异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿

D0I:10.13374/.issn1001-053x.2011.08.004 第33卷第8期 北京科技大学学报 Vol.33 No.8 2011年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2011 异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿 田京雷》冯雅丽)区李浩然》 齐凤杰”唐新华》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100190 ☒通信作者，E-mail:ylfengl26@126.com 摘要利用纯二氧化锰在微酸性条件下对异化金属还原菌进行驯化，二氧化锰的颜色由黑色逐渐变浅至白色，X射线衍射 分析表明微生物可有效还原二氧化锰成为碳酸锰：以发酵制氢废液为还原底物，利用异化金属还原菌在不同酸性条件下直接 浸出低品位软锰矿旷，通过单因素实验研究厌氧条件、H值对锰浸出率的影响，并对制氢废液化学需氧量(COD)的去除率及浸 出机理进行研究.结果表明，异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿，厌氧浸出优于好氧浸出，最佳H值为3.0~ 3.5,浸出时间为3d时，最大浸出率达到98%：用软锰矿对发酵制氢废液在微酸性条件下进行降解，C0D质量浓度为2612g· L时最大去除率达到84%，C0D去除率随软锰矿量的增加而增大. 关键词软锰矿：金属还原菌：异化还原：生物制氢；废液：化学需氧量(COD) 分类号TF803.21 Pyrolusite reduction with dissimilatory metal reducing bacteria in the effluent of bio-hydrogen production TIAN Jing-Hei,FENG Ya-i,LI Hao-ran?,QI Feng-jie,TANG Xin-hua? 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key State Laboratory of Biochemical Engineering,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China Corresponding author,E-mail:ylfengl26@126.com ABSTRACT Dissimilatory metal reducing bacteria were domesticated with MnO:in acidic conditions,and then the MnO:color changed from black to white,even colorless.X-ray diffraction analysis indicated that dissimilatory reductive microbes could reduce MnO,effectively after domestication.Manganese leaching from pyrolusite was investigated by using dissimilatory metal reducing bacteria under acid conditions,with the effluent of bio-hydrogen production as a reducing agent.Single-factor experiments were employed to ex- amine the effects of anaerobic conditions and pH values on the leaching rate of Mn.The removal rate of chemical oxygen demand (COD)and the mechanism were also studied.It was shown that dissimilatory metal reducing bacteria reduced pyrolusite using the ef- fluent of fermentative hydrogen production.The leaching rate of manganese under anaerobic conditions was higher than that under aero- bic conditions,and it could reach 98%under the conditions of pH 3.0-3.5 and the leaching time of 3d.For degrading the effluent of bio-hydrogen production under subacid conditions,the COD removal rate could reach 84%when COD in the effluent of bio-hydrogen production was 2612 mgL,and it would be higher with more pyrolusite. KEY WORDS pyrolusite:metal reducing bacteria:dissimilatory reduction:bio-hydrogen production:effluents;chemical oxygen de- mand (COD) 软锰矿作为一种环境矿物材料，近年来受到广 矿4-；有的浸出矿浆固液不易分离，后续处理困 泛关注-习.其中软锰矿浸出工艺是国内外锰矿研 难，如硫酸亚铁.在酸性介质中采用葡萄糖等有 究的重点.关于软锰矿直接还原浸出法，以往的研 机还原剂团，反应条件温和，锰的浸出率在90%以 究主要集中在无机还原剂，但该类还原剂中有的引 上，且不会引入杂质，具有高效、简单的特点，但是有 入杂质较多，后续浸出液净化难度大，如硫铁 机还原剂价格较高 收稿日期：2010-07-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(20876160)：中央高校专项资金资助项目(FRT-TP-09002B)

第 33 卷 第 8 期 2011 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 8 Aug． 2011 异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿 田京雷1) 冯雅丽1)  李浩然2) 齐凤杰1) 唐新华2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京 100190 通信作者，E-mail: ylfeng126@ 126． com 摘 要 利用纯二氧化锰在微酸性条件下对异化金属还原菌进行驯化，二氧化锰的颜色由黑色逐渐变浅至白色，X 射线衍射 分析表明微生物可有效还原二氧化锰成为碳酸锰; 以发酵制氢废液为还原底物，利用异化金属还原菌在不同酸性条件下直接 浸出低品位软锰矿，通过单因素实验研究厌氧条件、pH 值对锰浸出率的影响，并对制氢废液化学需氧量( COD) 的去除率及浸 出机理进行研究． 结果表明，异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿，厌氧浸出优于好氧浸出，最佳 pH 值为 3. 0 ～ 3. 5，浸出时间为 3 d 时，最大浸出率达到 98% ; 用软锰矿对发酵制氢废液在微酸性条件下进行降解，COD 质量浓度为 2 612 mg· L － 1 时最大去除率达到 84% ，COD 去除率随软锰矿量的增加而增大． 关键词 软锰矿; 金属还原菌; 异化还原; 生物制氢; 废液; 化学需氧量( COD) 分类号 TF803. 21 Pyrolusite reduction with dissimilatory metal reducing bacteria in the effluent of bio-hydrogen production TIAN Jing-lei 1) ，FENG Ya-li 1)  ，LI Hao-ran2) ，QI Feng-jie 1) ，TANG Xin-hua2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key State Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China Corresponding author，E-mail: ylfeng126@ 126． com ABSTRACT Dissimilatory metal reducing bacteria were domesticated with MnO2 in acidic conditions，and then the MnO2 color changed from black to white，even colorless． X-ray diffraction analysis indicated that dissimilatory reductive microbes could reduce MnO2 effectively after domestication． Manganese leaching from pyrolusite was investigated by using dissimilatory metal reducing bacteria under acid conditions，with the effluent of bio-hydrogen production as a reducing agent． Single-factor experiments were employed to ex￾amine the effects of anaerobic conditions and pH values on the leaching rate of Mn． The removal rate of chemical oxygen demand ( COD) and the mechanism were also studied． It was shown that dissimilatory metal reducing bacteria reduced pyrolusite using the ef￾fluent of fermentative hydrogen production． The leaching rate of manganese under anaerobic conditions was higher than that under aero￾bic conditions，and it could reach 98% under the conditions of pH 3. 0 － 3. 5 and the leaching time of 3 d． For degrading the effluent of bio-hydrogen production under subacid conditions，the COD removal rate could reach 84% when COD in the effluent of bio-hydrogen production was 2 612 mg·L － 1 ，and it would be higher with more pyrolusite． KEY WORDS pyrolusite; metal reducing bacteria; dissimilatory reduction; bio-hydrogen production; effluents; chemical oxygen de￾mand ( COD) 收稿日期: 2010--07--30 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 20876160) ; 中央高校专项资金资助项目( FRT--TP--09--002B) 软锰矿作为一种环境矿物材料，近年来受到广 泛关注［1 － 3］． 其中软锰矿浸出工艺是国内外锰矿研 究的重点． 关于软锰矿直接还原浸出法，以往的研 究主要集中在无机还原剂，但该类还原剂中有的引 入杂 质 较 多，后续浸出液净化难度大，如 硫 铁 矿［4 － 5］; 有的浸出矿浆固液不易分离，后续处理困 难，如硫酸亚铁［6］． 在酸性介质中采用葡萄糖等有 机还原剂［7］，反应条件温和，锰的浸出率在 90% 以 上，且不会引入杂质，具有高效、简单的特点，但是有 机还原剂价格较高． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.08.004

·912 北京科技大学学报 第33卷 氢气是很好的绿色能源，生物发酵制氢的研究 呈快速发展的势头·利用养殖场废水为发酵基质制 取氢气是环境友好的处理方法.据资料显示，全国 畜禽粪便年产量约为17.3亿t,是工业废弃物的 2.7倍图.发酵制氢的同时会产生大量制氢废液， 废液中含有未分解的葡萄糖和挥发性有机酸类物 质，具有化学需氧量(chemical oxygen demand,COD) 浓度高（一般>3000mg·L-1)、pH值低(3.5~ 4.5)、成分复杂以及处理难度大等特点回.目前以 图1软锰矿SEM像 发酵制氢废液作还原剂来还原软锰矿的研究国内未 Fig.1 SEM image of pyrolusite 见报道. 锰矿10g,厌氧发酵制氢废液100mL,定期取上清液 异化金属还原菌0以MO2等金属氧化物作为 测定pH值、COD和Mn2+的质量浓度，取样前用去 其呼吸作用的唯一最终电子受体，有机物作为其呼 离子水补偿蒸发水分 吸作用的电子供体，形成完整的电子传递链。细胞 1.3分析方法 从异化过程中获取生长所需能量，同时高价锰被还 首先制备测定锰离子分光光度法标准曲线所需 原为可溶性的二价锰.本实验以发酵制氢废液作为 的溶液：①焦磷酸钾一乙酸钠缓冲溶液，称取230g 还原剂，利用由海底沉积物分离得到的混合异养菌 K,P20,·3H20、136gCHC00Na3H20溶于50℃水 株在不同酸性条件下直接浸出低品位软锰矿，通过 中，冷却后定容到1L:②20gL1的高碘酸钾溶液， 单因素实验考察厌氧条件、pH值对锰浸出率的影 称取2gKI0,溶于10%硝酸中：③40mgL的锰标 响，并对制氢废液COD的去除率及浸出机理进行研 准溶液，称取12.304gMnS0,H20加水定容到1L, 究，为锰矿产区低品位软锰矿的浸出和制氢废液的 取5mL于500mL容量瓶中，定容到500mL;④0.1 处理提供了一种环境友好的方法. mgL的稀盐酸 1实验 将5mL反应一段时间的浸出混合物离心后取 上清液，向沉淀中加入5mL稀盐酸，混匀，常温下使 1.1实验材料 反应生成的MnCO,充分溶解，再离心，上清液稀释 实验所用软锰矿取自广西某锰矿，其元素成分 一定倍数后（如果浸出液呈酸性，则直接取离心后 如表1所示，扫描电镜(SEM)图如图1所示.厌氧 上清液)，取1mL加入到含有5mL焦磷酸钾-乙酸 发酵制氢废液取自本实验室生物制氢反应器内发酵 钠缓冲溶液的25mL容量瓶中，摇匀，再加入2mL 结束静置2h后的上清液，主要成分为未利用的葡 高碘酸钾溶液，用水稀释至标线，显色3min,以去离 萄糖及挥发性有机酸等，C0D的质量浓度约为7000 子水作对照，用10mm比色杯在525nm下测定吸光度. mgL.实验所用菌种为利用平板划线法从海底沉 按照上述方法，取不同浓度的锰标准溶液（质 积物中分离得到的混合异养菌株.实验中调节pH 量浓度分别为1.6、3.24.8、6.4、8.0、9.6mgL-) 值所用的硫酸为分析纯试剂. 绘制标准曲线，如图2所示.结果表明，Mn2+在0~ 表1软锰矿的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of pyrolusite 10 标准曲线 Mn Fe Si Al Ca Mg S P 其他 =0.9995 25.2113.588.475.360.5160.0640.0030.09546.702 1.2实验方法 AMe 4 实验分两部分，一部分是研究不同酸性条件和 厌氧条件对软锰矿中锰的浸出率的影响，另一部分 是在微酸性条件下还原软锰矿，被还原锰以MnCO3 的形式存在，并研究了发酵废液的COD去除率. 0.100.150.200.250.300.350.400.45 ODas值 在250mL的锥形瓶中进行好氧、厌氧摇瓶实 图2锰溶液标准曲线 验，温度30℃，转速170rmin-1,粒径为200目的软 Fig.2 Standard line of the manganese solution

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 氢气是很好的绿色能源，生物发酵制氢的研究 呈快速发展的势头． 利用养殖场废水为发酵基质制 取氢气是环境友好的处理方法． 据资料显示，全国 畜禽粪便年产量约为 17. 3 亿 t，是工业废弃物的 2. 7 倍［8］． 发酵制氢的同时会产生大量制氢废液， 废液中含有未分解的葡萄糖和挥发性有机酸类物 质，具有化学需氧量( chemical oxygen demand，COD) 浓度高( 一 般 ＞ 3 000 mg·L － 1 ) 、pH 值 低 ( 3. 5 ～ 4. 5) 、成分复杂以及处理难度大等特点［9］． 目前以 发酵制氢废液作还原剂来还原软锰矿的研究国内未 见报道． 异化金属还原菌［1］以 MnO2等金属氧化物作为 其呼吸作用的唯一最终电子受体，有机物作为其呼 吸作用的电子供体，形成完整的电子传递链． 细胞 从异化过程中获取生长所需能量，同时高价锰被还 原为可溶性的二价锰． 本实验以发酵制氢废液作为 还原剂，利用由海底沉积物分离得到的混合异养菌 株在不同酸性条件下直接浸出低品位软锰矿，通过 单因素实验考察厌氧条件、pH 值对锰浸出率的影 响，并对制氢废液 COD 的去除率及浸出机理进行研 究，为锰矿产区低品位软锰矿的浸出和制氢废液的 处理提供了一种环境友好的方法． 1 实验 1. 1 实验材料 实验所用软锰矿取自广西某锰矿，其元素成分 如表 1 所示，扫描电镜( SEM) 图如图 1 所示． 厌氧 发酵制氢废液取自本实验室生物制氢反应器内发酵 结束静置 2 h 后的上清液，主要成分为未利用的葡 萄糖及挥发性有机酸等，COD 的质量浓度约为 7 000 mg·L － 1 ． 实验所用菌种为利用平板划线法从海底沉 积物中分离得到的混合异养菌株． 实验中调节 pH 值所用的硫酸为分析纯试剂． 表 1 软锰矿的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of pyrolusite % Mn Fe Si Al Ca Mg S P 其他 25. 21 13. 58 8. 47 5. 36 0. 516 0. 064 0. 003 0. 095 46. 702 1. 2 实验方法 实验分两部分，一部分是研究不同酸性条件和 厌氧条件对软锰矿中锰的浸出率的影响，另一部分 是在微酸性条件下还原软锰矿，被还原锰以 MnCO3 的形式存在，并研究了发酵废液的 COD 去除率． 在 250 mL 的锥形瓶中进行好氧、厌氧摇瓶实 验，温度 30 ℃，转速 170 r·min － 1 ，粒径为 200 目的软 图 1 软锰矿 SEM 像 Fig． 1 SEM image of pyrolusite 锰矿 10 g，厌氧发酵制氢废液 100 mL，定期取上清液 测定 pH 值、COD 和 Mn2 + 的质量浓度，取样前用去 离子水补偿蒸发水分． 1. 3 分析方法 首先制备测定锰离子分光光度法标准曲线所需 的溶液: ①焦磷酸钾--乙酸钠缓冲溶液，称取 230 g K4P2O7 ·3H2O、136 g CH3COONa·3H2O 溶于 50 ℃ 水 中，冷却后定容到 1 L; ② 20 g·L － 1 的高碘酸钾溶液， 称取 2 g KIO4溶于 10% 硝酸中; ③ 40 mg·L － 1 的锰标 准溶液，称取 12. 304 g MnSO4 ·H2O 加水定容到 1 L， 取 5 mL 于 500 mL 容量瓶中，定容到 500 mL; ④ 0. 1 mg·L － 1 的稀盐酸． 将 5 mL 反应一段时间的浸出混合物离心后取 上清液，向沉淀中加入 5 mL 稀盐酸，混匀，常温下使 反应生成的 MnCO3 充分溶解，再离心，上清液稀释 一定倍数后( 如果浸出液呈酸性，则直接取离心后 上清液) ，取 1 mL 加入到含有 5 mL 焦磷酸钾--乙酸 钠缓冲溶液的 25 mL 容量瓶中，摇匀，再加入 2 mL 高碘酸钾溶液，用水稀释至标线，显色 3 min，以去离 子水作对照，用10 mm 比色杯在525 nm 下测定吸光度． 图 2 锰溶液标准曲线 Fig． 2 Standard line of the manganese solution 按照上述方法，取不同浓度的锰标准溶液( 质 量浓度分别为 1. 6、3. 2、4. 8、6. 4、8. 0、9. 6 mg·L － 1 ) 绘制标准曲线，如图 2 所示． 结果表明，Mn2 + 在 0 ～ ·912·

第8期 田京雷等：异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿 ·913· 10gL范围内其浓度与吸光度有良好的线性关系. 异化金属还原菌对外界环境有较强的适应能 求得曲线的回归方程为X=-1.70444+ 力，利用实验室制取的纯二氧化锰对发酵制氢废液 25.825940D%(X为Mn2+的质量浓度，mg·L-1: 进行驯化，pH值为5.0（确保被还原的锰以MnCO, ODs为波长525nm时的吸光度；R(相关系数)= 沉淀形式存在)，随着反应进行，沉淀物的颜色由黑 0.9995).由测定出的吸光度计算浓度，进而计算出 色逐渐变浅至白色，矿物中的锰由四价被还原成二 浸出率. 价，反应式为 COD采用标准方法测定O;pH值采用PHS- C6H206+12Mn(IW)+6H20→ 25型pH计测定 12Mn(Ⅱ)+6C02+24H* (2) 异养微生物还原二氧化锰、降解葡萄糖的同时 2实验结果和分析 产生了CO2,因而微生物作用后Mn(Ⅱ)应以Mn- 2.1异养微生物利用发酵制氢废液的耐矿性驯化 CO,形式存在.将MnO,还原后的白色粉末离心分离 实验室采用下式制备化学二氧化锰： 后，进行X射线衍射及SEM分析，如图3所示.固 2KMnO,+3MnCl +2H,O-5Mn0,+4HCI +2KCI 体粉末主要成分是MCO3,可见厌氧制氢废液中异 (1) 养微生物可将软锰矿中四价锰还原为二价锰. 1000 6000 .5000 4000 3000 2000 1000 20 60 80 20) 图3MnCO,的XRD谱(a)和SEM像(b) Fig.3 XRD pattern (a)and SEM image (b)of MnCO 2.2通气对异养微生物还原浸出软锰矿的影响 率在3d内达到98%，远高于有氧条件下的55%，经 浸出条件：浸出温度为30℃、制氢废液C0D的 过5d的异化还原过程，有氧浸出率达到91%，可见 质量浓度为7g·L1、软锰矿的质量浓度为10g· 无氧条件更有利于锰的浸出.软锰矿中锰主要以不 LpH3.5,厌氧、好氧条件下进行100mL摇瓶实 溶的MnO2形式存在，无氧条件下，MnO2是异养微生 验.发酵制氢废液好氧、厌氧条件下对软锰矿中锰 物代谢呼吸链的最终电子受体，接入异养微生物后， 浸出率的影响如图4所示. 有机物的聚集促使锰以较快速度还原，在微生物呼 由图4可知，在厌氧条件下，软锰矿中锰的浸出 吸过程中，还原生成可溶性二价锰离子.有氧条件 下由于氧气在此过程中可作为电子受体，会与锰争 100 夺电子，所以通入空气反而使高价锰还原速度降低， 80 导致浸出率下降. 2.3pH值对异养微生物还原浸出软锰矿的影响 解 60 生物还原发生的前提必须是化学反应可以发 40 一一好氧 生，而M2+只有在酸性条件下才能溶解，在中性或 一▲一厌氧 碱性条件下，被还原的锰可能会以MCO3沉淀的形 20 式存在于矿渣中，因此实验采用酸性条件.为考察 不同pH值条件下发酵制氢废液还原软锰矿时锰的 3 时向肩 浸出率，实验过程用硫酸调节pH值，将其分别控制 图4好氧和厌氧条件下软锰矿浸出率 在2.0、2.5、3.0、3.5和4.0，厌氧浸出3d,实验过程 Fig.4 Leaching rate under aerobic and anaerobic conditions 中软锰矿中锰的浸出率如图5所示

第 8 期 田京雷等: 异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿 10 mg·L －1 范围内其浓度与吸光度有良好的线性关系． 求得 曲 线 的 回 归 方 程 为 X = － 1. 704 44 + 25. 825 94 OD525 ( X 为 Mn2 + 的质量浓度，mg·L － 1 ; OD525为波长 525 nm 时的吸光度; R2 ( 相关系数) = 0. 999 5) ． 由测定出的吸光度计算浓度，进而计算出 浸出率． COD 采用标准方法测定［10］; pH 值采用 PHS-- 25 型 pH 计测定． 2 实验结果和分析 2. 1 异养微生物利用发酵制氢废液的耐矿性驯化 实验室采用下式制备化学二氧化锰: 2KMnO4 + 3MnCl2 + 2H2O → 5MnO2 + 4HCl + 2KCl ( 1) 异化金属还原菌对外界环境有较强的适应能 力，利用实验室制取的纯二氧化锰对发酵制氢废液 进行驯化，pH 值为 5. 0( 确保被还原的锰以 MnCO3 沉淀形式存在) ，随着反应进行，沉淀物的颜色由黑 色逐渐变浅至白色，矿物中的锰由四价被还原成二 价，反应式为 C6H12O6 + 12Mn( Ⅳ) + 6H2O → 12Mn( Ⅱ) + 6CO2 + 24H + ( 2) 异养微生物还原二氧化锰、降解葡萄糖的同时 产生了 CO2，因而微生物作用后 Mn( Ⅱ) 应以 Mn￾CO3形式存在． 将 MnO2还原后的白色粉末离心分离 后，进行 X 射线衍射及 SEM 分析，如图 3 所示． 固 体粉末主要成分是 MnCO3，可见厌氧制氢废液中异 养微生物可将软锰矿中四价锰还原为二价锰． 图 3 MnCO3的 XRD 谱( a) 和 SEM 像( b) Fig． 3 XRD pattern ( a) and SEM image ( b) of MnCO3 2. 2 通气对异养微生物还原浸出软锰矿的影响 浸出条件: 浸出温度为 30 ℃、制氢废液 COD 的 质量浓度为 7 g·L － 1 、软锰矿的质量浓度为 10 g· L － 1 、pH 3. 5，厌氧、好氧条件下进行 100 mL 摇瓶实 验． 发酵制氢废液好氧、厌氧条件下对软锰矿中锰 浸出率的影响如图 4 所示． 图 4 好氧和厌氧条件下软锰矿浸出率 Fig． 4 Leaching rate under aerobic and anaerobic conditions 由图 4 可知，在厌氧条件下，软锰矿中锰的浸出 率在 3 d 内达到 98% ，远高于有氧条件下的 55% ，经 过 5 d 的异化还原过程，有氧浸出率达到 91% ，可见 无氧条件更有利于锰的浸出． 软锰矿中锰主要以不 溶的 MnO2形式存在，无氧条件下，MnO2是异养微生 物代谢呼吸链的最终电子受体，接入异养微生物后， 有机物的聚集促使锰以较快速度还原，在微生物呼 吸过程中，还原生成可溶性二价锰离子． 有氧条件 下由于氧气在此过程中可作为电子受体，会与锰争 夺电子，所以通入空气反而使高价锰还原速度降低， 导致浸出率下降． 2. 3 pH 值对异养微生物还原浸出软锰矿的影响 生物还原发生的前提必须是化学反应可以发 生，而 Mn2 + 只有在酸性条件下才能溶解，在中性或 碱性条件下，被还原的锰可能会以 MnCO3沉淀的形 式存在于矿渣中，因此实验采用酸性条件． 为考察 不同 pH 值条件下发酵制氢废液还原软锰矿时锰的 浸出率，实验过程用硫酸调节 pH 值，将其分别控制 在 2. 0、2. 5、3. 0、3. 5 和 4. 0，厌氧浸出 3 d，实验过程 中软锰矿中锰的浸出率如图 5 所示． ·913·

·914· 北京科技大学学报 第33卷 100 -■-pH4.0 80 -4-pH2.0 80 -·-pH2.5 ◆-pH3.0 这60 60 --pH3.5 到 40 0 -2612mgL 30 20 ◆5275mgL1 +7835mgL- 051.01.52.02.53.0 10 20 30 40 50 60 时间风 时间d 图5不同pH值条件下锰的浸出率 图6不同制氢废液质量浓度下C0D的去除率 Fig.5 Leaching rate of manganese at different pH values Fig.6 COD removal rate under different effluent concentrations 由图5可知，浸出过程中pH值控制在3.0和 量浓度为555.4mgL-',而C0D质量浓度为5275 3.5时，浸出3d软锰矿中锰的浸出率分别为93%和 mg·L1的废液C0D去除率明显较低.实验中软锰 91%,而pH值为2.0、2.5和4.0时，浸出率较低. 矿的投加量为10gL,同样条件下对于C0D浓度 可见，当达到异养微生物生长的酸性环境时，菌体活 高的废液处理效果较差.文献1]表明COD去除 性增加，由生长停滞期可迅速达到对数生长期，使浸 率随锰矿的投加量增加而增大，因此当厌氧制氢废 出率增加；当H值低于一定值时，虽然能够溶解软 液COD质量浓度较大时，可适当增加软锰矿的投加 锰矿中的耗酸物质，加速有价金属浸出，但菌体活性 量来提高COD去除率. 降低不利于锰的浸出，这与文献2]报道一致.可见 2.5异化还原菌还原软锰矿的机理分析 系统pH值控制在3.0~3.5为宜 软锰矿中Mn以MnO2(IV)为主，MnO2不溶于 2.4发酵液COD的去除率 酸，MnO2/Mn2+的标准电极电位为1.23V.酸性条 发酵制氢废液的成分复杂，除含有未分解的糖 件下，软锰矿具有较强的氧化能力，制氢废液中大量 分外，还有发酵过程中产生的乙酸、丁酸等挥发性有 有机还原物质与MnO2发生氧化还原反应，从而导致 机酸，因此C0D浓度较高.酸性条件下，异化还原 有机物质被氧化和水解.碳原子失去电子，由0价 菌浸出软锰矿中锰的浸出率在3d时就可达到很 变为+4价，同时MnO2中的Mn(V)被还原为Mn2+ 高，而其COD的去除率却很低·为提高废液COD 而进入溶液中网.它们之间的反应可以表述为式 的去除率，并使被还原的锰以MnCO,形式存在，本 (2).同理，废液中的含碳有机物与Mn02之间的氧 实验采用系统pH值为5.5的微酸性环境，这就使 化还原反应可以表示为 得软锰矿的还原过程时间较长，因此对其进行了为 (CH2,0,）m+2mMn02+4mH+-→ 期56d的降解实验.实验中废液COD的质量浓度 2mMn2++mCO2 (ym +2m)H2O (3) 分别为2612、5275和7835mg·L-1,温度控制在 由式(3)可以看出，厌氧制氢废液中有机物能 30℃.C0D的去除率如图6所示. 还原MO2,生成可溶性的二价锰，同时有机物被氧 由图6可知，在反应前期，软锰矿可以将有机物 化分解，去除废液中的COD. 氧化成CO2,使得COD持续降低，COD去除率逐渐 MnO,的生物还原是厌氧条件混合菌呼吸作用 上升，但随着反应进行到后期，软锰矿中MnO2量减 的一个形式，通过一系列反应完成二磷酸腺苷 少，H+浓度降低，其氧化能力也相对降低，此时 (ADP)向三磷酸腺苷(ATP)的转化.厌氧、好氧对 COD去除率升高缓慢.经过长达56d的厌氧还原 比实验结果表明，在好氧条件下，微生物对锰的还原 过程，C0D质量浓度为2612mg·L-'的制氢废液的 效果差，进一步证实Mn(N)作为电子受体参与了 C0D去除率最高，可达84%，5275mgL-时C0D 微生物的氧化还原反应.体系中的溶解氧从两方面 去除率略低，而7835mg·L时C0D去除率仅为 影响浸矿效果，反应初期体系中高价锰与溶解氧并 52.4%.所以C0D浓度越低去除率越高.C0D质 存，二者竞争有机物分解产生的还原力，即图7中的 量浓度为2612mg·L1的废液在厌氧还原进行到 a和b两个生物反应同时存在.反应后期Mn4+大部 35d时，C0D的去除率达到78.7%，此时C0D的质 分被还原，以Mn2+状态存在，而Mn2+易于被氧

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 5 不同 pH 值条件下锰的浸出率 Fig． 5 Leaching rate of manganese at different pH values 由图 5 可知，浸出过程中 pH 值控制在 3. 0 和 3. 5 时，浸出 3 d 软锰矿中锰的浸出率分别为 93% 和 91% ，而 pH 值为 2. 0、2. 5 和 4. 0 时，浸出率较低． 可见，当达到异养微生物生长的酸性环境时，菌体活 性增加，由生长停滞期可迅速达到对数生长期，使浸 出率增加; 当 pH 值低于一定值时，虽然能够溶解软 锰矿中的耗酸物质，加速有价金属浸出，但菌体活性 降低不利于锰的浸出，这与文献［2］报道一致． 可见 系统 pH 值控制在 3. 0 ～ 3. 5 为宜． 2. 4 发酵液 COD 的去除率 发酵制氢废液的成分复杂，除含有未分解的糖 分外，还有发酵过程中产生的乙酸、丁酸等挥发性有 机酸，因此 COD 浓度较高． 酸性条件下，异化还原 菌浸出软锰矿中锰的浸出率在 3 d 时就可达到很 高，而其 COD 的去除率却很低 . 为提高废液 COD 的去除率，并使被还原的锰以 MnCO3 形式存在，本 实验采用系统 pH 值为 5. 5 的微酸性环境，这就使 得软锰矿的还原过程时间较长，因此对其进行了为 期 56 d 的降解实验． 实验中废液 COD 的质量浓度 分别为 2 612、5 275 和 7 835 mg·L － 1 ，温度控制在 30 ℃ ． COD 的去除率如图 6 所示． 由图 6 可知，在反应前期，软锰矿可以将有机物 氧化成 CO2，使得 COD 持续降低，COD 去除率逐渐 上升，但随着反应进行到后期，软锰矿中 MnO2量减 少，H + 浓 度 降 低，其氧化能力也相对降低，此 时 COD 去除率升高缓慢． 经过长达 56 d 的厌氧还原 过程，COD 质量浓度为 2 612 mg·L － 1 的制氢废液的 COD 去除率最高，可达 84% ，5 275 mg·L － 1 时 COD 去除率略低，而 7 835 mg·L － 1 时 COD 去除率仅为 52. 4% ． 所以 COD 浓度越低去除率越高． COD 质 量浓度为 2 612 mg·L － 1 的废液在厌氧还原进行到 35 d 时，COD 的去除率达到 78. 7% ，此时 COD 的质 图 6 不同制氢废液质量浓度下 COD 的去除率 Fig． 6 COD removal rate under different effluent concentrations 量浓度为 555. 4 mg·L － 1 ，而 COD 质量浓度为 5 275 mg·L － 1 的废液 COD 去除率明显较低． 实验中软锰 矿的投加量为 10 g·L － 1 ，同样条件下对于 COD 浓度 高的废液处理效果较差． 文献［11］表明 COD 去除 率随锰矿的投加量增加而增大，因此当厌氧制氢废 液 COD 质量浓度较大时，可适当增加软锰矿的投加 量来提高 COD 去除率． 2. 5 异化还原菌还原软锰矿的机理分析 软锰矿中 Mn 以 MnO2 ( Ⅳ) 为主，MnO2 不溶于 酸，MnO2 /Mn2 + 的标准电极电位为 1. 23 V． 酸性条 件下，软锰矿具有较强的氧化能力，制氢废液中大量 有机还原物质与 MnO2发生氧化还原反应，从而导致 有机物质被氧化和水解． 碳原子失去电子，由 0 价 变为 + 4 价，同时 MnO2中的 Mn( Ⅳ) 被还原为 Mn2 + 而进入溶液中［12］． 它们之间的反应可以表述为式 ( 2) ． 同理，废液中的含碳有机物与 MnO2之间的氧 化还原反应可以表示为 ( CH2yOy ) m + 2mMnO2 + 4mH →+ 2mMn2 + + mCO2 + ( ym + 2m) H2O ( 3) 由式( 3) 可以看出，厌氧制氢废液中有机物能 还原 MnO2，生成可溶性的二价锰，同时有机物被氧 化分解，去除废液中的 COD． MnO2的生物还原是厌氧条件混合菌呼吸作用 的一 个 形 式，通过一系列反应完成二磷酸腺苷 ( ADP) 向三磷酸腺苷( ATP) 的转化． 厌氧、好氧对 比实验结果表明，在好氧条件下，微生物对锰的还原 效果差，进一步证实 Mn( Ⅳ) 作为电子受体参与了 微生物的氧化还原反应． 体系中的溶解氧从两方面 影响浸矿效果，反应初期体系中高价锰与溶解氧并 存，二者竞争有机物分解产生的还原力，即图 7 中的 a 和 b 两个生物反应同时存在． 反应后期 Mn4 + 大部 分被还 原，以 Mn2 + 状 态 存 在，而 Mn2 + 易 于 被 氧 ·914·

第8期 田京雷等：异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿 ·915· 化国，被体系中高电位溶解氧氧化，生成Mn+或 2]Li H R,Feng Y L.Microbe catalyses oxidation-reduction to leach Mn+,如图7所示中的化学反应c.因此溶解氧一 Mn from black manganese mineral.Nonferrous Met,2001,53 (3):5 方面与Mn0,竞争电子受体，另一方面使反应体系中 (李浩然，冯雅丽.微生物催化还原浸出氧化锰矿物中锰的研 锰由Mn2+再次转变为Mn3+或Mn4+,降低有机物的 究.有色金属，2001,53(3)：5) 利用效率.提高嗜酸混合异养菌还原浸出软锰矿中 B]Li H R,Feng Y L.Microbe catalyze and reduce leaching manga- 锰的效率要在强化反应a的同时，抑制剧反应b和 nese from manganese oxide mineral.China Manganese Ind,2001, c.驯化微生物可以加强微生物对矿物的耐受性，提 19(4):4 (李浩然，冯雅丽.微生物催化还原浸出大洋结核中锰的研 高微生物的呼吸作用，加速有机物与MnO2间的电子 究.中国锰业，2001,19(4)：4) 传递，使生化反应a在与反应b的竞争中处于优势. [4]Su H F,Sun YY,Wen Y X,et al.Reductive leaching of manga- 控制反应体系中的溶解氧则可以同时抑制浸出体系 nese from low-grade pyrolusite using cane molasses.Chin Process 中的副反应b和c,提高还原浸出的效率 Eng,2007,7(6):1089 (粟海峰，孙英云，文衍宜，等.废糖蜜还原浸出低品位软锰 C (HO) CO, 异化金属还原 矿.过程工程学报，2007,7(6)：1089) [5]Peng Q J,Fu W C,Cai S J.Kinetics of reduction of sodium chlo- ADP+Pi- ATP rate with pyrite to produce chlorine dioxide.Chin Process Eng, a ◆Mn(+2) 2005,5(6):609 Mn+4) 0-2) (彭清静，傅伟昌，蔡石坚.硫铁矿还原氯酸钠生成二氧化氯 0 的动力学.过程工程学报，2005,5(6)：609) Mn(+3)或Ma(+4) [6]Das S C.Sahoo P K,Rao P K.Extraction of manganese from low grade manganese ores by FeSO leaching.Hydrometallurgy,1982, 图7异养微生物浸出软锰矿体系中的生物化学反应 8(1):35 Fig.7 Bio-chemical reactions in the heterotrophic microbes reducing ] Pagnanelli F,Garavini M,Veglio F,et al Preliminary screening of pyrolusite system purification processes of liquor leach solutions obtained from reduc- tive leaching of low grade manganese ores.Hydrometallurgy, 3结论 2004,71(3/4):319 [8]Tang G L,Xu K F,Wang C,et al.Biohydrogen production by an- (1)利用实验室制取的纯二氧化锰在微酸性条 acrobic fermentation from manure wastewater.Enriron Sci,2008, 件下对异养微生物进行驯化，二氧化锰的颜色由黑 29(6):1621 色逐渐变浅至白色，矿物中的锰由M4+被还原成 (汤桂兰，许科蜂，王冲，等.利用养殖场废水厌氧发酵生物 M2+,X射线衍射分析表明异养微生物可有效还原 制氢技术研究.环境科学，2008,29(6)：1621) 二氧化锰成为碳酸锰. You Y,Ma F,Ren N Q,et al.Screening of flocculant-producing (2)厌氧发酵制氢废液还原软锰矿的过程中， bacteria by the effuent of bio-hydrogen production reactors and its flocculant-producing conditions.China Water Wastewater,2006 厌氧浸出优于好氧浸出，用硫酸调节最佳pH值为 22(17):29 3.0~3.5,浸出时间为3d时，最大浸出率达到 (由阳，马放，任南琪，等.以生物制氢废液筛选产絮菌及产 98%,用制氢废液中微生物浸出软锰矿，无需通空 絮条件研究.中国给水排水，2006,22(17)：29) 气，投资低，环境友好. [Io] American Public Health Association.Standard Methods for the (3)用软锰矿在微酸性条件下对厌氧发酵制氢 Examination of Water and Waste Water.Washinglon DC:Ameri- can Public Health Association,1995 废液进行56d降解实验表明，软锰矿10g、温度 [11]Su H F,Li K C,Wen Y X,et al.Decolorization and degrada- 30℃、C0D质量浓度为2612mg·L-1时去除率为 tion of molasses alcohol wastewater by using pyrolusite as oxidant. 84%,继续投加软锰矿可提高C0D去除率，这说明 Chem Eng,2009,37(6):66 用软锰矿降解制氢废液是可行的 (粟海锋，黎克纯，文衍宣，等.软锰矿氧化脱色降解糖蜜酒 精废液.化学工程，2009,37(6)：66) [12]Beolchin F,Petrangeli Papini M,Toro L,et al.Acid leaching of 参考文献 manganiferous ores by sucrose:kinetic modelling and related sta- Feng Y L,Li H R.Dissimilatory reduction of marine nodules het- tistical analysis.Miner Eng,2001,14(2):175 erotrophic microbes.J Unir Sci Technol Beijing,2006,28 (12): [13]Guo S Q,Zhang W H.Polymetallic Nodule Mineralogy in the 1111 Central Pacific Ocean.Beijing:Ocean Press,1992 (冯雅丽，李浩然.异养微生物异化还原大洋多金属结核.北 (郭世勤，孙文礼.太平洋中部多金属结核矿物学.北京： 京科技大学学报，2006,28(12)：1111) 海洋出版社，1992)

第 8 期 田京雷等: 异化金属还原菌利用发酵制氢废液还原软锰矿 化［13］，被体系中高电位溶解氧氧化，生成 Mn3 + 或 Mn4 + ，如图 7 所示中的化学反应 c． 因此溶解氧一 方面与 MnO2竞争电子受体，另一方面使反应体系中 锰由 Mn2 + 再次转变为 Mn3 + 或 Mn4 + ，降低有机物的 利用效率． 提高嗜酸混合异养菌还原浸出软锰矿中 锰的效率要在强化反应 a 的同时，抑制副反应 b 和 c． 驯化微生物可以加强微生物对矿物的耐受性，提 高微生物的呼吸作用，加速有机物与 MnO2间的电子 传递，使生化反应 a 在与反应 b 的竞争中处于优势． 控制反应体系中的溶解氧则可以同时抑制浸出体系 中的副反应 b 和 c，提高还原浸出的效率． 图 7 异养微生物浸出软锰矿体系中的生物化学反应 Fig． 7 Bio-chemical reactions in the heterotrophic microbes reducing pyrolusite system 3 结论 ( 1) 利用实验室制取的纯二氧化锰在微酸性条 件下对异养微生物进行驯化，二氧化锰的颜色由黑 色逐渐变浅至白色，矿物中的锰由 Mn4 + 被还原成 Mn2 + ，X 射线衍射分析表明异养微生物可有效还原 二氧化锰成为碳酸锰． ( 2) 厌氧发酵制氢废液还原软锰矿的过程中， 厌氧浸出优于好氧浸出，用硫酸调节最佳 pH 值为 3. 0 ～ 3. 5，浸 出 时 间 为 3 d 时，最 大 浸 出 率 达 到 98% ，用制氢废液中微生物浸出软锰矿，无需通空 气，投资低，环境友好． ( 3) 用软锰矿在微酸性条件下对厌氧发酵制氢 废液进行 56 d 降 解 实 验 表 明，软 锰 矿 10 g、温 度 30 ℃、COD 质量浓度为 2 612 mg·L － 1 时去除率为 84% ，继续投加软锰矿可提高 COD 去除率，这说明 用软锰矿降解制氢废液是可行的． 参 考 文 献 ［1］ Feng Y L，Li H R． Dissimilatory reduction of marine nodules het￾erotrophic microbes． J Univ Sci Technol Beijing，2006，28( 12) : 1111 ( 冯雅丽，李浩然． 异养微生物异化还原大洋多金属结核． 北 京科技大学学报，2006，28( 12) : 1111) ［2］ Li H R，Feng Y L． Microbe catalyses oxidation-reduction to leach Mn from black manganese mineral． Nonferrous Met，2001，53 ( 3) : 5 ( 李浩然，冯雅丽． 微生物催化还原浸出氧化锰矿物中锰的研 究． 有色金属，2001，53( 3) : 5) ［3］ Li H R，Feng Y L． Microbe catalyze and reduce leaching manga￾nese from manganese oxide mineral． China Manganese Ind，2001， 19( 4) : 4 ( 李浩然，冯雅丽． 微生物催化还原浸出大洋结核中锰的研 究． 中国锰业，2001，19( 4) : 4) ［4］ Su H F，Sun Y Y，Wen Y X，et al． Reductive leaching of manga￾nese from low-grade pyrolusite using cane molasses． Chin J Process Eng，2007，7( 6) : 1089 ( 粟海峰，孙英云，文衍宣，等． 废糖蜜还原浸出低品位软锰 矿． 过程工程学报，2007，7( 6) : 1089) ［5］ Peng Q J，Fu W C，Cai S J． Kinetics of reduction of sodium chlo￾rate with pyrite to produce chlorine dioxide． Chin J Process Eng， 2005，5( 6) : 609 ( 彭清静，傅伟昌，蔡石坚． 硫铁矿还原氯酸钠生成二氧化氯 的动力学． 过程工程学报，2005，5( 6) : 609) ［6］ Das S C，Sahoo P K，Rao P K． Extraction of manganese from low grade manganese ores by FeSO4 leaching． Hydrometallurgy，1982， 8( 1) : 35 ［7］ Pagnanelli F，Garavini M，Vegliò F，et al Preliminary screening of purification processes of liquor leach solutions obtained from reduc￾tive leaching of low grade manganese ores． Hydrometallurgy， 2004，71( 3 /4) : 319 ［8］ Tang G L，Xu K F，Wang C，et al． Biohydrogen production by an￾aerobic fermentation from manure wastewater． Environ Sci，2008， 29( 6) : 1621 ( 汤桂兰，许科峰，王冲，等． 利用养殖场废水厌氧发酵生物 制氢技术研究． 环境科学，2008，29( 6) : 1621) ［9］ You Y，Ma F，Ren N Q，et al． Screening of flocculant-producing bacteria by the effluent of bio-hydrogen production reactors and its flocculant-producing conditions． China Water Wastewater，2006， 22( 17) : 29 ( 由阳，马放，任南琪，等． 以生物制氢废液筛选产絮菌及产 絮条件研究． 中国给水排水，2006，22( 17) : 29) ［10］ American Public Health Association． Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water． Washington DC: Ameri￾can Public Health Association，1995 ［11］ Su H F，Li K C，Wen Y X，et al． Decolorization and degrada￾tion of molasses alcohol wastewater by using pyrolusite as oxidant． Chem Eng，2009，37( 6) : 66 ( 粟海锋，黎克纯，文衍宣，等． 软锰矿氧化脱色降解糖蜜酒 精废液． 化学工程，2009，37( 6) : 66) ［12］ Beolchin F，Petrangeli Papini M，Toro L，et al． Acid leaching of manganiferous ores by sucrose: kinetic modelling and related sta￾tistical analysis． Miner Eng，2001，14( 2) : 175 ［13］ Guo S Q，Zhang W H． Polymetallic Nodule Mineralogy in the Central Pacific Ocean． Beijing: Ocean Press，1992 ( 郭世勤，孙文泓． 太平洋中部多金属结核矿物学． 北京: 海洋出版社，1992) ·915·