膠質(zhì)芽孢桿菌淋洗石煤提釩尾渣中重金屬研究

董穎博，趙鈺，林海，崇詩佳

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2.工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點實驗室，北京，100083)

釩是一種寶貴的戰(zhàn)略資源，被廣泛應(yīng)用在冶金、原子能、化工和釩電池等重要領(lǐng)域。含釩石煤是我國特有的一種釩礦資源，儲量巨大但品位低，V2O5品位一般在0.3%～1.0%之間[1]。由于含釩石煤品位低，釩冶煉過程中不可避免地會產(chǎn)生大量尾渣[2]。通常釩的回收率只有60%～70%，還有30%～40%的釩會隨廢水、廢氣、廢渣排入環(huán)境中[3?4]。朱燕等[5]通過石煤提釩尾渣淋洗毒性試驗的研究表明，淋洗液中釩的質(zhì)量濃度高達3.5～30.0 mg/L，不能排除石煤提釩尾渣作為危險廢物的可能。大量尾渣在堆放過程中，經(jīng)風化、雨水淋濾有害元素會遷移進入周邊大氣、土壤和水體。釩礦周邊地表揚塵中釩質(zhì)量分數(shù)較高，為153～3 850 mg/kg，地表揚塵釩污染為“嚴重”[6]。我國西南部約有26.49%的土壤受到了釩污染[7]，釩礦周邊土壤中的釩質(zhì)量分數(shù)高達208～938 mg/kg，遠高出我國土壤背景值[8?9]。環(huán)境中的釩可進入食物鏈累積，對人體健康和生態(tài)安全造成嚴重威脅[10?11]。因此，大量堆積的石煤提釩尾渣是造成釩礦區(qū)及周邊環(huán)境中釩及伴生重金屬污染的重要元兇，對石煤提釩尾渣進行無害化處理勢在必行。

膠質(zhì)芽孢桿菌(B.M菌)具有破壞硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)的能力，用B.M菌淋洗石煤提釩尾渣可以破壞尾渣的晶體結(jié)構(gòu)，釋放尾渣中的有害元素，減少尾渣中有毒有害元素含量，達到對尾渣進行無害化處理的目的[12]。DONG等[13]將石煤釩礦進行焙燒預(yù)處理后，用B.M菌對其進行20 d 的淋洗，釩淋出率達到85%。滿李陽等[14]采用膠質(zhì)芽孢桿菌、環(huán)狀芽孢桿菌和根瘤菌的混合菌對鋁土礦進行15 d的連續(xù)淋洗，硅的淋出率達到71.3%。YANG 等[15]研究B.M菌對蒙脫石的釋硅作用，發(fā)現(xiàn)B.M菌使蒙脫石礦物晶體結(jié)構(gòu)中的Si—O鍵發(fā)生改變，釋放礦物中的Si 和Al 等，進而導(dǎo)致礦物局部結(jié)構(gòu)坍塌或畸變。

本文作者以湖北某石煤提釩尾渣為研究對象，以B.M菌作為淋洗菌種，考察不同初始pH、溶氧量(以轉(zhuǎn)速表征)、蔗糖添加量、淋洗時間等因素對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣中釩和銅離子的影響，分析淋洗前后尾渣的礦物結(jié)構(gòu)變化及元素組成變化，初探B.M菌淋洗石煤提釩尾渣的作用機理，為B.M菌用于石煤提釩尾渣的無害化處理提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗尾渣樣品

試驗所用樣品來自湖北鄖西某石煤提釩尾渣堆，尾渣取回后用四分法混勻，再進行破碎、磨細，實驗樣品的粒度約為1 mm。對尾渣樣品進行X熒光半定量分析，得出尾渣樣品中重金屬釩和銅含量較高，其中釩(折合V2O5)的質(zhì)量分數(shù)占0.36%，銅(折合CuO)的質(zhì)量分數(shù)占0.10%，綜合金屬元素含量和毒性，本研究選取金屬釩和銅作為淋洗對象。

1.2 菌種及培養(yǎng)基

浸礦菌種為實驗室保存的B.M菌。實驗時，將低溫保藏的菌種接入硅酸鹽細菌培養(yǎng)基中進行活化，當B.M菌培養(yǎng)至穩(wěn)定期時作為試驗菌液。硅酸鹽細菌培養(yǎng)基成分為：(NH4)2SO4，2.00 g/L；KCl，0.10 g/L；Na2HPO4·12H2O，0.50 g/L；MgSO4·7H2O，0.50 g/L；CaCO3，0.1 g/L；FeCl3，0.005 g/L；蔗糖，5 g/L；去離子水，1 000 mL；pH為7。

1.3 淋洗實驗

實驗在250 mL 錐形瓶中進行，以B.M菌接種量為1%的硅酸鹽細菌培養(yǎng)基為淋洗液。錐形瓶中加入質(zhì)量分數(shù)為1%的石煤提釩尾渣礦樣以及100 mL 淋洗液，再將錐形瓶放入氣浴恒溫振蕩器中振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為(30±2) ℃。實驗過程中控制不同淋洗條件，考察不同淋洗液初始pH、溶解氧、蔗糖添加量、淋洗時間等因素對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣中釩和銅的影響。其中，溶氧量用搖床轉(zhuǎn)速來表征。淋洗過程中，每兩天取1次淋出液，測其OD600(指600 nm 處的吸光度)、pH、釩離子和銅離子的濃度，過程中消耗的溶液用pH=7無菌水補充。

1.4 分析方法

采用S20 seveneasypH計測定淋洗液pH；用紫外可見分光光度計測定菌液在600 nm 處的吸光度(OD600)，用于表征淋洗液中細菌的生長量；用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對釩和銅濃度進行測定。通過XRD 分析淋洗前后尾渣的礦物成分變化，并通過XPS 能譜分析探究淋洗前后尾渣中主要元素電子結(jié)合能及含量變化。尾渣中釩和銅的淋出率采用下式計算：

式中：r為尾渣中有毒金屬的淋出率，%；V為淋洗液體積，L；ρ為淋洗液中有毒金屬的質(zhì)量濃度，g/L；m為淋洗試驗用尾渣的質(zhì)量，g；β為原尾渣中有毒金屬的質(zhì)量分數(shù)，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 淋洗液初始pH對B.M菌淋洗尾渣體系的影響

2.1.1 對B.M菌生長量和體系pH的影響

實驗設(shè)計初始pH 分別為5，6 和7，考察不同初始pH 對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣中重金屬的影響。3 組實驗均接種1%的B.M菌，固液比為1%，置于轉(zhuǎn)速為150 r/min 的搖床中，定期檢測淋洗體系中B.M菌生長量和體系pH。

圖1(a)和1(b)所示分別為不同初始pH 淋洗體系在淋洗10 d 內(nèi)OD600和體系pH 隨時間的變化情況。從圖1(a)可見：各淋洗體系的OD600均先增加后趨于穩(wěn)定，不同初始pH淋洗體系OD600變化速率的趨勢與pH 降低速率趨勢一致。淋洗第6 天，各淋洗體系的OD600均上升至4.5 左右。從圖1(b)可知：淋洗體系中pH均呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定再略有回升的趨勢，但不同初始pH 淋洗體系對應(yīng)pH的降低速率有所不同。初始pH為7時，體系pH降低速率最快，其次是初始pH 為6，初始pH 為5 時的降低速率最慢，但3 組淋洗體系的pH 均在淋洗第6 天降至2.0 左右，在第10 天升至2.5 左右。分析原因為盡管初始pH的不同導(dǎo)致細菌生長速率有所不同，但B.M菌在淋洗體系中經(jīng)過6 d的生長繁殖后，可以很好地適應(yīng)淋洗體系的生長環(huán)境，在淋洗末期各淋洗體系的最終pH和OD600均相近。孫德四等[16]研究表明，用硅酸鹽細菌浸礦時，浸出液pH 有一定程度的下降，說明細菌在淋洗過程中能產(chǎn)生一定量有機酸，這些有機酸可以與礦物中硅、鋁等形成絡(luò)合物，從而促進礦物分解，釋放有毒金屬元素。

圖1 初始pH對B.M菌淋洗體系菌種生長量和pH的影響Fig.1 Effect of initial pH on bacterial growth and pH of B.M bacterial leaching system

2.1.2 對重金屬釩和銅淋洗效果的影響

圖2(a)和2(b)所示分別為不同初始pH 淋洗體系在10 d 內(nèi)釩和銅的淋出率變化規(guī)律。從圖2可知：初始pH為5，6和7淋洗體系釩和銅的淋出率均呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)，10 d后釩淋出率分別為64.83%，66.48% 和67.30%，銅淋出率分別為70.46%，76.52%和82.00%，可以看出不同初始pH對V和Cu淋出率影響較大。初始pH為7時，釩和銅淋洗速率最快，淋出率也最高，初始pH 為6 時次之，初始pH 為5 時淋洗速率較慢，淋出率也較低。分析原因為B.M菌最適生長環(huán)境pH 為7，故在此pH環(huán)境下細菌生長量較大，與尾渣作用更充分，尾渣中釩和銅釋放效果也最好。陳振興等[17]在硅酸鹽細菌對電解錳渣中有效硅的活化研究中得出，體系pH 為5 和6 時硅酸鹽細菌對錳渣中有效硅的淋洗效果較好，但體系pH 為7 時有效硅的淋洗量最大，這與本文研究結(jié)果相似。

圖2 初始pH對B.M菌淋洗體系釩和銅淋出率的影響Fig.2 Effect of initial pH on leaching rate of vanadium and copper in B.M bacterial leaching system

2.2 溶氧量對B.M菌淋洗尾渣中釩和銅的影響

2.2.1 對B.M菌生長量和體系pH的影響

B.M菌為好氧菌，因此淋洗體系中溶氧量與細菌生長繁殖息息相關(guān)。搖床轉(zhuǎn)速越快，溶液中溶解氧濃度越高，本實驗采用搖床轉(zhuǎn)速表征淋洗體系溶氧量。設(shè)計搖床轉(zhuǎn)速分別為110，130，150和170 r/min，菌種接種量為1%，固液比為1%，體系初始pH為7.0，主要考察不同搖床轉(zhuǎn)速對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣的影響。

圖3(a)和3(b)所示分別為不同搖床轉(zhuǎn)速下淋洗體系OD600和pH的變化情況。從圖3(a)可知：淋洗體系中OD600增加速率隨搖床轉(zhuǎn)速增加而快速提高，當搖床轉(zhuǎn)速為170 r/min 時，OD600增加速率最快，在第6天升高至5.5；而當搖床轉(zhuǎn)速為110 r/min時，OD600增加速率最慢，第10天時才升高至3.0。從圖3(b)可以看出：隨搖床轉(zhuǎn)速的增加，淋洗體系pH快速下降，當搖床轉(zhuǎn)速為170 r/min時，pH下降速率最快，在第4 天時下降至2.0；而當搖床轉(zhuǎn)速為110 r/min時，pH下降速率最慢，在第10天時仍為4.0。B.M菌作為好氧菌，對體系中溶解氧的含量比較敏感，在溶氧量較充足的體系中生長繁殖速度較快，生物量逐漸增大，同時代謝產(chǎn)生的有機酸也隨之增多。

圖3 搖床轉(zhuǎn)速對B.M菌淋洗體系菌種生長量和pH的影響Fig.3 Effect of shake speed on growth and pH of B.M bacterial leaching system

2.2.2 對重金屬釩和銅淋洗效果的影響

圖4(a)和4(b)所示分別為不同搖床轉(zhuǎn)速下釩和銅淋出率隨時間變化規(guī)律?？梢?，不同搖床轉(zhuǎn)速對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣中釩和銅有顯著影響。從圖4(a)可知：當搖床轉(zhuǎn)速為110，130和150 r/min時，淋洗10 d 后釩淋出率分別為35.55%，45.26%和65.06%，銅淋出率分別為57.14%，73.47%和81.63%，可以看出釩和銅的淋出率均隨搖床轉(zhuǎn)速的提高而升高；當搖床轉(zhuǎn)速為170 r/min 時，淋洗10 d 后釩淋出率為67.32%，銅淋出率為83.67%，釩和銅的淋出率較搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min 時沒有較大提高。說明B.M菌淋洗石煤提釩尾渣最佳搖床轉(zhuǎn)速在150～170 r/min，過高的搖床轉(zhuǎn)速不會對淋出率有明顯的提高。結(jié)合圖3分析，這是因為搖床轉(zhuǎn)速較小時，淋洗體系中溶解氧含量較低，B.M菌生長量小、活性較低、體系pH較高，因此釩和銅的溶出速率也相應(yīng)緩慢；搖床轉(zhuǎn)速逐漸提高，為細菌生長提供了充足的氧，B.M菌生長繁殖較快、生長量增大，活性好，體系pH下降，加速尾渣中釩和銅的溶解、釋放；但過高的轉(zhuǎn)速使體系中的剪切力增強，容易將附著在尾渣表面的菌體剝離開來，減少菌體與尾渣接觸，減緩釩和銅的溶解、釋放，導(dǎo)致釩和銅的淋出率不再升高。郭貴香等[18]研究中表明過高的轉(zhuǎn)速使菌體?礦物復(fù)合體分散，致使菌體與礦物接觸受阻，影響釋鉀效率。

圖4 搖床轉(zhuǎn)速對B.M菌淋洗體系釩和銅淋出率的影響Fig.4 Effect of shake speed on leaching rate of vanadium and copper in B.M bacterial leaching system

2.3 蔗糖添加量對B.M菌淋洗釩和銅的影響

2.3.1 對B.M菌生長量和體系pH的影響

B.M菌為異氧菌，因此淋洗體系中碳源添加量對細菌生長繁殖的影響很大。本實驗設(shè)計蔗糖作為碳源，蔗糖添加量分別為5，10，15 和20 g/L，考察不同蔗糖添加量對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣的影響。4 組實驗均接種1%的B.M菌，固液比為1%，體系初始pH為7.0，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min。

圖5(a)和5(b)所示分別為不同蔗糖添加量下各淋洗體系OD600和pH的變化情況。從圖5(a)可以看出：不同蔗糖添加量淋洗體系的OD600均呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，其中蔗糖添加量為10，15和20 g/L 淋洗體系OD600的變化差異較小，均在淋洗第6 天達到最大值而后趨于平穩(wěn)，且OD600最大均超過4.5；而蔗糖添加量為5 g/L 淋洗體系OD600的增加速率明顯較小，且OD600最大僅為3.5 左右。從圖5(b)可知：蔗糖添加量為10，15和20 g/L淋洗體系的pH均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其中蔗糖添加量為20 g/L 淋洗體系的pH 下降速率最快，淋洗第4 天pH 就下降至2.0，第10 天回升至2.3；而蔗糖添加量為5 g/L 淋洗體系的pH 下降速率最慢，淋洗第6天pH下降至3.0，而后開始快速回升，第8 天回升至4.5，然后趨于平穩(wěn)。分析原因為碳源充足時，B.M菌會快速繁殖并代謝產(chǎn)出大量有機酸，使淋洗體系pH 快速下降，在淋洗前期(1～4 d)有機酸含量隨淋洗時間而增加。隨著時間的推移，淋洗體系中營養(yǎng)物質(zhì)持續(xù)被消耗，細菌將自身合成并分泌出的有機酸當作營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致體系中有機酸含量下降，pH趨于穩(wěn)定[19]。而碳源不足時，B.M菌繁殖速度較慢，代謝產(chǎn)出的有機酸也較少，淋洗體系中營養(yǎng)物質(zhì)很快消耗殆盡。為了維持生存，細菌會將有機酸作為營養(yǎng)物質(zhì)，有機酸被大量消耗分解，導(dǎo)致體系pH有明顯的回升。肖國光等[20]研究表明，在營養(yǎng)缺乏時硅酸鹽細菌會以自身分泌產(chǎn)生的有機酸作為營養(yǎng)物質(zhì)。

圖5 蔗糖添加量對B.M菌淋洗體系菌種生長量和pH的影響Fig.5 Effect of amount of sucrose added on growth amount and pH of B.M bacterial leaching system

2.3.2 對重金屬釩和銅淋洗效果的影響

圖6(a)和6(b)所示分別為不同蔗糖添加量下各淋洗體系釩和銅淋出率隨時間的變化情況。從圖6(a)可以看出：蔗糖添加量的不同對釩的淋出率有明顯的影響，釩淋出率對蔗糖添加量的增加而增加，蔗糖添加量為5，10，15和20 g/L淋洗體系對應(yīng)的釩淋出率分別為55.16%，57.99%，62.23%和66.48%。不同蔗糖添加體系中釩淋洗速率均呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，其中蔗糖添加量為20 g/L 淋洗體系的釩淋洗速率最快，5 g/L 淋洗體系的釩淋洗速率最慢。從圖6(b)可以看出：蔗糖添加量的不同對銅淋出率略有影響，蔗糖添加量為10，15 和20 g/L 淋洗體系的銅淋出率趨勢相近，均為先增加后趨于平穩(wěn)，淋洗10 d 時對應(yīng)的銅淋出率分別為77.76%，79.59%和81.63%，而5 g/L淋洗體系的銅淋洗速率明顯比其他組的低，且10 d時淋出率僅為63.47%。其原因為：在營養(yǎng)充足的環(huán)境中，B.M菌生物量大，產(chǎn)生大量有機酸，使得體系pH較小，尾渣在酸性淋洗系統(tǒng)中會崩解，同時附著在尾渣表面的細菌會分泌某種酶破壞尾渣礦物結(jié)構(gòu)，并將尾渣中釩、銅等成分釋放到體系中。而在營養(yǎng)缺乏的環(huán)境中，B.M菌繁殖能力差，生物量小，產(chǎn)生的有機酸少，對尾渣的破壞力弱，最終導(dǎo)致釩和銅的淋洗效果差[21]。

圖6 蔗糖添加量對B.M菌淋洗體系釩和銅淋出率的影響Fig.6 Effect of amount of sucrose added on leaching rates of vanadium and copper in B.M bacterial leaching system

2.4 B.M菌淋洗前后尾渣物相變化

對B.M菌淋洗尾渣前后的樣品進行XRD分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 B.M菌淋洗前后尾渣XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of tailings before and after B.M bacteria washing

尾渣的礦物組成主要以石英(Q)和云母(M)為主，對比淋洗前后的礦物圖譜可知，云母的衍射峰強度減弱或幾乎消失，而石英的衍射峰強度有所增加，表明與B.M菌作用后，石煤提釩尾渣中的含釩云母類礦物被溶蝕。已有研究表明，層狀結(jié)構(gòu)的云母類礦物更容易被B.M菌侵蝕分解[22]，B.M菌在生長代謝過程中產(chǎn)生的有機酸及胞外多糖會對云母類礦物結(jié)構(gòu)有顯著的破壞作用[23]，礦物晶體向無定型態(tài)轉(zhuǎn)變，使釩能夠更好地從晶體結(jié)構(gòu)中脫離出來[24]。石英衍射峰強度的增加，可能是由于被細菌淋洗出的硅元素在溶液中形成無定型或低結(jié)晶度的二氧化硅顆粒后進一步聚集結(jié)晶在尾渣表面[25]，此外，菌種及其代謝產(chǎn)物分解云母類礦物而使石英含量相對增加也可能是原因之一。

2.5 B.M菌淋洗前后尾渣XPS能譜分析

為了進一步研究B.M菌對尾渣淋洗作用，選擇與細菌作用后的尾渣進行XPS 能譜分析，并與未和細菌作用的原尾渣的XPS 能譜進行對比，進而分析微生物作用引起的尾渣礦物表面釩、鋁和硅電子結(jié)合能的變化，結(jié)果如圖8所示。

圖8 B.M菌淋洗前后尾渣礦物電子結(jié)合能分析圖Fig.8 Electron binding energy analysis of tailings minerals before and after B.M bacteria washing

從圖8可以看出：經(jīng)B.M菌淋洗作用后，尾渣礦物表面元素結(jié)合能變化不明顯，但釩、硅、鋁元素對應(yīng)峰強度均有所降低，釩元素峰強變化程度最為明顯，其次為鋁元素。尾渣中釩主要以V3+和V4+的形式產(chǎn)出，V5+相對較少，且主要賦存于云母類礦物中[26]。與B.M菌作用后，礦物浸渣表面V5+峰強度減弱，表明礦物中釩元素被細菌淋洗出，而V4+峰強度增加可能是由于B.M菌及其代謝產(chǎn)物破壞了礦物結(jié)構(gòu)[27]，將晶體結(jié)構(gòu)中V3+釋放出來并對其產(chǎn)生氧化作用，將低價釩氧化為容易被浸出的高價釩。鋁元素主要以八面體配位及四面體配位的形式存在于鋁酸鹽礦物的晶格[28]中，B.M菌及其代謝產(chǎn)物破壞鋁酸鹽礦物的晶格結(jié)構(gòu)，釋放鋁元素，故而淋洗后的尾渣中鋁元素峰強明顯變?nèi)酢?/p>

利用圖8中各元素峰面積可以計算出B.M菌淋洗前后尾渣表面釩、硅和鋁的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：尾渣表面釩元素質(zhì)量分數(shù)均較淋洗前有所下降，表明B.M菌及其代謝產(chǎn)物能夠有效地淋洗出尾渣中的釩元素。硅和鋁元素質(zhì)量分數(shù)較淋洗前有所升高，一方面是因為B.M菌及其代謝產(chǎn)物破壞了礦物結(jié)構(gòu)，使硅和鋁元素暴露出來；另一方面是釩質(zhì)量分數(shù)的減少使得硅和鋁質(zhì)量分數(shù)相對增加。

表1 B.M菌淋洗前后尾渣礦物表面釩、硅和鋁質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mass fractions of vanadium,silicon and aluminum on surface of tailings minerals before and after B.M bacterial leaching %

3 結(jié)論

1)研究獲得了初始pH、溶氧量、蔗糖添加量對B.M菌淋洗石煤提釩尾渣的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)初始pH在5～7時尾渣中釩和銅的淋出率隨初始pH的升高而提高；溶氧量對B.M菌淋洗尾渣的影響明顯，提高搖床轉(zhuǎn)速至170 r/min，可有效提高釩和銅淋出率；蔗糖作為B.M菌的碳源時，較高濃度的蔗糖添加量有助于石煤提釩尾渣中有毒金屬的高效淋洗。

2)在初始pH 為7、搖床轉(zhuǎn)速為170 r/min、蔗糖添加量為20 g/L的條件下，B.M菌淋洗尾渣10 d時，V和Cu淋出率分別達到67.32%和83.67%，說明B.M菌可有效淋洗石煤提釩尾渣中的釩和銅。

3)B.M菌淋洗石煤提釩尾渣時，容易侵蝕分解尾渣中的云母類礦物，使賦存于云母類礦物中的低價釩被氧化為更容易淋洗出的高價釩，從而有效地淋洗出尾渣中的釩元素。