赤泥的微生物淋滤:过程、机理与优化
赤泥是用铝土矿冶炼金属铝过程中产生的工业固体废渣，因其量大且具有腐蚀性、放射性和重金属毒性等特点，使赤泥无害化处理一直是环保领域中一项亟待解决的重大技术难题。赤泥中含有镓、锗、钒和稀土元素等贵重金属，从资源利用的角度亦是一种宝贵的战略性资源，如何经济有效的从赤泥中回收贵重金属元素是冶金行业中的重要研究课题。
生物湿法冶金（生物淋滤）技术是指利用特定微生物或其代谢产物的氧化、还原、络合、吸附或溶解作用，将固相基质中某些金属成分分离浸提从而便于回收的一种技术。与传统的化学冶金法相比，生物淋滤技术具有反应条件温和，成本低，能耗小，无二次污染等优点，因此在湿法冶金领域具有良好的发展潜力;生物淋滤技术的另一优势是在浸出固体废物中金属离子的同时使其达到无害化目的。
本文采用生物淋滤技术处理赤泥，为同时达到赤泥的资源化和无害化的双重目标而开展探索性研究工作。首先采用高通量测序技术分析赤泥样品微生物多样性;从赤泥中筛选出产酸量较大且耐碱耐盐的多个菌株;以三色青霉(PenicilliumtricolorRM-10)和黑曲霉(Aspergillusniger)作为功能菌，使用生物淋滤技术研究了赤泥中贵重金属元素、放射性元素及重金属元素的浸出情况;最后研究了生物淋滤赤泥过程中的相关作用机理，并采用响应曲面法建立了相关非线性回归方程模型以探讨生物淋滤进程中各影响因子之间的交互关系及最佳区间。
主要研究结果如下:
1.高通量测序结果分析表明在赤泥堆场中心位置的赤泥中未检测到任何生命的存在，而在赤泥堆场周边的赤泥中检测到丰富的微生物多样性，主要有蓝藻门，放线菌门、变形菌门、拟杆菌门，绿弯菌门，绿菌门、奇古菌门和后壁菌门，其中蓝藻门、绿弯菌门和古菌门可能是改变赤泥恶劣生境的先锋菌种。赤泥堆场边缘赤泥的pH值、EC（电导）和ANC（酸中和能力）值均低于中心位置堆积的赤泥，暗示赤泥经过微生物长期作用后，其理化特性和毒性得到一定程度的改善。从赤泥样品中筛选到产酸量较大的青霉RM-10，作为后续研究赤泥生物淋滤的功能菌。
2.生物淋滤研究结果表明，青霉RM-10和黑曲霉在一定的生物淋滤条件下均可有效淋滤出赤泥中的贵重金属元素，且不同淋滤方式下具有不同的金属浸出效率。除了元素Y和Sc，其它稀土元素随着原子序数的增加，其浸提效率大体上都增加，且重稀土元素的浸出效率要明显高于轻稀土元素。该结果说明在有相似特性的同类型金属元素之间，具有较小离子半径的金属元素很可能具有较高的浸出效率。在所测定的生物淋滤周期内，菌体的生物量与淋滤液pH值有很好的线性相关性，表明微生物的生命活动是决定淋滤系统pH值的主导因素。随着淋滤系统内添加赤泥浓度的增加，两株菌的最高生物量降低，淋滤系统内的初始pH值和结束pH值随之增加，说明赤泥会对菌体的新陈代谢产生明显的抑制作用。
3.赤泥样品的腐蚀性、浸出毒性和放射性均超出了国内或国际上规定的相关标准，应属于危险固废的行列。ANC测定试验表明赤泥中约有33％的难溶碱性矿物，需要较长时间才能从固态中溶出成为易于反应的离子态。赤泥中可溶态阳离子的排列顺序为:Na+＞K+＞Ca+＞Mg+，可溶态Na的数量占所有可溶出阳离子量的85.5％;而赤泥中可交换态阳离子的排列顺序为:Ca+＞Na+＞K+＞Mg+。经生物淋滤处理后，赤泥中的重金属元素和放射性元素均得到有效浸出，使残余赤泥的腐蚀性、浸出毒性和放射性都低于国内或国际相关标准。经真菌处理后的赤泥其放射性核素的残留比率排列顺序为:40K＜226Ra＜232Th。处理后赤泥的长期ANC、短期ANC、EC、ESP、CEC的值都明显降低，且Ca+成为溶出数量最多的阳离子。
4.在生物淋滤过程中青霉RM-10和黑曲霉分泌的有机酸的种类和数量不同，一定浓度的赤泥可以刺激青霉产酸，但是却抑制了黑曲霉的产酸量。微观形态分析结果表明，赤泥颗粒紧紧附着于菌丝体表面，但当赤泥颗粒的直径比菌丝的宽度大的多的时候，菌丝体可以穿插并贯穿赤泥颗粒。与原赤泥颗粒的微观形态相比，被微生物作用后的赤泥颗粒可观察到菌体作用后留下的痕迹，许多在赤泥表面较小的和非晶形的颗粒被微生物严重腐蚀，只留下相对来说较平滑的层状的晶型结构。经微生物作用后赤泥中Si的比重增加，而Fe，Ca,Na,K和Al的比重降低。两株真菌在生物淋滤过程中分泌的代谢产物主要有醛类物质、酯类物质、醇类物质、酮类物质和酸类物质，菌体分泌的有机酸除柠檬酸、葡萄糖酸和草酸外，还有一定量的醋酸、甲酸、丙酸、呋喃甲酸、苯甲酸，乙酰丙酸，和3-甲基-2-富马酸。生物淋滤过程中碱度对所用菌体的生长影响并不明显，但是金属离子会对菌体生长起明显负面效应;Plackett-Burman试验表明，在赤泥中对菌体的生长有显著影响的因子为:Fe＞Al＞Ca。
5.通过响应曲面法将生物淋滤过程中的因素与水平的相互关系用多项式进行拟合，分别得到两株功能菌的生物量、产酸量和金属离子浸出量的非线性回归方程。模型结果表明在淋滤过程中系统内达到最大生物量、最大产酸量和最大金属离子浸出量的试验条件各不相同，且各个因子对生物量、产酸量和金属离子浸出量的影响显著程度也不相同。通过响应面模型得出当采用菌株RM-10为淋滤功能菌时，系统内达到最大金属离子浸出量的淋滤条件为:蔗糖浓度141.82mg/L，接种量1.29107/ml，赤泥浓度8.27％，预培养时间3.80d;而采用黑曲霉时其最优条件为:蔗糖浓度143.44mg/L，接种量1.61107/ml，赤泥浓度6.09％，预培养时间5.17d。
该项研究结果拓宽了生物淋滤技术的应用范围，深化了对赤泥生物淋滤进程和机理的认识，并在环保且经济的前提下为赤泥资源化和无害化这两个目标的同时实现提供了重要参考资料。
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