硅酸鹽細菌對赤泥中鉀的浸出研究

郭貴香，楊愛江，2，鄧秋靜，薛洪其，袁　翔，金祖雪

(1.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽　550025； 2.貴州大學環境工程規劃設計研究所，貴陽　550025)

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硅酸鹽細菌對赤泥中鉀的浸出研究

郭貴香1，楊愛江1，2，鄧秋靜1，薛洪其1，袁翔1，金祖雪1

(1.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽550025； 2.貴州大學環境工程規劃設計研究所，貴陽550025)

為評價硅酸鹽細菌對赤泥中鉀元素的浸出影響，在赤泥中接種經純化、馴化的硅酸鹽細菌，選擇浸出時間、搖床轉速、實驗溫度和赤泥投加量進行單因素實驗，研究赤泥中鉀元素的浸溶效果并通過正交實驗得出最佳浸溶條件。結果表明，當赤泥投加量為1 g·L-1，實驗溫度為32.5 ℃，浸出時間為3 d，搖床轉速為150 r·min-1時，硅酸鹽細菌對赤泥中含鉀礦物中鉀元素的浸溶效果最好，其浸出率為84.63%。實驗為赤泥提鉀的綜合利用提供一定參考依據。

硅酸鹽細菌； 赤泥； 鉀； 浸出毒性

1　引　言

一般用鋁土礦每生產1 t氧化鋁將產生0.72 ～1.76 t干赤泥[1]。目前世界各國氧化鋁企業主要采用干堆置處置、傾倒入海、填充洼地等方式來處理排放的赤泥，其處置成本約占氧化鋁產品產值的5%[2]。目前，國內外對赤泥的資源化利用主要集中于回收赤泥中的金屬元素、稀土元素、氧化物(堿、氧化鋁、氧化鐵)[3,4]，利用赤泥制磚、作為陶瓷原料、輕質墻體材料、制水泥等[5-8]。Thakur等[9,10]對赤泥的資源化利用作了一系列的研究，不僅將其用做橡膠、塑料的填料，也將其制作為催化劑吸附材料應用于廢氣、廢水的處理以及酸性土壤改良。赤泥中含有0.2%～1.04%的K2O[11-13]。硅酸鹽細菌是土壤中一類能分解硅酸鹽類礦物并釋放出磷、鉀等元素供植物利用的細菌，同時有固氮能力[14]。本文以硅酸鹽細菌對赤泥中鉀進行微生物浸出，為赤泥提鉀的綜合利用提供一定的參考依據。

2　實　驗

2.1實驗材料

2.1.1菌種

實驗所用硅酸鹽細菌由鶴壁市百惠生物科技有限公司提供。將菌種接種于硅酸鹽細菌液體培養基[15,16](表1)中，于32.5 ℃、150 r·min-1條件下培養3 d之后采用稀釋表面涂布法培養出單個硅酸鹽細菌菌落；多次劃線培養以純化菌種，采用不同赤泥投加量梯度馴化目標菌種，并將其擴大培養、備用。

表1　培養基組成

2.1.2赤泥

實驗所用燒結赤泥樣品采于中鋁貴州分公司赤泥堆場。樣品經自然晾干、研磨、過100目篩后于干燥環境中保存、備用。赤泥樣品按照文獻[17]消解后，采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS(X2))對消解液進行測定，結果如表2所示。

表2　赤泥樣品主要元素含量分析

2.2實驗方法

2.2.1赤泥的微生物浸出實驗

硅酸鹽細菌浸出赤泥中的鉀通過單因素實驗(不同浸出時間、培養溫度、轉速、赤泥投加量)得出正交試驗水平，再通過正交試驗得出最佳浸鉀條件。實驗時將培養基加入赤泥樣品中后，調節pH值為7.5～8.0；采用高壓滅菌鍋121 ℃條件下濕熱滅菌30 min后置于無菌操作臺內于紫外線照射氛圍中冷卻至常溫，實驗組菌種接入量為10%(v/v)，對照組加入無菌水10%(v/v)代替菌液。浸出實驗于恒溫振蕩器中進行，鉀的浸出濃度通過火焰原子吸收光譜儀(ICE 3500)測定。

2.2.2數據分析

采用Excel 2015和Origin 7.0軟件進行數據處理及作圖。

3　結果與討論

3.1硅酸鹽細菌生長曲線

接種了硅酸鹽細菌菌液的液體培養基于32.5 ℃、(150±5) r·min-1條件下進行培養，每隔3 h取樣于600 nm波長下測定其OD值，繪制硅酸鹽細菌的生長曲線如圖1所示。

由圖1知，將硅酸鹽細菌加入培養基后，24 h后進入對數生長期，60 h后進入穩定期。試驗時選擇微生物活性較強的對數期菌液進行接種。

3.2不同因素對硅酸鹽細菌浸出赤泥中鉀的影響

3.2.1不同時間對赤泥中鉀的浸出影響

分別取1.0 g赤泥于250 mL錐形瓶中，實驗組加入90 mL培養基，對照組加入100 mL培養基(赤泥投加量為10 g·L-1)，調節pH值為7.5～8.0。高壓滅菌鍋121 ℃條件下滅菌30 min后，置于無菌操作臺內冷卻至常溫，實驗組接種硅酸鹽細菌菌液10 mL。置于恒溫振蕩器內，調節轉速為150 r·min-1，溫度為30 ℃，分別培養1、2、3、4、5、6、7 d后靜置24 h，測定上清液中鉀離子濃度。分析實驗數據繪圖如圖2所示，由圖2知在第2、3、4 d赤泥中鉀的浸出效果最好。

圖1　硅酸鹽細菌生長曲線圖Fig.1　Growth curve of silicate bacterium

圖2　浸出時間對赤泥中鉀的浸出影響Fig.2　Effect of leaching time on potassium in red mud

硅酸鹽細菌接種于含赤泥培養基后逐漸適應培養基環境，開始迅速繁殖生長并產生大量的多糖物質[18]，該多糖物質能將菌體與赤泥顆粒粘結起來。通過掃描電鏡(SEM)對赤泥樣品進行表觀形貌觀測(圖3)，可知赤泥表面顆粒大小不一、形狀各異，顆粒間有較多孔隙，Wang等[19]研究表明赤泥含有較大的比表面積，約為10～25 m2·g-1，這使赤泥能吸附培養基中的菌體及其產生的多糖物質。赤泥的吸附性能加強了與菌體的結合，形成菌體—赤泥復合體。菌體—赤泥復合體通過溶蝕作用[20]，逐漸從溶蝕赤泥顆粒的棱角、微裂隙處至溶蝕赤泥顆粒的間隙及整個顆粒的內部。赤泥被侵蝕下的部分被菌體及其分泌的多糖物質包裹，從而增加了與赤泥接觸的面積。

從連賓[18]等對硅酸鹽細菌作用于鉀長石解鉀機理的研究來推測，硅酸鹽細菌對赤泥中鉀的浸出可能是赤泥的表面質點隨時處于熱振動狀態，受培養基中菌體—赤泥復合體的吸引，容易離開礦物表面進入培養基中。赤泥的吸附作用也可對培養基中半徑較小的酸根離子及其他離子進行吸附，進入赤泥的間隙中，為K+的釋放創造良好的空間條件。

圖3　細菌浸出前赤泥的SEM圖Fig.3　SEM image of red mud before bacterial leached

圖4　細菌浸出后赤泥的SEM圖Fig.4　SEM image of red mud after bacterial leached

由硅酸鹽細菌對赤泥浸出前后的SEM(圖3和圖4)可知，作用前赤泥顆粒相對較大，有的呈晶體狀結構，顆粒棱角分明；菌體作用之后，赤泥顆粒粒徑較小，表面比較光滑，明顯呈現出細菌對其腐蝕溶解的痕跡。

通過對浸出前后赤泥的XRD測試(圖5和圖6)可知，浸出前赤泥礦物中的鉀以K3TiOF5、K2ZnO2形式存在；在硅酸鹽細菌作用之后，鉀以(K·H·C)復合晶體、K3NbO8形式存在。由此推測，由于硅酸鹽細菌的作用，破壞了赤泥中含鉀礦物的結構，使一部分鉀釋放到培養基中，剩余的鉀則與物相中其他物質發生反應生成(K·H·C)復合晶體、K3NbO8。

圖5　赤泥原料XRD圖譜Fig.5　XRD pattern of red mud

圖6　浸出鉀后赤泥XRD圖譜Fig.6　XRD pattern of red mud after leaching potassium

3.2.2不同溫度對赤泥中鉀的浸出影響

溫度對微生物的活性有著重要的影響，為了解實驗溫度對赤泥中鉀的生物浸出情況，實驗取赤泥投加量為10 g·L-1，轉速為150 r·min-1，浸出時間為5 d，實驗溫度分別為25、27.5、30、32.5、35 ℃，實驗結果如圖7所示。

由圖7知，在25～30 ℃范圍內菌體活性隨溫度升高而增加，致使赤泥中鉀的浸出濃度呈上升趨勢；超過30 ℃后，菌體的活性隨溫度的升高逐漸受到抑制，鉀的浸出濃度呈下降趨勢。

圖7　溫度對赤泥中鉀的浸出影響Fig.7　Effect of temperature on potassium leached

圖8　赤泥投加量對其鉀的浸出影響Fig. 8　Effect of red mud dosage on potassium leached

3.2.3赤泥投加量對鉀的浸出影響

作為工業固廢，赤泥中不僅含有鉀，還含有錳、砷、鉛、鎘、鉻、銅等有害重金屬元素；作為提鉀原料，投加量過低會降低提鉀效率，而投加量過高則會使得浸出的效果不理想，適當的投加量才能得到最佳的浸出效果。取不同赤泥投加量為1、5、10、15、20、25、30 g·L-1，調節轉速為150 r·min-1，實驗溫度為32.5 ℃，浸出時間為5 d。實驗對不同赤泥投加量的單位重量赤泥中鉀的浸出量進行分析，結果如圖8所示。

由圖8知，不同赤泥投加量的單位重量赤泥中鉀的浸出量隨赤泥投加量的增加呈下降趨勢，當赤泥投加量為1 g·L-1時，鉀的浸出量最大；當投加量超過1 g·L-1時，鉀的浸出量急劇下降，之后呈緩慢降低趨勢。這可能是由于赤泥投加量增加時，隨著浸出過程的進行赤泥中的重金屬離子逐漸溶出累積，對菌體的生長造成一定的抑制作用[20, 21]，使得鉀的溶出過程也受到相應的阻礙，致使單位重量赤泥中鉀的浸出量降低。

圖9　搖床轉速對赤泥中鉀的浸出影響Fig.9　Effect of shaking speed on potassiumleaching in the red mud

3.2.4不同轉速對赤泥中鉀的浸出影響

為了探究搖床轉速對硅酸鹽細菌浸出赤泥中鉀的影響，實驗取赤泥投加量為10 g·L-1，培養溫度為30 ℃，恒溫振蕩器轉速分別設置為90、120、150、180、210 r·min-1，浸出時間為5 d，實驗結果如圖9所示。

由圖9知，搖床轉速為90～180 r·min-1時赤泥中鉀的浸出濃度相當，而轉速高于180 r·min-1后，鉀的浸出濃度迅速降低。實驗推測90～180 r·min-1的轉速足以使菌體與赤泥接觸良好；而轉速過高(n>180 r·min-1)，不僅使得菌體與赤泥接觸的概率降低，可能也會使粘結在一起的菌體—赤泥復合體較易分散，致使菌體與赤泥接觸受阻，大大降低赤泥中鉀的釋放效率。

3.2.5硅酸鹽細菌對赤泥中鉀的最佳浸出條件

由上述單因素實驗可知，中等轉速對赤泥中鉀的浸出影響較小，而時間、赤泥投加量、溫度對赤泥中鉀的浸出影響較溫度顯著。因此，本研究為探討出最佳的浸鉀條件，選定轉速為150 r·min-1后，其余因素最佳條件通過正交試驗確定。

表3　正交試驗水平-因素表

表4　正交試驗結果

由正交試驗結果可知，硅酸鹽細菌浸出赤泥中鉀的最佳條件為B1C3A2，即赤泥投加量為1 g·L-1、實驗溫度為32.5 ℃、浸出時間為3 d。此條件下鉀的浸出濃度為3.063 mg·L-1，浸出率為84.67%。

4　結　論

本實驗采用馴化的硅酸鹽細菌對赤泥中鉀進行浸出實驗，通過不同浸出時間、不同搖床轉速、不同實驗溫度和不同赤泥投加量進行單因素實驗后得出正交試驗因素水平。再由正交試驗得出硅酸鹽細菌浸出赤泥中鉀的最佳條件，即赤泥投加量為1 g·L-1、實驗溫度為32.5 ℃、浸出時間為3 d以及搖床轉速為150 r·min-1時。此時浸出效果最佳，鉀的浸出濃度為3.063 mg·L-1，浸出率可達84.63%。本實驗為赤泥提鉀的綜合利用提供一定的參考依據。

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Potassium Leached from Red Mud by Silicate Bacteria

GUOGui-xiang1,YANGAi-jiang1,2,DENGQiu-jing1,XUEHong-qi1,YUANXiang1,JINZu-xue1

(1.College of Resources and Environmental Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Institution of Environmental Engineering Planning and Design,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

In order to evaluate the effect of silicate bacterial leaching of potassium from red mud, inoculated the purified, acclimated silicate bacteria to the red mud, selected leaching time, shaking speed, temperature and red mud dosage of experimental variables did single factor experiments, studied the potassium leaching effect on red mud and through orthogonal test obtained the optimum leaching conditions. The results showed that when the red mud dosage was 1 g·L-1, the experimental temperature was 32.5 ℃, the leaching time were 3 d, and the table concentrator speed was 150 r·min-1, the best leaching effect of silicate bacteria on potassium of potassium-Bearing mineral of red mud, the leaching rate was 84.63%. The experiment provided some reference for the comprehensive utilization of red mud extracting potassium.

silicate bacterium;red mud;potassium;leaching toxicity

貴州省教育廳項目(黔教合KY字(2015)330號)；貴州特色重點建設學科項目(黔科合人才團隊[2012]4005號)；貴州省科學技術基金項目(黔科合J字[2013]2126號).

郭貴香(1989-)，女，碩士研究生.主要從事環境污染與控制方面的研究.

楊愛江，教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1658-06