潘 昕

(東華理工大學 水資源與環(huán)境工程學院，江西 南昌 330013)

在以往的生產(chǎn)和實驗證明，氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌等浸礦細菌的活性和濃度對礦石的氧化浸出效果具有很大的影響，為了工業(yè)生產(chǎn)的需要，需要在短時間內(nèi)培養(yǎng)出大量的菌液，在培養(yǎng)過程中，要盡快縮短細菌生長的緩慢期，使其盡快進入對數(shù)生長期，因為細菌在此階段代謝最活躍，繁殖速度也是最快的，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

生物浸礦主要菌種：

(1)氧化亞鐵硫桿菌是一種革蘭氏陰性菌，具有好氣、自養(yǎng)、化能、嗜酸特性，最適宜生長環(huán)境溫度為28℃～35℃，因為它可以氧化金屬硫化物、硫代硫酸鹽亞鐵離子和元素硫，故廣泛存在于酸性礦山水及含鐵或硫的酸性環(huán)境中。在含有Fe2+液體培養(yǎng)基中由于亞鐵被氧化后使培養(yǎng)基成為紅棕色，最后由于在一定的pH條件下，F(xiàn)e3+會水解生成相應的鐵礬或氫氧化物從而產(chǎn)生沉淀；如果用不含鐵元素的液體培養(yǎng)基培養(yǎng)，由于硫代硫酸鹽被氧化生產(chǎn)硫酸，故會使培養(yǎng)基pH降低；在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)該細菌可生成棕色菌落；該菌是浸礦細菌中發(fā)現(xiàn)最早的最常用的一種自養(yǎng)型細菌。

(2)氧化硫硫桿菌是一種革蘭氏陰性菌、專性好氧、嗜酸、棒狀、該種細菌的形態(tài)通常為成雙成鏈狀或單個存在；該菌不能在金屬硫化物礦物上生長，也不能氧化金屬硫化物礦，因在菌體兩端各含有一油滴可以將培養(yǎng)基中的元素硫經(jīng)吸入該油滴再吸入細菌體內(nèi)氧化，故可以快速氧化金屬硫化物礦氧化過程中產(chǎn)生的單質(zhì)硫，也可以氧化硫代硫酸鹽，而且氧化單質(zhì)硫的能力比氧化硫化合物的能力強，因而可以產(chǎn)生很多的酸并具有較強的耐酸性；所以該菌具有快速氧化單質(zhì)硫以及還原態(tài)的硫化物的功能；氧化硫桿菌以氧化單質(zhì)硫或還原態(tài)的硫化物來獲得自身細胞代謝和生長所需要的能量，以空氣中CO2為碳源NH4+為氮源；該菌發(fā)現(xiàn)也較早較常用[1]。

生物接觸氧化法(俗稱接觸曝氣法)先在載體(俗稱填料，如聚氨酯海綿生物填料、聚丙烯絲狀立體彈性生物填料、聚乙烯高密度環(huán)狀生物填料等)上的掛膜，后續(xù)依靠載體上生物膜反應為主，在國內(nèi)外已得到過廣泛的研究和應用[2-9]。在接觸氧化柱、氧化槽等設(shè)備內(nèi)置有填料，含有Fe2+的浸鈾尾液浸沒填料，并以可控的速度流經(jīng)掛滿生物膜的填料，在氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌等氧化菌新陳代謝的作用下，尾液中的Fe2+被氧化成Fe3+，細菌靠此過程產(chǎn)生的化學能生長繁殖，菌密度增大。含有高密度Fe3+的菌液從鈾礦石及低品位鈾廢石中將U4+氧化為U6+(U6+可溶于水，靠此提煉鈾)，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，而生成的Fe2+在細菌的新城代謝作用下又被氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+又繼續(xù)氧化U4+，如此循環(huán)，達到高效浸鈾的目的。

1 浸礦技術(shù)掛膜填料研究技術(shù)的現(xiàn)狀

國內(nèi)外很多研究者對高效鐵氧化菌生物反應器進行了大量的研究。A Mazuelos等人對火山熔巖、活性炭、玻璃珠、聚乙烯、硅質(zhì)石、發(fā)泡聚苯乙烯與擠塑聚苯乙烯等載體填料進行了掛膜的實驗研究，發(fā)現(xiàn)其中以硅質(zhì)石顆粒作為載體，在9K培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下能夠達到最快11.25g/L/h的鐵氧化速率[10-11]；SM Mousavi等人以低密度聚乙烯(LDPE)為載體，在9K培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下達到最快2.9g/L/h的鐵氧化速率[12]；DY Koseogluimer等人以聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物、活性炭顆粒、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-二乙烯基苯與活性炭顆粒共聚物、聚苯乙烯-二乙烯基苯與活性炭顆粒共聚物等材料為研究載體，發(fā)現(xiàn)以磺化聚苯乙烯-二乙烯基苯與活性炭顆粒共聚物為載體，在9K培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下實現(xiàn)了最快4.02g/L/h的鐵氧化速率[13]；W Yujian等人用聚乙烯醇-硝酸鈣顆粒作為載體，在9K培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下實現(xiàn)了最快4.6g/L/h的鐵氧化速率[14]；ZE Long等人用聚乙烯醇(PVA)作為載體，在9K培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下實現(xiàn)了最快2.3g/L/h的鐵氧化速率[15]；黃亞潔等人以活性炭和木屑作為載體，在9K培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下實現(xiàn)了最快5.83g/L/h的鐵氧化速率[16]；郭勤等利用鈾礦堆浸酸化液連續(xù)培養(yǎng)浸鈾鐵氧化菌，達到了日均2.5倍的產(chǎn)液比[17]。

鈾礦細菌浸出經(jīng)過半工業(yè)試驗、工業(yè)試驗和贛州鈾礦工業(yè)應用實踐表明[18-20]，在鈾礦生物浸出過程中將氧化劑部分或全部改為吸附尾液經(jīng)細菌氧化再生后的菌液具有以下優(yōu)勢：

(1)能明顯改善礦石的浸出動力學特性；

(2)縮短浸出周期；

(3)加速六價鈾的浸出速度；

(4)降低礦石的酸損耗；

(5)在減少浸出劑的用量的同時能提高六價鈾的浸出率等。

在高效生物反應器成功研制之前，將吸附尾液全部實現(xiàn)細菌氧化再生是困難的。沒有高效生物反應器來生產(chǎn)制備大量的浸礦菌液，就很難實現(xiàn)鈾礦石微生物浸出的產(chǎn)業(yè)化。因此，菌液制備成為細菌浸礦的主要任務，制備菌液的生物反應器就成為細菌浸礦的關(guān)鍵設(shè)備。

2 填充床掛膜填料在工業(yè)生產(chǎn)中存在的問題

目前，以嗜酸性鐵氧化菌為培養(yǎng)對象的生物膜反應器主要有以下三種類型：

(1)填充床生物反應器[21]；

(2)旋轉(zhuǎn)生物接觸器[22]；

(3)流化床反應器[23]。

相對于旋轉(zhuǎn)生物接觸器和流化床反應器在生產(chǎn)實踐中的操作復雜性，填充床反應器由于其易安裝及易操作受到了人們廣泛的關(guān)注。在填充床反應器中，含有Fe2+的溶液可以從反應器的底部供液(淹沒式填充床)，也可以從反應器的頂部供液(噴淋床)。但亞鐵溶液從頂部進入填充床反應器，會存在一些液體無法到達的“盲區(qū)”，對填充床內(nèi)部也有擠密作用等缺點[24]。在淹沒式填充床反應器中，由于空氣和亞鐵溶液從底部進入，它們可以占據(jù)反應器內(nèi)部的所有空隙，水流分布比噴淋床更加均勻，氣液傳質(zhì)作用更強烈、有效[25]，避免了“盲區(qū)”等現(xiàn)象。

填充床反應器里面的填料種類不一，有文獻記載的就包括：藻酸鈣、低品位硫化礦物、瓊脂、離子交換樹脂、聚氯乙烯(PVC)、硅質(zhì)石顆粒、聚氨酯泡沫、活性炭、鎳合金纖維、聚乙烯、珍珠巖、玻璃珠、發(fā)泡聚苯乙烯和聚苯乙烯等[26-27]。影響淹沒式填充床反應器對Fe2+氧化速率的主要因素有溫度、pH、曝氣方式及曝氣量、流量、惰性載體種類及尺寸等[28-30]。相對于陶粒載體聚氨酯海綿載體具有較高的比表面積和較低的制備成本[31]。

不同填料因其所用的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、大小不同，故具有不同的掛膜特性；其表面的結(jié)構(gòu)、化學特性、物理特性(主要為外觀形狀)更是對生物膜的附著生長與繁殖起到了舉足輕重的作用[32-33]。相比于其他類型的填料，陶粒填料具有比表面積較大，表面親水，粗糙多孔，易掛膜且生物膜不易脫落，生物膜更新速度較快[34]；聚氨酯海綿載體相對于陶粒填料具有較高的比表面積和較低的制備成本。多面空心球材質(zhì)為聚丙烯，球形由兩個半球合成，每個半球由若干個半扇形葉片組成，上下葉片相互錯開排列，內(nèi)部空隙大，葉片表面比較光滑。K3懸浮填料材質(zhì)為聚乙烯，圓柱狀，內(nèi)部有三層空心圓，被放射狀隔片分成19個小孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有效地減弱水流擾動對內(nèi)部生物膜的沖刷，同時能將大氣泡切割成很小的氣泡，有利于氧的傳遞[35]。

填料作為微生物附著的載體是生物膜法生物處理技術(shù)的核心，直接影響著Fe2+氧化速率的結(jié)果。目前大部分研究都處在怎樣在工藝創(chuàng)新上，或者是對單一的載體的特性所做的分析研究，缺少對同一種載體之間的不同規(guī)格大小所做的分析對比研究，不能為填料大小、形狀規(guī)格的選擇提供依據(jù)。載體掛膜的空間尺度越大，同時能夠提供微生物的附著的空間就越大，附著生物膜厚度越厚；由于載體結(jié)構(gòu)、大小的不同所引起的生物活性差異現(xiàn)象，即載體所提供的掛膜空間尺度越大，生物膜活性就越高，微生物、有機質(zhì)就越多；負荷越高，生物膜的脫落量越大，脫落后的生物膜與載體上所附著的生物膜相互影響、競爭，進而對附著生物膜產(chǎn)生抑制作用，生物膜脫落量增加將引起載體上生物膜的活性的下降[36]。

3 前景展望

隨著全球經(jīng)濟復蘇對礦產(chǎn)資源的需求與日俱增，礦產(chǎn)在我國國民生產(chǎn)生活中及國家安全層面(如貴重稀有金屬、放射性礦產(chǎn)資源等)具有無可替代的作用。微生物浸礦技術(shù)，由于其具有投資低、環(huán)境效益好等優(yōu)點，已引起國內(nèi)外的廣泛研究。我國在微生物浸礦方面也進行了多年的試驗研究，取得較大進展，但也存在著一些技術(shù)“盲區(qū)”，快速、大量制備浸礦菌液對微生物浸礦技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，筆者認為仍需要進一步加強對微生物掛膜載體的選用方面的研究：

(1)合適的耐酸、耐腐蝕、生物易掛膜的材料的選擇。

(2)不同種類材料填料的選用對掛膜的影響；以及相同材料的填料不同規(guī)格大小的選用對掛膜的影響。

(3)載體的種類及大小對特定浸礦細菌掛膜之后的生物膜的特性研究。