和Mn2+的最终去除率分别为93.89%、94.45%和80.44%。③ 3种麦饭石均为片层状结构，表面有沟壑且漏出内部孔隙；其中2号麦饭石较其余2种麦饭石具有更多的孔隙和更大的比表面积，同时SRB可被负载到麦饭石表面，麦饭石中高岭土峰等部分原有峰发生改变，并出现了新的FeS峰、MnS峰和Mn(OH)2峰。摘 要：针对酸性矿山废水处理难、处理费用高等问题，以辽宁(1号麦饭石)、山东(2号麦饭石)和黑龙江(3号麦饭石)3个不同产地的麦饭石为原材料，分别协同硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，SRB)处理酸性矿山废水(Acid Mine Drainage，AMD)，利用单因素试验考察不同产地麦饭石对SRB活性的影响以及生物麦饭石修复AMD的效果，并通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对麦饭石进行表征，阐明不同地区生物麦饭石对AMD中污染物的去除机理。结果表明：① 在不同产地麦饭石对SRB活性影响的单因素试验发现3种不同产地麦饭石均延长了SRB的对数生长期，使培养液的pH由初始的6.86分别增加到8.36、8.33和8.24，均高于对照组的0.698。对SRB活性的影响由大到小为：2号麦饭石>1号麦饭石>3号麦饭石。② 在生物麦饭石处理AMD的单因素试验中，2号麦饭石麦饭石对AMD的处理效果最好，处理后pH值提高到7.43，Eh降低到-192 mV，OD600最大值为和Mn2+的最终去除率分别为93.89%、94.45%和80.44%。③ 3种麦饭石均为片层状结构，表面有沟壑且漏出内部孔隙；其中2号麦饭石较其余2种麦饭石具有更多的孔隙和更大的比表面积，同时SRB可被负载到麦饭石表面，麦饭石中高岭土峰等部分原有峰发生改变，并出现了新的FeS峰、MnS峰和Mn(OH)2峰。
Abstract:In view of the problems of difficult and high cost of acid mine wastewater treatment.Medical stone from three different producing areas，Liaoning (No.1 Medical stone)，Shandong (No.2 Medical stone) and Heilongjiang (No.3 Medical stone)，were used as raw materials to treat acid mine drainage (AMD) with Sulfate Reducing Bacteria (SRB).The single factor experiment was used to investigate the effect of medical stone from different areas on SRB activity and the effect of biological medical stone on AMD repair.Scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used to characterize biological maifan stone，and the removal mechanism of pollutants in AMD was elucidated.The results show that：① The single factor experiment of the effect of maifan stone from different producing areas on SRB activity found that the logarithmic growth period of SRB was prolonged by three kinds of maifan stone from different producing areas.The pH of the medium increased from 6.86 to 8.36，8.33 and 8.24，respectively，which were all higher than 0.698 in the control group.The effect of three kinds of maifan stone from different producing areas on SRB activity was：No.2 maifan stone >No.1 maifan stone >No.3 maifan stone.② In the single factor experiment of biological medical stone treatment of AMD，No.2 maifan stone treatment effect of AMD is the best.After treatment，pH value increases to 7.43，Eh decreases to -192 mV，the maximum OD600 is 0.586，and the highest removal rates of 
and Mn2+ are 93.89%，94.45% and 80.44%，respectively.③ All the three maifan stone are lamellar structure with gullies on the surface and internal pores.No.2 maifan stone has more pores and larger specific surface area than the other two kinds of maifan stone.SEM and XRD results show that SRB is loaded on the surface of maifan stone，and some of the original peaks such as kaolin peak in maifan stone are changed，and new FeS peak，MnS peak and Mn(OH)2 peak appear.
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随着工业的快速发展，人类对煤炭的需求量正日益增多，这也导致煤矿的开采力度正逐渐加大[1]。但煤炭在开采过程中会产生大量的酸性矿山废水(AMD)[2]，目前AMD的排放量已占到全国工业废水总排量的10%[3]，具有排放量大，成分复杂且含有高浓度的
和重金属离子等特点，直接排放会导致周边的水体污染和水生动植物死亡等问题[4]。目前，针对AMD治理技术主要有中和法[5]、电解法、微生物法[6]和吸附法[7]等。其中，微生物法和吸附法在处理AMD时具有处理效果好，投资小等优点，已成为处理AMD的常用方法。
SRB对硫酸盐还原率高，同时还可产生碱度提升pH。已成为近些年来研究热点。ZHANG等[8]以秸秆/乳酸钠为外加碳源利用SRB处理
去除率达61%以上，对Cu2+、Mn2+和Zn2+等重金属离子去除率达99%以上；KIRAN等[9]以乳酸钠为外加碳源利用SRB处理AMD，对Cu2+、Ni2+和Pb2+等重金属离子的去除率达93%以上。但是也有报道显示高浓度重金属、低pH的AMD对SRB会产生毒害作用。邓奇根等[10]研究表明，H2S和重金属离子对SRB有抑制作用，且SRB处理低pH废水时易产生HS-等中间产物，降低重金属的去除率；王颖南等[11]研究表明，在高浓度的H+作用下，SRB需要花费大量能量排出H+，致使SRB生长延缓，降低对AMD的去除效率。因此，在利用SRB处理废水时需要协同其他材料来稳定SRB菌体活性，增强SRB的处理能力。
麦饭石具有疏松多孔、资源丰富、吸附力强和调节pH等优点，已有研究表明麦饭石可以作为吸附剂对AMD进行处理。文科等[12]研究表明麦饭石可以调节溶液pH使其趋于中性，且对重金属离子吸附性能为：Pb2+>Cr3+>Cd2+；狄军贞等[13]利用麦饭石+铁屑处理AMD，废水pH由5.36提升至8.0，对Fe2+去除率达99.9%，其余污染物去除率也均达60%以上。因此，可以考虑利用麦饭石调节AMD，为SRB提供适宜其生长的环境，提高对AMD的处理效果。
笔者基于麦饭石协同SRB方法制备生物麦饭石，通过SEM和XRD对其进行表征，并进行相关机理分析。通过单因素试验对比分析了辽宁、山东和黑龙江3个不同产地麦饭石对SRB活性的影响，探究了不同地区生物麦饭石修复AMD的能力，以期为生物麦饭石有效应用于AMD修复提供理论指导和技术参考。
麦饭石选自辽宁省阜新市八家子、山东省临沂市蒙阴县和黑龙江齐齐哈尔碾子山3个地区，研磨粒径为0.15～0.27 mm，分别标号为1号麦饭石、2号麦饭石和3号麦饭石，分别对3种麦饭石样品进行化学成分分析，结果见表1。试验用SRB菌种取自辽宁省阜新市细河的活性污泥，按照吴琼等[14]的方法通过修正的Postgate C培养基富集培养得到以SRB为优势菌种的混合菌群。AMD水质为：Ca2+质量浓度为
质量浓度为834.5 mg/L，Mn2+质量浓度6 mg/L，Fe2+质量浓度14 mg/L，Mg2+质量浓度50 mg/L，pH为4。
表1 3种麦饭石化学成分分析
Table 1 Three kinds of medical stone chemical composition analysis
麦饭石编号主要化学成分质量分数/%SiO2Al2O3Na2OK2OFe2O3FeOCaOH3O+MgOTiO2P2O5MnO169.6715.033.613.251.861.401.471.201.070.340.150.04267.8015.855.461.582.830.912.511.140.640.320.0540.07363.4815.484.393.344.601.222.881.371.460.580.120.10
在无菌条件下配置4组100 mL修订的Postgate液体培养基(不含Fe(NH4)2(SO4)2)，向一组中添加5 mL富集培养的SRB菌液，作为空白对照组；向另外的3组分别投加10 g粒径为0.15～0.27 mm不同地区的麦饭石和5 mL通过富集培养的SRB菌液，作为试验组，每组试验做3次重复。最后用橡胶塞和液体石蜡密封形成厌氧环境，在35 ℃、150 r/min的恒温振荡器中培养6 d。每天上午8点取样，测定培养基上清液中OD600、氧化还原电位(Eh)、pH和
浓度。
共设置4组锥形瓶，在3组锥形瓶中分别加入10 g不同产地麦饭石和10 mL修订的Postgate液体培养基(不含Fe(NH4)2(SO4)2)，并接种5 mL的SRB菌液，添加100 mL酸性矿山废水，作为试验组；向另外一组锥形瓶中只添加10 mL修订的Postgate液体培养基(不含Fe(NH4)2(SO4)2)、5 mL SRB菌液和100 mL酸性矿山废水，作为空白对照组。每组试验做3次重复。用橡胶塞和液体石蜡密封形成厌氧环境，在35 ℃、150 r/min的恒温振荡器中培养6 d，每天上午8点取样，测定废水中OD600值、Eh值、pH值和
浓度。
OD600采用723N可见光分光光度计测定；Eh采用笔式氧化还原电位仪测定；pH采用PHS-3C型精密pH计测定；的测定采用铬酸钡分光光度法(HJ/T 432—2007)；Fe2+的测定采用邻菲啰啉分光光度法法(MT/T 368—2005)；Mn2+的测定采用高碘酸钾分光光度法(GB 11906—1989)。采用S3400N型SEM和D/MAX2 400型XRD对处理AMD前后的生物麦饭石样品进行表征。
依1.2节方法，研究了不同产地麦饭石对SRB生长活性的影响，试验结果如图1所示。
图1 不同产地麦饭石对SRB生长活性的影响
Fig.1 Effect of medical stone from different producing areas on growth activity of SRB
图1a、图1b分别为不同产地的麦饭石对培养液OD600[15]和Eh(氧化还原电位)的影响曲线。OD600和Eh随时间的变化规律相反。其中对照组、1号、2号和3号的OD600最大值分别为0.698、0.867、0.958和0.825，Eh的最小值分别为-224、-245、-233和-223 mV。对照组中SRB在接种后的0～48 h为对数生长期，此时菌体代谢活性最强，繁殖速度最大[16]。而麦饭石的加入使得SRB的对数生长期延长，接种后前3 d培养液中SRB菌体处于对数生长期，此时培养液中含氧量逐渐下降，逐渐形成适宜SRB菌体大量繁殖的还原环境[17]。在第3～4天时处于稳定期，菌体数量达到最大值以及生长代谢活性达到最高，之后SRB菌体进入衰亡期，此时SRB繁衍速度减缓，死亡速率大于繁殖速率。这是由于随着反应时间的增加，培养液中环境逐渐恶化，致使SRB菌体代谢活性减弱，OD600逐渐下降，Eh值逐渐上升。图1c为培养基中pH变化曲线，随着反应时间的增加，培养基的pH逐渐增大，在第5天时pH分别增加到7.95、8.36、8.33和8.24。这一方面是由于麦饭石中存在Al—O键，在前期破碎中使得Al—O键被破坏，Al发生溶解，提高了培养液的pH。另一方面是SRB自身会释放等碱度来调节环境pH。LIU等[18]研究发现SRB会向细胞外分泌质子、大分子等形成细胞膜保护细胞，同时以H+为电子供体把还原为S2-，在此过程中会产生碱性物质(如
以提升环境pH。DONG等[19]研究发现SRB生长最宜pH为7.0～7.5。因此，麦饭石能明显提高培养液的碱性，在酸性环境中能促进SRB的生长繁殖。图1d为不同产地麦饭石对SRB去除影响曲线，可以看出去除效果随着反应时间的增长而快速增加，对去除效果为2号>3号>1号>对照组，各组最大去除率分别为91.19%、88.58%、88.13%和76.87%。这是因为在反应初期麦饭石溶解释放的两性物质和微量元素促进了SRB繁殖，使SRB数量(OD600)增多，提高了SRB菌株的活性，增大了SRB与接触的机会，致使的去除率快速增加。但反应后期生成的硫化物大量积累，对SRB菌体产生毒害作用，致使反应4 d后去除速率减缓直至平稳现象的发生。
上述试验结果表明，3种不同产地的麦饭石均能促进SRB菌体的生长代谢，对SRB活性影响由大到小为：2号>1号>3号。
依1.3节方法，研究了不同产地生物麦饭石处理AMD的效果，试验结果如图2所示。
图2 不同产地生物麦饭石AMD处理效果
Fig.2 Treatment effect of biological medical stone from different producing areas by AMD
图2a、图2b、图2c分别为AMD中OD600、Eh和pH的变化规律，其中OD600和pH均随着反应时间的增加逐渐升高，OD600最终稳定在0.414、0.586、0.515、0.506，pH最终稳定在6.52、6.95、7.43、7.06。Eh值均从最初的140 mV分别下降至-144、-161、-175、-191 mV。SRB菌体进入AMD后，随着反应时间的增加pH和OD600逐渐上升，Eh逐渐下降，表明AMD中SRB菌体数量逐渐增加，菌体的活性增大，这是由于麦饭石中含有大量的微量元素，可以提高SRB菌体的稳定性以及生长活性[20]。其中2号麦饭石中SRB菌体活性远大于其余3组试验。图2d、图2e和图2f分别为生物麦饭石处理AMD时
和Mn2+的去除率变化规律，和Fe2+的去除率变化趋势大体相似，去除率均随着反应时间的增加而逐渐增大，去除率最终稳定在70.83%、93.89%、90.89%、89.76%，Fe2+去除率稳定在70.14%、94.45%、92.88%、90.65%。而Mn2+在初期去除率增长较缓慢，但在后期迅速增加，在反应6 d时去除率分别为59.84%、80.44%、78.64%、78.25%。在前期，麦饭石提高了SRB的环境适应性和活性，此时SRB菌体处于对数生长期，菌体数量快速增长，SRB菌体利用自身的代谢还原
致使去除率快速上升；但随着反应环境的恶化，SRB菌体的活性下降，致使还原速率下降，因此去除率趋于平缓。麦饭石具有多孔结构，比表面积大，具有很强的静电引力，对Fe2+和Mn2+等重金属有很强的吸附性[21]。而且SRB菌体在还原时产生的H2S与重金属反应生成金属硫化物沉淀。狄军贞等[22]研究发现Mn2+的生物氧化小于Fe2+，且Mn2+化合价态不稳定，难形成稳定难溶的硫化物。所以在反应后期Fe2+去除率趋于稳定后Mn2+的去除率才会快速增加。
依1.4节中方法，研究了不同产地生物麦饭石处理AMD前后的扫描电镜分析分析，试验结果如图3、图4所示。
由图3可知，麦饭石结构为片层状结构，表面有沟壑并露出内部孔隙，这使得其有很大的比表面积。2号麦饭石有更多的孔隙，更有利于物理吸附的发生，并提高了微生物附着的可能。由图4可知，麦饭石表面出现了大量的颗粒物以及椭圆形的物质，表面沟壑、褶皱和孔隙数量明显减少。造成这种现象可能是由于SRB被负载到麦饭石表面，与AMD中和Mn2+发生物理化学变化生成FeS、MnS等沉淀物，被堆积和吸附在麦饭石表面的沟壑与孔隙中，造成麦饭石表面结构发生改变。
图3 生物麦饭石处理AMD前SEM图
Fig.3 SEM image before biological medical stone treatment of AMD
图4 生物麦饭石处理AMD后SEM图
Fig.4 SEM image after biological medical stone treatment of AMD
依1.4节中方法，研究了3种不同产地生物麦饭石处理AMD前后的XRD分析，试验结果如图5所示。
图5 生物麦饭石处理AMD前后XRD图谱
Fig.5 Biological medical stone treatment before and after AMD XRD figure
由图5可知，1号麦饭石石英峰发生了改变，钠长石峰减弱，高岭土峰与绿泥石峰消失。2号麦饭石石英峰发生了改变，斜长石峰与高岭土峰消失。3号麦饭石石英峰发生了改变，钾长石峰、高岭土峰和绿泥石峰减弱。3种麦饭石均出现新的FeS峰、MnS峰和Mn(OH)2峰，说明3种生物麦饭石中的矿物成分在处理AMD时均参与了反应，同时SRB代谢形成S2-，形成金属硫化物与Mn(OH)2附着在麦饭石表面。
1)3种麦饭石均支持SRB的生长代谢，其中2号麦饭石对SRB活性的影响最大，2号麦饭石加入SRB培养液后OD600达到了
的去除率达到了91.19%，pH最终为8.36，Eh下降到-245 mV。
2)4组试验对AMD处理效果的顺序为：2号>1号>3号>对照组。其中2号麦饭石处理效果最好，废水的pH值从4提高到7.43，Eh从140 mV降低到-192 mV，OD600最大值为
最终去除率为93.89%，Fe2+最终去除率为94.45%，Mn2+最终去除率为80.44%。
3)SEM显示麦饭石反应前为片层状结构，表面有沟壑与孔隙，反应后麦饭石表面上出现颗粒状的重金属沉淀以及椭圆状的SRB菌体。XRD显示麦饭石中的石英、斜长石、钾长石、高岭和绿泥石等组分参与了反应，并出现了新的 FeS峰、MnS峰和Mn(OH)2峰。
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