生物成因黄铁矾合成的影响机制及其在酸性矿山废水治理中的应用研究

发布时间：2020-05-16 18:43

【摘要】：嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,简称A.ferrooxidans)是典型的化能自养菌,靠氧化Fe2+或单质S及还原态硫化物来获取生命活动所需的能量,在pH小于3的酸性环境中,A.ferrooxidans菌氧化Fe2+的速度要比空气氧化快105-106倍,因此,它的存在极大地促进了硫化矿物的氧化反应,进而促进了酸性矿山废水(Acid mine drainage,简称AMD)的形成。极端酸性(pH值常在2.0-3.5),含有丰富的Fe (Fe2+、Fe3+)和8042-,同时还溶解有大量有毒有害重(类)金属元素(如Cd、Pb、Cu、Zn、As等),是AMD的重要特征。这种水体如果不经处理而任意排放,其中的酸和高含量的有毒有害元素将会对流经区域的水体、土壤及灌溉的农田等造成严重的危害。事实上,AMD对生态环境的危害在国内外均有广泛的报道。目前,中和法是处理AMD最常用的方法,然而对于富含Fe2+的AMD来说,为了提高处理效果和减少处理成本,需要预先将Fe2+氧化。相对于化学氧化,微生物(主要为A.ferrooxidans菌)氧化效果好,成本低,环境危害小在一价阳离子(K+, Na+, NH4+等)丰富,pH3的酸性硫酸盐矿山废水中,A.ferrooxidans菌将Fe2+氧化后得到的Fe3+会水解形成次生羟基硫酸铁矿物-黄铁矾((K,Na,NH4,H3O)Fe3(SO4)2(OH)6)。黄铁矾的形成不仅能够除去溶解性的Fe和SO42-,而且还能通过吸附或共沉淀的形式清除大量的有毒有害元素。此外,黄铁矾本身还是一种性能优异,价格昂贵的赭黄色无机颜料。本文模拟AMD环境,通过实验考察了在不同条件下,A.ferrooxidans菌生长过程中反应体系Fe2+、total iron (TFe)、pH、以及黄铁矾产量的变化情况,并从提高反应物(Fe)转化率、增加产物(黄铁矾)得率的角度出发,探讨了晶种、K+、电还原技术对黄铁矾形成的促进作用。此外,本文还从提高菌体密度,保证Fe2+快速氧化、保障反应连续运行的角度出发,考察了A.ferrooxidans菌固定化的效果。最后,运用固定化微生物,探索了“强化微生物氧化-中和法”处理模拟AMD的效果,并用直接中和法作对照,进行比较分析。主要研究结果如下：当溶液起始pH为2.5时,Fe2+的空气氧化速度很慢,但是随着A.ferrooxidans菌的引入,Fe2+开始迅速被氧化。与A.ferrooxidans常用菌液相比,A.ferrooxidans浓缩菌液不含杂离子,容易控制接种密度,同时还便于运输转移,但由于其制备过程中历经多次高速离心等步骤,对细菌造成了一定的伤害,所以它的氧化活性有所降低,在低接种量时尤其明显。为了达到相同的Fe2+氧化速度,1 mL A.ferrooxidans浓缩菌液(菌体数量相当于50 mL A.ferrooxidans常用菌液)的接种量应对应25mL(10%, v/v) A.ferrooxidans常用菌液。A.ferrooxidans菌接种量越多,反应初期Fe2+的氧化速度和Fe3+的供应速率就越高,黄铁矾的形成速度也越快,但接种量的多少并没有影响黄铁矾形成反应的平衡状态,所以随着反应时间的延长,Fe3+的沉淀率最终会趋于一致。为确定温度和pH对A.ferrooxidans菌氧化Fe2+及促进Fe3+水解形成黄铁矾的影响,本文在起始pH为1.40、1.60、1.80、2.00、2.20、2.40、2.60,温度为10℃、18℃、 28℃、38℃条件下,考察了体系中Fe2+、TFe、黄铁矾产量的变化情况。结果显示,温度是影响Fe2+氧化和Fe3+水解形成黄铁矾的重要因素。10℃时,Fe2+的平均氧化速率均低于50 mg/(L·h),反应72 h时氧化率不到40%,只有pH 2.40、2.60两个处理中有极少量黄铁矾生成。18℃时,pH 1.80-2.60处理中的Fe2+均在48 h内被完全氧化,Fe2+的平均氧化速率为187mg/(L·h);在该温度下,pH 1.80的处理中的72 h TFe沉淀率为3%,pH 2.60时增加到20%。28℃最有利于Fe2+氧化,即使在pH 1.40的处理中,Fe2+的平均氧化速率也达到187 mg/(L·h);而当pH增至1.80以上时,Fe2+的平均氧化速率更是高达300 mg/(L·h)以上；在pH 2.60的处理中,72 h TFe沉淀率达38%,矿物量为2 g。38℃最有利于黄铁矾的形成,在pH 1.80-2.60的处理中,尽管Fe2+平均氧化速率较低,为87-100 mg/(L·h),72 h时Fe2+氧化率也只有70-81%,但是TFe沉淀率却要高于18℃下pH相同的处理,pH 2.60时达到32%,矿物量为1.89 g。A.ferrooxidans菌在28℃时生长最为合适,18℃次之,而10℃和38℃则都不利于细菌活动,导致Fe2+氧化速度明显变慢。pH 1.80-2.60对细菌的活性没有明显影响,pH 1.40则有显著的抑制作用。温度和pH越高越有利于Fe3+水解形成黄铁矾,但是无论温度为多少,pH 1.40的处理中均没有发现生物成因黄铁矾的形成。为了进一步提高Fe3+的水解沉淀率和黄铁矾的形成速度及产量,本文从晶种刺激、阳离子诱导两个方面,分别研究了3种晶种材料(硅藻土、石英砂、黄铁矾)和具有强诱导能力的成矾离子(K+)对生物转化体系中Fe2+成次生矿物的影响。结果表明,硅藻土、石英砂、黄铁矾和K+的添加均有明显促进Fe3+水解生成黄铁矾的作用,且TFe沉淀率与它们的添加量呈正相关关系。在起始Fe2+浓度为160 mmol/L的250 mL9K培养基中,当硅藻土、石英砂、黄铁矾和K+的最大添加量分别为10g、10g、10 g和80 mmol/L时,经过72 h反应后,TFe沉淀率分别为47%、65%、52%和56%。晶种刺激和阳离子诱导二者联合作用效果更显著,当向溶液中同时添加10 g黄铁矾和80 mmol/L的K+时,经过72 h反应后,TFe沉淀率达到69%。在28℃条件下,体系中绝大部分的Fe2+在24h内被氧化成Fe3+。由于K+的成矾作用在高Fe3+浓度下才能充分发挥出来,所以提高K+浓度后,黄铁矾的形成主要发生在24-48 h时间段,0-24 h次之,48-72 h最少。晶种的引入减小了低Fe3+浓度对于矿物形成的不利影响。添加晶种后,黄铁矾的形成反应主要发生在0-24 h时间段,其TFe沉淀率几乎占到了整个反应时间段(0-72 h)的一半。晶种和r作用联合后,0-24h时间段TFe沉淀率所占比重更大,远超过一半。针对生物成矿反应稳定后溶液中仍然存在大量Fe3+的现象,本文探讨了电还原技术联合A.ferrooxidans菌氧化作用共同促进可溶性Fe高效转变成黄铁矾沉淀的过程。结果表明：电解还原-A.ferrooxidans菌氧化联合能有效地促进可溶性Fe沉淀。在起始Fe2+浓度为1006 mg/L, Fe3+浓度为489 mg/L情况下,接种细菌并连续通电(2V)反应72 h,TFe沉淀率达到30.3%,较未通电情况有一定程度增加。电解还原和细菌氧化成矿两步分开进行效果更好。在5V电压下电解含Fe3+的溶液5h后断电,此时溶液中含4036 mg/L Fe2+和2133 mg/L Fe3+,接种细菌反应120 h,TFe沉淀率达到42%；第二次还原后再接种细菌反应120 h,溶液的TFe沉淀率累计达到71%。添加20g/L石英砂或黄铁矾晶种后,TFe沉淀率明显增加。5V电压下电解含Fe3+的溶液5 h后,溶液中含3778 mg/L Fe2+和2106 mg/L Fe3+,接种细菌反应120h后,两组TFe沉淀率均达到75%左右。再次还原／氧化成矿后,反应72 h两组TFe沉淀率累计高达93%；黄铁矾组继续进行第三次还原／氧化成矿,反应72 h TFe沉淀率累计达到97%,溶液中只剩下168 mg/L TFe (Fe3+),可溶性的Fe基本上都已通过形成黄铁矾的形式沉淀下来。A.ferrooxidans菌为自养菌,生物量较低,因此常采用固定化的方法来提高菌体的密度,从而获得较高的Fe2+氧化速率以满足实际应用的需要。黄铁矾是A.ferrooxidans菌氧化Fe2+过程中产生的主要次生矿物,本文以它为对象,考察了它作为A ferrooxidans菌载体的可能性。结果表明,黄铁矾是一种性能优异的细菌固定化载体,连续培养6次后,生物黄铁矾(负载有A.ferrooxidans菌的黄铁矾)表面的活细胞密度达到3 x 108 cells/g.在起始Fe2+浓度为8960 mg/L的250 mL 9K培养基中接种5 g生物黄铁矾后,Fe2+被迅速氧化,平均氧化速率达265 mg/(L-h),相当于25 mLA.ferrooxidans常用菌液的氧化能力；当接种量为10 g时,Fe2+的平均氧化速率达到432 mg/(L-h)以上。增加生物黄铁矾的接种量不仅有利于提高Fe2+的氧化速度,而且还能充分发挥黄铁矾的晶种作用,促进Fe3+的水解沉淀,.提高黄铁矾的产量。最后,本文利用填充床生物反应器,将A.ferrooxidans菌固定在陶粒、火山石和活性炭上,研究了“强化微生物氧化-中和法”处理富含Fe2+的模拟AMD的效果。结果表明,陶粒、火山石和活性炭均是性能良好的固定化载体。在18℃下,当进水Fe2+浓度为900 mg/L左右时,在保证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+的最大氧化速度分别为301mg/(L-h),234mg/(L-h)和139 mg/(L-h).当进水Fe2+浓度从900 mg/L降到600 mg/L和300 mg/L左右时,各反应器中Fe2+的氧化速度有所降低。CaCO3中和法对Fe2+的去除效果不好,因此处理氧化前的模拟AMD时,中和剂只能用CaO,且溶液pH需达到8.74左右时,才能完全除去Fe2+。而当Fe2+被氧化成Fe3+后,CaCO3和CaO均可以用来作中和剂,且在pH 4.06时即可除去所有的Fe3+。同直接中和法相比,强化微生物氧化-中和法利用Fe2+与Fe3+的沉降性能之差,通过A.ferrooxidans菌将Fe2+氧化成Fe3+后,出水能够在低pH条件下直接进行中和处理,不仅可以减少中和剂使用量,还且还能选用廉价的CaCO3作中和剂。相对于CaO作中和剂时生成的结构松散的胶体沉淀,CaCO3作中和剂时生成的沉淀含固率高,为5.50%；SV30只有4%,沉降性能好,体积小；毛细吸水时间(CST)为8.9 s,易于脱水处理。全文研究表明,A.ferrooxidans菌能够在低pH条件下,迅速将Fe2+氧化并产生大量黄铁矾沉淀,从而从水中除去可溶性Fe2+。这为富含Fe2+的AMD处理提供了新的思路。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X751

【参考文献】