1、第45卷杨远坤，马甜，谌书.嗜酸菌好氧-厌氧耦合溶解浸出副产物研究J.环境科学与技术，2022，45（12）：44-51.Yang Yuankun，Ma Tian，Chen Shu.Removal of bio-leaching by-products using Acidithiobacillus ferrooxidans based on coupled aerobic-anaerobic processJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：44-51.Environmental Science&Technology第45卷 第12期
2、2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-06-21；修回2022-09-09基金项目：四川省重点研发项目（2021YFS0289）；国家自然科学基金（42107481）；西南科技大学科研基金资助成果（20zx7150）作者简介：杨远坤（1988-），男，讲师，博士，主要从事固体废物处理与资源化，（电子信箱）。嗜酸菌好氧-厌氧耦合溶解浸出副产物研究杨远坤1，2，马甜1，谌书1，2（1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621010；2.固体废物处理与资源化教育部重点实验室
3、，四川绵阳621010）摘要：覆盖型副产物原位控制是微生物湿法冶金技术的难点问题之一。论文通过搭建“中空纤维膜-好氧柱浸”组合反应器，研究氧化亚铁硫杆菌在“好氧-厌氧”耦合循环过程对浸出副产物的控制效果。实验结果发现，对于废旧印刷线路板，经过“好氧-厌氧”耦合过程原位去除浸出副产物后，二次好氧浸出铜浸出率由单次28.6%提高到了44.8%；对于黄铜矿尾矿，经过“好氧-厌氧”耦合过程原位去除浸出副产物后，铜浸出率由16.7%提高到了19.0%。浸出过程中，厌氧阶段能将浸出副产物原位溶解，并将副产物中Fe()还原为溶解态Fe2+。研究结果表明，通过将好氧浸出与厌氧还原溶解过程耦合，氧化亚铁硫杆菌能
4、原位去除浸出副产物，实现浸出过程中铁离子的封闭循环，并在一定程度上提高废旧印刷线路板浸出效率，可为微生物湿法冶金工程提供技术参考与借鉴。关键词：好氧-厌氧耦合；氧化亚铁硫杆菌；黄钾铁矾类矿物；废旧印刷线路板；黄铜矿中图分类号：X705文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1465.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0044-08Removal of Bio-leaching By-products Using Acidithiobacillus ferrooxidans Basedon Coupled Aerobic-Anaerobic Pr
5、ocessYANG Yuankun1，2，MA Tian1，CHEN Shu1，2（1.School of Environment and Resource,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle,Ministry of Education,Mianyang 621010,China）Abstract：In situ removal of covering by-produ
6、cts is one of the key problems in bio-leaching and bio-hydrometallurgy.In this paper,experimental studies were conducted to investigate the effects of the by-products removal controlled by Acidithiobacillus ferrooxidans under the aerobic-anaerobic cyclic process with a reactor of hollow fiber membra
7、ne reactor combined with an aerobic column leaching reactor.The findings showed that copper leaching rate of the waste printed circuitboards increased from 28.6%to 44.8%after aerobic-anaerobic-aerobic process,while for the chalcopyrite tailing,the copperleaching rate increased from 16.7%to 19.0%.Bes
8、ides,covering by-products could be dissolved by Acidithiobacillus ferrooxidans in situ at anaerobic stage,and the by-product Fe()was reduced into Fe2+.In conclusion,the experiment indicatedthat through coupling the aerobic leaching with anaerobic reduction dissolution the covering by-products can be
9、 removed insitu by Acidithiobacillus ferrooxidans and the iron ions closed cycle could be realized simultaneously;moreover,the copperleaching rate could be improved,and the experimental results could provide a reference for bio-leaching and bio-hydrometallurgy.Key words：coupled aerobic-anaerobic pro
10、cess;Acidithiobacillus ferrooxidans;jarosites;waste printed circuit boards;chalcopyrite微生物湿法冶金具有成本低、绿色环保、技术管理简单等优势，其在低品位矿物、废旧电子垃圾等处置领域有重要运用前景。在嗜酸性自养微生物浸出黄铜矿、废旧印刷线路板等过程中，Fe3+水解生成覆盖型黄钾铁矾类矿物过程易导致“钝化”效应，让生物浸出提前中止。因此，如何控制好氧生物浸出过程“钝化”效应一直是微生物湿法冶金的热点问题1。由于覆盖型黄钾铁矾类矿物通常难以分离，且浸出物体积巨大（如低品位矿物堆浸），需要具备“原位”控制黄钾铁矾类
11、矿物的技术与方法2-4。显然，进一步探究如何第12期“原位”控制黄钾铁矾类矿物对微生物湿法冶金显得十分重要。采用间歇式强酸性溶液淋洗浸出物堆体，可在一定程度上原位控制黄钾铁矾类覆盖物，但存在强酸投入成本大、设备防腐要求高与废酸液处置问题5，6；在厌氧条件下，利用异养铁还原菌以有机底物作为电子供体还原“Fe3+”，亦可实现黄钾铁矾类矿物的原位处置，但是在淋洗堆体过程中，堆体易残留有机底物，进而导致后续好氧自养菌活性降低7-10。最近，研究发现氧化亚铁硫杆菌既能在好氧条件下利用O2氧化Fe2+，亦能在厌氧条件下利用H2作为电子供体还原Fe3+11，12。基于氧化亚铁硫杆菌这一特性，理论上可以通过构
12、建“好氧-厌氧”耦合反应器，通过“好氧-厌氧”循环过程，解决黄钾铁矾类原位控制的难题。构建“好氧-厌氧”耦合反应器，需要综合考虑好氧阶段的黄钾铁矾类矿物产生量与厌氧阶段的固液比、还原时间。在课题组前述研究中，采用中空纤维膜反应器探讨了氧化亚铁硫杆菌单独还原纯黄钾铁矾类矿物的反应条件与过程13。因此，采用工艺联合，即将中空纤维膜反应器（厌氧还原）与微生物湿法冶金反应器（好氧浸出）联合或为相对简单、可行的方式。当前，涉及通过“好氧-厌氧”联合反应器处理浸出副产物的研究较少，涉及内在“原位”控制机理目前亦不清晰14。鉴于此，通过搭建自制中空纤维膜反应器与好氧柱浸反应器，研究废旧印刷线路板与黄铜矿尾矿
13、微生物湿法冶金过程中浸出覆盖性副产物的原位控制。在实验过程中，系统分析了溶解性Fe3+与Fe2+变化，Cu与Zn在初始好氧、厌氧还原、二次好氧过程的溶出效率，探讨了铁离子在“好氧-厌氧”循环体系下的封闭循环过程，研究结果或为微生物湿法冶金覆盖性副产物原位处置提供参考。1材料与方法1.1尾矿及废旧印刷线路板预处理1.1.1尾矿本研究采用的尾矿为四川里伍铜矿尾矿（主要金属矿成分为磁黄铁矿、黄铜矿和铁闪锌矿）15。尾矿在微生物浸出前，通过破碎机破碎至粒度为25目。然后采用pH=2.0的稀硫酸溶液（超纯水，采用5 mol/LH2SO4溶液调整pH得到）浸泡清洗2 d，过滤自然风干。取自然风干的尾矿0.
14、5 g，采用高压反应釜消解、赶酸、定容后，通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Optima 8300，美国PerkinElmer公司）测定各金属离子含量，实验重复2次。1.1.2废旧印刷线路板本研究采用的废旧印刷线路板（waste printed circuit boards,WPCBs）为旧计算机主板。在人工拆解附属部件后，通过剪切式破碎机破碎至粒度25目，然后采用pH=2.0的稀硫酸溶液（超纯水，采用5 mol/LH2SO4溶液调整 pH 得到）浸泡清洗 2 d，过滤自然风干16。取自然风干的废旧线路板0.5 g，采用高压反应釜消解、赶酸、定容后采用ICP-OES测定各金属离子
15、含量，实验重复2次。1.2氧化亚铁硫杆菌培养1.2.1好氧环境适应性培养将氧化亚铁硫杆菌（At.ferrooxidans SW-02，GenBank序列号：KJ094412，由西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室提供）在改进的4.5 K培养基下进行好氧适应性培养，即在500 mL锥形瓶中加入2 mL菌液与200 mL改进4.5 K培养基（已灭菌），然后置于空气恒温摇床（培养条件：30，170 r/min）中进行细菌培养16，17。培养2 d后，取上层清液作为接种体进行转移培养。连续转移培养3次后，取对数期后期培养液作为接种体用于好氧浸出实验。1.2.2厌氧环境适应性培养将At.fe
16、rrooxidans SW-02在厌氧微量元素培养基下进行厌氧适应性培养，即在120 mL血清瓶中加入1 mL接种菌体、49 mL厌氧微量元素培养基与0.25 g黄钾铁矾矿物，然后采用真空泵移除顶空空气，注入70 mL H2与CO2混合气（H2与CO2体积比为4 1），置于空气恒温摇床（培养条件：30，170 r/min）中进行细菌培养。培养10 d后，取上层清液作为接种体进行转移培养。连续转移培养3次后，取对数期后期培养液作为接种体用于厌氧还原浸出实验。1.3好氧浸出实验搭建如图1所示的好氧柱浸反应器2套（其中，培养器为1 L的烧瓶，柱式浸出反应器尺寸为圆柱型反应器（内径50 mm，高度为200 mm），分别用于浸出尾矿与废旧印刷线路板。1.3.1尾矿浸出实验（1）称取450 g预处理好的尾矿，装填于柱浸反应器中；然后将改进4.5 K培养基990 mL加入到培养器中，接种10 mL氧化亚铁硫杆菌。（2）打开蠕动泵，设定流速为200 mL/min，设定恒温水浴30，空气流量36 L/h。杨远坤，等嗜酸菌好氧-厌氧耦合溶解浸出副产物研究45第45卷（3）每2 d取样测定溶液中金属离子浓度