微生物浸矿技术挂膜填料研究现状及展望

潘 昕

(东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013)

在以往的生产和实验证明，氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等浸矿细菌的活性和浓度对矿石的氧化浸出效果具有很大的影响，为了工业生产的需要，需要在短时间内培养出大量的菌液，在培养过程中，要尽快缩短细菌生长的缓慢期，使其尽快进入对数生长期，因为细菌在此阶段代谢最活跃，繁殖速度也是最快的，以满足工业生产的需要。

生物浸矿主要菌种：

(1)氧化亚铁硫杆菌是一种革兰氏阴性菌，具有好气、自养、化能、嗜酸特性，最适宜生长环境温度为28℃～35℃，因为它可以氧化金属硫化物、硫代硫酸盐亚铁离子和元素硫，故广泛存在于酸性矿山水及含铁或硫的酸性环境中。在含有Fe2+液体培养基中由于亚铁被氧化后使培养基成为红棕色，最后由于在一定的pH条件下，Fe3+会水解生成相应的铁矾或氢氧化物从而产生沉淀；如果用不含铁元素的液体培养基培养，由于硫代硫酸盐被氧化生产硫酸，故会使培养基pH降低；在固体培养基上培养该细菌可生成棕色菌落；该菌是浸矿细菌中发现最早的最常用的一种自养型细菌。

(2)氧化硫硫杆菌是一种革兰氏阴性菌、专性好氧、嗜酸、棒状、该种细菌的形态通常为成双成链状或单个存在；该菌不能在金属硫化物矿物上生长，也不能氧化金属硫化物矿，因在菌体两端各含有一油滴可以将培养基中的元素硫经吸入该油滴再吸入细菌体内氧化，故可以快速氧化金属硫化物矿氧化过程中产生的单质硫，也可以氧化硫代硫酸盐，而且氧化单质硫的能力比氧化硫化合物的能力强，因而可以产生很多的酸并具有较强的耐酸性；所以该菌具有快速氧化单质硫以及还原态的硫化物的功能；氧化硫杆菌以氧化单质硫或还原态的硫化物来获得自身细胞代谢和生长所需要的能量，以空气中CO2为碳源NH4+为氮源；该菌发现也较早较常用[1]。

生物接触氧化法(俗称接触曝气法)先在载体(俗称填料，如聚氨酯海绵生物填料、聚丙烯丝状立体弹性生物填料、聚乙烯高密度环状生物填料等)上的挂膜，后续依靠载体上生物膜反应为主，在国内外已得到过广泛的研究和应用[2-9]。在接触氧化柱、氧化槽等设备内置有填料，含有Fe2+的浸铀尾液浸没填料，并以可控的速度流经挂满生物膜的填料，在氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等氧化菌新陈代谢的作用下，尾液中的Fe2+被氧化成Fe3+，细菌靠此过程产生的化学能生长繁殖，菌密度增大。含有高密度Fe3+的菌液从铀矿石及低品位铀废石中将U4+氧化为U6+(U6+可溶于水，靠此提炼铀)，Fe3+被还原为Fe2+，而生成的Fe2+在细菌的新城代谢作用下又被氧化成Fe3+，Fe3+又继续氧化U4+，如此循环，达到高效浸铀的目的。

1 浸矿技术挂膜填料研究技术的现状

国内外很多研究者对高效铁氧化菌生物反应器进行了大量的研究。A Mazuelos等人对火山熔岩、活性炭、玻璃珠、聚乙烯、硅质石、发泡聚苯乙烯与挤塑聚苯乙烯等载体填料进行了挂膜的实验研究，发现其中以硅质石颗粒作为载体，在9K培养基培养条件下能够达到最快11.25g/L/h的铁氧化速率[10-11]；SM Mousavi等人以低密度聚乙烯(LDPE)为载体，在9K培养基培养条件下达到最快2.9g/L/h的铁氧化速率[12]；DY Koseogluimer等人以聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物、活性炭颗粒、聚氨酯泡沫(PUF)、磺化聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物、磺化聚苯乙烯-二乙烯基苯与活性炭颗粒共聚物、聚苯乙烯-二乙烯基苯与活性炭颗粒共聚物等材料为研究载体，发现以磺化聚苯乙烯-二乙烯基苯与活性炭颗粒共聚物为载体，在9K培养基培养条件下实现了最快4.02g/L/h的铁氧化速率[13]；W Yujian等人用聚乙烯醇-硝酸钙颗粒作为载体，在9K培养基培养条件下实现了最快4.6g/L/h的铁氧化速率[14]；ZE Long等人用聚乙烯醇(PVA)作为载体，在9K培养基培养条件下实现了最快2.3g/L/h的铁氧化速率[15]；黄亚洁等人以活性炭和木屑作为载体，在9K培养基培养条件下实现了最快5.83g/L/h的铁氧化速率[16]；郭勤等利用铀矿堆浸酸化液连续培养浸铀铁氧化菌，达到了日均2.5倍的产液比[17]。

铀矿细菌浸出经过半工业试验、工业试验和赣州铀矿工业应用实践表明[18-20]，在铀矿生物浸出过程中将氧化剂部分或全部改为吸附尾液经细菌氧化再生后的菌液具有以下优势：

(1)能明显改善矿石的浸出动力学特性；

(2)缩短浸出周期；

(3)加速六价铀的浸出速度；

(4)降低矿石的酸损耗；

(5)在减少浸出剂的用量的同时能提高六价铀的浸出率等。

在高效生物反应器成功研制之前，将吸附尾液全部实现细菌氧化再生是困难的。没有高效生物反应器来生产制备大量的浸矿菌液，就很难实现铀矿石微生物浸出的产业化。因此，菌液制备成为细菌浸矿的主要任务，制备菌液的生物反应器就成为细菌浸矿的关键设备。

2 填充床挂膜填料在工业生产中存在的问题

目前，以嗜酸性铁氧化菌为培养对象的生物膜反应器主要有以下三种类型：

(1)填充床生物反应器[21]；

(2)旋转生物接触器[22]；

(3)流化床反应器[23]。

相对于旋转生物接触器和流化床反应器在生产实践中的操作复杂性，填充床反应器由于其易安装及易操作受到了人们广泛的关注。在填充床反应器中，含有Fe2+的溶液可以从反应器的底部供液(淹没式填充床)，也可以从反应器的顶部供液(喷淋床)。但亚铁溶液从顶部进入填充床反应器，会存在一些液体无法到达的“盲区”，对填充床内部也有挤密作用等缺点[24]。在淹没式填充床反应器中，由于空气和亚铁溶液从底部进入，它们可以占据反应器内部的所有空隙，水流分布比喷淋床更加均匀，气液传质作用更强烈、有效[25]，避免了“盲区”等现象。

填充床反应器里面的填料种类不一，有文献记载的就包括：藻酸钙、低品位硫化矿物、琼脂、离子交换树脂、聚氯乙烯(PVC)、硅质石颗粒、聚氨酯泡沫、活性炭、镍合金纤维、聚乙烯、珍珠岩、玻璃珠、发泡聚苯乙烯和聚苯乙烯等[26-27]。影响淹没式填充床反应器对Fe2+氧化速率的主要因素有温度、pH、曝气方式及曝气量、流量、惰性载体种类及尺寸等[28-30]。相对于陶粒载体聚氨酯海绵载体具有较高的比表面积和较低的制备成本[31]。

不同填料因其所用的材质、结构、大小不同，故具有不同的挂膜特性；其表面的结构、化学特性、物理特性(主要为外观形状)更是对生物膜的附着生长与繁殖起到了举足轻重的作用[32-33]。相比于其他类型的填料，陶粒填料具有比表面积较大，表面亲水，粗糙多孔，易挂膜且生物膜不易脱落，生物膜更新速度较快[34]；聚氨酯海绵载体相对于陶粒填料具有较高的比表面积和较低的制备成本。多面空心球材质为聚丙烯，球形由两个半球合成，每个半球由若干个半扇形叶片组成，上下叶片相互错开排列，内部空隙大，叶片表面比较光滑。K3悬浮填料材质为聚乙烯，圆柱状，内部有三层空心圆，被放射状隔片分成19个小孔的蜂窝状结构，有效地减弱水流扰动对内部生物膜的冲刷，同时能将大气泡切割成很小的气泡，有利于氧的传递[35]。

填料作为微生物附着的载体是生物膜法生物处理技术的核心，直接影响着Fe2+氧化速率的结果。目前大部分研究都处在怎样在工艺创新上，或者是对单一的载体的特性所做的分析研究，缺少对同一种载体之间的不同规格大小所做的分析对比研究，不能为填料大小、形状规格的选择提供依据。载体挂膜的空间尺度越大，同时能够提供微生物的附着的空间就越大，附着生物膜厚度越厚；由于载体结构、大小的不同所引起的生物活性差异现象，即载体所提供的挂膜空间尺度越大，生物膜活性就越高，微生物、有机质就越多；负荷越高，生物膜的脱落量越大，脱落后的生物膜与载体上所附着的生物膜相互影响、竞争，进而对附着生物膜产生抑制作用，生物膜脱落量增加将引起载体上生物膜的活性的下降[36]。

3 前景展望

随着全球经济复苏对矿产资源的需求与日俱增，矿产在我国国民生产生活中及国家安全层面(如贵重稀有金属、放射性矿产资源等)具有无可替代的作用。微生物浸矿技术，由于其具有投资低、环境效益好等优点，已引起国内外的广泛研究。我国在微生物浸矿方面也进行了多年的试验研究，取得较大进展，但也存在着一些技术“盲区”，快速、大量制备浸矿菌液对微生物浸矿技术起着至关重要的作用，笔者认为仍需要进一步加强对微生物挂膜载体的选用方面的研究：

(1)合适的耐酸、耐腐蚀、生物易挂膜的材料的选择。

(2)不同种类材料填料的选用对挂膜的影响；以及相同材料的填料不同规格大小的选用对挂膜的影响。

(3)载体的种类及大小对特定浸矿细菌挂膜之后的生物膜的特性研究。