1 引言

　　在酸性環(huán)境下, 氧化亞鐵硫桿菌(A.ferrooxidans)可將Fe2+和還原態(tài)S分別氧化為Fe3+和SO42-, 同時(shí)獲得生命活動(dòng)中所需要的能量來固定空氣中的CO2和維持自身生長(zhǎng), 在環(huán)境工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.目前, A.ferrooxidans氧化Fe2+和還原態(tài)S的特性已經(jīng)被成功地應(yīng)用于生物濕法冶金、AMD的治理、煙氣脫硫、煤炭脫硫, 以及污泥、底泥等處理中.

　　A.ferrooxidans氧化Fe2+的過程通常發(fā)生在低pH、富含F(xiàn)e3+、SO42-及一價(jià)陽離子等(如K+、Na+、NH4+等)極端酸性環(huán)境中, 通常伴隨有次生羥基硫酸鐵礦物如黃鐵礬、施氏礦物等的生成.黃鐵礬具有不溶解于稀酸, 易于沉淀、洗滌和過濾等優(yōu)點(diǎn), 因而被廣泛用于金屬冶煉工業(yè)中除鐵.同時(shí), 黃鐵礬也是性能優(yōu)異、稀有昂貴的赭黃色無機(jī)顏料, 且黃鐵礬在作為固定化載體時(shí)有助于A.ferrooxidans生物膜的形成.然而, 在實(shí)際工程應(yīng)用中, 黃鐵礬的出現(xiàn)也會(huì)帶來負(fù)面作用.如煙氣脫硫中, 黃鐵礬的生成會(huì)減少反應(yīng)器中作為氧化劑的Fe3+的濃度;黃鐵礬在管道、閥門等位置的沉積還會(huì)影響反應(yīng)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)(Jensen et al., 2005;周順桂等.而另一種次生礦物—施氏礦物, 具有納米級(jí)粒度和不規(guī)則孔道結(jié)構(gòu), 比表面積多在100~200 m2·g-1, 且富含羥基、硫酸根等基團(tuán), 對(duì)重(類)金屬具有很強(qiáng)的吸附能力和共沉淀作用, 在重金屬?gòu)U水處理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.但若以A.ferrooxidans為主要功能菌的生物酸化來去除污泥或土壤體系固相中的重金屬時(shí), 產(chǎn)生的施氏礦物反而會(huì)起到副作用.

　　可見, 黃鐵礬或施氏礦物都有各自的優(yōu)缺點(diǎn), 結(jié)合上述實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的諸多問題, 本研究主要考察黃鐵礬或施氏礦物的形成條件, 根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)整最佳的工藝參數(shù), 進(jìn)而避免負(fù)效應(yīng)的產(chǎn)生.溫度和pH是容易調(diào)控的兩個(gè)主要因素, 本試驗(yàn)擬在A.ferrooxidans改良9K液體培養(yǎng)基體系下, 通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度和初始pH來考察二者對(duì)次生產(chǎn)物的綜合影響, 以期為環(huán)境治理中有效調(diào)控次生礦物的形成提供科學(xué)依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 供試材料

　　改良9K液體培養(yǎng)基：(NH4)2SO4 3.5 g, KCl 0.119 g, K2HPO4 0.058 g, Ca(NO3)2·4H2O 0.0168 g, MgSO4·7H2O 0.583 g, 蒸餾水1000 mL, pH=2.5, 121 ℃滅菌30 min.

　　A.ferrooxidans休止細(xì)胞制備：將A.ferrooxidans接種在改良9K培養(yǎng)基中, 置于28 ℃、180 r·min-1搖床中振蕩培養(yǎng), 指數(shù)生長(zhǎng)階段后期停止培養(yǎng)(約2~3 d).隨后將培養(yǎng)液經(jīng)定性濾紙過濾以除去生成的鐵沉淀物, 將濾液以10000×g的相對(duì)離心力(4 ℃、10 min)離心收集菌體, 并用pH=1.5的酸水(H2SO4配制)洗3次, 除去各種雜離子.將這些菌體懸浮于pH=2.5的酸水(H2SO4配制), 所得即為A.ferrooxidans濃縮菌液.

　　2.2 試驗(yàn)設(shè)置

　　在一系列500 mL三角瓶中加入改良9K液體培養(yǎng)基, 按8960 mg·L-1的Fe2+濃度加入FeSO4·7H2O, 用1:1的H2SO4調(diào)上述所有體系pH至1.5、2.0、2.5和3.0, 隨后接種A.ferrooxidans休止細(xì)胞懸浮液, 并補(bǔ)充去離子水, 使體系的有效容積為250 mL, A.ferrooxidans密度為5×107 cells·mL-1.上述三角瓶分別置于8、18、28和38 ℃搖床中振蕩培養(yǎng)72 h.培養(yǎng)過程中, 定期取液體樣約1 mL過0.22 μm濾膜(取樣前使三角瓶預(yù)先靜置5 min, 使次生礦物完全沉降, 然后取上清液), 測(cè)定和計(jì)算Fe2+濃度、Fe2+平均氧化速度、總Fe沉淀率的變化情況.培養(yǎng)期間采用稱重法定時(shí)補(bǔ)加因蒸發(fā)減少的水分.培養(yǎng)終點(diǎn)時(shí), 用中速定性濾紙收集合成的次生礦物, 用去離子水清洗2次以去除雜質(zhì), 60 ℃烘干后稱重并進(jìn)行礦物相鑒定.不同處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù).Fe2+氧化率(R1)、總Fe沉淀率(R2)和Fe2+平均氧化速度(V, mg·L-1·h-1)計(jì)算公式如下：

　　(1)

　　(2)

　　(3)

　　式中, [TFe]為總Fe濃度(mg·L-1);X1和X2分別為t1和t2時(shí)刻的Fe2+濃度(mg·L-1).

　　2.3 測(cè)定方法

　　采用pHS-3C精密pH計(jì)測(cè)定溶液pH值;Fe2+和總Fe濃度采用鄰啡羅啉比色法測(cè)定;礦物質(zhì)量用電子天平稱量;礦物顏色用標(biāo)準(zhǔn)比色卡進(jìn)行比對(duì);礦物相采用X射線衍射儀測(cè)定(XRD, Bruker D8), 測(cè)試工作條件為：管電壓40 kV, 管電流40 mA, 掃描區(qū)間10°~80°(2θ), 步長(zhǎng)0.01°, 掃描速率6°·min-1, Cu靶.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 溶液溫度和pH對(duì)Fe2+生物氧化的影響

　　在A.ferrooxidans接種密度為5×107 cells·mL-1, Fe2+濃度為8960 mg·L-1的9K培養(yǎng)基中, 通過改變起始pH和培養(yǎng)溫度來觀察二者對(duì)Fe2+氧化、Fe3+水解沉淀及次生礦物形成的綜合影響.圖 1是反應(yīng)過程中不同處理體系Fe2+的生物氧化情況.另外, 通過計(jì)算Fe2+的平均氧化速度來對(duì)各處理中Fe2+的氧化速度進(jìn)行定量比較, 結(jié)果如表 1所示.

　　圖 1溶液起始pH和反應(yīng)溫度對(duì)Fe2+氧化的影響(a.8 ℃;b.18 ℃;c.28 ℃;d.38 ℃)

　　表 1 溶液起始pH和反應(yīng)溫度對(duì)Fe2+平均氧化速度的影響

　　結(jié)合圖 1c和表 1可以看出, 28 ℃時(shí)A.ferrooxidans氧化Fe2+的速度最快, 這與Daoud 等(2006)的研究結(jié)果是接近的.當(dāng)培養(yǎng)溫度為28 ℃時(shí), 起始pH=2.0~3.0處理中的反應(yīng)最快, Fe2+的最高平均氧化速度高達(dá)402 mg·L-1·h-1(pH=2.5, 12~24 h), 反應(yīng)至24 h時(shí)90%以上的Fe2+被氧化;當(dāng)pH降到1.5時(shí), Fe2+的氧化速度明顯下降, Fe2+的最高平均氧化速度為226 mg·L-1·h-1(24~48 h), 反應(yīng)至24 h時(shí)Fe2+氧化率只有39.35%.不過, 所有處理的Fe2+都在48 h內(nèi)被完全氧化.由于A.ferrooxidans在氧化Fe2+的過程中可以獲得自身生命活動(dòng)所需的能量, 因而在9K培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí), A.ferrooxidans會(huì)不斷繁殖, 菌密度會(huì)不斷增加.而因受低pH的影響, A.ferrooxidans活性或繁殖受到抑制, 表現(xiàn)出較低的Fe2+氧化速度.因此, 在圖 1c中可以看到, 在pH 2.0~3.0時(shí), 12~24 h時(shí)段Fe2+的平均氧化速度要高于0~12 h時(shí)Fe2+的平均氧化速度, 而pH=1.5處理則表現(xiàn)出Fe2+最高氧化速度的延后性.

　　當(dāng)溫度升高到38 ℃時(shí), Fe2+的氧化速度明顯變慢, 最高Fe2+平均氧化速率也只有176 mg·L-1·h-1(0~6 h), 此時(shí)起始pH=2.5, 反應(yīng)72 h時(shí)只有75.69%的Fe2+被氧化, pH=3.0處理與其相當(dāng).此外, 結(jié)合圖 1d和表 1可以發(fā)現(xiàn), pH=2.0~3.0時(shí)Fe2+的最高平均氧化速度體現(xiàn)在反應(yīng)初始階段, 其不僅沒有隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸提高, 反而表現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì).說明高溫不僅使得A.ferrooxidans的氧化活性受到了抑制, 而且其繁殖能力也受到了影響.尤其是pH=1.5的處理, 高溫加上低pH的雙重影響, A.ferrooxidans一直表現(xiàn)出較低Fe2+氧化速度, 反應(yīng)72 h時(shí)Fe2+累積氧化率只有20.67%.

　　當(dāng)溫度為18 ℃時(shí), Fe2+的氧化速度要慢于28 ℃, 但要快于38 ℃.pH越低, 完全氧化Fe2+所需的時(shí)間越長(zhǎng), 其中, 起始pH=2.5~3.0處理中的Fe2+在48 h內(nèi)被完全氧化, pH=2.0處理中的Fe2+被完全氧化則需72 h, pH=1.5處理在72 h反應(yīng)時(shí)間內(nèi)Fe2+氧化率只有51.26%(圖 1b).對(duì)照28 ℃處理可知, 因受溫度的影響, A.ferrooxidans的氧化活性和繁殖能力都迅速下降, 各處理Fe2+的平均氧化速率在0~24 h內(nèi)都只在52~93 mg·L-1·h-1間起伏, 最高平均氧化速度相對(duì)滯后12~24 h.

　　當(dāng)溫度只有8 ℃時(shí), 所有處理中Fe2+的氧化速度都很慢, 反應(yīng)72 h時(shí), Fe2+最高氧化率只有34.02%, 不同處理之間差異較小, 說明相對(duì)于pH而言, 溫度對(duì)A.ferrooxidans的影響作用更明顯.另外, 表 1中也沒有觀察到Fe2+加速氧化的現(xiàn)象, 不同時(shí)段Fe2+平均氧化速度基本在40~90 mg·L-1·h-1之間, 說明8 ℃下不利于A.ferrooxidans的生長(zhǎng)繁殖.

　　3.2 溶液溫度和pH對(duì)Fe3+水解成礦的影響

　　圖 2描述的是在不同的起始pH和反應(yīng)溫度條件下, 各處理中總Fe沉淀率的變化趨勢(shì).其實(shí)質(zhì)是在一定的pH和溫度、充分的SO42-和一價(jià)陽離子(K+、NH4+)體系中, 溶液中的可溶性Fe3+通過水解形成次生鐵礦物的方式從液相轉(zhuǎn)移到固相.

　　圖 2溶液起始pH和反應(yīng)溫度對(duì)Fe3+水解沉淀的影響(a.8 ℃;b.18 ℃;c.28 ℃;d.38 ℃)

　　當(dāng)反應(yīng)溫度為8 ℃時(shí)(圖 2a), 通過觀察發(fā)現(xiàn), 只有pH=3.0處理中出現(xiàn)渾濁, 有少量沉淀生成, 計(jì)算總Fe沉淀率為6.50%;而其它處理中則液體澄清, 瓶壁干凈, 沒有明顯的固相生成.究其原因有兩個(gè)：一是低溫不利于細(xì)菌氧化Fe2+(圖 1a和表 1), 從而導(dǎo)致體系中的Fe3+濃度低, 繼而不利于次生礦物的形成;另外一個(gè)就是次生礦物的形成是一個(gè)吸熱反應(yīng), 所以溫度低不利于Fe3+水解反應(yīng)的進(jìn)行.當(dāng)溫度提高到18 ℃時(shí)(圖 2b), 除了起始pH=1.5處理外, 其它反應(yīng)體系中均有沉淀生成, 且反應(yīng)24 h后總Fe沉淀率呈直線上升趨勢(shì), 結(jié)合表 1可以推測(cè), Fe2+氧化速度的加快(24~48 h)促進(jìn)體系Fe3+濃度的提高有利于次生礦物的生成.總體來說, 起始pH越高, 越有利于除去溶液中的可溶性鐵.當(dāng)溫度提高到28 ℃時(shí)(圖 2c), 除pH=1.5處理外, 所有處理中總Fe沉淀率從反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)就開始直線上升, 生成大量次生鐵礦物, 反應(yīng)72 h后, pH=2.0、2.5、3.0時(shí)總Fe沉淀率分別達(dá)到23.75%、34.92%、38.85%.當(dāng)溫度為38 ℃時(shí)(圖 2d), 較高pH處理也能保證一定的總Fe沉淀率.通過與18 ℃條件下的結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn), 雖然溫度升高不利于A.ferrooxidans對(duì)Fe2+充分氧化, 但卻能夠顯著促進(jìn)次生鐵礦物的生成.說明高溫促進(jìn)了Fe3+的水解, 吸熱效應(yīng)促使次生鐵礦物的形成反應(yīng)平衡向右移動(dòng).

　　3.3 溶液溫度和pH對(duì)次生鐵礦物顏色和重量的影響

　　表 2是不同處理培養(yǎng)72 h后收集的次生鐵礦物的顏色和質(zhì)量.采用土壤標(biāo)準(zhǔn)比色卡對(duì)礦物顏色進(jìn)行比對(duì), 發(fā)現(xiàn)礦物的顏色變化具有一定的規(guī)律性, 大致如下：在溫度相同的情況下, 隨著起始pH的升高, 礦物的顏色由淺入深, 由黃色向紅色轉(zhuǎn)變.如在18 ℃條件下, 隨著溶液的起始pH從2.0升到3.0, 礦物的顏色逐漸由黃色, 經(jīng)黃橙色過渡到淡紅棕色.在起始pH相同的情況下, 隨著反應(yīng)溫度的升高, 礦物的顏色由深變淺.

　　表 2 不同pH和溫度處理下生成礦物的顏色和質(zhì)量

　　不同反應(yīng)條件下, 生物成因次生礦物量具有明顯差異.起始pH=1.5時(shí), 不同溫度處理均未發(fā)現(xiàn)有礦物生成, 起始pH越高, 收集礦物量越多.溫度為8 ℃時(shí), 只有pH=3.0處理中有0.03 g礦物生成.當(dāng)溫度升高到18 ℃時(shí), 礦物的形成量明顯增多, 相對(duì)于8 ℃而言, 18 ℃下在pH=2.0時(shí)就發(fā)現(xiàn)有礦物形成.當(dāng)溫度為28 ℃時(shí), 礦物生成量明顯增多, 如pH=3.0處理礦物量達(dá)到2.23 g.當(dāng)溫度為38 ℃時(shí), 不同pH條件下生成礦物量雖然相對(duì)28 ℃有所減少, 但仍遠(yuǎn)多于18 ℃處理, 這與圖 2總Fe沉淀率的規(guī)律較為一致.

　　3.4 溶液溫度和pH對(duì)次生鐵礦物相的影響及調(diào)控

　　圖 3為改良9K培養(yǎng)基中培養(yǎng)72 h時(shí)收集得到的次生鐵礦物XRD譜.顯然, 溫度和起始pH對(duì)體系次生鐵礦物的種類都有一定的影響.在18 ℃環(huán)境下, 起始pH=2.5和pH=3.0處理收集的次生鐵礦物應(yīng)為同一物質(zhì), 根據(jù)其衍射峰位置及相對(duì)強(qiáng)度, 分析礦物為一種無定型的施威特曼石.而起始pH=2.0時(shí), 次生礦物開始出現(xiàn)微弱的黃鐵礬衍射峰.柏雙友等研究結(jié)果表明, Fe3+供應(yīng)速度的提高是促進(jìn)次生礦物相向黃鐵礬轉(zhuǎn)變的主要原因, 在相同條件下, 80 mmol·L-1 Fe2+時(shí)產(chǎn)物為純凈的施氏礦物, 而80 mmol·L-1 Fe2++10 mmol·L-1 Fe3+時(shí)主要產(chǎn)物為黃鐵礬.而結(jié)合圖 1可以發(fā)現(xiàn), pH=2.0時(shí)Fe2+氧化速度不及pH=2.5~3.0, 這也間接說明促使黃鐵礬生成的因素不僅僅局限于Fe2+氧化速度, 與體系pH也密切相關(guān).當(dāng)溫度上升至28 ℃時(shí), 起始pH=3.0時(shí)收集到的礦物為單一施威特曼石, 而在pH=2.0~2.5范圍內(nèi), pH降低有利于黃鐵礬的生成, 且pH越低, 表征的衍射峰越強(qiáng), 這與Liao等研究結(jié)果一致.此外發(fā)現(xiàn), 不同pH處理在38 ℃時(shí)獲得礦物相均為無定型的施威特曼石, 結(jié)合圖 1可以判斷, 較低的Fe3+供應(yīng)速度是導(dǎo)致此溫度下次生礦物相為施威特曼石的主要原因.Kupka等研究表明, 在5 ℃環(huán)境下培養(yǎng)17 d后生成的礦物以施威特曼石為主, 并含有少量的黃鉀鐵礬, 而在30 ℃時(shí)則相反.因本研究培養(yǎng)時(shí)間只有3 d, 故在低溫時(shí)并未收集到任何礦物相的次生產(chǎn)物, 但從溫度18~28 ℃、pH=2.0~2.5時(shí)的培養(yǎng)結(jié)果來看, 與上述學(xué)者結(jié)論并不矛盾.Wang等報(bào)道, 溫度的升高有利于施威特曼石向黃鉀鐵礬轉(zhuǎn)變, 這在圖 3中也有所體現(xiàn), 但前提是溫度不能過于極端, 且要保證培養(yǎng)體系起始pH在一定范圍內(nèi).

　　圖 3不同處理生物成因次生鐵礦物的XRD圖譜

　　在適宜環(huán)境條件下, A.ferrooxidans氧化Fe2+成Fe3+后, 體系成礦主要反應(yīng)方程式如下：

　　(4)

　　當(dāng)體系存在一定濃度一價(jià)陽離子時(shí)(M+=Na+、K+、NH4+), Fe3+會(huì)水解生成黃鐵礬：

　　(5)

　　理論上, 次生礦物完全按反應(yīng)式(4) 或(5)單獨(dú)進(jìn)行時(shí), 單位Fe3+所合成純黃鐵礬質(zhì)量應(yīng)為純施威特曼石的1.5倍以上.在知曉溫度和起始pH對(duì)次生鐵礦物相影響的基礎(chǔ)上, 結(jié)合表 2和圖 3發(fā)現(xiàn), 18~28 ℃溫度下獲得施威特曼石和黃鉀鐵礬的混合物質(zhì)量均小于純施威特曼石, 與理論結(jié)果“相悖”, 這主要受體系起始pH的影響.因?yàn)槭┩�特曼石為典型的球形海膽結(jié)構(gòu), 且具有較高的比表面積, 易于溶質(zhì)擴(kuò)散和礦物溶解.劉奮武等在酸性環(huán)境下考察了施威特曼石的穩(wěn)定性, 結(jié)果表明, 在15 ℃搖床中振蕩72 h, pH=3.0體系中施威特曼石溶解率只有3.34%, 而當(dāng)pH下調(diào)至2.0時(shí), 相同時(shí)間內(nèi)溶解率達(dá)到61.46%.這也對(duì)本研究結(jié)果進(jìn)行了佐證, 且由反應(yīng)式(4)和(5) 可知, Fe3+水解成礦是產(chǎn)酸過程, 隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行, 體系pH相對(duì)起始值會(huì)更低, 更易提高施威特曼石溶解程度.依此可以推斷, 要使得施威特曼石大量合成和總Fe沉淀率提高, 對(duì)反應(yīng)體系溫度和pH的適當(dāng)調(diào)控至關(guān)重要.

　　結(jié)合前面的試驗(yàn)結(jié)果, 對(duì)不同pH和溫度條件下Fe2+氧化和Fe3+水解成礦的若干規(guī)律及其控制條件進(jìn)行了總結(jié):以提高溶液Fe3+濃度為目的：在涉及A.ferrooxidans工程應(yīng)用中, 如煙氣脫硫, 次生礦物的生成會(huì)減少反應(yīng)器中作為氧化劑的Fe3+的濃度, 且其在管道、閥門等位置的沉積還會(huì)影響反應(yīng)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn).所以, 若要確保溶液具有較高的Fe3+濃度且防止次生礦物形成, 則最佳控制反應(yīng)條件為溫度28 ℃和起始pH=1.5, 此時(shí)48 h內(nèi)Fe2+的平均氧化速率為187 mg·L-1·h-1, TFe沉淀率只有2.69%.以提高施氏礦物生物合成率為目的：施氏礦物具有納米級(jí)粒度和不規(guī)則孔道結(jié)構(gòu), 具有較大比表面積且富含羥基、硫酸根等基團(tuán), 對(duì)重(類)金屬具有很強(qiáng)的吸附能力和共沉淀作用, 在重金屬?gòu)U水領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.研究結(jié)果表明, 若要促使Fe2+快速氧化同時(shí)大量合成施氏礦物, 最佳控制條件為28 ℃和pH=3.0, 此時(shí)24 h內(nèi)Fe2+的平均氧化速率為357 mg·L-1·h-1, 72 h內(nèi)TFe沉淀率高達(dá)38.85%.以提高黃鐵礬生物合成率為目的：黃鐵礬具有不溶解于稀酸, 易于沉淀、洗滌和過濾等優(yōu)點(diǎn), 是稀有昂貴的赭黃色無機(jī)顏料.因此, 若從無機(jī)顏料的角度出發(fā), 以促進(jìn)次生鐵礦物向黃鐵礬轉(zhuǎn)換為目的, 則控制反應(yīng)溫度28 ℃和pH=2.0~2.5為宜.具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　1) 溫度和pH均影響Fe2+生物氧化和Fe3+水解成礦.A.ferrooxidans在28 ℃時(shí)生長(zhǎng)最為適宜, 18 ℃次之, 而10 ℃和38 ℃則都不利于細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖, 導(dǎo)致Fe2+氧化速度明顯變慢.pH=2.0~3.0對(duì)A.ferrooxidans的氧化活性沒有明顯影響, 而pH=1.5對(duì)其有顯著的抑制作用.

　　2) 在適宜溫度下, 體系初始pH會(huì)影響生物成因次生礦物的產(chǎn)量及礦物相.在改良9K培養(yǎng)基中, 以促進(jìn)次生鐵礦物向黃鐵礬轉(zhuǎn)換為目的, 則控制反應(yīng)溫度28 ℃、pH=2.0~2.5為宜.若要保證Fe2+快速氧化同時(shí)提高總Fe沉淀率和施氏礦物的大量生成, 最佳控制條件為28 ℃、pH=3.0.這對(duì)去除酸性礦山廢水中可溶性Fe、SO42-及有效調(diào)控次生礦物的形成具有潛在意義.