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不同初始Fe(Ⅱ)浓度对施威特曼石生物合成的影响
,柏双友,崔春红
矿物岩石 , 2011,
Abstract: 施威特曼石(schwertmannite)已被证实是一种具特异性能的重(类)金属吸附新材料,生物方法合成的施威特曼石由于具备较好的表面吸附性能而受到更多关注。本文通过接种有嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)的FeSO4_H2O矿物合成体系,研究了不同初始Fe2+浓度对Fe生物转化成施威特曼石效率的影响。结果表明,在Fe(Ⅱ)浓度(FeSO4?7H2O配制)设计为20、40、80和160mmol/L,接种A.ferrooxidans菌密度达到6.0×107个/mL时,本实验条件下矿物重量y(g)与初始Fe2+浓度x(mmol/L)的关系为y(g)=0.03667+0.008520x-8.602?10-6x2;溶液TFe沉淀率y(%)与初始Fe2+浓度x(mmol/L)的关系为y(%)=39.68-0.2210x+6.653?10-4x2。反应后期溶液中大量残留Fe3+在满足饱和指数SI>0的条件下不能析出矿物沉淀,进一步分析表明,Fe3+水解形成施威特曼石的可能机制是利用了Acidithiobacillusferrooxidans菌氧化Fe2+释放的能量才得以实现,当Fe2+完全氧化不再供应能量时,Fe生物转化成施威特曼石的反应也达到了最大限度。
FeSO4-K2SO4-H2O体系中Fe/K摩尔比对生物成因羟基硫酸铁矿物质量的影响及环境意义
柏双友,,周立祥
环境科学学报 , 2010,
Abstract: 在FeSO4-K2SO4-H2O的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌催化氧化体系中,当起始Fe2+浓度分别为20、40、80和160mmol·L-1时,通过设定系列Fe/K摩尔比(3~200)来调控溶液的K+含量,合成得到次生羟基硫酸铁矿物,主要包括施威特曼石、黄钾铁矾以及两者的混合物.结果表明,当起始Fe2+浓度较低,如20mmol·L-1和40mmol·L-1时,72h反应后,不同Fe/K摩尔比处理所得矿物质量很少,最大只有0.38g.而随着Fe2+浓度增大,Fe/K摩尔比例的减小,矿物质量明显增加,例如在Fe2+=160mmo.lL-1、Fe/K=3时,250mL体系中矿物质量达到了4.48g,同时矿物相由结晶度差的施威特曼石逐渐过渡到结晶度好的黄钾铁矾.笔者发现矿物质量与矿物相有非常密切的关系,当产物为晶型黄钾铁矾时,其对应的矿物质量也更多.因此,微生物成因羟基硫酸铁矿物质量在很大程度上取决于起始Fe2+浓度和Fe/K摩尔比,该现象对去除酸性矿山废水中可溶性Fe和SO42-有潜在意义.
晶种和钾离子促进生物成因黄铁矾形成的作用机制
王敏,,周立祥
南京农业大学学报 , 2013, DOI: 10.7685/j.issn.1000-2030.2013.02.016
Abstract: 采用摇瓶试验,研究了晶种(先前合成的黄铁矾)和钾离子在生物成因黄铁矾合成中的作用及其影响机制。结果表明2种材料均能明显促进Fe3+水解形成黄铁矾沉淀。在起始Fe2+浓度为160mmol?L-1,晶种和K+最大添加量分别为10g和80mmol?L-1时,经过72h反应后,溶液中的总铁(TFe)分别比对照多沉淀了23和33mmol?L-1。K+在黄铁矾形成中起阳离子诱导作用,晶种起晶核刺激作用。K+的促进作用主要发生在24~48h,但在低Fe3+浓度下作用有限;而晶种可以减少低Fe3+浓度对黄铁矾形成的不利影响。结论晶种和K+共同作用不仅能够明显促进Fe3+的水解沉淀,而且绝大部分反应发生在0~24h,极大地缩短了反应时间。
Effects of iron/potassium molar ratio on mass of biogenic Fe(Ⅲ) hydroxysulfate precipitates in the FeSO4-K2SO4-H2O system and their environmental implications
FeSO4-K2SO4-H2O体系中Fe/K摩尔比对生物成因羟基硫酸铁矿物质量的影响及环境意义

BAI Shuangyou,LIANG Jianru,ZHOU Lixiang,
柏双友
,,周立祥

环境科学学报 , 2010,
Abstract: In the FeSO4-K2SO4-H2O biological oxidation system facilitated by Acidithiobacillus ferrooxidans, secondary ferric hydroxysulfate minerals are able to be synthesized including schwertmannite, potassium jarosite, and their mixture. In our system, the initial concentrations of ferrous iron were designed as 20, 40, 80 and 160 mmol·L-1 and the Fe/K molar ratios for each ferrous iron concentration treatment were designed as 3 to 200. The results show that treatment with lower initial Fe2+ levels such as 20 mmol·L-1 or 40 mmol·L-1 only produces a small amount of the precipitate with no more than 0.38 g produced after 72 h of reaction. With the increase of initial Fe2+ and the decrease of Fe/K molar ratios in the solution, the total amount of the precipitate formed by Acidithiobacillus ferrooxidans is greatly increased. For example, 4.48 g of jarosite are precipitated from 250mL of solution when the initial Fe2+ is 160 mmol·L-1and Fe/K is 3. The XRD pattern indicated that the precipitate is gradually transformed to crystallized jarosite from poorly-crystallized schwertmannite, exhibiting a close relationship between the mass produced and the mineral phase. For example, the amount of the precipitates formed as crystalline jarosite is much higher than that as poorly-crystallized schwertmannite. Therefore, the amount of biogenic minerals formed in the biological oxidation system depends, to a great extent, on the initial Fe2+ concentration and Fe/K molar ratio. This phenomenon is of potential significance in the removal of soluble Fe and SO2-4 from acid mine drainage.
酸性硫酸盐环境中菌密度对生物成因次生铁矿物形成的影响
刘奋武,王敏,卜玉山,崔春红,,周立祥
环境科学学报 , 2013,
Abstract: 嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)促进次生铁矿物形成的现象在酸性煤矿废水(ACMD)的治理领域具有重要意义.本研究探索了A.ferrooxidans接种密度在酸性硫酸盐环境(9K培养基)中对Fe2+氧化率、总Fe沉淀率及矿物产生量的影响,同时考察了矿物合成体系矿相的变化情况.结果表明,当体系A.ferrooxidans接种密度为0.27×106~5.40×107cells·mL-1时,溶液中Fe2+需60~12h氧化完全.培养至60h,上述体系总Fe沉淀率分别达到10.7%~35.9%.不同接种体系Fe2+同时氧化完全时,沉淀单位质量Fe而转化的次生铁矿物量随着接种密度的增加而增大.例如,A.ferrooxidans接种密度分别为1.35×106、2.70×106、8.10×106和1.62×107cells·mL-1的处理在Fe2+同时完全氧化时刻,Fe沉淀率分别为17.6%、20.0%、24.1%和26.5%,且沉淀1gFe转化的次生铁矿物量分别为2.04、2.10、2.17与2.27g.结晶度较差的施氏矿物是次生铁矿物合成初期产生的唯一矿相,Fe2+完全氧化时,矿物相为施氏矿物与结晶度好的黄铁矾矿物的混合物.
两株高效好氧反硝化细菌的分离鉴定及其脱氮效率
朱晓宇,王世梅,,周立祥
环境科学学报 , 2009,
Abstract: 从水稻土和活性污泥中分离到两株可以在好氧条件下进行反硝化作用的细菌ZW23和ZW27.通过对这两株细菌的形态观察和生理生化特征,以及16SrDNA序列测定认为菌株ZW23和ZW27分别是假单胞菌属类产碱杆菌(Pseudomonaspseudoalcaligenes)和假单胞菌属门多萨菌(Pseudomonasmendocina).好氧培养条件下,在初始氮源约为280.00mg·L-1的反应体系中,两株细菌在12h内均引起体系中总氮显著下降,削减率分别达66.43%和65.54%,其余总氮几乎全部转化为内源氮.脱氮速率分别达到约21.72mg·L-1·h-1和22.31mg·L-1·h-1,比现已分离出的兼性好氧反硝化细菌的脱氮速率要快得多.反应过程中没有检测到亚硝态氮和氨态氮的积累.菌株ZW23和ZW27是两株典型的高效兼性好氧反硝化细菌,具有重要的应用价值.
生物沥浸处理中微生物菌群和胞外聚合物对城市污泥脱水性能的影响
霍敏波,郑冠宇,,周立祥
环境科学学报 , 2014,
Abstract: 探讨城市污泥生物沥浸过程中微生物菌群和胞外聚合物(EPS)变化对污泥脱水性能的影响,对进一步揭示生物沥浸法提高污泥脱水性能机理具有重要意义.本研究通过摇瓶试验探讨了硫杆菌和异养微生物菌群数量的变化及EPS在生物沥浸法提高城市污泥脱水性能中的作用.试验结果表明,在生物沥浸处理的前2d内,由于硫杆菌A.ferrooxidansLX5和A.thiooxidansTS6的大量生长,导致生物沥浸污泥的pH从初始的4.62显著下降至2.47,进而导致污泥中异养菌数量从初始的2.65×108CFU·mL-1下降至8.20×106CFU·mL-1,污泥中EPS含量从初始的28.18mg·g-1(以VSS计,下同)显著下降为13.53mg·g-1.A.ferrooxidansLX5和A.thiooxidansTS6的大量生长、异养微生物细胞的死亡破裂及EPS含量的下降共同促使污泥的结合水含量从初始的37.28%下降至21.10%,最终导致污泥比阻从初始的5.14×1012m·kg-1显著下降至6.92×1011m·kg-1.通过验证试验发现,原始污泥在剥离EPS后其比阻仅为原来的11.23%,其脱水性能与生物沥浸2d后的污泥在0.05水平上没有显著性差异.因此,污泥中A.ferrooxidansLX5、A.thiooxidansTS6和异养微生物菌群数量的改变及EPS含量的减少是生物沥浸法提高污泥脱水性能的两个重要因素.
生物与化学成因施氏矿物吸附去除水中As(Ⅲ)效果的比较研究
李浙英,,柏双友,周立祥
环境科学学报 , 2011,
Abstract: 施氏矿物作为一种具有良好应用前景的高砷吸附材料已倍受人们关注.采用静态吸附实验对生物、化学成因施氏矿物去除模拟地下水中As(Ⅲ)进行了研究.结果表明,在25℃,初始As(Ⅲ)浓度为0.2mg·L-1,施氏矿物投加量为0.25g·L-1时,生物成因施氏矿物吸附3h后溶液中As(Ⅲ)含量降低到10μg·L-1以下(地下水饮用标准),吸附最佳pH范围为6~10,化学成因施氏矿物在pH7~8,则需吸附平衡12h后溶液中As(Ⅲ)含量才能达到10μg·L-1以下.当介质中存在PO43-和SiO32-时,生物成因施氏矿物表现出对As(Ⅲ)专性吸附能力强于化学成因施氏矿物.等温吸附实验(25℃)表明,生物成因施氏矿物对As(Ⅲ)的最大吸附量为101.9mg·g-1,比化学成因施氏矿物(82.1mg·g-1)高出约24.1%,表现出更优异的吸附性能.
嗜酸性氧化亚铁硫杆菌休止细胞保存时间及循环利用对施氏矿物生物合成的影响
柏双友,,廖岳华,周立祥
环境科学学报 , 2011,
Abstract: 利用嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans,简称A.ferrooxidans)休止细胞促进FeSO4形成的施氏矿物具有纯度高比表面积大的特点,对去除水环境中有毒重(类)金属有重要作用.为提供施氏矿物规模化生产优化参数,本研究通过摇瓶试验探讨了休止细胞保存时间对其活力的影响,以及休止细胞再次循环利用对施氏矿物生物合成中Fe2+氧化率和矿物产量的影响.结果表明,新鲜制备的A.ferrooxidans菌休止细胞可在48h内将144mmol·-L1Fe2+(250mL体系)全部氧化成Fe3+,在高浓度SO42-存在下约有41.99%的Fe3+被转化成棕红色施氏矿物沉淀,矿物产量达到1.34g.当休止细胞在4℃保存达45d时,Fe2+氧化率与新鲜细胞相比下降5.61%,施氏矿物产量降低35.07%.二次利用的循环A.ferrooxidans菌氧化Fe2+的能力大幅下降,其氧化性能只占新鲜休止细胞的1/7,这主要是由菌体本身氧化活性下降和矿物吸附包裹部分A.ferrooxidans菌导致菌体数量下降两个原因所致.可见,新制备的A.ferrooxidans菌休止细胞应现制现用,在4℃、pH=2.5的酸水中保存时间不宜超过30d,A.ferrooxidans菌休止细胞可循环利用于施氏矿物的生物合成,但其效能仅为新鲜休止细胞的15%左右.
生物成因与化学成因施氏矿物的合成、表征及其对As(Ⅲ)的吸附
李浙英,,柏双友,周立祥
环境科学学报 , 2011,
Abstract: 羟基硫酸铁矿物Schwertmannite(简称施氏矿物)作为一种新型环境矿物材料对重金属的迁移和钝化有重要作用.借助X射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)、离子色谱(Ic)及比表面积测定仪(BET)等方法对H2O2氧化亚铁(化学法)和氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁(生物法)合成的矿物成分、结构和比表面积进行了分析与表征,同时对As(Ⅲ)吸附性能进行了研究.结果表明,两种方法合成矿物均为纯施氏矿物.化学法合成的黄棕色矿物产量在24h达到稳定,总铁沉淀率为43.1%;生物法合成的红棕色矿物产量在48~60h达到稳定,总铁沉淀率为36.7%,对应化学式为Fe8O8(OH)3.78(SO4)2.11和Fe8O8(OH)4.06(SO4)1.97.生物合成施氏矿物颗粒均匀、分散性好、且矿物比表面积(45.63m2·g-1)远远高于化学合成(3.17m2·g-1).吸附试验表明,在本试验条件下(pH=7,25℃),生物合成矿物吸附As(Ⅲ)的效果明显优于化学合成矿物,当As(Ⅲ)浓度为1、10和30mg·L-1时,生物合成矿物对As的去除率分别为97.83%、85.96%与61.49%,而化学合成矿物的去除率为95%、62.96%与41.97%.
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