胶质芽孢杆菌淋洗石煤提钒尾渣中重金属研究

董颖博，赵钰，林海，崇诗佳

(1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京，100083；2.工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京，100083)

钒是一种宝贵的战略资源，被广泛应用在冶金、原子能、化工和钒电池等重要领域。含钒石煤是我国特有的一种钒矿资源，储量巨大但品位低，V2O5品位一般在0.3%～1.0%之间[1]。由于含钒石煤品位低，钒冶炼过程中不可避免地会产生大量尾渣[2]。通常钒的回收率只有60%～70%，还有30%～40%的钒会随废水、废气、废渣排入环境中[3−4]。朱燕等[5]通过石煤提钒尾渣淋洗毒性试验的研究表明，淋洗液中钒的质量浓度高达3.5～30.0 mg/L，不能排除石煤提钒尾渣作为危险废物的可能。大量尾渣在堆放过程中，经风化、雨水淋滤有害元素会迁移进入周边大气、土壤和水体。钒矿周边地表扬尘中钒质量分数较高，为153～3 850 mg/kg，地表扬尘钒污染为“严重”[6]。我国西南部约有26.49%的土壤受到了钒污染[7]，钒矿周边土壤中的钒质量分数高达208～938 mg/kg，远高出我国土壤背景值[8−9]。环境中的钒可进入食物链累积，对人体健康和生态安全造成严重威胁[10−11]。因此，大量堆积的石煤提钒尾渣是造成钒矿区及周边环境中钒及伴生重金属污染的重要元凶，对石煤提钒尾渣进行无害化处理势在必行。

胶质芽孢杆菌(B.M菌)具有破坏硅酸盐矿物结构的能力，用B.M菌淋洗石煤提钒尾渣可以破坏尾渣的晶体结构，释放尾渣中的有害元素，减少尾渣中有毒有害元素含量，达到对尾渣进行无害化处理的目的[12]。DONG等[13]将石煤钒矿进行焙烧预处理后，用B.M菌对其进行20 d 的淋洗，钒淋出率达到85%。满李阳等[14]采用胶质芽孢杆菌、环状芽孢杆菌和根瘤菌的混合菌对铝土矿进行15 d的连续淋洗，硅的淋出率达到71.3%。YANG 等[15]研究B.M菌对蒙脱石的释硅作用，发现B.M菌使蒙脱石矿物晶体结构中的Si—O键发生改变，释放矿物中的Si 和Al 等，进而导致矿物局部结构坍塌或畸变。

本文作者以湖北某石煤提钒尾渣为研究对象，以B.M菌作为淋洗菌种，考察不同初始pH、溶氧量(以转速表征)、蔗糖添加量、淋洗时间等因素对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣中钒和铜离子的影响，分析淋洗前后尾渣的矿物结构变化及元素组成变化，初探B.M菌淋洗石煤提钒尾渣的作用机理，为B.M菌用于石煤提钒尾渣的无害化处理提供理论依据。

1 实验

1.1 实验尾渣样品

试验所用样品来自湖北郧西某石煤提钒尾渣堆，尾渣取回后用四分法混匀，再进行破碎、磨细，实验样品的粒度约为1 mm。对尾渣样品进行X荧光半定量分析，得出尾渣样品中重金属钒和铜含量较高，其中钒(折合V2O5)的质量分数占0.36%，铜(折合CuO)的质量分数占0.10%，综合金属元素含量和毒性，本研究选取金属钒和铜作为淋洗对象。

1.2 菌种及培养基

浸矿菌种为实验室保存的B.M菌。实验时，将低温保藏的菌种接入硅酸盐细菌培养基中进行活化，当B.M菌培养至稳定期时作为试验菌液。硅酸盐细菌培养基成分为：(NH4)2SO4，2.00 g/L；KCl，0.10 g/L；Na2HPO4·12H2O，0.50 g/L；MgSO4·7H2O，0.50 g/L；CaCO3，0.1 g/L；FeCl3，0.005 g/L；蔗糖，5 g/L；去离子水，1 000 mL；pH为7。

1.3 淋洗实验

实验在250 mL 锥形瓶中进行，以B.M菌接种量为1%的硅酸盐细菌培养基为淋洗液。锥形瓶中加入质量分数为1%的石煤提钒尾渣矿样以及100 mL 淋洗液，再将锥形瓶放入气浴恒温振荡器中振荡培养，培养温度为(30±2) ℃。实验过程中控制不同淋洗条件，考察不同淋洗液初始pH、溶解氧、蔗糖添加量、淋洗时间等因素对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣中钒和铜的影响。其中，溶氧量用摇床转速来表征。淋洗过程中，每两天取1次淋出液，测其OD600(指600 nm 处的吸光度)、pH、钒离子和铜离子的浓度，过程中消耗的溶液用pH=7无菌水补充。

1.4 分析方法

采用S20 seveneasypH计测定淋洗液pH；用紫外可见分光光度计测定菌液在600 nm 处的吸光度(OD600)，用于表征淋洗液中细菌的生长量；用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对钒和铜浓度进行测定。通过XRD 分析淋洗前后尾渣的矿物成分变化，并通过XPS 能谱分析探究淋洗前后尾渣中主要元素电子结合能及含量变化。尾渣中钒和铜的淋出率采用下式计算：

式中：r为尾渣中有毒金属的淋出率，%；V为淋洗液体积，L；ρ为淋洗液中有毒金属的质量浓度，g/L；m为淋洗试验用尾渣的质量，g；β为原尾渣中有毒金属的质量分数，%。

2 结果与讨论

2.1 淋洗液初始pH对B.M菌淋洗尾渣体系的影响

2.1.1 对B.M菌生长量和体系pH的影响

实验设计初始pH 分别为5，6 和7，考察不同初始pH 对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣中重金属的影响。3 组实验均接种1%的B.M菌，固液比为1%，置于转速为150 r/min 的摇床中，定期检测淋洗体系中B.M菌生长量和体系pH。

图1(a)和1(b)所示分别为不同初始pH 淋洗体系在淋洗10 d 内OD600和体系pH 随时间的变化情况。从图1(a)可见：各淋洗体系的OD600均先增加后趋于稳定，不同初始pH淋洗体系OD600变化速率的趋势与pH 降低速率趋势一致。淋洗第6 天，各淋洗体系的OD600均上升至4.5 左右。从图1(b)可知：淋洗体系中pH均呈现先降低后趋于稳定再略有回升的趋势，但不同初始pH 淋洗体系对应pH的降低速率有所不同。初始pH为7时，体系pH降低速率最快，其次是初始pH 为6，初始pH 为5 时的降低速率最慢，但3 组淋洗体系的pH 均在淋洗第6 天降至2.0 左右，在第10 天升至2.5 左右。分析原因为尽管初始pH的不同导致细菌生长速率有所不同，但B.M菌在淋洗体系中经过6 d的生长繁殖后，可以很好地适应淋洗体系的生长环境，在淋洗末期各淋洗体系的最终pH和OD600均相近。孙德四等[16]研究表明，用硅酸盐细菌浸矿时，浸出液pH 有一定程度的下降，说明细菌在淋洗过程中能产生一定量有机酸，这些有机酸可以与矿物中硅、铝等形成络合物，从而促进矿物分解，释放有毒金属元素。

图1 初始pH对B.M菌淋洗体系菌种生长量和pH的影响Fig.1 Effect of initial pH on bacterial growth and pH of B.M bacterial leaching system

2.1.2 对重金属钒和铜淋洗效果的影响

图2(a)和2(b)所示分别为不同初始pH 淋洗体系在10 d 内钒和铜的淋出率变化规律。从图2可知：初始pH为5，6和7淋洗体系钒和铜的淋出率均呈现先增加后趋于平稳，10 d后钒淋出率分别为64.83%，66.48% 和67.30%，铜淋出率分别为70.46%，76.52%和82.00%，可以看出不同初始pH对V和Cu淋出率影响较大。初始pH为7时，钒和铜淋洗速率最快，淋出率也最高，初始pH 为6 时次之，初始pH 为5 时淋洗速率较慢，淋出率也较低。分析原因为B.M菌最适生长环境pH 为7，故在此pH环境下细菌生长量较大，与尾渣作用更充分，尾渣中钒和铜释放效果也最好。陈振兴等[17]在硅酸盐细菌对电解锰渣中有效硅的活化研究中得出，体系pH 为5 和6 时硅酸盐细菌对锰渣中有效硅的淋洗效果较好，但体系pH 为7 时有效硅的淋洗量最大，这与本文研究结果相似。

图2 初始pH对B.M菌淋洗体系钒和铜淋出率的影响Fig.2 Effect of initial pH on leaching rate of vanadium and copper in B.M bacterial leaching system

2.2 溶氧量对B.M菌淋洗尾渣中钒和铜的影响

2.2.1 对B.M菌生长量和体系pH的影响

B.M菌为好氧菌，因此淋洗体系中溶氧量与细菌生长繁殖息息相关。摇床转速越快，溶液中溶解氧浓度越高，本实验采用摇床转速表征淋洗体系溶氧量。设计摇床转速分别为110，130，150和170 r/min，菌种接种量为1%，固液比为1%，体系初始pH为7.0，主要考察不同摇床转速对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣的影响。

图3(a)和3(b)所示分别为不同摇床转速下淋洗体系OD600和pH的变化情况。从图3(a)可知：淋洗体系中OD600增加速率随摇床转速增加而快速提高，当摇床转速为170 r/min 时，OD600增加速率最快，在第6天升高至5.5；而当摇床转速为110 r/min时，OD600增加速率最慢，第10天时才升高至3.0。从图3(b)可以看出：随摇床转速的增加，淋洗体系pH快速下降，当摇床转速为170 r/min时，pH下降速率最快，在第4 天时下降至2.0；而当摇床转速为110 r/min时，pH下降速率最慢，在第10天时仍为4.0。B.M菌作为好氧菌，对体系中溶解氧的含量比较敏感，在溶氧量较充足的体系中生长繁殖速度较快，生物量逐渐增大，同时代谢产生的有机酸也随之增多。

图3 摇床转速对B.M菌淋洗体系菌种生长量和pH的影响Fig.3 Effect of shake speed on growth and pH of B.M bacterial leaching system

2.2.2 对重金属钒和铜淋洗效果的影响

图4(a)和4(b)所示分别为不同摇床转速下钒和铜淋出率随时间变化规律。可见，不同摇床转速对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣中钒和铜有显著影响。从图4(a)可知：当摇床转速为110，130和150 r/min时，淋洗10 d 后钒淋出率分别为35.55%，45.26%和65.06%，铜淋出率分别为57.14%，73.47%和81.63%，可以看出钒和铜的淋出率均随摇床转速的提高而升高；当摇床转速为170 r/min 时，淋洗10 d 后钒淋出率为67.32%，铜淋出率为83.67%，钒和铜的淋出率较摇床转速为150 r/min 时没有较大提高。说明B.M菌淋洗石煤提钒尾渣最佳摇床转速在150～170 r/min，过高的摇床转速不会对淋出率有明显的提高。结合图3分析，这是因为摇床转速较小时，淋洗体系中溶解氧含量较低，B.M菌生长量小、活性较低、体系pH较高，因此钒和铜的溶出速率也相应缓慢；摇床转速逐渐提高，为细菌生长提供了充足的氧，B.M菌生长繁殖较快、生长量增大，活性好，体系pH下降，加速尾渣中钒和铜的溶解、释放；但过高的转速使体系中的剪切力增强，容易将附着在尾渣表面的菌体剥离开来，减少菌体与尾渣接触，减缓钒和铜的溶解、释放，导致钒和铜的淋出率不再升高。郭贵香等[18]研究中表明过高的转速使菌体−矿物复合体分散，致使菌体与矿物接触受阻，影响释钾效率。

图4 摇床转速对B.M菌淋洗体系钒和铜淋出率的影响Fig.4 Effect of shake speed on leaching rate of vanadium and copper in B.M bacterial leaching system

2.3 蔗糖添加量对B.M菌淋洗钒和铜的影响

2.3.1 对B.M菌生长量和体系pH的影响

B.M菌为异氧菌，因此淋洗体系中碳源添加量对细菌生长繁殖的影响很大。本实验设计蔗糖作为碳源，蔗糖添加量分别为5，10，15 和20 g/L，考察不同蔗糖添加量对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣的影响。4 组实验均接种1%的B.M菌，固液比为1%，体系初始pH为7.0，摇床转速为150 r/min。

图5(a)和5(b)所示分别为不同蔗糖添加量下各淋洗体系OD600和pH的变化情况。从图5(a)可以看出：不同蔗糖添加量淋洗体系的OD600均呈现先增加后趋于平稳的趋势，其中蔗糖添加量为10，15和20 g/L 淋洗体系OD600的变化差异较小，均在淋洗第6 天达到最大值而后趋于平稳，且OD600最大均超过4.5；而蔗糖添加量为5 g/L 淋洗体系OD600的增加速率明显较小，且OD600最大仅为3.5 左右。从图5(b)可知：蔗糖添加量为10，15和20 g/L淋洗体系的pH均呈现先下降后上升的趋势，其中蔗糖添加量为20 g/L 淋洗体系的pH 下降速率最快，淋洗第4 天pH 就下降至2.0，第10 天回升至2.3；而蔗糖添加量为5 g/L 淋洗体系的pH 下降速率最慢，淋洗第6天pH下降至3.0，而后开始快速回升，第8 天回升至4.5，然后趋于平稳。分析原因为碳源充足时，B.M菌会快速繁殖并代谢产出大量有机酸，使淋洗体系pH 快速下降，在淋洗前期(1～4 d)有机酸含量随淋洗时间而增加。随着时间的推移，淋洗体系中营养物质持续被消耗，细菌将自身合成并分泌出的有机酸当作营养物质，导致体系中有机酸含量下降，pH趋于稳定[19]。而碳源不足时，B.M菌繁殖速度较慢，代谢产出的有机酸也较少，淋洗体系中营养物质很快消耗殆尽。为了维持生存，细菌会将有机酸作为营养物质，有机酸被大量消耗分解，导致体系pH有明显的回升。肖国光等[20]研究表明，在营养缺乏时硅酸盐细菌会以自身分泌产生的有机酸作为营养物质。

图5 蔗糖添加量对B.M菌淋洗体系菌种生长量和pH的影响Fig.5 Effect of amount of sucrose added on growth amount and pH of B.M bacterial leaching system

2.3.2 对重金属钒和铜淋洗效果的影响

图6(a)和6(b)所示分别为不同蔗糖添加量下各淋洗体系钒和铜淋出率随时间的变化情况。从图6(a)可以看出：蔗糖添加量的不同对钒的淋出率有明显的影响，钒淋出率对蔗糖添加量的增加而增加，蔗糖添加量为5，10，15和20 g/L淋洗体系对应的钒淋出率分别为55.16%，57.99%，62.23%和66.48%。不同蔗糖添加体系中钒淋洗速率均呈现先增加后趋于平稳的趋势，其中蔗糖添加量为20 g/L 淋洗体系的钒淋洗速率最快，5 g/L 淋洗体系的钒淋洗速率最慢。从图6(b)可以看出：蔗糖添加量的不同对铜淋出率略有影响，蔗糖添加量为10，15 和20 g/L 淋洗体系的铜淋出率趋势相近，均为先增加后趋于平稳，淋洗10 d 时对应的铜淋出率分别为77.76%，79.59%和81.63%，而5 g/L淋洗体系的铜淋洗速率明显比其他组的低，且10 d时淋出率仅为63.47%。其原因为：在营养充足的环境中，B.M菌生物量大，产生大量有机酸，使得体系pH较小，尾渣在酸性淋洗系统中会崩解，同时附着在尾渣表面的细菌会分泌某种酶破坏尾渣矿物结构，并将尾渣中钒、铜等成分释放到体系中。而在营养缺乏的环境中，B.M菌繁殖能力差，生物量小，产生的有机酸少，对尾渣的破坏力弱，最终导致钒和铜的淋洗效果差[21]。

图6 蔗糖添加量对B.M菌淋洗体系钒和铜淋出率的影响Fig.6 Effect of amount of sucrose added on leaching rates of vanadium and copper in B.M bacterial leaching system

2.4 B.M菌淋洗前后尾渣物相变化

对B.M菌淋洗尾渣前后的样品进行XRD分析，结果如图7所示。

图7 B.M菌淋洗前后尾渣XRD图谱Fig.7 XRD patterns of tailings before and after B.M bacteria washing

尾渣的矿物组成主要以石英(Q)和云母(M)为主，对比淋洗前后的矿物图谱可知，云母的衍射峰强度减弱或几乎消失，而石英的衍射峰强度有所增加，表明与B.M菌作用后，石煤提钒尾渣中的含钒云母类矿物被溶蚀。已有研究表明，层状结构的云母类矿物更容易被B.M菌侵蚀分解[22]，B.M菌在生长代谢过程中产生的有机酸及胞外多糖会对云母类矿物结构有显著的破坏作用[23]，矿物晶体向无定型态转变，使钒能够更好地从晶体结构中脱离出来[24]。石英衍射峰强度的增加，可能是由于被细菌淋洗出的硅元素在溶液中形成无定型或低结晶度的二氧化硅颗粒后进一步聚集结晶在尾渣表面[25]，此外，菌种及其代谢产物分解云母类矿物而使石英含量相对增加也可能是原因之一。

2.5 B.M菌淋洗前后尾渣XPS能谱分析

为了进一步研究B.M菌对尾渣淋洗作用，选择与细菌作用后的尾渣进行XPS 能谱分析，并与未和细菌作用的原尾渣的XPS 能谱进行对比，进而分析微生物作用引起的尾渣矿物表面钒、铝和硅电子结合能的变化，结果如图8所示。

图8 B.M菌淋洗前后尾渣矿物电子结合能分析图Fig.8 Electron binding energy analysis of tailings minerals before and after B.M bacteria washing

从图8可以看出：经B.M菌淋洗作用后，尾渣矿物表面元素结合能变化不明显，但钒、硅、铝元素对应峰强度均有所降低，钒元素峰强变化程度最为明显，其次为铝元素。尾渣中钒主要以V3+和V4+的形式产出，V5+相对较少，且主要赋存于云母类矿物中[26]。与B.M菌作用后，矿物浸渣表面V5+峰强度减弱，表明矿物中钒元素被细菌淋洗出，而V4+峰强度增加可能是由于B.M菌及其代谢产物破坏了矿物结构[27]，将晶体结构中V3+释放出来并对其产生氧化作用，将低价钒氧化为容易被浸出的高价钒。铝元素主要以八面体配位及四面体配位的形式存在于铝酸盐矿物的晶格[28]中，B.M菌及其代谢产物破坏铝酸盐矿物的晶格结构，释放铝元素，故而淋洗后的尾渣中铝元素峰强明显变弱。

利用图8中各元素峰面积可以计算出B.M菌淋洗前后尾渣表面钒、硅和铝的质量分数，结果如表1所示。从表1可以看出：尾渣表面钒元素质量分数均较淋洗前有所下降，表明B.M菌及其代谢产物能够有效地淋洗出尾渣中的钒元素。硅和铝元素质量分数较淋洗前有所升高，一方面是因为B.M菌及其代谢产物破坏了矿物结构，使硅和铝元素暴露出来；另一方面是钒质量分数的减少使得硅和铝质量分数相对增加。

表1 B.M菌淋洗前后尾渣矿物表面钒、硅和铝质量分数Table 1 Mass fractions of vanadium,silicon and aluminum on surface of tailings minerals before and after B.M bacterial leaching %

3 结论

1)研究获得了初始pH、溶氧量、蔗糖添加量对B.M菌淋洗石煤提钒尾渣的影响规律，发现初始pH在5～7时尾渣中钒和铜的淋出率随初始pH的升高而提高；溶氧量对B.M菌淋洗尾渣的影响明显，提高摇床转速至170 r/min，可有效提高钒和铜淋出率；蔗糖作为B.M菌的碳源时，较高浓度的蔗糖添加量有助于石煤提钒尾渣中有毒金属的高效淋洗。

2)在初始pH 为7、摇床转速为170 r/min、蔗糖添加量为20 g/L的条件下，B.M菌淋洗尾渣10 d时，V和Cu淋出率分别达到67.32%和83.67%，说明B.M菌可有效淋洗石煤提钒尾渣中的钒和铜。

3)B.M菌淋洗石煤提钒尾渣时，容易侵蚀分解尾渣中的云母类矿物，使赋存于云母类矿物中的低价钒被氧化为更容易淋洗出的高价钒，从而有效地淋洗出尾渣中的钒元素。