CO2+O2地浸采铀污染物的产生及SRB治理探索试验

CO2+O2地浸采铀污染物的产生及SRB治理探索试验
王清良;王星星;胡鄂明;李乾;黄龙;蒋潇宇
【摘要】CO2+O2地浸与酸法地浸相比,具有显著的环保优势,但也会对地下水造
成一定的影响,如在生产过程中可能产生SO2-4、Mn2+和其他重金属离子。

本文
阐述了CO2+O2地浸采铀污染物的产生机理,开展了SRB治理污染物的探索性试验。

主要研究了不同pH、不同氮气压力下SRB处理还原硫酸根的效果,结果表明,pH值对SRB还原硫酸根有很大影响,当pH值为6~8时,SRB还原硫酸根的效
果最好；与氮气加压条件相比,没有氮气加压的情况下,SRB还原硫酸根的效果更好；SRB能在一定的溶解氧水平下存活,并且还原硫酸根的效果更好。

%Compared with acidic in-situ leaching,CO2 +O2 in-situ leaching exerts signifi-cant environmental advantages, but has a certain pollution on groundwater, for example, SO2-4 ,Mn2+ and other heavy metal ions may be produced in
the production process. In this paper,the mechanism of pollutant generation in CO2 +O2 in-situ leaching of uranium were described,and the explorative control experiment by using SRB were performed. Treatment effect of sulphate reduction of SRB ( sulfate-reducing bacteria) in different pH and pres-sure of nitrogen were investigated. The results showed,the pH had a great effect on SRB of reducing sulfate. When pH value was at 6
~8,SRB had the best effect for sulfate reduc-tion;compared with the situation with nitrogen pressure,SRB had the better effect for sul-fate reduction without nitrogen pressure. SRB could survive under a certain level of dis-solved oxygen,and had more effective reduction for sulfate.
【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】5页(P9-13)
【关键词】SRB;CO2 +O2耐氧限度;地浸采铀;废水治理
【作者】王清良;王星星;胡鄂明;李乾;黄龙;蒋潇宇
【作者单位】南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001
【正文语种】中文
【中图分类】X523
目前,我国地浸采铀浸出工艺主要包括酸法、碱法和中性(CO2+O2)浸出.酸法地浸工艺中大量使用H2SO4,浸出液中含有铀、铁、铝、钙、某些重金属离子等,污染元素主要有重金属离子和硫酸盐[1].对铀的酸法浸出工艺中产生的废水的处理研究较多,相关治理方法也较多[2-3].而中性和碱法浸出工艺在国内起步晚,应用矿山逐渐增多,但是针对该工艺产生的废水处理研究较少.CO2+O2浸出与酸法地浸相比,虽然具有显著的环保优势,但是在生产过程中可能产生SO2-4、Mn2+和少量重金属离子,生产结束后,溶液中还有低浓度铀等,也会对地下水造成一定的影响[4].随着人们环境保护意识的增强,地浸采铀矿山污染地下水处理越来越受到人们的重视,水资源的保护也对水循环利用提出了更高的要求,未来CO2+O2地浸采铀工艺产生的污染地下水治理工作会倍显重要.利用SRB对的还原特性,在SRB还原时生成S2-与
重金属结合生成硫化物沉淀,可以实现对地浸采铀污染地下水的治理.目前SRB应用于酸法地浸矿山的污染地下水治理的研究较多,而应用于CO2+O2地浸采铀矿山的研究未见报道,因此本实验中应用SRB治理CO2+O2地浸采铀污染地下水具有重要研究价值.早期,微生物学界认为SRB是严格专性厌氧菌,但有研究[5-8]结果表明,SRB能在一定的溶解氧水平下存活,甚至生长状态更好.CO2+O2地浸采铀污染地下水中存在大量溶解氧,探究在该种污染地下水条件下,不同溶解氧水平对SRB还原的影响非常必要,这是能否应用SRB高效治理CO2+ O2地浸采铀污染地下水的关键.
本文结合CO2+O2地浸采铀机理及工艺过程,通过研究砂岩铀矿石成分特征和浸出液成分,对污染物的产生机制进行分析,探索研究SRB对污染物的处理效果;研究了初始pH值对SRB还原的影响;采用氮气加压的方式改变溶解氧浓度,考察不同氮气压力下,SRB还原的效果.
1.1 污染物的产生机制
地浸采铀砂岩铀矿石中经常含有黄铁矿,表1为新疆某砂岩铀矿石化学成分分析结果.其中, FeS2含量为0.126%,S含量为0.02%.
与铀伴生的黄铁矿在水、空气等的作用下,生成硫酸铁和硫酸[9-10].
同时二价铁又被氧化成三价铁:
据文献[4]报道,某CO2+O2地浸采铀矿山地下水中可达1 200 mg/L,可见地下水中浓度远高于地下水质量标准中规定的250 mg/L[11].笔者针对新疆某砂岩铀矿做了CO2+O2浸出工艺试验研究,两个柱浸试验结果显示浸出液中浓度分别是:486 mg/L和 601 mg/L,树脂板结物中质量百分含量高达14.43%.无论地下水还是水冶工艺废水中都含有超标,这为SRB的应用提供了基础.
对新疆某地浸采铀矿山生产过程中浸出液浓度进行分析,结果见图1.
由图1可以看出,在浸出前150天中,浓度一直在增加,150天时达到470 mg/L,且
保持上升趋势.可以预见,随着O2的不断通入和生产的不断进行,矿石中黄铁矿将不断被氧化,浓度也将会进一步增加.
另外,污染地下水中还存在一定浓度Mn2+、残留U及其他重金属离子.
1.2 SRB对污染物的治理原理
硫酸盐还原菌处理矿山废水机理有以下几个方面[9,12]:
1)硫酸盐还原菌将还原成H2S,与重金属离子生成难溶解的金属硫化物沉淀,从而去除重金属离子.
2)被还原成H2S的同时消耗H+,产生的OH-可与重金属离子生成氢氧化物沉淀. 反应过程如下(以Mn2+为例):
2.1 试验仪器
PHS-3C型酸度计(金坛市盛蓝仪器制造有限公司);FB224自动内校电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);101-2A电热鼓风干燥箱(北京中兴伟业仪器有限公司);85-2数显控温磁力搅拌器(金坛市大地自动化仪器厂);TG16-W型台式高速离心机(长沙维尔康湘鹰离心机有限公司);LRH1508型生化培养箱(广东省医疗器械厂).
2.2 试验试剂与培养基配制
化学试剂:HCl、NaOH均为分析纯,C12H12N22(HCl)、NaSO4、C8H5KO4均为基准试剂.
SRB培养基配制:采用API-RP38推荐的培养基,成分为:乳酸钠:4.0 mL/L,酵母浸膏: 1.0 mL/L,维生素C:0.1 g/L,MgSO4·7H2O: 0.2 g/L,KH2PO4:0.01 g/L,NaCl:10.0 g/L, (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O:0.2 g/L.将培养基pH值调至7.0～7.5,在1.4
kg/cm2灭菌锅中消毒20 min,冷却后加入经紫外线消毒的硫酸亚铁铵.
2.3 菌种富集与培养
从南华大学某下水道采集污泥样品,将厌氧污泥按2%的接种量接于装有液体培养基
的150 mL角瓶中至几乎充满状态,然后加入少量液体石蜡,密封30℃厌氧培养.待
培养基变成墨汁色且瓶口散发出臭鸡蛋气味时表明富集液中已有大量SRB繁殖.接种10 mL活性SRB放进另一个装有100 mL培养基的150 mL锥形瓶中,依次接
种多瓶,在生化培养箱中恒温(35℃)培养,以同样的方法对SRB进行多次培养,经过离心(6 000 r/min,15 min),用NaHCO3淋洗两遍之后,得到SRB混合菌种,备用.
2.4 分析及计算方法分析方法:采用硫酸联苯胺沉淀——碱滴定法测定[13];去除率
=(初始浓度-末尾浓度)/初始浓度×100%.
2.5 试验步骤
初始pH值对SRB还原硫酸根离子的影响试验:试验用水为SRB培养基溶液,菌液
总体积均为250 mL,菌种接种量为10%,C/S为2.0,使用HCl和NaOH调节使溶
液达到不同的pH值,水样初始pH值序列为4、5、6、7、8、9、10,在温度为35℃条件下,厌氧培养21天,测定溶液中硫酸根浓度的变化情况.
不同氮气压力下SRB处理硫酸根的效率试验:试验用水为SRB培养基溶液,菌液总
体积均为250 mL,菌种接种量为10%,分别向溶液中通入0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa压力的氮气,达到恒定值后,密封培养.
3.1 初始pH值对SRB还原硫酸根离子的影响
pH值影响微生物的活动是由于氢离子与细胞膜中的酶相互作用的结果,同时也影响细胞壁上的酶活性[14].合适的pH值对微生物生长繁殖而言是必须的,因此,pH是
影响硫酸盐还原菌生长繁殖的重要因素,尽管硫酸盐还原菌对pH值的适应能力很强,但在不同条件下选育的SRB适应pH值也不尽相同.
图2表明:在初始pH值对SRB去除SO24-试验中,菌液具有趋向中性的趋势.图3
表明:pH值对SRB还原硫酸根有很大影响,当pH值为6～8时,SRB还原硫酸根的
效果最好.
3.2 不同氮气压力下SRB处理硫酸根的效率
不同氮气压力下,各溶液中硫酸根浓度随时间变化曲线如图4、图5和图6.
由图4可以看出,在0.2 MPa氮气压力下,硫酸根的浓度均比空白组高,处理后SO2-4的浓度最大差值可达到500 mg/L.由图5和图6知,在0.3 MPa和0.4 MPa氮气压力下,分别是前两天、第一天比空白组浓度低,而后几天内一直是空白组硫酸根浓度较低.从试验条件分析,氮气加压直接导致了空白对照组和加压组的处理效果不同.结合解析除氧原理[15],可知氮气加压降低了氧气在溶液中的溶解度,从而降低溶解氧浓度,不同氧气浓度条件下SRB的活性不同,导致处理后硫酸根的浓度有差别.另一方面,SRB一般存活于自然大气压条件下,实验中较大的压强对其生长有一定的影响,导致不同压力下处理硫酸根的效率有差别.
从相关文献[5,16-18]中可知,SRB耐氧特性与细胞抗氧分子保护酶有关,参与细胞氧化还原中间过程的酶有超氧化物还原酶、过氧化氢酶和NADH氧化酶,在细菌细胞中存在的细胞色素c3和KCN—抑制细胞色素c氧化酶可能有类似于NADH氧化酶在其他严格厌氧菌中的除氧机制. SRB菌是可以利用氧的,只是需要在较低溶解氧浓度条件下才可实现,高浓度溶解氧使还原电位升高,SRB还原硫酸根受阻,生长受到抑制[19].
1)pH值对SRB还原硫酸根离子有很大影响,当pH值为6～8时,SRB还原硫酸根离子的效果最好,厌氧培养三周后,去除率达到60%以上.
2)SRB并不是严格厌氧菌,它能在一定的溶解氧水平下存活,与氮气加压条件相比,没有氮气加压的情况下,SRB去除的效果更好,两种条件下处理后的浓度最大差值可达到500 mg/L.
3)本研究中未详细探究CO2+O2地浸采铀矿山地下水中溶解氧浓度的变化及其对SRB治理废水的影响,这是下一步研究中的重点.
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