核桃壳对酸性矿山废水抑制效果的研究

杨　军，刘盛萍，岳　梅*，2

(1. 合肥学院 生物与环境工程系，安徽 合肥 230601；2. 安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，安徽 合肥 230601)



核桃壳对酸性矿山废水抑制效果的研究

杨军1，刘盛萍1，岳梅*1，2

(1. 合肥学院 生物与环境工程系，安徽 合肥 230601；2. 安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，安徽 合肥 230601)

研究在氧化亚铁硫杆菌培养液中添加核桃壳粉和核桃壳乙醇粗提液两种形态的抑制物，探讨其对酸性矿山废水以及重金属离子溶出的抑制效果。实验结果表明：核桃壳粉添加组对矿溶出的重金属Cr、Fe、Pb、Cu和Zn浓度的抑制作用强于核桃壳乙醇粗提液添加组；核桃壳及其乙醇粗提液对氧化亚铁硫杆菌产酸的抑制效果从强到弱依次为核桃壳粉添加组、核桃壳乙醇粗提液添加组、空白组。

核桃壳；重金属；多酚；产酸抑制；氧化亚铁硫杆菌

酸性矿山废水(Acid Mine Drainage，AMD)的防治是一个世界性难题，Santisteban等[1]提到AMD使得伊比利亚半岛众多水库蓄水容量和水生态系统功能受到影响。目前阻止AMD产生最常见的是使用土壤和水覆盖来减少氧气渗透到黄铁矿中或者使用杀菌剂阻止细菌参与反应，然而这些技术只是短期有效并且维护成本较高[2]。Ramla等[3]利用南非土著植物红鞘草和狗尾草为硫酸盐还原菌提供碳源，去除AMD中各种重金属离子，提高pH，然而这种方法容易产生H2S气体和各种硫化物金属沉淀，引起次生污染。植物果壳取自自然的添加物不仅环保，而且成本低，能很好地避免这种问题。大量的研究结果表明，植物多酚具有抗氧化、抑制酶活性、抗病毒、抗微生物等生物活性[4-5]。山核桃是一种常见坚果，其外壳含有植物多酚，众多学者曾研究过从山核桃壳提取多酚的工艺[6-7]。山核桃壳产量大且容易获取，利用这种废弃的果壳来防治AMD有极高的研究和应用价值。本文通过大量实验筛选出对氧化亚铁硫杆菌有抑制作用的核桃壳，并以核桃壳粉及其乙醇粗提液两种形态分别添加到含菌和矿样的培养基中，初步探讨核桃壳粉及其乙醇粗提液对矿山尾矿产酸以及对其重金属溶出的抑制效果。

1　材料与方法

1.1试验材料

(1)供试菌株：从硫化矿酸性废水中筛选得到，经上海生工16S rDNA鉴定为氧化亚铁硫杆菌。

(2)核桃壳：购于合肥商店，将壳洗净除杂烘干后用粉碎机粉碎，过100目筛备用。

(3)矿样：取自庐江何家小岭矿硫铁矿，0.01 mol/L HCl浸泡12 h，自来水洗净，超纯水浸泡48 h，80 ℃烘干粉碎，过100目筛备用。矿样具体成分分析由北京核工业部分析测试中心检测，具体成分Pb为68.8 μg/g，S为1.49%，Cu为1 258 μg/g，Cr为15.2 μg/g，Zn为112 μg/g，Fe(以Fe2O3含量计算)为59.37%。矿样XRD衍射分析显示其主要物质成分为黄铁矿(FeS1.92)和石英砂(SiO2)。

(4)9K无铁培养基(1 L)的配制成分: (NH4)2SO43.0 g，MgSO4·7H2O 0.5 g，KCl 0.1 g，K2HPO40.4 g，Ca(NO3)20.01 g。

1.2试验方法

1.2.1核桃壳乙醇粗提液的制备

取核桃壳粉30 g，石油醚常温浸泡48 h，用保鲜膜封口防止石油醚挥发，每隔12 h搅拌一次以避免出现沉淀，真空抽滤，蒸馏水洗净果壳粉，80 ℃烘干。实验采用的料液比为1∶15，用浓度50%的乙醇在50 ℃超声波清洗器中浸提1 h，超声时间为15 min，超声功率为500 W。提取后，对提取液进行真空抽滤，滤液进行低速离心分离(3 000 r/min)，收集上清液。将滤渣再加入乙醇溶液，重复提取一次，合并两次上清液，旋转蒸发仪在40 ℃下蒸发至溶液无醇味以防止乙醇杀灭后期所接菌种，用超纯水定容至150 mL，粗提液4 ℃冷藏备用。

1.2.2抑制产酸实验

取9K无铁培养基100 mL于250 mL三角瓶中，接入菌液5 mL，分别加入核桃壳粉及乙醇粗提液，28 ℃、160 r/min转速振荡培养，按照先密后疏间隔不同时间取上清液测pH值、重金属溶出浓度及硫酸根离子浓度，以不加核桃壳粉及粗提液为空白对照组，具体见表1。

表1　抑制产酸实验

1.2.3分析方法

采用pHS-3E型酸度计测定pH，样品在8 000 r/min下离心15 min后过0.45 μm多孔滤膜过滤，采用美国赛默飞Icp-Ms测定样品重金属溶出浓度，采用HJ/T 342-2007[8]铬酸钡分光光度法测定硫酸根离子浓度。

2　结果与分析

以下实验所有指标的测量均从各培养瓶中取样，各培养瓶的成分如表1所示。取样间隔按照先密后疏的原则，前期因为数据变化明显，所以每隔24 h测一次，后期数据变化不明显间隔为48或72 h测一次。

2.1pH变化

实验所测pH变化结果如图1所示。从图中可以看出，核桃壳粉添加组的pH基本维持一个稳定的状态，在长达28 d的测量过程中，数值从开始的3.3降低到最后的3.03。同加菌不加抑制物的CK+组形成了明显的对比，CK+组从初始测量到第7 d的时候数值降幅最明显，由开始的2.97降低到1.95，降幅为1.02，此后趋于稳定。而同为添加抑制物组的核桃壳乙醇提取组，其pH变化趋势线基本和CK+组维持一个平行状态，但pH的值高于CK+组。核桃壳乙醇提取组和CK+组初始pH值均为2.97，低于核桃壳粉添加组，原因是为提高提取效率，添加在核桃壳乙醇提取组乙醇提取液中的核桃壳粉经过了石油醚的浸提，大量的生物碱物质溶出，而失去了这部分物质对溶液酸性的中和作用，导致pH的降低。核桃壳乙醇提取组在第7 d的时候达到了基本稳定的状态，pH为2.26，此后直到第28 d，数值降到2.02，降幅为0.24，与核桃壳粉添加组相比，相差1.01，说明粉添加组的抑制效果明显优于醇提组。

图1pH值变化

2.2硫酸根溶出浓度值变化

2.3Fe溶出浓度值变化

从图3所反映的数据变化趋势来看，CK+组同两组加抑制物组之间在Fe离子溶出浓度差异明显。就CK+组而言，从初次测量到第9 d其增长趋势非常明显，从开始的386 mg/L增长到165 165mg/L，此后保持相对稳定，这个阶段该组pH变化趋势也保持稳定。而加抑制物的两组中Fe的溶出量则变化相对较小，核桃壳乙醇组从开始的355 mg/L变化到最后的1 856 mg/L；核桃壳粉添加组则从363 mg/L变化到1 754 mg/L。黄铁矿的溶解机理目前比较认同的一种反应式如下

(1)

Fe2+→Fe3+

(3)

Fe3+和O2同为具有氧化黄铁矿能力的氧化剂，而O2的氧化能力不及Fe3+[9]，而且实验中采用的培养瓶为锥形瓶，瓶口用6层纱布和牛皮纸包裹，空气或水中O2的浓度远不足以保证FeS2的连续氧化，因此由O2介导的自然氧化速率极其缓慢，其反应式如(1)式所示。

FeS2的氧化主要是由Fe3+来完成的，在这个过程中涉及两个反应：首先是铁离子的氧化，见(2)式；接着是FeS2的溶解，见(3)式。

3组实验组均为加菌组。嗜酸微生物的作用就在于它能催化反应(2)，通过把Fe2+氧化成Fe3+，从而促进反应(3)的进行[10]。在微生物催化作用下，Fe2+的氧化速率要比其在被O2氧化的速率快6个数量级[11]。而CK+组同两组加抑制物组的Fe离子溶出浓度值的差别在抑制物抑制了细菌的活性，减缓了黄铁矿的氧化速率，产酸量减少，而pH的降低则会导致金属离子的大量溶出。同时，更多Fe3+的溶出作为氧化剂又溶解了更多的黄铁矿，产生了更多的Fe3+。

图3Fe元素浓度变化

2.4Pb元素溶出浓度值变化

Pb元素的溶出浓度(cPb)变化趋势如图4所示。原矿成分含量中Pb 为68.8 μg/g，含量本身并不高，同时溶出量也不大，溶出量最高的CK+组溶出也不足5%。从图中的变化趋势可以看出，就CK+组而言，从初始测量的第1 d到第9 d，曲线的斜率随时间增加逐渐减小，溶出变化量逐渐减小，到第9 d的时候，基本变化区域平稳。在整个有限的体系内，Pb离子的溶出量是有限的，存在一个溶解平衡值。在含有高浓度的硫酸根离子体系内，部分Pb离子会形成硫酸铅沉淀，直到最终处于一个沉淀-溶解平衡状态。核桃壳粉组的Pb离子溶出量略小于核桃壳乙醇提取组，一方面原因是核桃壳粉组对于尾矿氧化产酸的抑制效果优于核桃壳乙醇提取组；另一方面原因可能是核桃壳粉的添加相对于核桃壳乙醇提取液来说，为硫酸铅的沉淀提供了更多的表面区域[3]。而核桃壳粉添加组在测量前期溶出量变化不稳定的原因可能是在微量溶出的情况下，沉淀-溶解平衡体系受动态变化的培养基环境影响。

图4Pb元素浓度变化

2.5Zn元素溶出浓度值变化

图5反映了Zn元素的溶出浓度(cZn)变化趋势。由于培养基中不含有Zn，所以其溶出完全来自于尾矿，然而Zn的浓度随着培养基变酸性其溶出浓度有明显增加的趋势。尾矿中Zn 含量为112 μg/g，在前7 d 3组实验组Zn溶出量差别并不算太大，而此后开始，CK+组Zn的溶出量大幅度增加，说明Zn离子的溶出量受酸碱性影响很大，但溶出前期速率很缓慢。而核桃壳乙醇组的Zn溶出量随时间推移缓慢增加，并趋于稳定，略高于变化趋势与之类似的核桃壳粉添加组。CK+组在溶出量平稳期Zn的淋溶量达到53.8%，远高于核桃壳乙醇组(17.9%)和核桃壳粉添加组(16.1%)。

图5Zn元素浓度变化

2.6Cu元素溶出浓度值变化

从图6的变化趋势可以看出，Cu元素的溶出速率快于Zn。从第2 d开始，CK+组Cu的溶出量就明显高于两加抑制物组，并且可以发现Cu从测量的第1 d到第17 d，浓度从355 μg/L增加到4 368 μg/L，增长速率基本保持不变，随后趋于稳定。说明Cu在酸性条件下的溶出很稳定，受外界干扰较小。CK+组从第1 d初次测量开始到第17 d Cu离子的溶出一直在增加，从初始的363 μg/L增加到第17 d的4 326 μg/L，此后增长趋于稳定。矿样分析中Cu含量为1 258 μg/g，培养基体积为100 mL，也即Cu溶出量为34.4%。而加抑制物的两实验组则稳定时间短，稳定浓度低。核桃壳乙醇组在第9 d达到稳定，浓度为1 263 μg/L；核桃壳粉添加组在第9 d之后基本稳定，达到912 μg/L，此后的增加幅度明显放缓。核桃壳粉添加组对于Cu离子溶出的抑制效果优于核桃壳乙醇组。

图6Cu元素浓度变化

2.7Cr元素溶出浓度值变化

从图7的变化趋势可以看出，3组实验组的Cr元素的溶出量并不大，这和Cr 15.2 μg/g的低含量有直接关系。在测量前期3组实验组的Cr溶出浓度并不稳定，这和测量前期并不稳定的培养基环境有一定关系，本身溶出量为微量，容易受到外界环境的干扰。在测量后期两组加抑制物组在数值上有稳定的趋势，而CK+组则保持溶出量升高的趋势。到第28 d测量数值为13.5 μg/L，溶出量为8.9%。Cr元素本身在矿样中属于微量元素，而且本身形态比较稳定，不易溶出，耗时长。在酸性强的CK+组培养基中，在高活性状态的菌液的作用下溶出量会有所增加。从两加抑制物组的数值对比来看，核桃壳粉添加组对Cr溶出量的抑制效果要优于核桃壳乙醇组。

图7Cr元素浓度变化

3　结　　论

本研究使用成本低且易得的农业废弃物核桃壳对氧化亚铁硫杆菌产酸起到了较为明显抑制效果，在抑酸的同时对尾矿的重金属溶出也有一定的抑制效果。具体实验结论有以下几点。

(1) 核桃壳粉添加组对尾矿溶出的重金属Cr、Fe、Pb、Zn、Cu浓度的抑制作用强于核桃壳乙醇提取液组。

(2) 核桃壳及其乙醇粗提液对氧化亚铁硫杆菌产酸的抑制效果从强到弱依次为核桃壳粉添加组、核桃壳乙醇粗提液、空白组。

该方法为矿山酸性水污染的原位防治提出了以废治废绿色治理的新思路，同时降低了果壳大量堆积对环境造成的污染。后续研究中需要继续探索尾矿中各种重金属的溶出规律，同时进一步寻求一种新的环保添加剂，结合农业废物提升AMD的pH。

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YANG Jun1, LIU Sheng-ping1, YUE Mei1, 2

(1.Department of Biology and Environment Engineering, Hefei University, Hefei,Anhui 230601, China;2.Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Precaution and Ecological Rehabilitation of Anhui, Hefei, Anhui 230601, China)

Using the waste of agricultural Fruit shell inhibit acidic mining waste water, a kind of great way to solve the problem of piling, is helpful to put down the environmental pollution. In this study, two forms of inhibitors of walnut shell powder and their crude ethanol extracts are added to the Acidithiobacillus ferrooxidans solution, the effect of inhibition about inhibitor to acid mine drainage and heavy metal ion dissolution are discussed. The experimental results show that the effect of inhibition about walnut shell powder to heavy metal ion dissolution such as Cr、Fe、Pb、Cu and Zn are better than its crude ethanol extract. When it comes to the effect of inhibition about the Acidithiobacillus ferrooxidans producing acid, the walnut shell powder is better than its crude ethanol extract, and its crude ethanol extract is better than the blank group.

walnut shell; heavy Metal; Polyphenols; producing acid inhibition; Acidithiobacillus Ferrooxidans

2015-12-27

2013安徽省学术技术带头人及后备人选培养项目[2013]189。

杨军，男，安徽泾县人，合肥学院生物与环境工程系硕士研究生，研究方向为矿山酸性废水治理。E-mail: 1228938940@qq.com

岳梅，女，安徽凤台人，博士，合肥学院生物与环境工程系教授，研究方向为矿山酸性废水治理。 E-mail： 13855165692@163.com

时间：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.024.html

X712

A

1007-4260(2016)03-0091-06

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.024