魏小輝, 王清良*, 雷治武, 胡鄂明, 王紅強, 趙建飛, 李德, 李鵬, 于長貴, 徐益群

1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；

2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000

前言

Fe3+是一種天然的氧化劑，能將U4+氧化成U6+。提高Fe3+在溶浸液中的濃度，可加快酸法地浸采鈾中鈾的浸出速率。為了充分利用地浸采鈾吸附尾液中的Fe2+，地浸采鈾礦山中常以工業(yè)雙氧水作為氧化劑氧化Fe2+，但雙氧水有易分解、效率低、價格昂貴等缺點。

微生物浸出與傳統(tǒng)的浸鈾工藝相比，具有更高浸出效率、減少氧化劑消耗、減輕環(huán)境污染等優(yōu)點[1]。隨著對微生物浸出技術(shù)的研究不斷深入，它不僅在礦物加工領(lǐng)域內(nèi)得到了有效推廣，在水污染防治[2]、電子廢物中有用金屬的回收[3]等方面也得到廣泛應(yīng)用。在浸礦過程中，中溫菌(28～45 ℃)是最常用的浸礦微生物，此外還有中等嗜熱菌(45～55 ℃)和極端嗜熱菌(60～85 ℃)。而中溫菌[4]中最常見的主要有嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus.ferrooxidans簡稱A.f)、嗜酸性氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus.thiooxidans簡稱A.t)及氧化亞鐵微螺菌(Leptospicillus.ferroxidans簡稱L.f)三種。以上三種中溫菌很難在較低溫度下生長繁殖，考慮到我國新疆地區(qū)全年平均氣溫在4～13 ℃，因此需要找到一種能夠適應(yīng)新疆當(dāng)?shù)氐牡蜏丨h(huán)境，且能有效氧化地浸采鈾吸附尾液中Fe2+的細(xì)菌。

耐冷嗜酸硫桿菌(Acidithiobacillus.ferrivorans簡稱A.ferrivorans)，好氧，革蘭氏陰性菌，硫桿菌屬，是一種耐受性強、化能無機自養(yǎng)型微生物。Hallberg KB等[5]在研究從金屬礦山中分離的四種細(xì)菌時，首次將其中一種嗜酸菌命名A.ferrivorans。Sergio等[6]在礦井排水中獲得的富集培養(yǎng)物中發(fā)現(xiàn)了氧化Fe2+和硫化物的細(xì)菌，以A.ferrivorans和L.f為主，該菌株能以亞鐵、硫、硫代硫酸鹽、四硫黃鐵礦為能源生長。陳鵬等[7]對A.ferrivorans的生長特性作了深入研究，結(jié)果表明，A.ferrivorans能在5～25 ℃條件下氧化生長，且氧化Fe2+的速率高于A.f。A.ferrivorans以氧化亞鐵離子或還原態(tài)硫化物獲得能量，作為電子傳遞鏈上的各種細(xì)胞色素都具有特定的氧化還原電位，隨著Fe3+增加培養(yǎng)液中的氧化性隨之增強。A.ferrivorans以氧化Fe2+成Fe3+作為主要代謝途徑，而Fe3+/Fe2+的外在表征為Eh的大小，即細(xì)菌氧化尾液中Fe2+的速率與尾液的Eh存在正相關(guān)性[8]。細(xì)菌代謝亞鐵的反應(yīng)式[9]為：

(1)

此外，陳鵬[10]還研究了A.ferrivorans的生長特性，當(dāng)尾液Eh數(shù)值達到550 mV及以上，所測得Fe2+基本已氧化完全。因此，Eh超過550 mV可以作為Fe2+氧化完全的分界線。王清良等[11]在新疆某酸法地浸礦山水冶車間內(nèi)搭建小型生物反應(yīng)器，利用A.ferrivorans連續(xù)氧化吸附尾液中的Fe2+，其生物反應(yīng)器能夠長期運行，氧化效果顯著，且相較于雙氧水作氧化劑，能節(jié)約成本約72.63%?；诖耍驹囼炘谛陆乘岱ǖ亟V山露天設(shè)計建造新型高效生物反應(yīng)器，輔加陶粒作為生物載體，接種耐冷嗜酸硫桿菌作為氧化劑并固定培養(yǎng)。通入地浸采鈾吸附尾液進行試驗研究，通過探討細(xì)菌在氧化Fe2+過程中的pH、Eh、DO值(溶解氧濃度)等變化，為細(xì)菌代替雙氧水作氧化劑的拓展應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

1.1 試劑與儀器

A.ferrivorans,新疆某酸法地浸礦山水冶車間內(nèi)小型生物反應(yīng)器[11]；FeSO4·7H2O，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；吸附尾液，新疆中核天山鈾業(yè)有限公司某廠水冶車間，成分如表1所示；生物陶粒，滎陽綠錦活性炭有限公司；pH計(pHS-3B)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；螺旋桿式空氣壓縮機，上海優(yōu)耐特斯壓縮機有限公司；氣體流量計，杭州逸控科技有限公司；恒流泵(BT00-300T)，保定蘭格恒流泵有限公司；液體流量計，新疆中核天山鈾業(yè)有限公司；便攜式溶解氧測定儀(JPB-607A型)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；高分辨冷場發(fā)射掃描電鏡(SU8010)，日本日立公司；超高分辨率熱場發(fā)射掃描電鏡(QUANTA400FEG),美國FEI。

表1 吸附尾液成分

1.2 高效生物反應(yīng)器的設(shè)計與建造

高效生物反應(yīng)器為自行設(shè)計建造，如圖1所示。生物反應(yīng)器材質(zhì)為不銹鋼，高7.0 m，內(nèi)徑2.0 m，總?cè)莘e17.8 m3。向其中加入強耐酸性、直徑為3～5 mm的陶粒作為生物載體，有效裝填容積為9 m3，細(xì)菌有效反應(yīng)體積為10 m3?，F(xiàn)有帶填料的生物反應(yīng)器[12]主要分為懸浮式生物填料反應(yīng)器和固定式生物填料反應(yīng)器，主要被廣泛應(yīng)用于污水處理方面，在地浸采鈾方面應(yīng)用較少。以往的固定式生物填料反應(yīng)器缺點在于生物反應(yīng)器運行長時間以后，內(nèi)部會積累結(jié)垢物質(zhì)，形成膜污染[13]，且生物填料一般都具有使用壽命，長時間使用難更換。新型高效生物反應(yīng)器經(jīng)過改進，較以往生物反應(yīng)器更具靈活性和可操作性：生物反應(yīng)器底部具有出口閥，載體可靈活裝卸，便于清洗；生物反應(yīng)器塔體可移動，可隨工業(yè)需求運往不同場地。高效生物反應(yīng)器采用下部進液，上部出液的運行模式，配液池中的吸附尾液由潛水泵經(jīng)進液管路泵到反應(yīng)器內(nèi)部，再由布液裝置向四周均勻布液，吸附尾液流經(jīng)附有細(xì)菌的陶粒載體，細(xì)菌充分氧化吸附尾液中的Fe2+后從生物反應(yīng)器頂部溢流管流出；通氣方式與進液方式基本相似，也采用下部進氣，上部出氣，螺旋桿式空氣壓縮機提供壓縮空氣，經(jīng)由生物反應(yīng)器底部布?xì)庋b置均勻布?xì)?，作為?xì)菌的氧氣來源。在生物反應(yīng)器的3個不同高度位設(shè)有取樣點，同時每個高度位同一水平不同位置處設(shè)置3個取樣口，共9個取樣口，用以取樣測量?！?、5、6”分別表示反應(yīng)器上部水平線、中部水平線、下部水平線高度位置；“a、b、c”分別表示反應(yīng)器同水平不同位置，“a”為罐內(nèi)邊緣位置，“b”為罐內(nèi)中間位置，“c”為罐內(nèi)中心位置，組合對應(yīng)9個不同的取樣口。

圖1 高效生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 耐冷嗜酸亞鐵硫桿菌氧化吸附尾液工藝流程

在室外現(xiàn)場地表新建立的高效生物反應(yīng)器，需要在生物反應(yīng)器內(nèi)部加入陶粒，以作為細(xì)菌的氧化載體。新加入的陶粒上并沒有細(xì)菌的附著，從室內(nèi)的小型生物反應(yīng)器內(nèi)移植部分有細(xì)菌附著的活性陶粒作為菌源。小型生物反應(yīng)器[11]長期運行，氧化作用顯著、穩(wěn)定，其內(nèi)部陶粒上附著的菌體，具有良好的活性。現(xiàn)場吸附尾液在配液池加酸調(diào)節(jié)pH后，進入高效生物反應(yīng)器內(nèi)，尾液中的Fe2+被載體上的A.ferrivorans氧化為Fe3+。培養(yǎng)好的菌液作為溶浸液注入鈾礦層與礦石作用，從抽出孔抽出的浸出液經(jīng)吸附后成為吸附尾液，再次進入配液池加酸如此反復(fù)循環(huán)，流程如圖2所示。

圖2 A.ferrivorans氧化吸附尾液的工藝流程

1.4 細(xì)菌擴大培養(yǎng)

當(dāng)電位超過500 mV時，從生物反應(yīng)器頂部加入FeSO4·7H2O，每次加入量為10 kg，繼續(xù)通氣培養(yǎng)，反復(fù)3次；重復(fù)前面步驟，從上部取樣口取樣分析生物反應(yīng)器中菌液電位；當(dāng)電位超過500 mV時，再次從生物反應(yīng)器頂部加入綠礬，每次加入量為15 kg，繼續(xù)通氣培養(yǎng)如此反復(fù)進行5次，細(xì)菌擴大培養(yǎng)完成。

1.5 細(xì)菌流動氧化

試驗條件為尾液溫度5～24 ℃，在通氣量59.0 m3/h保持不變的情況下，逐步增大通液流量，同時從生物反應(yīng)器9個取樣口取樣，測量取樣口流出液的pH、Eh、DO，通過橫向及縱向分析，研究其變化規(guī)律。取樣時間點為每天800及2000；調(diào)節(jié)通液流量時間點為每天830及2030，連續(xù)操作。尾液流量調(diào)節(jié)幅度根據(jù)所測量尾液Eh大小相應(yīng)調(diào)整，若Eh>570 mV，則可以繼續(xù)穩(wěn)步加大流量；若Eh<570 mV，則需停止增大流量，待Eh數(shù)值上升到570 mV以上，方可繼續(xù)增加尾液流量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 生物陶粒表面SEM及EDS分析

圖3為不同運行時期下陶粒表面的SEM及EDS圖，通過對比圖3中(a)、(b)、(c)會發(fā)現(xiàn)，陶粒表面出現(xiàn)了不同程度的被侵蝕的痕跡。其中圖3(a)為未投入生物反應(yīng)器的原始陶粒表面的SEM圖，其表面較為光滑平坦；圖3(b)、(c)分別為生物反應(yīng)器運行3個月和運行6個月下陶粒表面的SEM圖，其表面表現(xiàn)出凹凸不平的溝壑狀，且隨著氧化時間的增加，溝壑程度愈加明顯。陶粒表面凹痕增多，使其與細(xì)菌接觸的比表面積增大，更多細(xì)菌能夠鑲嵌于凹縫中，為細(xì)菌的附著提供場所，利于陶粒表面的生物膜[14]形成和固定。同時，觀察圖3(b)、(c)發(fā)現(xiàn)，其表面布滿了長條狀的晶體物質(zhì)，這種物質(zhì)在原始陶粒上是沒有出現(xiàn)的，通過EDS分析并結(jié)合吸附尾液成分表，推測該物質(zhì)為硫酸鈣晶體。Ca2+、SO42-兩種離子在陶粒表面積累到一定的濃度，就會生成硫酸鈣晶體，這是一種結(jié)晶垢[15]，隨著高效生物反應(yīng)器的運行和時間的積累，晶體體積會不斷變大從而阻礙了陶粒表面生物膜的生成，不利于細(xì)菌在陶粒表面的黏附和聚集。

圖3 不同運行時期下陶粒表面的SEM及EDS結(jié)果:(a)原始陶粒表面；(b)3個月后的陶粒表面；(c) 6個月后的陶粒表面

2.2 生物反應(yīng)器細(xì)菌氧化流動尾液Eh變化

A.ferrivorans經(jīng)過擴大培養(yǎng)，生物陶粒得到充分掛膜，保持通氣量59.0 m3/h不變的條件下，開始逐步增大尾液流量，進行生物反應(yīng)器內(nèi)的流動氧化。原始尾液的Eh為420 mV,經(jīng)過細(xì)菌氧化，Eh逐漸升高，出口Eh達570 mV以上，生物反應(yīng)器連續(xù)14.5 d內(nèi)尾液流量調(diào)節(jié)情況如圖4所示。

圖4 生物反應(yīng)器內(nèi)尾液流量調(diào)節(jié)情況

由圖4可以看出，尾液流量基本呈線性增長，初始流量為4.7 m3/h，經(jīng)過14.5 d連續(xù)調(diào)節(jié)后，高效生物反應(yīng)器最大流量達到28.2 m3/h。尾液流量在增大過程中，幾乎沒有停滯階段，反映出了生物反應(yīng)器強大的氧化能力。

生物反應(yīng)器內(nèi)同水平方向不同取樣口Eh隨時間變化如圖5所示。觀察圖5可知，尾液流經(jīng)在6水平方向時，Eh(c點)>Eh(b點)>Eh(a點)(圖5(c))；尾液流動到5水平方向時，Eh(c點)依舊最高，而Eh(b點)和Eh(a點)此時已經(jīng)基本相同(圖5(b))；尾液繼續(xù)流動到4水平方向時，同水平線三個點Eh數(shù)值差別基本不大(圖5(a))。猜測可能是由于不同水平方向尾液流速有所不同，氧化停留時間不同而導(dǎo)致每一水平不同取樣口Eh都有所差別。6水平方向尾液流速最大，橫向三個點Eh差別也最大，隨著由下而上尾液流速逐漸降低，同水平方向上三個點Eh差別也逐漸減小，到4水平方向，三個點的Eh已經(jīng)基本相同。

圖5 生物反應(yīng)器內(nèi)同水平方向不同取樣口Eh隨時間變化：(a)塔內(nèi)4水平方向橫向?qū)Ρ龋?b)塔內(nèi)5水平方向橫向?qū)Ρ龋?c)塔內(nèi)6水平方向橫向?qū)Ρ?/p>

生物反應(yīng)器內(nèi)同垂直方向不同取樣口Eh隨時間變化如圖6所示。觀察圖6(a)、(b)、(c)可知，隨著尾液流量的不斷增加，高效生物反應(yīng)器內(nèi)5水平方向和4水平方向尾液的Eh呈現(xiàn)下降趨勢，在此期間，4水平方向最高Eh為619 mV,最低Eh為571 mV,表明流出尾液中的Fe2+已經(jīng)基本氧化完全。同時，對比圖6(b)、(c)和圖6(a)會發(fā)現(xiàn)，在生物反應(yīng)器內(nèi)b點和c點的垂線上，隨著尾液的流動方向(由下到上)，Eh會因為尾液中的Fe2+的氧化而不斷上升；而在生物反應(yīng)器內(nèi)的a點垂線上，5水平方向尾液Eh反而高于4水平方向。猜測可能是由于氣相和液相從高效生物反應(yīng)器底部并流，經(jīng)過陶粒層時，產(chǎn)生了返混現(xiàn)象[16,17]，使得尾液在塔內(nèi)的流動情況及停留時間發(fā)生了改變，從而破壞了正常流動方向尾液的氧化情況，最終導(dǎo)致塔內(nèi)a點同垂線上5水方向尾液Eh反而高于4水平方向。

圖6 生物反應(yīng)器內(nèi)同垂直方向不同取樣口Eh隨時間變化：(a)塔內(nèi)a點縱向?qū)Ρ龋?b)塔內(nèi)b點縱向?qū)Ρ龋?c)塔內(nèi)c點縱向?qū)Ρ?/p>

2.3 生物反應(yīng)器細(xì)菌氧化流動尾液pH變化

原始尾液pH為1.10左右，細(xì)菌在氧化過程中，pH變化也反映其相關(guān)的氧化情況。

圖7為生物反應(yīng)器內(nèi)同水平方向不同取樣口pH隨時間變化圖。觀察圖7會發(fā)現(xiàn)4水平方向及6水平方向同一水平方向不同位置尾液ph基本沒有差別，而5水平方向的情況為pH(a)與pH(b)相差不大，pH(c)最小，參照對比圖5(b)及其分析,結(jié)果與分析相符合。同時觀察圖7、圖8，對pH曲線作線性擬合，大部分?jǐn)M合線的R2的取值都非常高，表明了pH在塔內(nèi)呈現(xiàn)線性分布的變化規(guī)律。

圖7 生物反應(yīng)器內(nèi)同水平方向不同取樣口pH隨時間變化：(a)塔內(nèi)4水平方向橫向?qū)Ρ龋?b)塔內(nèi)5水平方向橫向?qū)Ρ龋?c)塔內(nèi)6水平方向橫向?qū)Ρ?/p>

圖8 生物反應(yīng)器內(nèi)同垂直方向不同取樣口pH隨時間變化：(a)塔內(nèi)a點縱向?qū)Ρ龋?b)塔內(nèi)b點縱向?qū)Ρ龋?c)塔內(nèi)c點縱向?qū)Ρ?/p>

生物反應(yīng)器內(nèi)同垂直方向不同取樣口pH隨時間變化如圖8所示。從圖8中可以很明顯看出，生物反應(yīng)器內(nèi)尾液流動狀態(tài)下，4、5、6三個水平方向的pH值有明顯的分層現(xiàn)象，大小順序分別為pH(6水平方向)>pH(5水平方向)>pH(4水平方向)。4、5、6水平方向的pH值隨著尾液流動方向逐步下降，pH下降總體變化值為0.2左右，最低pH值也在1.0以上，屬于細(xì)菌的耐酸范圍之內(nèi)。pH下降主要是因為尾液中的Fe2+被A.ferrivorans快速氧化，F(xiàn)e3+所占比例增多，F(xiàn)e3+水解同時使尾液中H+增多[18]。同時結(jié)合圖6中相同測量位置的尾液Eh可知，Eh越大，其相對應(yīng)尾液的pH越小。高效生物反應(yīng)器內(nèi)的氧化能力是相對固定的，隨著尾液流量的不斷增大，塔內(nèi)尾液中Fe2+被氧化的程度和細(xì)菌氧化的程度是逐漸降低的，因此pH線整體呈現(xiàn)上升趨勢，Eh線整體呈現(xiàn)下降趨勢。

2.4 生物反應(yīng)器細(xì)菌氧化流動尾液DO變化

A.ferrivorans為好氧菌，在不同DO濃度條件下，細(xì)菌的活性也有所差別。經(jīng)過長期監(jiān)測，原始尾液的DO值平均約為3.2 mg/L。通過比較相同位置不同DO大小下Eh的變化，從而推測細(xì)菌的活性狀態(tài)。

圖9為生物反應(yīng)器內(nèi)同水平方向不同取樣口pH隨時間變化圖。從圖9中反映，4水平方向和5水平方向的尾液在塔內(nèi)同一水平不同取樣口DO值基本相同；而6水平方向表現(xiàn)出明顯的分層，即DO(a點)>DO(b點)>DO(c點)，猜測是因為壓縮空氣進入塔內(nèi)時，在塔底產(chǎn)生了氣體回流現(xiàn)象[19]。布?xì)庋b置出口處，空氣從此處進入塔內(nèi)，出口處覆蓋的陶粒形成了擋板的作用，使得中間氣流過大，邊緣氣流相對較小，從而造成空氣在6水平方向的停留時間有所差別，即a點空氣停留時間更長，氧氣融入的更多，表現(xiàn)出6水平方向DO明顯的分層現(xiàn)象。同時，對比圖5(c)和圖9(c)，發(fā)現(xiàn)DO越小，其相應(yīng)位置的Eh反而越大，表明在6水平方向上，最適DO在5.5 mg/L左右時，細(xì)菌活性狀態(tài)最佳。

圖9 生物反應(yīng)器內(nèi)同水平方向不同取樣口DO隨時間變化：(a)塔內(nèi)4水平方向橫向?qū)Ρ龋?b)塔內(nèi)5水平方向橫向?qū)Ρ龋?c)塔內(nèi)6水平方向橫向?qū)Ρ?/p>

生物反應(yīng)器內(nèi)同垂直方向不同取樣口DO隨時間變化如圖10所示。觀察圖10(a)、(b)、(c)發(fā)現(xiàn)，DO變化曲線分為2個階段：0～2.5 d內(nèi)為啟動階段，尾液流量低于9.3 m3/h，流量較小，DO隨著高效生物反應(yīng)器運行時間的增長而迅速上升，同樣可能是由于a點垂直線方向返混現(xiàn)象較為明顯，圖10(a)中4、5、6水平方向的DO大小表現(xiàn)異常，分布不均；2.5～14.5 d為穩(wěn)定階段，塔內(nèi)a點垂線方向表現(xiàn)為DO(5水平方向)>DO(6水平方向)>DO(4水平方向)(圖10(a))，塔內(nèi)b點及c點垂線方向表現(xiàn)為DO(5水平方向)>DO(4水平方向)>DO(6水平方向)(圖10(b)、(c))。尾液從底部進入生物反應(yīng)器，與布?xì)庋b置所提供的壓縮空氣充分接觸，氧氣迅速融入，而隨著尾液在生物反應(yīng)器由下而上的流動，細(xì)菌氧化Fe2+過程中迅速消耗大量的融入氧氣，流量稍顯過大，壓縮空氣與進入尾液在6水平方向不能充分接觸融入，在空氣上升到5水平方向時，徹底融入，使得DO(5水平方向)高于DO(6水平方向)，同時，隨著尾液從5水平方向到4水平方向的繼續(xù)流動，這一段的細(xì)菌氧化也最為活躍，氧氣消耗也最快，使得DO(5水平方向)高于DO(4水平方向)。

圖10 生物反應(yīng)器內(nèi)同垂直方向不同取樣口DO隨時間變化：(a)塔內(nèi)a點縱向?qū)Ρ龋?b)塔內(nèi)b點縱向?qū)Ρ龋?c)塔內(nèi)c點縱向?qū)Ρ?/p>

3 結(jié)論

(1)溫度范圍在5～24 ℃之間，通氣量為59.0 m3/h時，生物反應(yīng)器試驗最大流量可達28.2 m3/h，出口尾液Eh穩(wěn)定在570～600 mV，尾液中的Fe2+可被完全氧化。

(2)生物反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌氧化流動尾液狀態(tài)下，塔內(nèi)同水平方向：在塔內(nèi)底部入口處，隨著塔內(nèi)中心位置向邊緣位置移動，DO會逐漸增大，細(xì)菌氧化速率會逐漸降低，DO=5.5 mg/L時，細(xì)菌活性最佳；隨著尾液從塔體底部到上部的流動，同水平方向上尾液各基本數(shù)值會趨于相同。

(3)生物反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌氧化流動尾液狀態(tài)下，塔內(nèi)同垂直方向：隨著壓縮空氣的通入，DO在塔體中部表現(xiàn)出最大值；在塔內(nèi)邊緣位置，塔體中部細(xì)菌的氧化速率最快；在塔內(nèi)中心及中間位置，隨著尾液從塔體底部到上部的流動，尾液中Fe2+含量逐漸降低，細(xì)菌氧化速率逐漸加快。

(4)初步試驗結(jié)果表明：現(xiàn)場試驗通氣量和尾液流量對細(xì)菌氧化Fe2+影響很大，由于試驗期間流量計和溶液泵的量程限制，生物反應(yīng)器氧化尾液流量尚未到達最大，試驗期間僅達到28.2 m3/h；若相關(guān)條件改善，生物反應(yīng)器的最大氧化尾液流量有望繼續(xù)提升。