集成生物硫化过程：协同利用硫酸盐和元素硫还原技术处理含金属废水

《Water Research》：Integrated Biological Sulfidogenic Process: Synergizing Sulfate and Elemental Sulfur Reduction for Metal-Laden Wastewater Treatment

　　

郭佳华|韩俊杰|张晨鑫|李昊|李成|陈书婷|王一博|李宇|江峰

中国广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，中山大学环境科学与工程学院，广州 510275

摘要

生物产硫过程（BSPs），包括硫酸盐还原过程或硫还原过程，是处理含金属废水的前景广阔的技术。然而，含金属废水极高的酸度和贫营养特性经常限制了传统BSPs的效率和成本效益。本研究开发了一种集成生物产硫过程，将硫酸盐还原与元素硫还原相结合，以克服低pH值和碳源有限的限制。在连续运行210天的过程中，该集成系统表现出强大的酸中和能力，这主要归功于硫酸盐还原生物反应器的显著缓冲能力。该生物反应器富集了耐酸硫酸盐还原菌和发酵菌，即使进水pH值从6.13降至3.21，仍能稳定运行，并持续将pH值提高到约7.0。值得注意的是，即使在极端酸性和营养缺乏的条件下，少量的硫酸盐还原（31.8 mg S/L）也足以将进水pH值从3.45提高到接近中性的6.37。这种酸中和作用保护了随后的硫还原过程不受酸性抑制，从而在接近中性的pH条件下实现了高产率的生物硫化物生成。硫还原生物反应器产出的硫化物浓度超过1000 mg/L，碳硫比（C/S）仅为0.30，显示出高的碳利用效率。因此，该集成过程实现了Zn、Cu和Pb的100%去除，并且与单阶段系统相比，化学试剂成本降低了38%–72%。总体而言，这种集成生物产硫过程在酸中和、生物硫化物生成和重金属去除之间建立了正向反馈协同作用，为处理酸性和贫营养的含金属废水提供了一种高效可靠的解决方案。

引言

含金属废水，如酸矿排水、电镀废水和冶炼废水，具有强酸性和高重金属负荷，如果未经处理直接排放，会对人类健康和环境造成严重威胁（Qasem等人，2021；Rodríguez-Galán等人，2019）。生物产硫过程（BSPs）利用硫酸盐还原菌（SRB）或硫还原菌（S⁰RB）生成硫化物，从而促进重金属沉淀（方程式（1）至（3）），被视为一种有吸引力的基于自然的替代方案（Marques和Rodríguez，2025；Muyzer和Stams，2008；张等人，2021）。

引言

引言

章节片段

实验装置

该集成过程由一个沉淀池、一个硫酸盐还原生物反应器和一个硫还原生物反应器组成，有效容积分别为1.4升（直径=6.0厘米；高度=50.0厘米）（图1）。硫酸盐还原生物反应器是一个填充了商用塑料介质（φ11毫米，高密度聚乙烯HDPE）的填充床反应器，而硫还原生物反应器则填充了硫颗粒（中国大茂生产，纯度>99.50%，颗粒大小=3-5厘米），占据...

通过硫酸盐还原实现集成过程的酸中和

集成过程中的硫酸盐还原生物反应器表现出出色的酸中和能力。如图2所示，尽管进水pH值在前四个阶段逐渐降低（从6.13降至5.22、4.14，最后降至3.21），但硫酸盐还原生物反应器的出水pH值始终被中和到7.31、7.30、6.77和6.57。同时，硫酸盐还原生物反应器中的硫化物生成量稳定在91.41±25.28 mg/L。

集成过程的经济评估

本研究提出的集成过程有效解决了含金属废水中强酸性和贫营养条件对性能的抑制问题。实验结果表明，该集成过程利用了SRB的强大耐酸性，在酸性条件下实现了有效的酸中和，且所需的硫酸盐还原量极少（将pH值从约3.0升高到>6.0仅需要约30 mg/L，见图2）。更重要的是，得益于酸中和...

结论

本研究成功开发了一种集成生物产硫过程，将该过程与元素硫还原相结合。通过210天的连续运行，我们系统地评估了其在不同pH值和有机负荷下的长期稳定性、酸中和能力和产硫性能。主要发现如下：

(1)

该集成系统表现出强大的酸修复效果，这主要得益于...

CRediT作者贡献声明

郭佳华：撰写 – 审稿与编辑，方法论。韩俊杰：撰写 – 原稿撰写。张晨鑫：数据可视化。李昊：软件开发。李成：数据管理。陈书婷：数据管理。王一博：数据可视化。李宇：撰写 – 审稿与编辑。江峰：资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金（项目编号U23A2049）、中国国家杰出青年科学基金（项目编号52425001）和中国国家自然科学青年科学基金项目（项目编号52500110）的支持。