陳 川，孫占學(xué)，李 江

（東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 撫州 344000）

微生物浸礦技術(shù)是近幾十年來興起的以濕法冶金和微生物學(xué)為基礎(chǔ)的一門新興交叉學(xué)科［1－2］。細(xì)菌浸礦的優(yōu)勢(shì)在于：反應(yīng)溫和、環(huán)境友好、能耗低、流程短。細(xì)菌浸礦技術(shù)已被廣泛用于低品位鈾、銅、金礦石的浸出［3－6］。近年來隨著細(xì)菌堆浸技術(shù)的成熟，一些科研團(tuán)隊(duì)相繼在國內(nèi)的一些鈾礦成功進(jìn)行了工業(yè)化細(xì)菌堆浸試驗(yàn)［7］。然而，細(xì)菌堆浸的工業(yè)化應(yīng)用卻受浸鈾細(xì)菌擴(kuò)大培養(yǎng)的制約，因其菌液產(chǎn)量往往達(dá)不到堆浸的需求［8］。這主要是對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)規(guī)律、掛膜條件及生物膜熟化規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)，并在細(xì)菌的培養(yǎng)過程中無法確定較準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)所導(dǎo)致的。細(xì)菌培養(yǎng)是細(xì)菌浸出前期的主要工作，為了獲得浸礦所需的大量菌液，必須解決細(xì)菌的快速培養(yǎng)問題［9］。

但一些工業(yè)化細(xì)菌堆浸試驗(yàn)一般采用生物接觸氧化槽以批次培養(yǎng)的方式生產(chǎn)浸鈾用菌。在批次培養(yǎng)過程中，細(xì)菌通常要經(jīng)過潛伏期（或稱遲緩期）、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰減期。在細(xì)菌的培養(yǎng)過程中，由于菌接種后的適應(yīng)性和生長(zhǎng)后期有害代謝物積累的影響，在遲緩期和衰亡期時(shí)間較長(zhǎng)且菌活性較差。而對(duì)數(shù)期是細(xì)菌生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速度也最高。我們就想通過連續(xù)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)同時(shí)及時(shí)排除有害代謝產(chǎn)物，使培養(yǎng)系統(tǒng)中細(xì)菌數(shù)量和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)保持恒定，這就是連續(xù)培養(yǎng)方式。連續(xù)培養(yǎng)可縮短培養(yǎng)周期，提高設(shè)備利用率，能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使微生物群體的生長(zhǎng)保持恒定［10］。

本文設(shè)計(jì)了一套小型工業(yè)化接觸氧化槽進(jìn)行浸鈾用菌的連續(xù)培養(yǎng)，探索連續(xù)培養(yǎng)工藝的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本試驗(yàn)菌種直接采用礦上千噸級(jí)堆浸試驗(yàn)所用菌群（氧化亞鐵鉤端螺旋菌和氧化亞鐵硫桿菌的混合菌群），培養(yǎng)基由堆浸試驗(yàn)的尾液、工業(yè)硫酸和工業(yè)硫酸亞鐵配制而成，氧化槽中用聚氨酯泡沫作填料。

1.2 裝置

一臺(tái)大型蠕動(dòng)泵，三臺(tái)電磁振蕩充氣泵和一臺(tái)螺旋攪拌器，采用工業(yè)堆浸試驗(yàn)所用的小型接觸氧化槽四個(gè)，每個(gè)有效體積2m3，長(zhǎng)2m，寬1.4m，高0.7m。三個(gè)用于連續(xù)培養(yǎng)的氧化槽中分別加入10%體積的聚氨酯泡沫，另一個(gè)用作承接三槽溢流出的合格菌液。每個(gè)氧化槽底部5×5均勻分布著充氣頭。浸鈾用菌的連續(xù)培養(yǎng)裝置如圖1所示，示圖中進(jìn)液槽提供用螺旋攪拌泵攪拌尾液、工業(yè)硫酸和工業(yè)硫酸亞鐵配成的培養(yǎng)基，蠕動(dòng)泵控制進(jìn)液流量，電磁振蕩式充氣泵向槽中充氣，菌液逐級(jí)溢流，3槽出合格菌液并溢流到出液槽再出流到配液槽用于工業(yè)生產(chǎn)。

圖1 連續(xù)培養(yǎng)裝置Fig.1 Continuous culture apparatus

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 細(xì)菌培養(yǎng)控制條件

所用菌種的最適生長(zhǎng)溫度為28～32℃，為了充分利用菌的活性提高生產(chǎn)效益，該試驗(yàn)特意在溫度最高的7、8、9月份進(jìn)行。三槽串聯(lián)流動(dòng)培養(yǎng)，以第三級(jí)二價(jià)鐵氧化百分率至90%～95%為指標(biāo)來控制流速。隨著填料上生物膜的逐漸成熟，加大進(jìn)液流速。在整個(gè)培養(yǎng)過程中，保證足夠的曝氣量，同時(shí)每隔4h用便攜式溶氧儀監(jiān)測(cè)各級(jí)氧化槽中的溶解氧和液溫并取樣，用酸度計(jì)測(cè)定各級(jí)菌樣的pH和Eh，用EDTA測(cè)定Fe3＋和Fe2＋濃度。

1.3.2 菌種擴(kuò)大培養(yǎng)

首先將菌種按20%接種量逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)到3個(gè)氧化槽，流程如圖2。

圖2 菌液擴(kuò)大培養(yǎng)流程Fig.2 The processes of bacterial expanding culture

1.3.3 三槽連續(xù)恒流培養(yǎng)試驗(yàn)

在進(jìn)液槽用尾液配好pH 1.7～1.8，F(xiàn)e2＋濃度（用∑Fe2＋表示）5g／L左右的培養(yǎng)基。

流速試驗(yàn)

用擴(kuò)大培養(yǎng)的菌液接種到三個(gè)氧化槽，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各槽Fe2＋濃度，當(dāng)三槽Fe2＋氧化率都達(dá)到90%時(shí)流動(dòng)試驗(yàn)正式開始，在試驗(yàn)過程中，每隔4h監(jiān)測(cè)計(jì)算一次各級(jí)培養(yǎng)槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋比值，如果第一、二和三級(jí)培養(yǎng)槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋值分別小于60%、30%或5%時(shí)（主要以第三級(jí)氧化槽Fe2＋氧化速率為指標(biāo)），則適當(dāng)增加流速，反之則減小流速，直到第三級(jí)培養(yǎng)槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋值在5%左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 掛膜前后Fe2＋氧化速率對(duì)比

試驗(yàn)開始以日出液率0.2設(shè)定進(jìn)液流速為0.8 L／min，在前50h，F(xiàn)e2＋氧化速率保持穩(wěn)定，隨后加大流速至1L／min，各級(jí)氧化槽Fe2＋氧化速率很快出現(xiàn)大幅度下降；在100h時(shí)立即調(diào)回初始流速，在此過程中，各槽Fe2＋氧化速率趨于平穩(wěn)；到240h各級(jí)Fe2＋氧化速率逐漸上升，此時(shí)不斷加大進(jìn)液流速，在260h時(shí)流速加大至2L／min，隨后再加大進(jìn)液流速，F(xiàn)e2＋氧化速率就開始下降，如圖3所示。

圖3 各級(jí)氧化槽Fe2＋氧化速率Fig.3 Fe2＋ oxidation rate of oxidation tanks

圖4 第一級(jí)氧化槽Fe2＋的氧化速率與進(jìn)液流速關(guān)系圖Fig.4 The relationship between Fe2＋ oxidation rate and flow rate of the first tank

在掛膜初期，氧化槽中流動(dòng)細(xì)菌細(xì)胞占主體，第一級(jí)氧化槽的Fe2＋氧化速率在0.1g／h上下浮動(dòng)，但一旦加大進(jìn)液流速，流動(dòng)細(xì)胞被稀釋，菌密度就很快降低，導(dǎo)致Fe2＋氧化速率下降。到260h后，培養(yǎng)基流速和Fe2＋氧化速率達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，說明生物膜生成和脫落的動(dòng)態(tài)平衡中，即掛膜完成。生物膜熟化后，進(jìn)液流速達(dá)到2L／min，第一級(jí)氧化槽Fe2＋氧化速率0.21g／h，較之掛膜前翻了一倍，氧化槽中固定細(xì)胞數(shù)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，菌密度增加，而此試驗(yàn)中填料只占10%體積就實(shí)現(xiàn)了日出液率0.48。

2.2 掛膜連續(xù)培養(yǎng)試驗(yàn)效果與批次培養(yǎng)對(duì)比

在同樣的溫度、pH值和溶氧條件下，批次培養(yǎng)掛膜初期Fe2＋氧化速率只為0.04g／h，生物膜熟化后Fe2＋氧化速率最高只達(dá)到0.09g／h，即使在工業(yè)堆浸生產(chǎn)中，采用彈性絲狀填料的細(xì)菌批次培養(yǎng)方式下的Fe2＋氧化速率只在0.06g／h左右，相比之下，掛膜連續(xù)培養(yǎng)方式明顯優(yōu)于批次培養(yǎng)。

2.3 掛膜完成后的拐點(diǎn)研究

掛膜完成后Fe2＋氧化速率達(dá)到最大，但這種狀態(tài)在保持了一天后就隨著懸浮狀態(tài)的聚氨酯泡沫的下沉迅速改變，即氧化速率急劇下降。在此變化過程中，經(jīng)測(cè)樣分析，氧化槽中的∑Fe含量由8.2g／L下降到7.4g／L，總鐵濃度減少0.8g／L。經(jīng)分析是由于鐵沉淀附著于聚氨酯泡沫上，堵塞泡沫孔隙增加自量加速泡沫下沉，泡沫表面附著的鐵沉淀破壞了生物膜的脫落與再生平衡并阻斷了孔隙內(nèi)附著菌與外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的接觸，導(dǎo)致固定菌細(xì)胞大量死亡進(jìn)而降低了菌密度。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證鐵沉淀與聚氨酯泡沫的關(guān)系，停泵清除池底沉淀并重新補(bǔ)加一批新的聚氨酯泡沫填料，經(jīng)過幾十個(gè)小時(shí)的培養(yǎng)，各級(jí)氧化槽Fe2＋氧化速率又開始慢慢回升。因此，在試驗(yàn)過程中，要控制進(jìn)液總鐵含量和pH值，避免引起填料沉淀。如果不慎產(chǎn)生沉淀，除了馬上改善培養(yǎng)條件還得及時(shí)清理池底沉淀防止形成板結(jié)，這些對(duì)將來的工業(yè)生產(chǎn)都很有指導(dǎo)意義。

2.4 各級(jí)氧化槽氧化速率差異分析及控制進(jìn)液流速的重要性

生物膜熟化期間，控制進(jìn)液流速，各級(jí)氧化槽由于菌密度和菌活性的不同，細(xì)菌氧化Fe2＋的速率隨時(shí)間而變化，如圖3所示。由圖可知，隨著菌種在填料上生物膜的逐漸形成并熟化，細(xì)菌密度和活性逐級(jí)提高，三級(jí)氧化槽Fe2＋氧化速率都逐漸上升，但氧化槽1由于菌種分裂繁殖所需養(yǎng)料的及時(shí)供應(yīng)，它的菌活性最高，而氧化槽3雖然菌密度大但養(yǎng)料供給少且滯后導(dǎo)致菌活性較差，因此三級(jí)氧化槽的氧化速率呈現(xiàn)逐級(jí)遞減趨勢(shì)。

掛膜期間，在培養(yǎng)基成分、溶解氧和溫度等條件不變的情況下，如果進(jìn)液流速過大，細(xì)菌培養(yǎng)處于洗脫過程，此過程中Fe2＋／∑Fe2＋比值持續(xù)升高，菌密度減小，不利于生物膜的形成，而且造成各級(jí)氧化槽的菌的氧化還原電位下降，這與堆浸工業(yè)生產(chǎn)要求不相符；但如果進(jìn)液流速過小，各級(jí)氧化槽中Fe2＋含量很低甚至沒有Fe2＋，這將導(dǎo)致菌老化活性降低，而且菌產(chǎn)量過低，滿足不了生產(chǎn)需求，一旦菌超過一定時(shí)間得不到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)將大量死亡，所以細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)過程中，控制培養(yǎng)基的進(jìn)液流速很關(guān)鍵，以保證掛膜成功并產(chǎn)出足夠的高氧化還原電位的合格菌液。

3 結(jié)論

1）連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)方式是連續(xù)自流的，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序。節(jié)省了批次培養(yǎng)中所必須的成熟菌液的排放和接種供給新液所需的時(shí)間，跳過了由遲緩期至對(duì)數(shù)期的時(shí)間，因此縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

2）在配液過程中要嚴(yán)格控制總鐵含量和pH值，它們關(guān)乎是否有鐵沉淀生成。

3）在培養(yǎng)過程中，控制進(jìn)液流速是保證掛膜成功并生產(chǎn)足量合格菌液的關(guān)鍵。

4）野外溫度在25～32℃，聚氨酯填料掛膜完成需要11d，在生物膜熟化期間，F(xiàn)e2＋氧化速率、進(jìn)液速率和合格菌液產(chǎn)量逐漸上升，但溶解氧逐漸降低，至生物膜成熟后都保持相對(duì)穩(wěn)定。

5）連續(xù)培養(yǎng)過程中，F(xiàn)e2＋最大氧化速率達(dá)到0.21 g／h，總體積6m3的氧化槽日最大出液量為2.88m3。

［1］ 王昌漢 .溶浸采鈾（礦）［M］.北京：原子能出版社，1998：12.

［2］ 李尚遠(yuǎn) .鈾·金·銅礦石堆浸原理與實(shí)踐［J］.礦產(chǎn)資源開發(fā)，1998（9）：32.

［3］ 李壯闊，桂斌隊(duì)，段希祥 .德興銅礦堆浸廠的生產(chǎn)實(shí)踐及技術(shù)研究［J］.礦冶工程，2002，22（1）：46－48.

［4］ 曾毅君，牛玉清，張飛鳳，等 .中國鈾礦冶生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展綜述［J］.鈾礦冶，2003，22（1）：24－28.

［5］ 張建國，孟 晉 .世界鈾資源、生產(chǎn)、供應(yīng)與需求的新動(dòng)態(tài)［J］.鈾礦冶，2006，25（1）：21－28.

［6］ 殷志勇 .生物技術(shù)在濕法冶金領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究趨勢(shì)［J］.濕法冶金，2006，25（3）：113－116.

［7］ 樊保團(tuán)，孟運(yùn)生，劉 建，等 .鈾礦石細(xì)菌堆浸新工藝及其在贛州鈾礦的工業(yè)化應(yīng)用［J］.中國核科技報(bào)告，2006（1）：164－179.

［8］ 李元鋒，楊維漲 .浸鈾細(xì)菌的連續(xù)培養(yǎng)研究［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2010，38（1）38－42.

［9］ 張卯均，余興遠(yuǎn)，鄧佐卿，等 .浸礦技術(shù)［M］.北京：原子能出版社，1994：417－419.

［10］ 張國櫸，張漢斌 .釬頭的制造工藝與裝備［J］.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2000（3）：50－60.