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文章编号1000-5269（2017）03-0121-06DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2017.03.25
摘要：
设计生活污水与酸性矿山废水混合处理实验，重点考察混合水体水质变化特征及混合体系中污染物的分布，以研究生活污水与酸性矿山废水混合后，其对硫酸盐还原菌生长的影响，并对污染物的去除效果及机理进行分析。结果表明，化粪池水与酸性矿山废水混合后能去除水体中50%以上的Fe、Zn、Cu、Cd和Ni，提供充足的有机碳源等，这些可以为硫酸盐还原菌提供更适宜的生长环境。由于污染物间的吸附作用，仍有部分污染物不能沉降，以悬浮物形态存在于水体中。
关键词：
生活污水；酸性矿山废水；混合；硫酸盐还原菌；去除效果
中图分类号：X703.1
文献标识码： A
在采矿过程中，矿物中的硫在氧化环境中被氧化溶解于水中，形成酸性矿山废水（AMD， acid mine drainage），AMD主要特征是pH低，有机成分少，含大量SO2-4、Fe、Mn及其它有毒金属元素[1]，会污染水体并破坏生态环境[2-3]。
AMD处理技术在过去20年间得到快速发展，目前，国内外对矿山酸性废水处理方法主要有物化法及生物法等。利用硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）的生物处理技术因其具有处理金属种类多、潜力大、费用低的特点[4]，成为近年来研究关注的焦点。碳源是SRB生长的限制因子，也是SRB处理矿山酸性废水的重要经济因素之一。为降低处理成本，以生活污水作SRB的碳源对AMD处理的方法得以提出[5-8]。但是，只以城市生活污水作为碳源，SRB代谢活性不够，需额外补充碳源[8-9]，同时，在本实验前期研究阶段还发现，生活污水与AMD混合后未进行生物培养之前，对混合水体中水质参数（如pH、Eh等）和污染物（如COD、重金属等）的影响较大，这些因素是SRB生长的重要影响因子[10]，而现有研究则主要关注于生活污水对硫酸盐还原菌生长的影响，对混合后水体水质变化的研究未见报道，因此，本文利用传统城镇污水处理厂污水、高有机碳源的化粪池废水与AMD进行不同比例下的混合处理实验，对混合水體水质参数与污染物含量进行测定，并对混合后体系中各组分污染物含量分布进行分析，以研究生活污水与AMD混合后，对生物反应阶段SRB生长限制因子的影响，并对混合后污染物的去除效果及去除机理进行分析。
1实验材料与方法
1.1实验用水
AMD：结合文献资料与AMD水质特征，配置适宜浓度的模拟AMD，其中的金属均以其二价硫酸盐化合物配制，加硫酸以补充SO2-4，再调节pH为3左右。
生活污水：采集学校周边居民化粪池废水（以下简称化粪池水）与小河污水处理厂沉砂池出水（以下简称沉砂池水）。
AMD与生活污水水质特征见表1。
1.2实验方法
将生活污水以纱布过滤，去除较大块状颗粒物后备用。准备6个1000 mL广口瓶，编号1-6，
在1、2、3号广口瓶中分别加入化粪池水与AMD，在4、5、6号广口瓶中分别加入沉砂池水与AMD，控制二个体系下均有体积比为1∶1、2∶1、3∶1的混合溶液。
充分搅拌，静置2小时后取上部悬浊液待测，将上部悬浊液中用0.45微米滤膜过滤，分离出悬浮物，滤液取样测定，
沉积物干燥后备用，分别对滤液，上部悬浊液与沉积物中的污染物进行测定。
1.3测试项目与方法
pH、EC 、Eh采用WTW水质参数仪，
SO2-4采用铬酸钡分光光度法，
TP采用钼酸盐分光光度法，
碱度采用滴定法，
COD采用重铬酸钾法，
金属离子采用原子吸收分光光度法进行测定。
2实验结果与分析
2.1实验结果
通过对原水与上部悬浊液的测定，其水质特征如表1所示。
通过对滤液，上部悬浊液与沉积物中污染物的测定，得出各组分中污染物浓度如表2所示。
2.2混合沉淀污染物去除效果分析
由于进入生物反应阶段的是上部含悬浮物的悬浊液，因此以沉积物中污染物所占百分比来表示污染物的去除效率。沉砂池水与化粪池水在三种混合比例下，各污染物去处效果的比较如图1所示。
在生活污水与AMD三种混合比例条件下，均表现有对于TP、COD和Cu，沉砂池水/AMD的去除率大于化粪池水/AMD；对于SO2-4、Fe、Mn、Zn、Cd和Ni，化粪池水/AMD的去除率大于沉砂池水/AMD，其中Fe、Zn、Cu、Cd、Ni去除率均达50%以上。总体而言，化粪池水与AMD混合后，其污染物去除率更高，去除效果更好。
2.3混合水质对硫酸盐还原菌生长的影响
一般认为，SRB更适合在pH为7.0～7.8、Eh低于-100 mV的条件下生存[10]。由表2，化粪池水碱度高达59.76 mmol/L，是沉砂池水的近十倍。按比例混合后，沉砂池水/AMD与化粪池水/AMD的pH均有所提升，沉砂池水/AMD的pH为5.20～634，而化粪池水/AMD在不同体积比下的pH均维持在7以上。由于有机物的加入使呈氧化态的AMD水体转变为还原水体，三种比例下，沉砂池水/AMD的Eh均高于-100 mV，化粪池水/AMD的Eh均低于-200 mV。因此认为化粪池水与AMD混合后，更利于后续生物反应阶段SRB的生长。
重金属在超过一定浓度后，均能对SRB产生抑制作用[10-12]，整体来看，化粪池水/AMD中重金属含量均低于沉砂池水/AMD（表2），也更利于微生物的生长。
COD/SO2-4比值是SRB新陳代谢的重要指标，SRB将SO2-4全部还原理论要求COD/SO2-4比值为0.67。SRB还原废水中硫酸盐的效果因碳源、处理污染物等的不同而不同，董慧等[13]认为COD/SO2-4为2时SO2-4能够较好的还原，且COD的降解情况最好。
图2COD/SO2-4比值变化
根据图2，沉砂池水/AMD在三种比例下，其COD/SO2-4比值分别为0.02、0.04、0.06，远低于理论值0.67，而化粪池水/AMD在体积比为1∶1时，其COD/SO2-4比值为0.67，已达到SRB生长的最低反应条件，在体积比为2∶1和3∶1时，其COD/SO2-4比值分别为1.32和2.78，表明在体积比为2∶1～3∶1之间时，可达SRB反应所需的最佳COD/SO2-4比值条件。
2.4污染物去除机理分析
沉砂池水/AMD中的TP、COD与Cu主要存在于沉积物中，少部分存在于滤液和悬浮物中，SO2-4、Fe、Mn、Zn、Cd和Ni的分配比例为滤液>沉积物>悬浮物（图3）。在化粪池水/AMD中的SO2-4大部分存在于滤液中，TP、COD、Mn在滤液与悬浮物中的占比基本相同，Fe、Zn、Cu、Cd、Ni则大部分（60～70%）赋存于沉积物中，少部分（30～40%）转移到悬浮物中，滤液中含量极少。同时，实验过程中发现，沉砂池水中悬浮物更容易沉降，较化粪池水也更容易过滤。因此，TP与COD呈现出较好的沉淀效果。
已有研究发现，Ni、Cu分别在pH为6.7和5.5时开始生成Ni（OH）2和Cu（OH）2沉淀[14]。因此，Cu在两种生活污水混入后，均不存在于滤液中，表现出了最强的转移能力。Ni在沉砂池水/AMD中仅有不到20%转移到沉积物中；而在化粪池水/AMD中，有50%-70%的Ni转移到沉积物中得以去除。Mn在pH<8时，非生物氧化速率很慢[15]。因此，Mn在两种生活污水混入后均主要残留于滤液中，表现了最弱的转移能力。
相关研究表明，新生成的氢氧化铁对SO2-4有较好的吸附性能[16]，铁盐与磷酸根之间能发生一系列的结晶、混凝和絮凝的现象[17-18]，有机质中的含羧基和酚的功能团在微酸性至中性的pH范围内会发生去质子化作用，能够束缚溶解态的重金属离子[19]；金属能与（或吸附于）Fe和Mn的氧化物发生共沉淀，从而得到去除[20]；Cu与有机质有较强的结合能力[21-22]。这些作用造成了生活污水与酸性矿山废水中TP、COD、SO2-4和重金属的互相吸附与共沉淀。总体表现为，随沉砂池水/AMD比例的增大，悬浮物与沉积物中污染物占比也逐渐增大。而随化粪池水/AMD比例的增大，由于呈悬浮态的有机物的增加，水体中污染物沉降性变差，悬浮物中污染物占比逐渐增大，但沉积物中的污染物占比却逐渐减小。
综上，混合后溶液的pH变化和絮凝沉淀作用的发生，是影响污染物去除效果的主要因素。
3结论
（1）化粪池水与AMD混合后，其污染物去除率较沉砂池水更高，去除效果更好，其中Fe、Zn、Cu、Cd、Ni去除率均能达50%以上，大大减轻了后续处理的污染负荷。
（2）选用化粪池水作为联合处理系统生活污水水源较沉砂池水更优，化粪池水对AMD中和能力更强，能提供充足的有机碳源，使呈氧化态的AMD水体转变为还原水体，更大程度的降低水体中有害金属的含量，可以为生物反应阶段SRB提供更适宜的生长环境。
（3）混合后溶液的pH变化和絮凝沉淀作用的发生，是影响污染物去除效果的主要因素，在化粪池水/AMD中，除Mn外，大部分重金属转移到沉积物中（60～70%），少部分转移到悬浮物中（30～40%）。
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（责任编辑：江龙）