三种次生矿物固定A. ferrooxidans的Fe2+氧化及成矿性能比较

氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）介导的生物矿化方法促使可溶性Fe向次生铁矿物转变对酸性矿山废水（AMD）治理具有重要意义.化能自养菌A.ferrooxidans易受水流冲击而流失,常采用固定化方式来提高菌密度,从而保证较高的Fe²⁺氧化和成矿速率以满足实际需要.本研究在相同初始条件下（pH=2.30、Fe²⁺浓度4.48g/L、A.ferrooxidans密度8×10⁶cells/mL）生物合成固定有A.ferrooxidans的施氏矿物、黄钾铁矾和黄铵铁矾,比较矿物溶解前（固定态）和溶解后（游离态）A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化性能,并分析各矿物对A.ferrooxidans的固定能力.结果表明,生物成因次生铁矿物干重排序为施氏矿物（0.24g） < 黄铵铁矾（0.35g） < 黄钾铁矾（0.67g）,但矿物固定A.ferrooxidans的能力却依次为施氏矿物 > 黄铵铁矾 > 黄钾铁矾.以游离态A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化速率作为参比,推算出本研究所得施氏矿物、黄铵铁矾、黄钾铁矾固定A.ferrooxidans的有效生物量依次为5.33×10⁷~ 5.33×10⁸,5.72×10⁶~5.72×10⁷,6.35×10⁶cells/g（干基）.次生铁矿物载体有效生物量不仅直接影响AMD体系中Fe²⁺氧化速度,也间接决定了总Fe的矿化去除效果.     

温度和pH对生物成因羟基硫酸铁矿物的综合影响研究

在酸性矿山废水中,氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)氧化Fe~(2+)过程中常常伴随着次生矿物的生成.为研究温度和pH对A.ferrooxidans氧化Fe~(2+)及Fe3+水解成矿的综合影响,考察了初始pH为1.5、2.0、2.5、3.0,温度为8、18、28、38℃时体系中Fe~(2+)、总Fe、次生矿物的变化情况.结果表明,在改良9K培养基中,温度和pH均影响Fe~(2+)生物氧化和Fe~(3+)水解成矿.A.ferrooxidans最佳适宜生长环境为温度28℃,pH=2.0~3.0,其它条件均不利于其生长繁殖,导致Fe~(2+)氧化速度明显变慢.起始pH=1.5时,不同温度处理均未发现有矿物生成,pH越高,收集矿物量越多.次生铁矿物XRD图谱表明,反应温度为28℃时,pH=2.0~2.5条件下次生铁矿物主要为黄铁矾和施氏矿物的混合物,而pH=3.0时则更有利于施氏矿物的形成.该现象对有效调控次生矿物的形成具有潜在意义.     

温度与pH对生物合成施氏矿物在酸性环境中溶解行为及对Cu2+吸附效果的影响

探析施氏矿物在不同温度、pH下的溶解行为,对其在酸性煤矿废水(ACMD)重金属去除领域的应用具有重要的工程指导意义.本研究通过摇瓶实验,在0.16mol·L-1FeSO4·7H2O,初始pH为2.5的酸性体系中,采用氧化亚铁硫杆菌A.ferrooxidans催化合成施氏矿物.考察了15℃与30℃,pH为2.0$6.0环境条件下矿物的溶解行为,及生物合成施氏矿物对酸性体系Cu2+的吸附去除效果.研究结果表明,经过24h反应,施氏矿物合成体系pH从原始2.50降低至2.18,体系Fe2+氧化完全,27.3%的铁离子参与矿物的合成,矿物分子式可表示为Fe8O8(OH)4.22(SO4)1.89.生物合成施氏矿物在温度为15℃,pH分别为3.2、3.0、2.8、2.6、2.4、2.2与2.0液态体系中振荡72h,矿物溶解率分别为1.92%、3.34%、5.90%、13.09%、28.74%、44.53%与61.46%.在温度为30℃的上述酸度体系中,矿物溶解率在相应时间却达到2.04%、3.98%、8.34%、20.53%、43.50%、96.74%与99.92%.在pH≥3.5的不同温度液态体系中该矿物无溶解迹象.在15℃,pH为6.0、5.0、4.5、4.0与3.5,Cu2+浓度为40mg·g-1的液态体系中,生物合成施氏矿物对Cu2+的吸附量为(50.9±2.2)、(47.3±13.3)、(40.5±4.7)、(31.1±5.0)及(16.9±6.5)mg·g-1.体系酸度一定,施氏矿物在15℃与30℃条件下对Cu2+的吸附效果无显著差异.本研究结果对生物合成施氏矿物在ACMD重金属去除工程应用提供必要的参数支撑.     

施氏矿物的化学合成及其对含Cr(Ⅵ)地下水吸附修复

采用简单快速的化学合成方法在实验室人工合成施氏矿物,研究了合成的施氏矿物对地下水中Cr(Ⅵ)的吸附动力学、吸附能力以及环境条件对施氏矿物吸附Cr(Ⅵ)的影响.结果表明,合成的施氏矿物对水溶液中Cr(Ⅵ)具有较强的吸附作用,24 h后反应达到平衡,吸附动力学过程符合Lagergren二级速率方程;而吸附等温方程符合Langmiur方程,pH值在4.5~6之间时Cr(Ⅵ)的去除效果最佳,最大吸附能力达到40.4 mg·g-1.溶液中Cr(Ⅵ)的去除率随施氏矿物投加量的增大而升高.Cl-对施氏矿物吸附地下水中Cr(Ⅵ)无明显影响,而HCO_3~-、SO_4~(2-)会对施氏矿物吸附Cr(Ⅵ)产生较为显著的抑制作用;有机物和Ca~(2+)、Mg~(2+)等无机阳离子对施氏矿物吸附Cr(Ⅵ)的影响受pH值的影响:pH=6时,有机物和无机阳离子基本对施氏矿物吸附Cr(Ⅵ)无影响;pH=8时有机物以及无机阳离子均会对施氏矿物吸附Cr(Ⅵ)产生明显的抑制作用.     

酸性矿山废水中铜在含铬施氏矿物上的吸附及其对矿物溶解与相转变的影响

施氏矿物对水体中的重金属具有较强的吸附和固载能力,但随着环境条件的改变,施氏矿物可能会溶解并发生相转变,引起重金属的释放.利用化学合成的含Cr施氏矿物,探究其在不同Cu(Ⅱ)浓度与pH条件下含Cr施氏矿物的溶解和相转变.研究结果表明,在pH~3时,含Cr施氏矿物对Cu(Ⅱ)的吸附量较少,Cu(Ⅱ)对矿物溶解的影响不明显;在该pH条件下,含Cr施氏矿物会发生相转变生成部分针铁矿,但是随着溶液中初始Cu(Ⅱ)浓度的升高,矿物的相转变得到抑制.当pH升高至pH~5时,含铬施氏矿物对Cu(Ⅱ)的吸附量显著增加,Cu(Ⅱ)主要以Cu(OH)+与Cu2_(OH)_2~(2+)的形态吸附在含Cr施氏矿物表面,而高浓度Cu(Ⅱ)存在时也会生成部分Cu(OH)_2固体直接沉淀在矿物表面,覆盖矿物的反应位点从而阻碍SO_4~(2-)和CrO_4~(2-)的释放,而且随着Cu(Ⅱ)浓度的升高,这种抑制作用显著增强.在不同pH条件下,Cu(Ⅱ)的存在能够有效促进含Cr施氏矿物的稳定性,促进矿物对重金属Cr的固载能力,这些结果对酸性矿山废水环境中施氏矿物的稳定性和重金属污染控制具有重要意义.     

乙基黄药对施氏矿物吸附Cr（Ⅵ）的影响研究

选矿药剂在矿产资源开发中被大量使用,环境中残留的选矿药剂及其衍生物对重金属的迁移、转化等环境行为产生重要影响.施氏矿物是广泛存在于酸性矿山废水中的一种典型的羟基硫酸盐铁矿物,对重金属具有明显的吸附作用.然而,浮选药剂对施氏矿物富集重金属的影响有待深入研究.本研究采用快速化学法合成施氏矿物,通过批量吸附实验法系统探究典型浮选药剂乙基黄药存在条件下,反应体系pH、接触时间、浮选药剂浓度、Cr(VI)初始浓度等因素对施氏矿物吸附Cr(VI)的影响规律.结果表明：在酸性条件下,乙基黄原酸钠抑制施氏矿物对Cr（Ⅵ）的吸附作用;在碱性条件下,乙基黄原酸钠对施氏矿物吸附Cr（Ⅵ）具有明显的促进作用.在初始pH条件为8.5时,施氏矿物对Cr(VI)的最大去除容量达到56.96 mg·g-1,与最佳条件下施氏矿物对Cr(VI)的吸附容量（40.4 mg·g-1）相比,吸附容量提升了41%.乙基黄原酸钠存在条件下施氏矿物对Cr（Ⅵ）的吸附符合准二级动力学,表明该吸附过程以化学吸附机制为主.在Cr(VI)的吸附过程中,黄原酸基将Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ）,从而增强了了施氏矿物在碱性条件下对Cr(VI)的去除...     

A.ferrooxidans对高硫煤矸石去除酸性水体中Cr(Ⅵ)的强化作用

本研究考察了Acidithiobacillus ferrooxidans(A.ferrooxidans)联合高硫煤矸石(富含FeS2)对模拟煤矿酸性水体中Cr(Ⅵ)的去除效果.结果表明,处理Cr(Ⅵ)初始浓度为50mg/L的模拟煤矿酸性废水(pH=2.5)时,投配率为6.67～33.33g/L高硫煤矸石可使Cr(Ⅵ)去除达到良好效果.50mg/LCr(Ⅵ)在24h内即可完全被高硫煤矸石中的FeS2还原成Cr(Ⅲ),且在反应终点时(120h),6.67,13.33,33.33g/L高硫煤矸石对还原产物Cr(Ⅲ)的吸附去除率分别为7.1%、20.2%、29.1%.然而,在高硫煤矸石的还原和吸附作用下,大部分的Cr仍以Cr(Ⅲ)形式残留在酸性水体中,且高硫煤矸石的大量投加也给水体带来了Fe~(2+)_、Fe~(3+)_、SO_4~(2-)等二次污染物.在高硫煤矸石-Cr(Ⅵ)体系中引入A.ferrooxidans和9K培养基后,A.ferrooxidans介导的Fe~(2+)_生物氧化及产物Fe~(3+)_水解矿化过程可促进部分Fe~(2+)_、Fe~(3+)_、SO_4~(2-)等向次生铁矿物(包括施氏矿物和黄钾铁矾)转变,从而使模拟酸性水体中残留的Cr(Ⅲ)通过次生铁矿物的吸附或共沉淀作用被清除.在A.ferrooxidans强化作用下,模拟煤矿酸性废水中Cr(Ⅵ)在96h即可达到99.4%的去除率.     

生物与化学成因施氏矿物吸附去除水中As(Ⅲ)效果的比较研究

施氏矿物作为一种具有良好应用前景的高砷吸附材料已倍受人们关注.采用静态吸附实验对生物、化学成因施氏矿物去除模拟地下水中As(Ⅲ)进行了研究.结果表明,在25℃,初始As(Ⅲ)浓度为0.2 mg·L-1,施氏矿物投加量为0.25 g·L-1时,生物成因施氏矿物吸附3 h后溶液中As(Ⅲ)含量降低到10μg·L-1以下(地...     

CO2对A. ferrooxidans活性和次生铁矿物形成的影响

通过摇瓶试验模拟富铁富硫酸盐环境,研究了在0.03%(空气中CO₂含量),3%,6%,9%和12%浓度的CO₂条件下对Acidithiobacillus ferrooxidans活性及次生铁矿物形成的影响,并分析了pH值,Fe²⁺氧化率及氧化速率,总Fe沉淀率以及次生铁矿物矿相等相关指标.结果表明,CO₂浓度为3%时,菌氧化Fe²⁺能力最强,72h时Fe²⁺氧化率达到100%,试验结束时总Fe沉淀率最高,为42.8%.随着CO₂浓度增加,各体系A. ferrooxidans活性受到抑制.不同CO₂浓度体系最终获得矿物均为黄铁矾类矿物混合少量施氏矿物.适当提高CO₂浓度,有助于提高A. ferrooxidans活性,并促进水解成矿增加矿物产量.本研究为酸性矿山废水的治理提供理论依据.     

化学合成施氏矿物与H2O2共存体系下光化学处理垃圾渗滤液的研究

选择高效快速的处理方法来降解垃圾渗滤液中高浓度有机污染物具有重要的实际意义.本研究采用化学合成施氏矿物/H2O2/UV法,探究了施氏矿物添加量、V(H2O2)/m(施氏矿物)等对垃圾渗滤液色度、TOC、COD去除效果的影响.结果表明,渗滤液色度、TOC、COD去除率随施氏矿物添加量的增加均呈先显著上升后逐渐稳定的趋势,在最佳添加量12 g·L-1时,色度、TOC去除率随着V(H2O2)/m(施氏矿物)的增大均有所提高,而当V(H2O2)/m(施氏矿物)大于2时,COD去除率受H2O2影响反而呈下降趋势,最佳去除率为44.9%;另外,高强度紫外光更有利于施氏矿物/H2O2光化学氧化污染物,在500 W条件下,最佳起始pH=2.5的渗滤液光化学处理2.5 h后,色度、TOC和COD去除率分别为90.0%、78.8%和52.6%;同时,研究发现常温条件更有利于施氏矿物/H2O2/UV法处理垃圾渗滤液,当温度大于25℃时,COD去除率呈逐渐下降趋势.对照试验表明,与传统均相Fenton反应相比,施氏矿物/H2O2法有利于渗滤液色度的去除.     

FeSO_4-K_2SO_4-H_2O体系中Fe/K摩尔比对生物成因羟基硫酸铁矿物质量的影响及环境意义

在FeSO4-K2SO4-H2O的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌催化氧化体系中,当起始Fe2+浓度分别为20、40、80和160mmol.L-1时,通过设定系列Fe/K摩尔比(3~200)来调控溶液的K+含量,合成得到次生羟基硫酸铁矿物,主要包括施威特曼石、黄钾铁矾以及两者的混合物.结果表明,当起始Fe2+浓度较低,如20mmol.L-1和40mmol.L-1时,72h反应后,不同Fe/K摩尔比处理所得矿物质量很少,最大只有0.38g.而随着Fe2+浓度增大,Fe/K摩尔比例的减小,矿物质量明显增加,例如在Fe2+=160mmo.lL-1、Fe/K=3时,250mL体系中矿物质量达到了4.48g,同时矿物相由结晶度差的施威特曼石逐渐过渡到结晶度好的黄钾铁矾.笔者发现矿物质量与矿物相有非常密切的关系,当产物为晶型黄钾铁矾时,其对应的矿物质量也更多.因此,微生物成因羟基硫酸铁矿物质量在很大程度上取决于起始Fe2+浓度和Fe/K摩尔比,该现象对去除酸性矿山废水中可溶性Fe和SO24-有潜在意义.     

阴离子对Acidithiobacillus ferrooxidans氧化活性及次生铁矿物形成影响

酸性矿山废水（AMD）具有酸度高并含有大量可溶性Fe、硫酸根及重（类）金属的特点,采用生物矿化方法促使AMD中Fe向羟基硫酸铁次生矿物转变,对AMD后期石灰中和减少氢氧化铁和废石膏的产生,提高中和效率具有实际意义.通过模拟酸性矿山废水,考察了Cl^-、NO₃^-、PO₄^3-3种阴离子对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）体系中pH值、Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率、次生铁矿物矿相的影响.结果表明,高浓度阴离子对A.ferrooxidans氧化Fe²⁺能力具有抑制作用.A.ferrooxidans对阴离子的耐受性依次为PO₄^3- > NO₃^- > Cl^-.阴离子浓度在A.ferrooxidans耐受范围内时,其对Fe²⁺的生物氧化速率基本没有影响.但高浓度阴离子会通过抑制A.ferrooxidans的氧化活性,从而间接影响Fe³⁺的水解成矿过程,导致培养终点时总Fe沉淀率降低和次生铁矿物产量减少.受Fe³⁺供应速率降低的影响,次生铁矿物的合成途径易向施氏矿物转变.     

Ca2+对酸性硫酸盐环境中次生铁矿物合成的影响

通过摇瓶培养试验,在富铁酸性硫酸盐环境中,探析0、50、100、200或400mg/L Ca2+加入对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)生物合成次生铁矿物过程的影响.分析了体系pH值、氧化还原电位(ORP)、Fe2+氧化率、总Fe沉淀率以及次生铁矿物矿相等相关指标的变化情况.结果表明,0~24h培养过程中,各体系pH值、ORP、Fe2+氧化率及总Fe沉淀率变化幅度基本一致.24~108h培养过程中,体系中Ca2+加入量越大,Fe2+氧化越迅速,相应总Fe沉淀率相对较高.400mg/L Ca2+的加入使得体系Fe2+在72h氧化完全,总Fe沉淀率在108h达到39.1%.0、50、100或200mg/L Ca2+ 加入的体系在24~84h培养过程中,体系Fe2+氧化速率随着Ca2+加入量逐渐增加而依次升高,并在84h Fe2+氧化完全,且在108h,相应体系总Fe沉淀率分别为27.0%、29.7%、33.9%或36.9%.不同体系所得次生铁矿物均为施氏矿物与黄铁矾的混合物.本研究结果对明晰富铁酸性硫酸盐环境钙离子调控生物成因次生铁矿物合成的影响机理有一定指导意义.     

镁离子对氧化亚铁硫杆菌生物合成次生铁矿物的影响

通过摇瓶实验,在Mg2+分别为48,4.8mg/L,其他元素组成与9K液体培养基一致的体系中,采用氧化亚铁硫杆菌A. ferrooxidans催化合成次生铁矿物.考察了Mg2+含量对生物合成次生铁矿物体系pH值、氧化还原电位(ORP)、Fe2+氧化率、总Fe沉淀率、次生铁矿物矿相及矿物晶体尺寸的影响.结果表明,经过48h培养,Mg2+浓度为48,4.8mg/L生物成矿体系pH值分别从原来的2.50降低至2.30,2.19,ORP分别从初始259mV增加至269mV,276mV.两体系Fe2+氧化率培养至第48h均达到100%,然而两体系总Fe沉淀率及矿物形态及却不尽相同.Mg2+浓度为48mg/L生物成矿体系,总Fe沉淀率为23.7%,次生矿物紧密粘附于三角瓶底部.而Mg2+浓度为4.8mg/L生物成矿体系,总Fe沉淀率达到32.2%,次生矿物却均匀分散于溶液中.两体系合成次生铁矿物均为黄铁矾与施氏矿物共存的混合物,Mg2+含量4.8mg/L体系合成黄铁矾单个晶体长度(~1.60μm)约为Mg2+含量48mg/L体系的1.2倍.     

KOH对富铁富硫酸盐酸性环境中生物成因次生铁矿物合成的影响

生物成因次生铁矿物的高效合成对处理以富铁富硫酸盐为典型环境特征的酸性矿山废水具有重要的工程指导意义.本研究通过细菌培养实验,在富铁富硫酸盐环境(改进型9K液体培养基)中,考察了KOH对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)催化合成次生铁矿物过程中体系p H、Fe2+氧化率、总Fe沉淀率及次生铁矿物矿相的影响.结果表明,A.ferrooxidans在改进型9K培养基(对照处理)中培养72 h后,p H从原始的2.50下降至2.34,而在对照处理分别加入3.3、6.7与13.4 mmol·L-1KOH的处理体系中培养72 h后,p H却分别降低至2.27、2.15与2.10.同时,KOH的加入能够在一定程度上加速Fe2+的氧化速率及总Fe的沉淀效率.例如,培养至24 h,加入3.3、6.7和13.4 mmol·L-1KOH的处理体系较对照体系Fe2+氧化率分别提高了12.1%、20.3%和23.2%.培养至72 h,加入3.3、6.7和13.4 mmol·L-1KOH的处理体系较对照体系总Fe沉淀率分别增加了26.0%、60.4%和71.8%.通过分析加入6.7 mmol·L-1KOH或3.3 mmol·L-1K2SO4处理体系上述参数的变化情况,可以得出,KOH加速体系酸化、提高Fe2+氧化率及总Fe沉淀率是K+与OH-联合作用所致.本研究不同体系所得次生铁矿物均为黄铁矾与施氏矿物共存的混合物,然而,KOH引入的K+或OH-均有利于体系无定型施氏矿物向晶型黄铁矾类矿物转化.研究结果可为次生铁矿物生物合成及其在酸性矿山废水治理领域的应用提供必要的参数支撑.     

物理诱变处理氧化亚铁硫杆菌的育种研究

以氧化亚铁硫杆菌作为出发菌,采用物理诱变进行处理。研究结果表明,经过微波和超声波诱变均能加快氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+和转化SO32-的速度。尤其是经过90 s微波处理的氧化亚铁硫杆菌进入对数期的时间比未经诱变前缩短12 h,48 h时Fe2+的氧化率达到99%,4小时后SO32-基本全部转化为SO42-。     

色氨酸对生物成因铁硫酸盐次生矿物形成的影响

采用氧化亚铁硫杆菌催化合成铁硫酸盐次生矿物,研究不同L-色氨酸添加浓度对矿物合成体系pH、氧化还原电位（ORP）、Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率,以及次生矿物产量、化学组成及矿物相的影响.结果表明,随着体系色氨酸浓度的增加,pH降低幅度越小,ORP上升越不明显.色氨酸对铁硫酸盐次生矿物合成的影响依赖于其浓度,当色氨酸浓度低于1.67 g·L^-1时,色氨酸对铁硫酸盐次生矿物的形成起促进作用,表现为总Fe沉淀率及矿物产量随着色氨酸浓度升高而增加.而当色氨酸浓度升高至6.67 g·L^-1时,Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率和矿物产量远低于对照组,表明高浓度色氨酸会抑制铁硫酸盐次生矿物的形成.次生矿物内Fe/S比介于施氏矿物和黄钾铁矾的理论值之间,表明不同合成体系所得次生矿物均为黄钾铁矾和施氏矿物的混合物.矿物学特征分析表明,随着色氨酸浓度的升高,矿物的合成表现为黄钾铁矾向施氏矿物转移.     

酸性硫酸盐环境中菌密度对生物成因次生铁矿物形成的影响

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)促进次生铁矿物形成的现象在酸性煤矿废水(ACMD)的治理领域具有重要意义.本研究探索了A. ferrooxidans接种密度在酸性硫酸盐环境(9K培养基)中对Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率及矿物产生量的影响,同时考察了矿物合成体系矿相的变化情况.结果表明,当体系A. ferrooxidans接种密度为0.27×10⁶~5.40×10⁷ cells·mL^-1时,溶液中Fe²⁺需60~12 h氧化完全.培养至60 h,上述体系总Fe沉淀率分别达到10.7%~35.9%.不同接种体系Fe²⁺同时氧化完全时,沉淀单位质量Fe而转化的次生铁矿物量随着接种密度的增加而增大.例如,A. ferrooxidans接种密度分别为1.35×10⁶、2.70×10⁶、8.10×10⁶和1.62×10⁷ cells·mL^-1的处理在Fe²⁺同时完全氧化时刻,Fe沉淀率分别为17.6%、20.0%、24.1% 和26.5%,且沉淀1 g Fe转化的次生铁矿物量分别为2.04、2.10、2.17与2.27 g.结晶度较差的施氏矿物是次生铁矿物合成初期产生的唯一矿相,Fe²⁺完全氧化时,矿物相为施氏矿物与结晶度好的黄铁矾矿物的混合物.     

紫外诱变筛选高效氧化亚铁硫杆菌

为了取得高效氧化亚铁硫杆菌（T.f菌）,采用紫外线诱变处理,对照射1.5 min,3 min,5 min的菌株进行实验测试,结果表明,T.f3将Fe^2＋完全氧化由7 d缩短为5 d,并且在较低SO3^2-浓度范围内,Fe2＋浓度与SO3^2-的氧化速率呈正相关性,但当菌液浓度一定时,增加Fe2＋浓度,SO3^2-的氧化速率不会明显增加。