重金属污染控制技术粤港联合研究中心

  江峰、陈光浩、康园、张立国、魏利、凡玲、余小玉、吴镝、郝天伟、柳晓明、吴中玮、孙容容、汪进婷、吴东平、洪耀武、詹春耿、曹娟娟

  1. 课题来源与背景 1.1 课题来源 本项目主要研究新型的重金属废水高效生物处理技术，并在广东省2017年科技发展专项资金前沿与关键技术创新专项立项。 1.2 课题背景 重金属是是对生态环境危害极大的一类污染物，重金属污染中，最主要的形式是重金属废水排放造成的污染。重金属废水主要来源有矿山废水和特征工业废水。目前广东省的重金属污染事件频发，已经表明现有的重金属废水处理工艺技术并不能满足要求。为了在技术层面上解决重金属污染的问题，有必要引进香港先进的科研力量与省内有实力的科研团队开展合作研究，为解决重金属污染问题特别提供新的、切实有效的工艺技术。 2. 研究目的与意义 本课题研究的总体目标是研发一种基于生物单质硫还原的重金属污染废水高效低成本生物处理工艺及资源回收技术，为广东省的重金属污染问题提供一个可行的解决方案。 3. 主要论点与论据 1) 单质硫还原菌的富集、纯化分离的基础研究：单质硫还原菌纯化率已达90%以上，继续探索操作性更强的分离和纯化方法，进一步纯化分离，并测定基因。 2) 以单质硫还原菌为主导的高速硫还原高效产硫机制研究：对建立的3套不同结构形式的小试反应器进行试验，均发现单质硫还原反应器具有高速产硫的的生物硫还原能力。其机制是单质硫首先被硫氢根攻击，S-S键断裂解环，形成了水溶性良好的聚合硫化物（PS），此后PS可能作为S0的载体实现S0的跨膜传输、也可被S0RB直接利用从而产生HS-，于是形成正反馈加速单质硫还原。（Environmental Science Technology. 2018, 52, 8, 4754-4762；Chemical Engineering Journal, 2018. 342, 438-445.；Water Research. 2018, 130, 161-167） 3) 基于高效生物硫还原的水溶性重金属阳离子去除及资源选择性回收机制研究：探索了基于高效生物硫还原的水溶性重金属阳离子去除及资源选择性回收机制研究，发现在上述高速的单质硫还原基础上，调节pH等参数，可令重金属Fe、Mn、Zn、Cu、Al、Pb的去除率分别达100.0%、45.0%、100.0%、100.0%、100.0%、100.0%( Environ. Int. 2020, 136, 105457) 4) 硫还原生物除汞机制研究：研究了单质硫还原生物除汞机制，发现尽管反应体系中存在较高丰度的汞甲基化细菌地杆菌（Geobacter），但体系中的汞离子能快速地去除，并且没有发现甲基汞累积。（Environmental Science Technology. 2018, 52, 8, 4746-4753） 5) 硫还原生物除砷机制研究：研究发现利用单质硫还原处理含砷废水时，可以有效抑制亚砷酸盐沉淀过程中溶解性硫代砷副产物的形成。作为该工艺的关键，酸性条件下的单质硫还原过程是由附着在硫磺颗粒表面的Desulfurella，通过直接电子传递和以电子传导介质的间接电子传递完成。（Water Research. 2019, 151, 362-370） 6) 硫还原菌生物处理酸性矿山废水的工艺的研发与应用：研究发现即使在S0和SO42-共存的体系下，如矿山废水，在pH中性下系统仍然能够保持高速的S0还原效率。（Water Research. 2018, 131, 239-245） 7) 硫还原菌处理特征工业重金属废水的工艺研发与应用：1）单质硫生物还原除汞工艺：超过300天的小试实验结果表明S0生物还原工艺处理含汞废水长期有效，S0RB对汞毒性的耐受性高，无副产物甲基汞生成，且汞离子的去除效率高达99.9%（Water Research. 2019,160, 288-295）。2)单质硫生物还原除砷工艺：单质硫生物还原可以有效抑制亚砷酸盐沉淀过程中溶解性硫代砷副产物的形成，从而实现彻底、高效的砷去除，砷去除率达到了99%以上（Water Research. 2019, 151, 362-370）。和3)单质硫还原过程运行成本分析：根据小试结果发现以S0替代SO42-，能降低药剂成本达68%。（Biochemical Engineering Journal, 2017, 128, 26-32.） 4. 创见与创新 1) 实验采用的菌种纯度高，单质硫还原菌（S0RB）纯化率已达90%以上，且目前继续探索操作性更强的分离和纯化方法，进一步纯化分离，并测定基因。 2) 创新地提出单质硫高速生物还原的还原机制。 3) 研究发现即使在S0和SO42-共存的pH中性体系下，系统仍然能够保持高速的S0还原效率； 4) 研究了单质硫还原生物除汞机制，体系中的汞离子能快速地去除，并且没有发现甲基汞累积，并首次提出可用于含汞废水处理的生物硫还原工艺。 5) 发现了利用单质硫还原处理含砷废水，可以有效抑制亚砷酸盐沉淀过程中溶解性硫代砷副产物的形成，能够实现彻底、高效的砷去除，并创新提出单质硫还原除砷工艺。 6) 成本分析发现以S0替代SO42-生物产硫，能降低68%的药剂成本。 7) 上述机理应用于重金属污染严重的酸性矿山废水处理中，能够低成本地资源选择性回收多种重金属，并且利用单质硫还原去除重金属具有有机碳消耗低、产硫高效、快速等优点。 5. 社会经济效益，存在的问题 5.1 社会经济效益 本项目致力于研究重金属废水高效生物处理及资源回收工艺理论与技术，通过基础研究、理论研究和工艺研发，逐步改善水质受污染程度；（2）通过高效、快速产硫同时缩短了废水恢复再利用的时间周期（3）通过可资源回收的硫还原重金属废水高效生物处理及资源回收工艺，减轻企业经济压力，带动参与企业的环保技术升级与自主创新能力的提升，为当前广东省的重金属废水污染问题提供一种低成本的、可靠的解决方案。将有望解决当前现有SRB法高有机碳消耗、产硫低效、和高毒砷、汞副产物的困扰。 5.2 存在的问题 无