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酸性矿山废水产生机制及调控

浏览次数:63  更新时间:2018-07-05

矿物酸性体系下溶解所释放出的游离硫杆菌对Fe2+氧化率的影响如图 4所示.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  图 4

  图 4生物成因施氏矿物表面附着硫杆菌(a)与矿物溶解游离硫杆菌(b)对Fe2+氧化体系Fe2+氧化率的影响

  对照体系在108 h培养过程中, Fe2+氧化率逐渐从0升高至9.64%.小幅的Fe2+氧化消耗体系一定量的H+(Fe2++0.25 O2+H+→Fe3++0.5H2O), 致使体系pH升高(图 3).当对照体系加入0.1、0.2、0.3、0.4 g施氏矿物后, 体系Fe2+氧化率随时间呈现明显增加趋势, 并且施氏矿物加入量越大, Fe2+氧化率增加幅度越大.虽然加入0.1~0.4 g施氏矿物体系Fe2+氧化率在108 h全部达到100%, 然而这并不能说明各处理氧化亚铁硫杆菌Fe2+氧化能力是一致的, 仅是由于体系总的Fe2+浓度限制, 使得不同处理体系Fe2+在108 h实现完全氧化.在48~96 h培养过程中, 体系Fe2+氧化率均呈现出:对照+0.4 g施氏矿物>对照+0.3 g施氏矿物>对照+0.2 g施氏矿物>对照+0.1 g施氏矿物的变化趋势.刘奋武等(2013a)同样观察到类似现象, 其发现当体系初始氧化亚铁硫杆菌密度从1.35×106 cells·mL-1增加至8.10×106 cells·mL-1时, 在改进型9K液体培养基生物氧化Fe2+时, 各处理在12、24、36 h的Fe2+氧化率随着体系微生物数量增加而增加, 由于体系Fe2+浓度有限, 在第48 h各处理Fe2+均实现完全氧化.与添加施氏矿物引入的氧化亚铁硫杆菌Fe2+氧化相比较, 施氏矿物溶解后释放出的微生物进一步显著加速了体系的Fe2+氧化进程.体系Fe2+氧化速率随着溶解施氏矿物量的增加而增加, 且在第84 h, 所有施氏矿物溶解体系Fe2+氧化率全部达到90%以上.通过图 4可以得出, 氧化亚铁硫杆菌吸附包裹于施氏矿物后, 其对体系Fe2+氧化能力明显减弱.例如, 0.1、0.2、0.3与0.4 g施氏矿物加入体系, 在第72 h, 体系Fe2+氧化率分别为19.0%、20.3%、24.2%与30.8%, 而当0.1、0.2、0.3与0.4 g施氏矿物溶解加入体系后, 对应时刻点体系Fe2+氧化率分别为30.8%、49.7%、77.1%与84.7%.究其原因可能是由于生物合成次生铁矿物颗粒相互粘附生长, 被施氏矿物包裹的硫杆菌无法及时进入液相, 进而减缓体系Fe2+氧化进程.而施氏矿物溶解后, 所有微生物均成为游离态, 加速体系Fe2+氧化.前人研究表明, Fe2+氧化过程产生的电子会传递到氧化亚铁硫杆菌表面, 通过蛋白质传递给细胞内细胞色素C, 最终在部分酶的参与下, 最终将电子传递给氧气(Rawlings, 2005).次生铁矿物对氧化亚铁硫杆菌的吸附包裹, 可能在一定程度上降低了电子向菌体表面的传递效率, 进而影响整个体系氧化还原反应的发生, 降低Fe2+生物氧化效率.

  3.4 施氏矿物表面附着硫杆菌与矿物溶解游离硫杆菌对Fe2+氧化体系次生铁矿物合成量影响

  前期研究已经表明, 氧化亚铁硫杆菌接入改进型9K液体培养基中培养, 体系合成的次生铁矿物应为施氏矿物与黄铁矾的混合物(刘奋武等, 2013a;2015), 故在此并未对体系产生的次生铁矿物进行进一步矿相分析.本研究对不同体系次生铁矿物产生量给予关注, 结果如图 5所示.

  图 5

  图 5不同处理体系次生铁矿物产生量

  当对照体系加入0.1、0.2、0.3与0.4 g施氏矿物, 108 h培养完成后, 体系收获次生铁矿物质量(以干物质计)分别为3.38、3.95、4.58与5.00 g·L-1, 抵消体系初始引入施氏矿物的量, 则不同体系次生铁矿物(以干物质计)产生增量分别为3.05、3.30、3.61与3.70 g·L-1.当对照体系接纳溶解0.1、0.2、0.3与0.4 g施氏矿物, 结束培养时, 体系次生铁矿物产生量分别为6.16、6.44、6.76与7.89 g·L-1.可见, 粘附包裹于施氏矿物的硫杆菌由于显著降低了Fe2+氧化效率, 进而大幅度降低了体系次生铁矿物产生量.这一研究结果与前期研究结果(刘奋武等, 2013a)相一致, 即在次生铁矿物合成体系, Fe2+氧化速率越慢, 体系次生铁矿物合成量越少.

  4 结论(Conclusions)

  本研究以生物合成施氏矿物为例, 在系统考察生物成因施氏矿物对氧化亚铁硫杆菌吸附包裹能力的基础上, 进一步验证了生物成因施氏矿物附着包裹硫杆菌与施氏矿物溶解后游离的硫杆菌对体系Fe2+氧化效果的影响.研究证实, 施氏矿物培养体系抽滤后所获脱水施氏矿物含水率为51.3%, 抽滤所得施氏矿物对氧化亚铁硫杆菌吸附量为2.0×108 cells·g-1.在富铁酸性硫酸盐体系, 施氏矿物对硫杆菌的吸附包裹作用抑制微生物进入液相参与Fe2+氧化, 致使体系Fe2+氧化效率降低, 次生铁矿物合成量减少, 酸化程度减弱.换言之, 酸性矿山废水体系人为调控次生铁矿物大量合成, 使其大量吸附包裹铁氧化细菌, 可能有望减缓酸性矿山废水的进一步产生.

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