赤泥的微生物淋滤:过程、机理与优化

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	赤泥的微生物淋滤:过程、机理与优化
	曲洋
导师	连宾
	2013
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位名称	博士
学位专业	地球化学
关键词	生物淋滤无害化赤泥黑曲霉
摘要	本文即采用生物淋滤技术处理赤泥，以期同时达到赤泥的资源化和无害化的双重目标。本文首先采用454焦磷酸高通量测序技术分析了赤泥中的微生物多样性，并从赤泥中筛选出产酸量较大且耐碱耐盐的菌株作为生物淋滤的功能菌。随后使用生物淋滤技术研究了赤泥中贵重金属元素、放射性元素及重金属元素的浸出情况，并较为系统全面的评估了赤泥无害化处理的程度。最后研究了生物淋滤赤泥过程中的相关机理，并采用响应曲面法建立了相关非线性回归方程模型以探讨生物淋滤进程中各影响因子之间的交互关系及最佳区间。主要研究结论如下： 1. 454焦磷酸测序结果表明在赤泥堆场中心位置的新鲜赤泥中几乎检测不到任何生命的存在，而在赤泥堆场周边的赤泥中检测到了丰富的微生物多样性。这些微生物主要有蓝藻门，放线菌门、变形菌门、拟杆菌门，绿弯菌门，绿菌门、奇古菌门和后壁菌门。蓝藻门、绿弯菌门和古菌门可能为改变赤泥恶劣生境的先锋菌种。赤泥堆场周边赤泥的pH、EC和ANC值均低于中心位置的新鲜赤泥，表明经过微生物作用后赤泥的理化特性得到一定程度的改善。从赤泥样品中筛选出一株产酸量很大的青霉RM-10作为下一步生物淋滤赤泥的功能菌。 2. 生物淋滤的研究结果表明，青霉RM-10和黑曲霉RM-15在一定的生物淋滤条件下均可有效的淋滤出赤泥中的贵重金属元素，且不同的淋滤方式下具有不同的金属浸出效率。除了元素Y和Sc，其他稀土元素随着原子序数的增加，其浸提效率大体上都增加，且重稀土元素的浸出效率要明显高于轻稀土元素。这一结果说明在有相似特性的同类型金属元素之间，具有较小离子半径的金属元素很可能具有较高的浸出效率。在所测定的生物淋滤周期内，菌体的生物量与淋滤系统中的pH值有很好的线性相关性，表明微生物的生命活动是决定淋滤系统pH值的主导因素。随着淋滤系统内赤泥浓度的增加，两株菌的最高生物量随之降低，淋滤系统内的初始pH值和结束pH值随之增加，说明赤泥会对菌体的新陈代谢产生明显的抑制作用。 3.赤泥样品的腐蚀性、浸出毒性和放射性均超出了国内或国际上规定的相关标准，应属于危险固废的行列。ANC测定试验表明赤泥中约有33%的难溶碱性矿物需要很长时间才能从固态中溶出成为易于反应的离子态。赤泥中可溶态阳离子的排列顺序为：Na > K > Ca > Mg，可溶态Na的数量占到了所有可溶出阳离子数量的85.5%；而赤泥中可交换态阳离子的排列顺序为：Ca > Na > K > Mg。经生物淋滤处理后，赤泥中的重金属元素和放射性元素得到有效的浸出，赤泥的腐蚀性、浸出毒性和放射性都可低于相关国内或国际标准。经真菌处理后的赤泥其放射性核素的残留比率排列顺序为：40K < 226Ra < 232Th。处理后的赤泥的长期ANC、短期ANC、EC、ESP、CEC的值都得到了明显的降低，且Ca成为溶出数量最多的阳离子。 4. 在生物淋滤过程中菌体RM-10和RM-15分泌的有机酸的种类和数量并不一样，一定浓度的赤泥可以刺激青霉产酸，但是却抑制了黑曲霉的产酸量。微观形态分析结果表明赤泥颗粒紧紧附着于菌丝体表面，但是当赤泥颗粒的直径比菌丝的宽度大的多的时候，菌丝体可以贯穿整个赤泥颗粒。与原赤泥颗粒的微观形态相比，被微生物作用后的赤泥颗粒可看到菌体作用后留下的痕迹，许多在赤泥表面较小的和非晶形的颗粒被微生物严重腐蚀，只留下相对来说较平滑的层状的晶型结构。经微生物作用后赤泥中Si的比重增加，而Fe, Ca, Na, K和Al的比重降低。生物淋滤后赤泥中的方钠石、钙钛矿、磷铝铁钠石、勃姆石、针铁矿等矿物含量降低，但是方解石的含量升高。两株真菌在生物淋滤过程中分泌的代谢产物主要有醛类物质、酯类物质、醇类物质、酮类物质和酸类物质，菌体分泌的有机酸除了柠檬酸、葡萄糖酸和草酸外，还有一定量的醋酸、甲酸、丙酸、呋喃甲酸、苯甲酸，乙酰丙酸，和3-甲基-2-富马酸。生物淋滤过程中碱度对菌体生长的影响并不明显，但是金属离子会对菌体的生长会起到非常明显的负面效应，Plackett-Burman试验表明在赤泥中对菌体的生长起到显著影响因素的因子为：Fe > Al > Ca。 5. 通过响应曲面法将生物淋滤过程中的因素与水平的相互关系用多项式进行拟合，分别得到两株功能菌的生物量、产酸量和金属离子浸出量的非线性回归方程。模型结果表明在淋滤过程中系统内达到最大生物量、最大产酸量和最大金属离子浸出量的试验条件各不相同，且各个因子对生物量、产酸量和金属离子浸出量的影响显著程度也不相同。通过响应面模型得出当采用菌体RM-10为淋滤功能菌时，系统内达到最大金属离子浸出量的淋滤条件为：蔗糖浓度141.82 mg/L，接种量1.29×107/ml，赤泥浓度 8.27%，预培养时间3.80 d；而采用黑曲霉RM-15时其最优条件为：蔗糖浓度143.44 mg/L，接种量1.61×107/ml，赤泥浓度 6.09%，预培养时间5.17 d。
其他摘要	Red mud (bauxite residue) is the main by-product generated by the caustic digestion of bauxite ores during the production of alumina. Due to the causticity, radioactivity, heavy metal toxicity and huge amount of production, it is difficult for harmless treatment of red mud in environmental protection field. Red mud is believed by metallurgists to be a polymetallic raw material with a complex content of oxides of aluminium, iron, titanium, silicon and other valuable components, such as scandium, uranium and thorium. Thus, from this point of view, red mud can be regarded as an “artificial ore”. Due to this special coexistence of aluminum with other precious elements in red mud, it is highly valuable to develop the relevant technology to extract and recover such precious elements from red mud. In particular, rare earth elements, which trade at very high prices on the international markets and are always treated as strategic resources by many countries, are well worth recovering. Compared to conventional chemical leaching methods, a bio-hydrometallurgical approach (bioleaching) is generally considered to be a “green technology” for the extraction of metals from solid materials. In this respect, it is an approach that offers many attractive features such as environmental benignity, operational flexibility and low energy requirements and cost. Furthermore, radioactive elements and other hazardous components can also be removed from the leaching materials during the bioleaching process, which leads to a harmless treatment of the waste materials. In this paper, the bioleaching technology was deployed to treat red mud in order to achieve two aims simultaneously—harmless treatment and resource utilization. Firstly, biodiversity in red mud was analyzed by using pyrophosphoric acid high-throughput sequencing technology. Secondly, the fungi which can excrete high amount of organic acids were screened for the sake of being leaching strain in bioleaching process. Thirdly, bioleaching of valuable metals, radioactive elements and heavy metals from red mud were carried out. Fourthly, the harmless extent of red mud after bioleaching was evaluated in a full-scale manner. Fifthly, different mechanisms involved in the bioleaching of red mud were researched. Lastly, Response Surface Methodology was employed for purpose of analyzing the impact factors during the bioleaching process. The following major conclusions were obtained
学科领域	环境地球化学
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.gyig.ac.cn/handle/352002/5799
专题	研究生_研究生_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	曲洋. 赤泥的微生物淋滤:过程、机理与优化[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2013.

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