富铁酸性硫酸盐体系施氏矿物附着包裹硫杆菌的Fe2+氧化能力研究

探究富铁酸性硫酸盐体系次生铁矿物附着包裹硫杆菌的Fe~(2+)氧化活性,对揭示次生铁矿物调控酸性矿山废水形成过程具有指导意义.本研究首先采用摇瓶实验合成次生铁矿物—施氏矿物,然后将脱水后的0.1、0.2、0.3及0.4 g施氏矿物直接或溶解后加入到pH为2.50的富铁酸性硫酸盐体系(改进型9K液体培养基)中进行Fe~(2+)氧化,分析体系pH、Fe~(2+)氧化率、次生铁矿物产生量等相关指标.研究表明,氧化亚铁硫杆菌在脱水施氏矿物的附着包裹量为2×10~8cells·g~(-1).0.1、0.2、0.3及0.4 g施氏矿物直接加入体系经过108 h培养,pH分别下降至2.28、2.25、2.24及2.22;Fe~(2+)氧化速率随着施氏矿物加入量的增加而增加,且各体系Fe~(2+)氧化率在108 h均达到100%,此时次生铁矿物产生量分别是3.05、3.30、3.61与3.70 g·L~(-1).然而,0.1、0.2、0.3及0.4 g施氏矿物溶解后进入的相应体系经过108 h培养后,pH分别下降至2.19、2.18、2.10及2.02;Fe~(2+)氧化速率随着施氏矿物溶解量的增加而增加,各体系Fe~(2+)氧化率在96 h均达到100%,各体系次生铁矿物在108 h时的产生量分别是6.16、6.44、6.76与7.89 g·L~(-1).可见,施氏矿物对硫杆菌的吸附包裹作用致使体系Fe~(2+)氧化效率降低,次生铁矿物合成量减少,酸化程度减弱.     

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.     

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌介导的次生铁矿物形成的影响因素分析

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.本研究模拟AMD,考察了初始pH、Fe~(2+)浓度、Fe/Na摩尔比对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)体系中Fe~(2+)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Na~+会抑制A.ferrooxidans的氧化能力,当Na~+浓度在A.ferrooxidans耐受范围内时,其不影响Fe~(2+)氧化及总Fe沉淀去除效果,表现在160、80、20 mmol·L~(-1)的Fe~(2+)分别在72、48、48 h内被完全氧化,培养至终点时平均总Fe沉淀率分别为20.04%、16.43%、0.99%.此外,在Fe~(2+)浓度为160mmol·L~(-1)体系中,当Fe/Na摩尔比为1.0、2.0时,pH为2.0~2.6时获得次生铁矿物均为纯净施氏矿物.而当Fe/Na摩尔比降至0.5时,次生铁矿物的合成途径开始向黄钠铁矾转移,且其特征衍射峰随着Na~+浓度提高而愈加显著.本研究结果可为生物合成次生铁矿物工艺的优化及其在AMD治理领域的有效应用提供必要的参数支撑.     

基于不同能源底物和营养水平的酸性矿山废水产生机制研究

硫化矿物在氧气、水和铁氧化细菌的共同作用下会形成pH值极低、富含可溶性Fe、SO₄^2-和重金属离子等的酸性矿山废水.本研究选取黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿作为能源底物,以及0×9K、1/4×9K、1/2×9K、1×9K培养基作为营养水平,在氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）的参与下,从能源底物和营养水平角度探索不同硫化矿物酸性废水的产生特点和机制.结果表明,3种硫化矿物的生物产酸能力依次为黄铁矿>磁黄铁矿≈黄铜矿.经过38 d的生化反应后,黄铁矿体系的pH值达到1.41,总Fe （TFe）和SO₄^2-浓度分别达到771.82 mg·L^-1和357.25 mg·L^-1.水体营养水平在黄铁矿的生物产酸过程中起着至关重要的作用.经过16 d的生化反应后,0×9K、1/4×9K、1/2×9K、1×9K培养基处理的终点pH值分别为1.68、1.44、1.30、1.29.根据各营养体系中Fe²⁺和TFe浓度的变化趋势,以及反应终点收集矿物的X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）,分析认为充足的营养会提高Acidithiobacillus ferrooxidans的活性或密度,加快Fe²⁺生物氧化形成Fe³⁺并通过水解产酸作用合成黄钾铁矾等次生铁矿物,从而导致溶液的pH值更低.本研究所得结果对明晰酸性矿山废水形成规律具有一定的指导意义.     

Fe和Fe2+对混合细菌产氢发酵的影响

在研究Fe粉剂量和Fe²⁺浓度对混合细菌产氢发酵的影响基础上,确定Fe和Fe²⁺促进混合细菌产氢能力的最佳阈值,并对乙醇型发酵菌群在不同Fe粉和Fe²⁺浓度下的产氢量和最大比产氢速率进行考察和对比.结果表明,Fe粉和Fe²⁺对乙醇型发酵菌群的产氢能力均有明显的促进作用.以葡萄糖为底物,投加Fe²⁺试验中,Fe²⁺浓度200mg/L获得最大产氢量143.7mL/g,较对照组提高32%;Fe²⁺浓度50mg/L获得单位VSS最大比产氢速率21.2 mL/(h·g),较对照组提高33%.投加单质Fe试验中,Fe粉剂量1000mg/L获得最大产氢量156.1mL/g,较对照组提高44%;Fe粉剂量500mg/L获得单位VSS最大比产氢速率23.5mL/(h·g),较对照组分别提高47%.单质Fe浓度高于50mg/L时,对发酵菌群产氢的促进作用要优于同浓度下的Fe²⁺.同时对混合细菌中铁的全量和形态分布进行了考察.     

Fe2+和Fe3+在4-氯酚光化学反应中性质的相似性

研究在光照条件下,２０ｍｇ／ｌ４－氯酚＋１ｍｇ／ＬＦｅ＾２＋（体系Ａ）和２０ｇ／Ｌ４－氯酚＋１ｍｇＦｅ＾３＋（体系Ｂ）中Ｆｅ＾２＋和Ｆｅ＾３＋的浓度变化,通过离子色谱手段,在体系Ａ中能够同时检测出Ｆｅ＾２＋,在体系Ｂ中亦能够同时检测到Ｆｅ＾２＋,故Ｆｅ＾２＋和Ｆｅ＾２＋在４－氯酚光化学反应中的性质,表现出相似性。     

3种填料A.ferrooxidans挂膜效果及对模拟酸性矿山废水中Fe2+生物矿化能力比较

氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）介导的生物矿化方法可促使酸性矿山废水（Acid Mine Drainage,AMD）中Fe离子向次生铁矿物转变. 采用固定化的方式来提高A.ferrooxidans密度有助于强化Fe²⁺的生物矿化能力.选取流化床19孔填料、弹性填料、悬浮球填料作为挂膜对象, 通过多批次的连续培养来考察3种填料的A.ferrooxidans挂膜能力及稳定挂膜所需周期,继而比较3种挂膜填料对模拟AMD中Fe²⁺的生物矿化能力,并估算A.ferrooxidans有效生物量.结果表明,3种填料（5.00 g）的A.ferrooxidans挂膜能力依次为弹性填料（1.76 g）＞流化床19孔填料（0.90 g）＞悬浮球填料（0.78 g）（干重）,且挂膜启动至稳定状态至少需要4批次.X射线衍射分析（X-ray diffraction,XRD）表明,3种填料表面 含矿生物膜均为施氏矿物和黄钾铁矾的混合物.以游离态A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化速率作为参比,估算出流化床19孔填料、弹性填料、悬浮球填料生物膜中A.ferrooxidans有效生物量依次为1.67×10⁸、8.52×10⁸、1.92×10⁸ cells·g^-1 （干基）.研究还发现,等同Fe²⁺生物氧化速率下, A.ferrooxidans挂膜填料比游离态A.ferrooxidans具有更强的AMD矿化驱动能力.     

Fe2+、Co2+、Ni2+对渗滤液厌氧过程的影响

通过单因素和正交试验,分别研究了Fe2+、Co2+、Ni2+及其组合对渗滤液厌氧过程中COD去除率和产甲烷量的影响.结果表明,分别投加Fe2+=25 mg·L-1、Co2+=1 mg·L-1、Ni2+=0.5 mg·L-1时对COD去除率和产甲烷量促进显著,3种微量元素均表现出了"低促高抑"的Hormesis效应.微量元素组合投加时,协同促进了甲烷的产生,其中Co2+是影响COD去除率的主要因素,Fe2+是影响产甲烷量的主要因素,但3种微量元素在其各自适宜的投加浓度范围时,对渗滤液厌氧过程的促进效果较为相近.各试验组的pH值维持在7.05~7.53之间,并与产甲烷量呈显著的相关关系.此外,渗滤液成分复杂,微量元素的生物有效性一定程度上受到限制,渗滤液厌氧体系对微量元素的需求较别的体系偏高.     

二价铁离子对UASB反应器厌氧发酵产氢效能的影响

金属离子Fe2+在生物产氢机制中起着重要作用.以红糖为底物,研究了Fe2+在0～1 650 mg·L-1范围内对UASB发酵产氢效能的影响.结果表明,适当浓度的二价铁离子对产氢具有一定的促进作用.当Fe2+浓度为0～450 mg·L-1时,发酵产气量及其氢气含量都随着Fe2+浓度的增加而增加;且当Fe2+浓度为450 mg·L-1时,获得最大生物气体积为17.72 L,较空白组提高了40.75%,此时氢气含量60.01%.而当外加的Fe2+浓度大于450 mg·L-1时,则开始呈下降趋势.因此,Fe2+可以成为调控发酵制氢的工程措施之一.     

Fe2+浓度对生物产氢动力学的影响

研究了Fe²⁺在0～1 500 mg/L 范围内对混合细菌发酵产氢动力学的影响.结果表明,以葡萄糖为底物,在35℃ 和初始pH为7.0时,当Fe²⁺浓度为0～300 mg/L 时,混合细菌发酵葡萄糖的最大累积产氢量和平均产氢速率都随着Fe²⁺浓度的增加而增加;当Fe²⁺浓度为300 mg/L 时,最大累积产氢量和平均产氢速率最高,分别为302.3 mL和30.0 mL/h .当Fe²⁺浓度为0～350 mg/L 时,比产氢率随着Fe²⁺浓度的增加而增加,当Fe²⁺浓度为350 mg/L 时,最大比产氢率为311.2 mL/g .修正的Logistic模型能很好地描述累积产氢量随时间的变化规律.修正的Han-Levenspiel模型能很好地描述Fe²⁺浓度对平均产氢速率的影响.     

亚铁对水平潜流人工湿地反硝化作用的影响

亚铁离子可以作为电子供体参与反硝化作用,某些微生物可以通过氧化亚铁离子还原硝酸盐,从而去除污水中的硝态氮.本研究通过在潜流人工湿地中添加Fe2+,分析不同初始Fe2+浓度对反硝化过程的强化效果及不同C/N对Fe2+参与反硝化作用的影响.结果表明,Fe2+的添加可以显著提高人工湿地反硝化能力,进水NO-3-N为30 mg·L-1、C/N为2、水力停留时间为1 d,添加45 mg·L-1Fe2+的人工湿地中硝氮去除率可以提高24%;硝氮去除率随初始Fe2+浓度的增加而增加.C/N与初始Fe2+浓度对反硝化作用都具有显著影响且两者具有交互作用,碳源的存在可以促进Fe2+参与的反硝化作用.     

Decontamination of alachlor herbicide wastewater by a continuous dosing mode ultrasound/Fe2+/H2O2 process

We used a ultrasound/Fe2+/H2O2 process in continuous dosing mode to degrade the alachlor.Experimental results indicated that lower pH levels enhanced the degradation and mineralization of alachlor. The maximum alachlor degradation(initial alachlor concentration of 50 mg/L) was as high as 100% at pH 3 with ultrasound of 100 Watts, 20 mg/L of Fe2+, 2 mg/min of H2O2 and 20℃ within60 min reaction combined with 46.8% total organic carbon removal. Higher reaction temperatures inhibited the degradation of alachlor. Adequate dosages of Fe2+and H2O2 in ultrasound/Fe2+/H2O2process not only enhance the degradation efficiency of alachlor but also save the operational cost than the sole ultrasound or Fenton process. A continuous dosing mode ultrasound/Fe2+/H2O2 process was proven as an effective method to degrade the alachlor.