浸铀菌群挂膜连续培养工艺研究

陈 川，孙占学，李 江

（东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 抚州 344000）

微生物浸矿技术是近几十年来兴起的以湿法冶金和微生物学为基础的一门新兴交叉学科［1－2］。细菌浸矿的优势在于：反应温和、环境友好、能耗低、流程短。细菌浸矿技术已被广泛用于低品位铀、铜、金矿石的浸出［3－6］。近年来随着细菌堆浸技术的成熟，一些科研团队相继在国内的一些铀矿成功进行了工业化细菌堆浸试验［7］。然而，细菌堆浸的工业化应用却受浸铀细菌扩大培养的制约，因其菌液产量往往达不到堆浸的需求［8］。这主要是对细菌生长规律、挂膜条件及生物膜熟化规律缺乏认识，并在细菌的培养过程中无法确定较准确对应的工艺参数所导致的。细菌培养是细菌浸出前期的主要工作，为了获得浸矿所需的大量菌液，必须解决细菌的快速培养问题［9］。

但一些工业化细菌堆浸试验一般采用生物接触氧化槽以批次培养的方式生产浸铀用菌。在批次培养过程中，细菌通常要经过潜伏期（或称迟缓期）、对数期、稳定期和衰减期。在细菌的培养过程中，由于菌接种后的适应性和生长后期有害代谢物积累的影响，在迟缓期和衰亡期时间较长且菌活性较差。而对数期是细菌生长最旺盛的时期，养分转化速度也最高。我们就想通过连续补充营养物质同时及时排除有害代谢产物，使培养系统中细菌数量和营养状态保持恒定，这就是连续培养方式。连续培养可缩短培养周期，提高设备利用率，能在较长时间内使微生物群体的生长保持恒定［10］。

本文设计了一套小型工业化接触氧化槽进行浸铀用菌的连续培养，探索连续培养工艺的工艺参数。

1 试验

1.1 材料

本试验菌种直接采用矿上千吨级堆浸试验所用菌群（氧化亚铁钩端螺旋菌和氧化亚铁硫杆菌的混合菌群），培养基由堆浸试验的尾液、工业硫酸和工业硫酸亚铁配制而成，氧化槽中用聚氨酯泡沫作填料。

1.2 装置

一台大型蠕动泵，三台电磁振荡充气泵和一台螺旋搅拌器，采用工业堆浸试验所用的小型接触氧化槽四个，每个有效体积2m3，长2m，宽1.4m，高0.7m。三个用于连续培养的氧化槽中分别加入10%体积的聚氨酯泡沫，另一个用作承接三槽溢流出的合格菌液。每个氧化槽底部5×5均匀分布着充气头。浸铀用菌的连续培养装置如图1所示，示图中进液槽提供用螺旋搅拌泵搅拌尾液、工业硫酸和工业硫酸亚铁配成的培养基，蠕动泵控制进液流量，电磁振荡式充气泵向槽中充气，菌液逐级溢流，3槽出合格菌液并溢流到出液槽再出流到配液槽用于工业生产。

图1 连续培养装置Fig.1 Continuous culture apparatus

1.3 试验方法

1.3.1 细菌培养控制条件

所用菌种的最适生长温度为28～32℃，为了充分利用菌的活性提高生产效益，该试验特意在温度最高的7、8、9月份进行。三槽串联流动培养，以第三级二价铁氧化百分率至90%～95%为指标来控制流速。随着填料上生物膜的逐渐成熟，加大进液流速。在整个培养过程中，保证足够的曝气量，同时每隔4h用便携式溶氧仪监测各级氧化槽中的溶解氧和液温并取样，用酸度计测定各级菌样的pH和Eh，用EDTA测定Fe3＋和Fe2＋浓度。

1.3.2 菌种扩大培养

首先将菌种按20%接种量逐级扩大培养到3个氧化槽，流程如图2。

图2 菌液扩大培养流程Fig.2 The processes of bacterial expanding culture

1.3.3 三槽连续恒流培养试验

在进液槽用尾液配好pH 1.7～1.8，Fe2＋浓度（用∑Fe2＋表示）5g／L左右的培养基。

流速试验

用扩大培养的菌液接种到三个氧化槽，实时监测各槽Fe2＋浓度，当三槽Fe2＋氧化率都达到90%时流动试验正式开始，在试验过程中，每隔4h监测计算一次各级培养槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋比值，如果第一、二和三级培养槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋值分别小于60%、30%或5%时（主要以第三级氧化槽Fe2＋氧化速率为指标），则适当增加流速，反之则减小流速，直到第三级培养槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋值在5%左右。

2 试验结果分析与讨论

2.1 挂膜前后Fe2＋氧化速率对比

试验开始以日出液率0.2设定进液流速为0.8 L／min，在前50h，Fe2＋氧化速率保持稳定，随后加大流速至1L／min，各级氧化槽Fe2＋氧化速率很快出现大幅度下降；在100h时立即调回初始流速，在此过程中，各槽Fe2＋氧化速率趋于平稳；到240h各级Fe2＋氧化速率逐渐上升，此时不断加大进液流速，在260h时流速加大至2L／min，随后再加大进液流速，Fe2＋氧化速率就开始下降，如图3所示。

图3 各级氧化槽Fe2＋氧化速率Fig.3 Fe2＋ oxidation rate of oxidation tanks

图4 第一级氧化槽Fe2＋的氧化速率与进液流速关系图Fig.4 The relationship between Fe2＋ oxidation rate and flow rate of the first tank

在挂膜初期，氧化槽中流动细菌细胞占主体，第一级氧化槽的Fe2＋氧化速率在0.1g／h上下浮动，但一旦加大进液流速，流动细胞被稀释，菌密度就很快降低，导致Fe2＋氧化速率下降。到260h后，培养基流速和Fe2＋氧化速率达到最大并趋于稳定，说明生物膜生成和脱落的动态平衡中，即挂膜完成。生物膜熟化后，进液流速达到2L／min，第一级氧化槽Fe2＋氧化速率0.21g／h，较之挂膜前翻了一倍，氧化槽中固定细胞数占据绝对优势，菌密度增加，而此试验中填料只占10%体积就实现了日出液率0.48。

2.2 挂膜连续培养试验效果与批次培养对比

在同样的温度、pH值和溶氧条件下，批次培养挂膜初期Fe2＋氧化速率只为0.04g／h，生物膜熟化后Fe2＋氧化速率最高只达到0.09g／h，即使在工业堆浸生产中，采用弹性丝状填料的细菌批次培养方式下的Fe2＋氧化速率只在0.06g／h左右，相比之下，挂膜连续培养方式明显优于批次培养。

2.3 挂膜完成后的拐点研究

挂膜完成后Fe2＋氧化速率达到最大，但这种状态在保持了一天后就随着悬浮状态的聚氨酯泡沫的下沉迅速改变，即氧化速率急剧下降。在此变化过程中，经测样分析，氧化槽中的∑Fe含量由8.2g／L下降到7.4g／L，总铁浓度减少0.8g／L。经分析是由于铁沉淀附着于聚氨酯泡沫上，堵塞泡沫孔隙增加自量加速泡沫下沉，泡沫表面附着的铁沉淀破坏了生物膜的脱落与再生平衡并阻断了孔隙内附着菌与外界营养物质的接触，导致固定菌细胞大量死亡进而降低了菌密度。

为了进一步验证铁沉淀与聚氨酯泡沫的关系，停泵清除池底沉淀并重新补加一批新的聚氨酯泡沫填料，经过几十个小时的培养，各级氧化槽Fe2＋氧化速率又开始慢慢回升。因此，在试验过程中，要控制进液总铁含量和pH值，避免引起填料沉淀。如果不慎产生沉淀，除了马上改善培养条件还得及时清理池底沉淀防止形成板结，这些对将来的工业生产都很有指导意义。

2.4 各级氧化槽氧化速率差异分析及控制进液流速的重要性

生物膜熟化期间，控制进液流速，各级氧化槽由于菌密度和菌活性的不同，细菌氧化Fe2＋的速率随时间而变化，如图3所示。由图可知，随着菌种在填料上生物膜的逐渐形成并熟化，细菌密度和活性逐级提高，三级氧化槽Fe2＋氧化速率都逐渐上升，但氧化槽1由于菌种分裂繁殖所需养料的及时供应，它的菌活性最高，而氧化槽3虽然菌密度大但养料供给少且滞后导致菌活性较差，因此三级氧化槽的氧化速率呈现逐级递减趋势。

挂膜期间，在培养基成分、溶解氧和温度等条件不变的情况下，如果进液流速过大，细菌培养处于洗脱过程，此过程中Fe2＋／∑Fe2＋比值持续升高，菌密度减小，不利于生物膜的形成，而且造成各级氧化槽的菌的氧化还原电位下降，这与堆浸工业生产要求不相符；但如果进液流速过小，各级氧化槽中Fe2＋含量很低甚至没有Fe2＋，这将导致菌老化活性降低，而且菌产量过低，满足不了生产需求，一旦菌超过一定时间得不到营养物质将大量死亡，所以细菌连续培养过程中，控制培养基的进液流速很关键，以保证挂膜成功并产出足够的高氧化还原电位的合格菌液。

3 结论

1）连续培养生产方式是连续自流的，简化了生产工序。节省了批次培养中所必须的成熟菌液的排放和接种供给新液所需的时间，跳过了由迟缓期至对数期的时间，因此缩短了生产周期，提高了生产效率。

2）在配液过程中要严格控制总铁含量和pH值，它们关乎是否有铁沉淀生成。

3）在培养过程中，控制进液流速是保证挂膜成功并生产足量合格菌液的关键。

4）野外温度在25～32℃，聚氨酯填料挂膜完成需要11d，在生物膜熟化期间，Fe2＋氧化速率、进液速率和合格菌液产量逐渐上升，但溶解氧逐渐降低，至生物膜成熟后都保持相对稳定。

5）连续培养过程中，Fe2＋最大氧化速率达到0.21 g／h，总体积6m3的氧化槽日最大出液量为2.88m3。

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