核桃殼對酸性礦山廢水抑制效果的研究

楊　軍，劉盛萍，岳　梅*，2

(1. 合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601；2. 安徽省環(huán)境污染防治與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601)

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核桃殼對酸性礦山廢水抑制效果的研究

楊軍1，劉盛萍1，岳梅*1，2

(1. 合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601；2. 安徽省環(huán)境污染防治與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601)

研究在氧化亞鐵硫桿菌培養(yǎng)液中添加核桃殼粉和核桃殼乙醇粗提液兩種形態(tài)的抑制物，探討其對酸性礦山廢水以及重金屬離子溶出的抑制效果。實驗結(jié)果表明：核桃殼粉添加組對礦溶出的重金屬Cr、Fe、Pb、Cu和Zn濃度的抑制作用強于核桃殼乙醇粗提液添加組；核桃殼及其乙醇粗提液對氧化亞鐵硫桿菌產(chǎn)酸的抑制效果從強到弱依次為核桃殼粉添加組、核桃殼乙醇粗提液添加組、空白組。

核桃殼；重金屬；多酚；產(chǎn)酸抑制；氧化亞鐵硫桿菌

酸性礦山廢水(Acid Mine Drainage，AMD)的防治是一個世界性難題，Santisteban等[1]提到AMD使得伊比利亞半島眾多水庫蓄水容量和水生態(tài)系統(tǒng)功能受到影響。目前阻止AMD產(chǎn)生最常見的是使用土壤和水覆蓋來減少氧氣滲透到黃鐵礦中或者使用殺菌劑阻止細菌參與反應(yīng)，然而這些技術(shù)只是短期有效并且維護成本較高[2]。Ramla等[3]利用南非土著植物紅鞘草和狗尾草為硫酸鹽還原菌提供碳源，去除AMD中各種重金屬離子，提高pH，然而這種方法容易產(chǎn)生H2S氣體和各種硫化物金屬沉淀，引起次生污染。植物果殼取自自然的添加物不僅環(huán)保，而且成本低，能很好地避免這種問題。大量的研究結(jié)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]。山核桃是一種常見堅果，其外殼含有植物多酚，眾多學(xué)者曾研究過從山核桃殼提取多酚的工藝[6-7]。山核桃殼產(chǎn)量大且容易獲取，利用這種廢棄的果殼來防治AMD有極高的研究和應(yīng)用價值。本文通過大量實驗篩選出對氧化亞鐵硫桿菌有抑制作用的核桃殼，并以核桃殼粉及其乙醇粗提液兩種形態(tài)分別添加到含菌和礦樣的培養(yǎng)基中，初步探討核桃殼粉及其乙醇粗提液對礦山尾礦產(chǎn)酸以及對其重金屬溶出的抑制效果。

1　材料與方法

1.1試驗材料

(1)供試菌株：從硫化礦酸性廢水中篩選得到，經(jīng)上海生工16S rDNA鑒定為氧化亞鐵硫桿菌。

(2)核桃殼：購于合肥商店，將殼洗凈除雜烘干后用粉碎機粉碎，過100目篩備用。

(3)礦樣：取自廬江何家小嶺礦硫鐵礦，0.01 mol/L HCl浸泡12 h，自來水洗凈，超純水浸泡48 h，80 ℃烘干粉碎，過100目篩備用。礦樣具體成分分析由北京核工業(yè)部分析測試中心檢測，具體成分Pb為68.8 μg/g，S為1.49%，Cu為1 258 μg/g，Cr為15.2 μg/g，Zn為112 μg/g，F(xiàn)e(以Fe2O3含量計算)為59.37%。礦樣XRD衍射分析顯示其主要物質(zhì)成分為黃鐵礦(FeS1.92)和石英砂(SiO2)。

(4)9K無鐵培養(yǎng)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試驗方法

1.2.1核桃殼乙醇粗提液的制備

取核桃殼粉30 g，石油醚常溫浸泡48 h，用保鮮膜封口防止石油醚揮發(fā)，每隔12 h攪拌一次以避免出現(xiàn)沉淀，真空抽濾，蒸餾水洗凈果殼粉，80 ℃烘干。實驗采用的料液比為1∶15，用濃度50%的乙醇在50 ℃超聲波清洗器中浸提1 h，超聲時間為15 min，超聲功率為500 W。提取后，對提取液進行真空抽濾，濾液進行低速離心分離(3 000 r/min)，收集上清液。將濾渣再加入乙醇溶液，重復(fù)提取一次，合并兩次上清液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40 ℃下蒸發(fā)至溶液無醇味以防止乙醇殺滅后期所接菌種，用超純水定容至150 mL，粗提液4 ℃冷藏備用。

1.2.2抑制產(chǎn)酸實驗

取9K無鐵培養(yǎng)基100 mL于250 mL三角瓶中，接入菌液5 mL，分別加入核桃殼粉及乙醇粗提液，28 ℃、160 r/min轉(zhuǎn)速振蕩培養(yǎng)，按照先密后疏間隔不同時間取上清液測pH值、重金屬溶出濃度及硫酸根離子濃度，以不加核桃殼粉及粗提液為空白對照組，具體見表1。

表1　抑制產(chǎn)酸實驗

1.2.3分析方法

采用pHS-3E型酸度計測定pH，樣品在8 000 r/min下離心15 min后過0.45 μm多孔濾膜過濾，采用美國賽默飛Icp-Ms測定樣品重金屬溶出濃度，采用HJ/T 342-2007[8]鉻酸鋇分光光度法測定硫酸根離子濃度。

2　結(jié)果與分析

以下實驗所有指標的測量均從各培養(yǎng)瓶中取樣，各培養(yǎng)瓶的成分如表1所示。取樣間隔按照先密后疏的原則，前期因為數(shù)據(jù)變化明顯，所以每隔24 h測一次，后期數(shù)據(jù)變化不明顯間隔為48或72 h測一次。

2.1pH變化

實驗所測pH變化結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，核桃殼粉添加組的pH基本維持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，在長達28 d的測量過程中，數(shù)值從開始的3.3降低到最后的3.03。同加菌不加抑制物的CK+組形成了明顯的對比，CK+組從初始測量到第7 d的時候數(shù)值降幅最明顯，由開始的2.97降低到1.95，降幅為1.02，此后趨于穩(wěn)定。而同為添加抑制物組的核桃殼乙醇提取組，其pH變化趨勢線基本和CK+組維持一個平行狀態(tài)，但pH的值高于CK+組。核桃殼乙醇提取組和CK+組初始pH值均為2.97，低于核桃殼粉添加組，原因是為提高提取效率，添加在核桃殼乙醇提取組乙醇提取液中的核桃殼粉經(jīng)過了石油醚的浸提，大量的生物堿物質(zhì)溶出，而失去了這部分物質(zhì)對溶液酸性的中和作用，導(dǎo)致pH的降低。核桃殼乙醇提取組在第7 d的時候達到了基本穩(wěn)定的狀態(tài)，pH為2.26，此后直到第28 d，數(shù)值降到2.02，降幅為0.24，與核桃殼粉添加組相比，相差1.01，說明粉添加組的抑制效果明顯優(yōu)于醇提組。

圖1pH值變化

2.2硫酸根溶出濃度值變化

2.3Fe溶出濃度值變化

從圖3所反映的數(shù)據(jù)變化趨勢來看，CK+組同兩組加抑制物組之間在Fe離子溶出濃度差異明顯。就CK+組而言，從初次測量到第9 d其增長趨勢非常明顯，從開始的386 mg/L增長到165 165mg/L，此后保持相對穩(wěn)定，這個階段該組pH變化趨勢也保持穩(wěn)定。而加抑制物的兩組中Fe的溶出量則變化相對較小，核桃殼乙醇組從開始的355 mg/L變化到最后的1 856 mg/L；核桃殼粉添加組則從363 mg/L變化到1 754 mg/L。黃鐵礦的溶解機理目前比較認同的一種反應(yīng)式如下

(1)

Fe2+→Fe3+

(3)

Fe3+和O2同為具有氧化黃鐵礦能力的氧化劑，而O2的氧化能力不及Fe3+[9]，而且實驗中采用的培養(yǎng)瓶為錐形瓶，瓶口用6層紗布和牛皮紙包裹，空氣或水中O2的濃度遠不足以保證FeS2的連續(xù)氧化，因此由O2介導(dǎo)的自然氧化速率極其緩慢，其反應(yīng)式如(1)式所示。

FeS2的氧化主要是由Fe3+來完成的，在這個過程中涉及兩個反應(yīng)：首先是鐵離子的氧化，見(2)式；接著是FeS2的溶解，見(3)式。

3組實驗組均為加菌組。嗜酸微生物的作用就在于它能催化反應(yīng)(2)，通過把Fe2+氧化成Fe3+，從而促進反應(yīng)(3)的進行[10]。在微生物催化作用下，F(xiàn)e2+的氧化速率要比其在被O2氧化的速率快6個數(shù)量級[11]。而CK+組同兩組加抑制物組的Fe離子溶出濃度值的差別在抑制物抑制了細菌的活性，減緩了黃鐵礦的氧化速率，產(chǎn)酸量減少，而pH的降低則會導(dǎo)致金屬離子的大量溶出。同時，更多Fe3+的溶出作為氧化劑又溶解了更多的黃鐵礦，產(chǎn)生了更多的Fe3+。

圖3Fe元素濃度變化

2.4Pb元素溶出濃度值變化

Pb元素的溶出濃度(cPb)變化趨勢如圖4所示。原礦成分含量中Pb 為68.8 μg/g，含量本身并不高，同時溶出量也不大，溶出量最高的CK+組溶出也不足5%。從圖中的變化趨勢可以看出，就CK+組而言，從初始測量的第1 d到第9 d，曲線的斜率隨時間增加逐漸減小，溶出變化量逐漸減小，到第9 d的時候，基本變化區(qū)域平穩(wěn)。在整個有限的體系內(nèi)，Pb離子的溶出量是有限的，存在一個溶解平衡值。在含有高濃度的硫酸根離子體系內(nèi)，部分Pb離子會形成硫酸鉛沉淀，直到最終處于一個沉淀-溶解平衡狀態(tài)。核桃殼粉組的Pb離子溶出量略小于核桃殼乙醇提取組，一方面原因是核桃殼粉組對于尾礦氧化產(chǎn)酸的抑制效果優(yōu)于核桃殼乙醇提取組；另一方面原因可能是核桃殼粉的添加相對于核桃殼乙醇提取液來說，為硫酸鉛的沉淀提供了更多的表面區(qū)域[3]。而核桃殼粉添加組在測量前期溶出量變化不穩(wěn)定的原因可能是在微量溶出的情況下，沉淀-溶解平衡體系受動態(tài)變化的培養(yǎng)基環(huán)境影響。

圖4Pb元素濃度變化

2.5Zn元素溶出濃度值變化

圖5反映了Zn元素的溶出濃度(cZn)變化趨勢。由于培養(yǎng)基中不含有Zn，所以其溶出完全來自于尾礦，然而Zn的濃度隨著培養(yǎng)基變酸性其溶出濃度有明顯增加的趨勢。尾礦中Zn 含量為112 μg/g，在前7 d 3組實驗組Zn溶出量差別并不算太大，而此后開始，CK+組Zn的溶出量大幅度增加，說明Zn離子的溶出量受酸堿性影響很大，但溶出前期速率很緩慢。而核桃殼乙醇組的Zn溶出量隨時間推移緩慢增加，并趨于穩(wěn)定，略高于變化趨勢與之類似的核桃殼粉添加組。CK+組在溶出量平穩(wěn)期Zn的淋溶量達到53.8%，遠高于核桃殼乙醇組(17.9%)和核桃殼粉添加組(16.1%)。

圖5Zn元素濃度變化

2.6Cu元素溶出濃度值變化

從圖6的變化趨勢可以看出，Cu元素的溶出速率快于Zn。從第2 d開始，CK+組Cu的溶出量就明顯高于兩加抑制物組，并且可以發(fā)現(xiàn)Cu從測量的第1 d到第17 d，濃度從355 μg/L增加到4 368 μg/L，增長速率基本保持不變，隨后趨于穩(wěn)定。說明Cu在酸性條件下的溶出很穩(wěn)定，受外界干擾較小。CK+組從第1 d初次測量開始到第17 d Cu離子的溶出一直在增加，從初始的363 μg/L增加到第17 d的4 326 μg/L，此后增長趨于穩(wěn)定。礦樣分析中Cu含量為1 258 μg/g，培養(yǎng)基體積為100 mL，也即Cu溶出量為34.4%。而加抑制物的兩實驗組則穩(wěn)定時間短，穩(wěn)定濃度低。核桃殼乙醇組在第9 d達到穩(wěn)定，濃度為1 263 μg/L；核桃殼粉添加組在第9 d之后基本穩(wěn)定，達到912 μg/L，此后的增加幅度明顯放緩。核桃殼粉添加組對于Cu離子溶出的抑制效果優(yōu)于核桃殼乙醇組。

圖6Cu元素濃度變化

2.7Cr元素溶出濃度值變化

從圖7的變化趨勢可以看出，3組實驗組的Cr元素的溶出量并不大，這和Cr 15.2 μg/g的低含量有直接關(guān)系。在測量前期3組實驗組的Cr溶出濃度并不穩(wěn)定，這和測量前期并不穩(wěn)定的培養(yǎng)基環(huán)境有一定關(guān)系，本身溶出量為微量，容易受到外界環(huán)境的干擾。在測量后期兩組加抑制物組在數(shù)值上有穩(wěn)定的趨勢，而CK+組則保持溶出量升高的趨勢。到第28 d測量數(shù)值為13.5 μg/L，溶出量為8.9%。Cr元素本身在礦樣中屬于微量元素，而且本身形態(tài)比較穩(wěn)定，不易溶出，耗時長。在酸性強的CK+組培養(yǎng)基中，在高活性狀態(tài)的菌液的作用下溶出量會有所增加。從兩加抑制物組的數(shù)值對比來看，核桃殼粉添加組對Cr溶出量的抑制效果要優(yōu)于核桃殼乙醇組。

圖7Cr元素濃度變化

3　結(jié)　　論

本研究使用成本低且易得的農(nóng)業(yè)廢棄物核桃殼對氧化亞鐵硫桿菌產(chǎn)酸起到了較為明顯抑制效果，在抑酸的同時對尾礦的重金屬溶出也有一定的抑制效果。具體實驗結(jié)論有以下幾點。

(1) 核桃殼粉添加組對尾礦溶出的重金屬Cr、Fe、Pb、Zn、Cu濃度的抑制作用強于核桃殼乙醇提取液組。

(2) 核桃殼及其乙醇粗提液對氧化亞鐵硫桿菌產(chǎn)酸的抑制效果從強到弱依次為核桃殼粉添加組、核桃殼乙醇粗提液、空白組。

該方法為礦山酸性水污染的原位防治提出了以廢治廢綠色治理的新思路，同時降低了果殼大量堆積對環(huán)境造成的污染。后續(xù)研究中需要繼續(xù)探索尾礦中各種重金屬的溶出規(guī)律，同時進一步尋求一種新的環(huán)保添加劑，結(jié)合農(nóng)業(yè)廢物提升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安徽省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人及后備人選培養(yǎng)項目[2013]189。

楊軍，男，安徽涇縣人，合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系碩士研究生，研究方向為礦山酸性廢水治理。E-mail: 1228938940@qq.com

岳梅，女，安徽鳳臺人，博士，合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系教授，研究方向為礦山酸性廢水治理。 E-mail： 13855165692@163.com

時間：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