細菌快速氧化新疆地浸采鈾吸附尾液中Fe2+現場擴大試驗研究

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 資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；

2.新疆中核天山鈾業有限公司，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、減輕環境污染等優點[1]。隨著對微生物浸出技術的研究不斷深入，它不僅在礦物加工領域內得到了有效推廣，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全年平均氣溫在4～13 ℃，因此需要找到一種能夠適應新疆當地的低溫環境，且能有效氧化地浸采鈾吸附尾液中Fe2+的細菌。

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、化能無機自養型微生物。Hallberg KB等[5]在研究從金屬礦山中分離的四種細菌時，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物中發現了氧化Fe2+和硫化物的細菌，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硫化物獲得能量，作為電子傳遞鏈上的各種細胞色素都具有特定的氧化還原電位，隨著Fe3+增加培養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，即細菌氧化尾液中Fe2+的速率與尾液的Eh存在正相關性[8]。細菌代謝亞鐵的反應式[9]為：

(1)

此外，陳鵬[10]還研究了A.ferrivorans的生長特性，當尾液Eh數值達到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搭建小型生物反應器，利用A.ferrivorans連續氧化吸附尾液中的Fe2+，其生物反應器能夠長期運行，氧化效果顯著，且相較于雙氧水作氧化劑，能節約成本約72.63%。基于此，本試驗在新疆某酸法地浸礦山露天設計建造新型高效生物反應器，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。通入地浸采鈾吸附尾液進行試驗研究，通過探討細菌在氧化Fe2+過程中的pH、Eh、DO值(溶解氧濃度)等變化，為細菌代替雙氧水作氧化劑的拓展應用提供數據基礎。

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小型生物反應器[11]；FeSO4·7H2O，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；吸附尾液，新疆中核天山鈾業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)，上海儀電科學儀器股份有限公司；螺旋桿式空氣壓縮機，上海優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，新疆中核天山鈾業有限公司；便攜式溶解氧測定儀(JPB-607A型)，上海儀電科學儀器股份有限公司；高分辨冷場發射掃描電鏡(SU8010)，日本日立公司；超高分辨率熱場發射掃描電鏡(QUANTA400FEG),美國FEI。

表1 吸附尾液成分

1.2 高效生物反應器的設計與建造

高效生物反應器為自行設計建造，如圖1所示。生物反應器材質為不銹鋼，高7.0 m，內徑2.0 m，總容積17.8 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，細菌有效反應體積為10 m3?，F有帶填料的生物反應器[12]主要分為懸浮式生物填料反應器和固定式生物填料反應器，主要被廣泛應用于污水處理方面，在地浸采鈾方面應用較少。以往的固定式生物填料反應器缺點在于生物反應器運行長時間以后，內部會積累結垢物質，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。新型高效生物反應器經過改進，較以往生物反應器更具靈活性和可操作性：生物反應器底部具有出口閥，載體可靈活裝卸，便于清洗；生物反應器塔體可移動，可隨工業需求運往不同場地。高效生物反應器采用下部進液，上部出液的運行模式，配液池中的吸附尾液由潛水泵經進液管路泵到反應器內部，再由布液裝置向四周均勻布液，吸附尾液流經附有細菌的陶粒載體，細菌充分氧化吸附尾液中的Fe2+后從生物反應器頂部溢流管流出；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，經由生物反應器底部布氣裝置均勻布氣，作為細菌的氧氣來源。在生物反應器的3個不同高度位設有取樣點，同時每個高度位同一水平不同位置處設置3個取樣口，共9個取樣口，用以取樣測量。“4、5、6”分別表示反應器上部水平線、中部水平線、下部水平線高度位置；“a、b、c”分別表示反應器同水平不同位置，“a”為罐內邊緣位置，“b”為罐內中間位置，“c”為罐內中心位置，組合對應9個不同的取樣口。

圖1 高效生物反應器結構簡圖

1.3 耐冷嗜酸亞鐵硫桿菌氧化吸附尾液工藝流程

在室外現場地表新建立的高效生物反應器，需要在生物反應器內部加入陶粒，以作為細菌的氧化載體。新加入的陶粒上并沒有細菌的附著，從室內的小型生物反應器內移植部分有細菌附著的活性陶粒作為菌源。小型生物反應器[11]長期運行，氧化作用顯著、穩定，其內部陶粒上附著的菌體，具有良好的活性?，F場吸附尾液在配液池加酸調節pH后，進入高效生物反應器內，尾液中的Fe2+被載體上的A.ferrivorans氧化為Fe3+。培養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吸附后成為吸附尾液，再次進入配液池加酸如此反復循環，流程如圖2所示。

圖2 A.ferrivorans氧化吸附尾液的工藝流程

1.4 細菌擴大培養

當電位超過500 mV時，從生物反應器頂部加入FeSO4·7H2O，每次加入量為10 kg，繼續通氣培養，反復3次；重復前面步驟，從上部取樣口取樣分析生物反應器中菌液電位；當電位超過500 mV時，再次從生物反應器頂部加入綠礬，每次加入量為15 kg，繼續通氣培養如此反復進行5次，細菌擴大培養完成。

1.5 細菌流動氧化

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，研究其變化規律。取樣時間點為每天800及2000；調節通液流量時間點為每天830及2030，連續操作。尾液流量調節幅度根據所測量尾液Eh大小相應調整，若Eh>570 mV，則可以繼續穩步加大流量；若Eh<570 mV，則需停止增大流量，待Eh數值上升到570 mV以上，方可繼續增加尾液流量。

2 試驗結果與討論

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)會發現，陶粒表面出現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，使其與細菌接觸的比表面積增大，更多細菌能夠鑲嵌于凹縫中，為細菌的附著提供場所，利于陶粒表面的生物膜[14]形成和固定。同時，觀察圖3(b)、(c)發現，其表面布滿了長條狀的晶體物質，這種物質在原始陶粒上是沒有出現的，通過EDS分析并結合吸附尾液成分表，推測該物質為硫酸鈣晶體。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，這是一種結晶垢[15]，隨著高效生物反應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 生物反應器細菌氧化流動尾液Eh變化

A.ferrivorans經過擴大培養，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，進行生物反應器內的流動氧化。原始尾液的Eh為420 mV,經過細菌氧化，Eh逐漸升高，出口Eh達570 mV以上，生物反應器連續14.5 d內尾液流量調節情況如圖4所示。

圖4 生物反應器內尾液流量調節情況

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，經過14.5 d連續調節后，高效生物反應器最大流量達到28.2 m3/h。尾液流量在增大過程中，幾乎沒有停滯階段，反映出了生物反應器強大的氧化能力。

生物反應器內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)此時已經基本相同(圖5(b))；尾液繼續流動到4水平方向時，同水平線三個點Eh數值差別基本不大(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已經基本相同。

圖5 生物反應器內同水平方向不同取樣口Eh隨時間變化：(a)塔內4水平方向橫向對比；(b)塔內5水平方向橫向對比；(c)塔內6水平方向橫向對比

生物反應器內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，高效生物反應器內5水平方向和4水平方向尾液的Eh呈現下降趨勢，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+已經基本氧化完全。同時，對比圖6(b)、(c)和圖6(a)會發現，在生物反應器內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；而在生物反應器內的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器底部并流，經過陶粒層時，產生了返混現象[16,17]，使得尾液在塔內的流動情況及停留時間發生了改變，從而破壞了正常流動方向尾液的氧化情況，最終導致塔內a點同垂線上5水方向尾液Eh反而高于4水平方向。

圖6 生物反應器內同垂直方向不同取樣口Eh隨時間變化：(a)塔內a點縱向對比；(b)塔內b點縱向對比；(c)塔內c點縱向對比

2.3 生物反應器細菌氧化流動尾液pH變化

原始尾液pH為1.10左右，細菌在氧化過程中，pH變化也反映其相關的氧化情況。

圖7為生物反應器內同水平方向不同取樣口pH隨時間變化圖。觀察圖7會發現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，大部分擬合線的R2的取值都非常高，表明了pH在塔內呈現線性分布的變化規律。

圖7 生物反應器內同水平方向不同取樣口pH隨時間變化：(a)塔內4水平方向橫向對比；(b)塔內5水平方向橫向對比；(c)塔內6水平方向橫向對比

圖8 生物反應器內同垂直方向不同取樣口pH隨時間變化：(a)塔內a點縱向對比；(b)塔內b點縱向對比；(c)塔內c點縱向對比

生物反應器內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，生物反應器內尾液流動狀態下，4、5、6三個水平方向的pH值有明顯的分層現象，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，屬于細菌的耐酸范圍之內。pH下降主要是因為尾液中的Fe2+被A.ferrivorans快速氧化，Fe3+所占比例增多，Fe3+水解同時使尾液中H+增多[18]。同時結合圖6中相同測量位置的尾液Eh可知，Eh越大，其相對應尾液的pH越小。高效生物反應器內的氧化能力是相對固定的，隨著尾液流量的不斷增大，塔內尾液中Fe2+被氧化的程度和細菌氧化的程度是逐漸降低的，因此pH線整體呈現上升趨勢，Eh線整體呈現下降趨勢。

2.4 生物反應器細菌氧化流動尾液DO變化

A.ferrivorans為好氧菌，在不同DO濃度條件下，細菌的活性也有所差別。經過長期監測，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，從而推測細菌的活性狀態。

圖9為生物反應器內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同一水平不同取樣口DO值基本相同；而6水平方向表現出明顯的分層，即DO(a點)>DO(b點)>DO(c點)，猜測是因為壓縮空氣進入塔內時，在塔底產生了氣體回流現象[19]。布氣裝置出口處，空氣從此處進入塔內，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，表現出6水平方向DO明顯的分層現象。同時，對比圖5(c)和圖9(c)，發現DO越小，其相應位置的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，細菌活性狀態最佳。

圖9 生物反應器內同水平方向不同取樣口DO隨時間變化：(a)塔內4水平方向橫向對比；(b)塔內5水平方向橫向對比；(c)塔內6水平方向橫向對比

生物反應器內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)發現，DO變化曲線分為2個階段：0～2.5 d內為啟動階段，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象較為明顯，圖10(a)中4、5、6水平方向的DO大小表現異常，分布不均；2.5～14.5 d為穩定階段，塔內a點垂線方向表現為DO(5水平方向)>DO(6水平方向)>DO(4水平方向)(圖10(a))，塔內b點及c點垂線方向表現為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器，與布氣裝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器由下而上的流動，細菌氧化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水平方向的繼續流動，這一段的細菌氧化也最為活躍，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 生物反應器內同垂直方向不同取樣口DO隨時間變化：(a)塔內a點縱向對比；(b)塔內b點縱向對比；(c)塔內c點縱向對比

3 結論

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

(2)生物反應器內細菌氧化流動尾液狀態下，塔內同水平方向：在塔內底部入口處，隨著塔內中心位置向邊緣位置移動，DO會逐漸增大，細菌氧化速率會逐漸降低，DO=5.5 mg/L時，細菌活性最佳；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值會趨于相同。

(3)生物反應器內細菌氧化流動尾液狀態下，塔內同垂直方向：隨著壓縮空氣的通入，DO在塔體中部表現出最大值；在塔內邊緣位置，塔體中部細菌的氧化速率最快；在塔內中心及中間位置，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，細菌氧化速率逐漸加快。

(4)初步試驗結果表明：現場試驗通氣量和尾液流量對細菌氧化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；若相關條件改善，生物反應器的最大氧化尾液流量有望繼續提升。