。

SRB和DNB只能以有机酸、醇及H2为电子供体，实际上是利用上述物质的酸性发酵产物，因此也可以直接投加这类物质。

如万由令等［26］将农业废弃物玉米芯直接投加在反应器中，先前也有许多研究者直接利用糖蜜、乳清等作为碳源；也有将这类物质先进行发酵，然后再利用酸性发酵产物提供微生物生长的基质，如李亚新等［27］利用生活垃圾的酸性发酵产物进行生物还原。

许多研究者对厌氧滤池、厌氧流化床生物反应器及其它生物反应器进行了试验研究［28］。

笔者建议，选择不易堵塞、有回流的反应器，既可减少金属硫化物沉淀的堵塞，又能冲刷掉附着在SRB污泥上的金属硫化物沉淀，由于出水p H值会升高，回流还能够提高进水的p H值，减小对微生物活性的影响。

微生物处理废水工艺，是目前国内外处理酸性矿山废水的最新方法，具有处理费用低、无二次污染等诸多优点，越来越受到人们青睐。

笔者采用铀水冶厂的吸附尾液模拟地浸矿山地下水，试验结果已证明，SRB和DNB可以适应地浸铀矿山退役采区地下水的环境。

采用DNB和SRB联合治理地浸铀矿山退役采区污染地下水，将具有非常好的研究和应用前景。

DNB和SRB都是异氧厌氧菌，生长条件又极为相似，这为日后的工业应用会带来诸多方便。

最后，建议加强SRB和DNB的基础性研究，开发出更加高效及耐低温的菌种，尤其要探明SRB、DNB与系统中其它微生物之间的相互关系，从而为以后的工业应用打下良好基础。

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