【摘要】：嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,簡(jiǎn)稱A.ferrooxidans)是典型的化能自養(yǎng)菌,靠氧化Fe2+或單質(zhì)S及還原態(tài)硫化物來(lái)獲取生命活動(dòng)所需的能量,在pH小于3的酸性環(huán)境中,A.ferrooxidans菌氧化Fe2+的速度要比空氣氧化快105-106倍,因此,它的存在極大地促進(jìn)了硫化礦物的氧化反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)了酸性礦山廢水(Acid mine drainage,簡(jiǎn)稱AMD)的形成。極端酸性(pH值常在2.0-3.5),含有豐富的Fe (Fe2+、Fe3+)和8042-,同時(shí)還溶解有大量有毒有害重(類)金屬元素(如Cd、Pb、Cu、Zn、As等),是AMD的重要特征。這種水體如果不經(jīng)處理而任意排放,其中的酸和高含量的有毒有害元素將會(huì)對(duì)流經(jīng)區(qū)域的水體、土壤及灌溉的農(nóng)田等造成嚴(yán)重的危害。事實(shí)上,AMD對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害在國(guó)內(nèi)外均有廣泛的報(bào)道。目前,中和法是處理AMD最常用的方法,然而對(duì)于富含F(xiàn)e2+的AMD來(lái)說(shuō),為了提高處理效果和減少處理成本,需要預(yù)先將Fe2+氧化。相對(duì)于化學(xué)氧化,微生物(主要為A.ferrooxidans菌)氧化效果好,成本低,環(huán)境危害小在一價(jià)陽(yáng)離子(K+, Na+, NH4+等)豐富,pH3的酸性硫酸鹽礦山廢水中,A.ferrooxidans菌將Fe2+氧化后得到的Fe3+會(huì)水解形成次生羥基硫酸鐵礦物-黃鐵礬((K,Na,NH4,H3O)Fe3(SO4)2(OH)6)。黃鐵礬的形成不僅能夠除去溶解性的Fe和SO42-,而且還能通過(guò)吸附或共沉淀的形式清除大量的有毒有害元素。此外,黃鐵礬本身還是一種性能優(yōu)異,價(jià)格昂貴的赭黃色無(wú)機(jī)顏料。本文模擬AMD環(huán)境,通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了在不同條件下,A.ferrooxidans菌生長(zhǎng)過(guò)程中反應(yīng)體系Fe2+、total iron (TFe)、pH、以及黃鐵礬產(chǎn)量的變化情況,并從提高反應(yīng)物(Fe)轉(zhuǎn)化率、增加產(chǎn)物(黃鐵礬)得率的角度出發(fā),探討了晶種、K+、電還原技術(shù)對(duì)黃鐵礬形成的促進(jìn)作用。此外,本文還從提高菌體密度,保證Fe2+快速氧化、保障反應(yīng)連續(xù)運(yùn)行的角度出發(fā),考察了A.ferrooxidans菌固定化的效果。最后,運(yùn)用固定化微生物,探索了“強(qiáng)化微生物氧化-中和法”處理模擬AMD的效果,并用直接中和法作對(duì)照,進(jìn)行比較分析。主要研究結(jié)果如下：當(dāng)溶液起始pH為2.5時(shí),Fe2+的空氣氧化速度很慢,但是隨著A.ferrooxidans菌的引入,Fe2+開(kāi)始迅速被氧化。與A.ferrooxidans常用菌液相比,A.ferrooxidans濃縮菌液不含雜離子,容易控制接種密度,同時(shí)還便于運(yùn)輸轉(zhuǎn)移,但由于其制備過(guò)程中歷經(jīng)多次高速離心等步驟,對(duì)細(xì)菌造成了一定的傷害,所以它的氧化活性有所降低,在低接種量時(shí)尤其明顯。為了達(dá)到相同的Fe2+氧化速度,1 mL A.ferrooxidans濃縮菌液(菌體數(shù)量相當(dāng)于50 mL A.ferrooxidans常用菌液)的接種量應(yīng)對(duì)應(yīng)25mL(10%, v/v) A.ferrooxidans常用菌液。A.ferrooxidans菌接種量越多,反應(yīng)初期Fe2+的氧化速度和Fe3+的供應(yīng)速率就越高,黃鐵礬的形成速度也越快,但接種量的多少并沒(méi)有影響黃鐵礬形成反應(yīng)的平衡狀態(tài),所以隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),Fe3+的沉淀率最終會(huì)趨于一致。為確定溫度和pH對(duì)A.ferrooxidans菌氧化Fe2+及促進(jìn)Fe3+水解形成黃鐵礬的影響,本文在起始pH為1.40、1.60、1.80、2.00、2.20、2.40、2.60,溫度為10℃、18℃、 28℃、38℃條件下,考察了體系中Fe2+、TFe、黃鐵礬產(chǎn)量的變化情況。結(jié)果顯示,溫度是影響Fe2+氧化和Fe3+水解形成黃鐵礬的重要因素。10℃時(shí),Fe2+的平均氧化速率均低于50 mg/(L·h),反應(yīng)72 h時(shí)氧化率不到40%,只有pH 2.40、2.60兩個(gè)處理中有極少量黃鐵礬生成。18℃時(shí),pH 1.80-2.60處理中的Fe2+均在48 h內(nèi)被完全氧化,Fe2+的平均氧化速率為187mg/(L·h);在該溫度下,pH 1.80的處理中的72 h TFe沉淀率為3%,pH 2.60時(shí)增加到20%。28℃最有利于Fe2+氧化,即使在pH 1.40的處理中,Fe2+的平均氧化速率也達(dá)到187 mg/(L·h);而當(dāng)pH增至1.80以上時(shí),Fe2+的平均氧化速率更是高達(dá)300 mg/(L·h)以上；在pH 2.60的處理中,72 h TFe沉淀率達(dá)38%,礦物量為2 g。38℃最有利于黃鐵礬的形成,在pH 1.80-2.60的處理中,盡管Fe2+平均氧化速率較低,為87-100 mg/(L·h),72 h時(shí)Fe2+氧化率也只有70-81%,但是TFe沉淀率卻要高于18℃下pH相同的處理,pH 2.60時(shí)達(dá)到32%,礦物量為1.89 g。A.ferrooxidans菌在28℃時(shí)生長(zhǎng)最為合適,18℃次之,而10℃和38℃則都不利于細(xì)菌活動(dòng),導(dǎo)致Fe2+氧化速度明顯變慢。pH 1.80-2.60對(duì)細(xì)菌的活性沒(méi)有明顯影響,pH 1.40則有顯著的抑制作用。溫度和pH越高越有利于Fe3+水解形成黃鐵礬,但是無(wú)論溫度為多少,pH 1.40的處理中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生物成因黃鐵礬的形成。為了進(jìn)一步提高Fe3+的水解沉淀率和黃鐵礬的形成速度及產(chǎn)量,本文從晶種刺激、陽(yáng)離子誘導(dǎo)兩個(gè)方面,分別研究了3種晶種材料(硅藻土、石英砂、黃鐵礬)和具有強(qiáng)誘導(dǎo)能力的成礬離子(K+)對(duì)生物轉(zhuǎn)化體系中Fe2+成次生礦物的影響。結(jié)果表明,硅藻土、石英砂、黃鐵礬和K+的添加均有明顯促進(jìn)Fe3+水解生成黃鐵礬的作用,且TFe沉淀率與它們的添加量呈正相關(guān)關(guān)系。在起始Fe2+濃度為160 mmol/L的250 mL9K培養(yǎng)基中,當(dāng)硅藻土、石英砂、黃鐵礬和K+的最大添加量分別為10g、10g、10 g和80 mmol/L時(shí),經(jīng)過(guò)72 h反應(yīng)后,TFe沉淀率分別為47%、65%、52%和56%。晶種刺激和陽(yáng)離子誘導(dǎo)二者聯(lián)合作用效果更顯著,當(dāng)向溶液中同時(shí)添加10 g黃鐵礬和80 mmol/L的K+時(shí),經(jīng)過(guò)72 h反應(yīng)后,TFe沉淀率達(dá)到69%。在28℃條件下,體系中絕大部分的Fe2+在24h內(nèi)被氧化成Fe3+。由于K+的成礬作用在高Fe3+濃度下才能充分發(fā)揮出來(lái),所以提高K+濃度后,黃鐵礬的形成主要發(fā)生在24-48 h時(shí)間段,0-24 h次之,48-72 h最少。晶種的引入減小了低Fe3+濃度對(duì)于礦物形成的不利影響。添加晶種后,黃鐵礬的形成反應(yīng)主要發(fā)生在0-24 h時(shí)間段,其TFe沉淀率幾乎占到了整個(gè)反應(yīng)時(shí)間段(0-72 h)的一半。晶種和r作用聯(lián)合后,0-24h時(shí)間段TFe沉淀率所占比重更大,遠(yuǎn)超過(guò)一半。針對(duì)生物成礦反應(yīng)穩(wěn)定后溶液中仍然存在大量Fe3+的現(xiàn)象,本文探討了電還原技術(shù)聯(lián)合A.ferrooxidans菌氧化作用共同促進(jìn)可溶性Fe高效轉(zhuǎn)變成黃鐵礬沉淀的過(guò)程。結(jié)果表明：電解還原-A.ferrooxidans菌氧化聯(lián)合能有效地促進(jìn)可溶性Fe沉淀。在起始Fe2+濃度為1006 mg/L, Fe3+濃度為489 mg/L情況下,接種細(xì)菌并連續(xù)通電(2V)反應(yīng)72 h,TFe沉淀率達(dá)到30.3%,較未通電情況有一定程度增加。電解還原和細(xì)菌氧化成礦兩步分開(kāi)進(jìn)行效果更好。在5V電壓下電解含F(xiàn)e3+的溶液5h后斷電,此時(shí)溶液中含4036 mg/L Fe2+和2133 mg/L Fe3+,接種細(xì)菌反應(yīng)120 h,TFe沉淀率達(dá)到42%；第二次還原后再接種細(xì)菌反應(yīng)120 h,溶液的TFe沉淀率累計(jì)達(dá)到71%。添加20g/L石英砂或黃鐵礬晶種后,TFe沉淀率明顯增加。5V電壓下電解含F(xiàn)e3+的溶液5 h后,溶液中含3778 mg/L Fe2+和2106 mg/L Fe3+,接種細(xì)菌反應(yīng)120h后,兩組TFe沉淀率均達(dá)到75%左右。再次還原／氧化成礦后,反應(yīng)72 h兩組TFe沉淀率累計(jì)高達(dá)93%；黃鐵礬組繼續(xù)進(jìn)行第三次還原／氧化成礦,反應(yīng)72 h TFe沉淀率累計(jì)達(dá)到97%,溶液中只剩下168 mg/L TFe (Fe3+),可溶性的Fe基本上都已通過(guò)形成黃鐵礬的形式沉淀下來(lái)。A.ferrooxidans菌為自養(yǎng)菌,生物量較低,因此常采用固定化的方法來(lái)提高菌體的密度,從而獲得較高的Fe2+氧化速率以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。黃鐵礬是A.ferrooxidans菌氧化Fe2+過(guò)程中產(chǎn)生的主要次生礦物,本文以它為對(duì)象,考察了它作為A ferrooxidans菌載體的可能性。結(jié)果表明,黃鐵礬是一種性能優(yōu)異的細(xì)菌固定化載體,連續(xù)培養(yǎng)6次后,生物黃鐵礬(負(fù)載有A.ferrooxidans菌的黃鐵礬)表面的活細(xì)胞密度達(dá)到3 x 108 cells/g.在起始Fe2+濃度為8960 mg/L的250 mL 9K培養(yǎng)基中接種5 g生物黃鐵礬后,Fe2+被迅速氧化,平均氧化速率達(dá)265 mg/(L-h),相當(dāng)于25 mLA.ferrooxidans常用菌液的氧化能力；當(dāng)接種量為10 g時(shí),Fe2+的平均氧化速率達(dá)到432 mg/(L-h)以上。增加生物黃鐵礬的接種量不僅有利于提高Fe2+的氧化速度,而且還能充分發(fā)揮黃鐵礬的晶種作用,促進(jìn)Fe3+的水解沉淀,.提高黃鐵礬的產(chǎn)量。最后,本文利用填充床生物反應(yīng)器,將A.ferrooxidans菌固定在陶粒、火山石和活性炭上,研究了“強(qiáng)化微生物氧化-中和法”處理富含F(xiàn)e2+的模擬AMD的效果。結(jié)果表明,陶粒、火山石和活性炭均是性能良好的固定化載體。在18℃下,當(dāng)進(jìn)水Fe2+濃度為900 mg/L左右時(shí),在保證Fe2+氧化率的前提下,生物陶粒填充柱,生物火山石填充柱和生物活性炭填充柱中Fe2+的最大氧化速度分別為301mg/(L-h),234mg/(L-h)和139 mg/(L-h).當(dāng)進(jìn)水Fe2+濃度從900 mg/L降到600 mg/L和300 mg/L左右時(shí),各反應(yīng)器中Fe2+的氧化速度有所降低。CaCO3中和法對(duì)Fe2+的去除效果不好,因此處理氧化前的模擬AMD時(shí),中和劑只能用CaO,且溶液pH需達(dá)到8.74左右時(shí),才能完全除去Fe2+。而當(dāng)Fe2+被氧化成Fe3+后,CaCO3和CaO均可以用來(lái)作中和劑,且在pH 4.06時(shí)即可除去所有的Fe3+。同直接中和法相比,強(qiáng)化微生物氧化-中和法利用Fe2+與Fe3+的沉降性能之差,通過(guò)A.ferrooxidans菌將Fe2+氧化成Fe3+后,出水能夠在低pH條件下直接進(jìn)行中和處理,不僅可以減少中和劑使用量,還且還能選用廉價(jià)的CaCO3作中和劑。相對(duì)于CaO作中和劑時(shí)生成的結(jié)構(gòu)松散的膠體沉淀,CaCO3作中和劑時(shí)生成的沉淀含固率高,為5.50%；SV30只有4%,沉降性能好,體積�。幻�(xì)吸水時(shí)間(CST)為8.9 s,易于脫水處理。全文研究表明,A.ferrooxidans菌能夠在低pH條件下,迅速將Fe2+氧化并產(chǎn)生大量黃鐵礬沉淀,從而從水中除去可溶性Fe2+。這為富含F(xiàn)e2+的AMD處理提供了新的思路。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X751

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2667145