第33卷第3期武汉科技大学学报
Vol.33,No.3
2010年6月Journal of Wuhan University of Science and Technology Jun.2010
收稿日期:2009-11-28
基金项目:国家/9730计划基金资助项目(2008CB617611);湖北省科技厅基金资助项目(2009CDA006). 作者简介:孙 昱(1975-),男,武汉科技大学讲师,博士.E -mail:sunyu w h@https://www.doczj.com/doc/2b9430767.html,
通讯作者:吕早生(1961-),男,武汉科技大学教授,博士生导师.E -mail:lzs1961@https://www.doczj.com/doc/2b9430767.html,
混合嗜酸硫杆菌浸出低品位磷矿的正交实验研究
孙 昱1
,贾伟伟1
,吴 敏2
,吕早生1
,李凌凌
1
(1.武汉科技大学化学工程与技术学院,湖北武汉,430081;2.西部矿业科技有限公司,青海西宁,810001)摘要:以某矿酸性矿土中分离的嗜酸氧化亚铁硫杆菌和嗜酸氧化硫硫杆菌形成的混合菌为浸磷菌种、黄铁矿为能源物质、无磷无铁9K 培养基为浸矿培养基,对混合菌浸出低品位磷矿石(w (P 2O 5)为22.8%)的浸磷条件进行了单因素优化和正交实验研究。结果表明,最优浸磷的适宜条件是,矿浆浓度为15g/L ,菌种体积浓度为15%,初始pH 值为1.5,磷的浸出率为51.07%。
关键词:混合嗜酸硫杆菌;生物浸磷;低品位磷矿;黄铁矿;正交实验
中图分类号:T F 18 文献标志码:A 文章编号:1674-3644(2010)03-0314-05
我国是主要的磷矿生产国和消费国,磷矿需求量一直呈上升趋势。要解决磷矿资源所面临的贫化和短缺现象,积极开展环境友好的低品位磷矿资源利用是实现我国磷化工长期可持续发展的必由之路[1-3]。低品位磷矿石具有嵌布粒度细、组成复杂等特点,采用常规选矿方法难以处理。而采用硫酸法分解磷矿,既要巨额的设备投资和较高的生产费用,又易对环境造成严重的污染[4]。生物冶金技术具有工艺简单、流程短、投资小、成本低和环境友好等优点[5],已成为解决矿产资源利用的有效手段。嗜酸硫杆菌是无机化能自养型微生物,可直接以空气中固定CO 2作为碳源,通过氧化某些还原态无机物(如S 0
、FeS 2、Fe
2+
等)
获得能量自养生长,产生无机强酸,以溶解磷酸盐[6]。目前,对氧化亚铁硫杆菌(A cidithiobacil -lus f err oox id ans ,A t.f )或氧化硫硫杆菌(A cidi -thiobacillus thioox id ans ,A t.t )单一菌浸出低品位磷矿的工艺研究已见报道,但受矿石成分复杂性的影响,单一菌浸磷产率普遍较低
[7-8]
。混合菌
(A t.f &At.t )浸矿时菌种之间存在着协同效应,一般能够提高浸矿率,且省去了菌的筛选、纯化步骤,降低了成本。为此,本文根据生物浸矿的相关报道[9],以黄铁矿为能源物质、无磷无铁9K 培养基为浸矿培养基,对混合菌浸出低品位磷矿进行了单因素优化和正交实验研究,以期为混合菌浸磷工艺提供实验依据。
1 实验
1.1 菌种
实验所用混合菌为某矿区酸性坑水,在实验
室经过9K 培养基加硫粉反复分离后得到。1.2 培养基
[10]
(1)9K 培养基:(NH 4)2SO 4为0.3g;KCl 为0.01g;K 2H PO 4为0.05g;M gSO 4#7H 2O 为0.05g;Ca(NO 3)2为0.001g ;FeSO 4#7H 2O 为4.47g ;蒸馏水为100mL,用质量分数为50%的H 2SO 4将培养基溶液pH 值调至2.0。
(2)混合菌培养基:9K 培养基+硫粉(S 0
)(硫粉为0.5g,蒸馏水为100mL)。
(3)浸矿培养基:无磷无铁9K 培养基,即9K 培养基中不加入K 2H PO 4和FeSO 4#7H 2O 。1.3 菌株活化
将配制的混合菌培养基置入121e 条件下灭菌20min,待冷却后,以菌体积浓度为10%的接种量进行接种处理,在温度为30e 、转速为150r/min 恒温摇床中振荡培养5~7d 。1.4 矿样分析和浸磷实验
(1)矿物元素分析。实验所用磷矿粉和黄铁矿均来自某矿业集团。经粗碎、细磨后矿石粒度为-200目,其化学成分分别如表1和表2所示。该磷矿w (P 2O 5)为22.8%,属于中低品位磷矿,其中对生物浸出有害的F 元素含量较高。考虑到硫铁矿主要为能源物质,元素为As 、F 、Mo,故
2010年第3期孙昱,等:混合嗜酸硫杆菌浸出低品位磷矿的正交实验研究
对其有害于细菌生长的元素进行了元素分析。磷矿粉经XRD分析后,在晶面距离为0.2798、0.306、0.2771nm处存在氟磷灰石特征峰,因此鉴定为氟磷灰石。
(2)单因素优化实验。按100m L浸矿培养
表1磷矿石的化学成分(w B/%)
Table1C hemical compositions of phosphate ore
SiO2Al2O3Fe2O3T CaO M gO T iO2K2O Na2O
24.94 5.08 2.5233.55 1.270.34 2.420.86
BaO S F M o As H g P2O5M nO
0.11 1.45 2.090.00010.0030.0001421.980.025
表2黄铁矿石化学成分(w B/%)
Table2Chemical compositions of pyrite
T Fe H g As M o F S
38.770.000050.0090.00140.2630.92
基、1g黄铁矿和相应量的磷矿配制矿浆,灭菌
后,用质量分数为50%的H2SO4调节浸磷初始
pH值,接入对数期的菌株活化混合菌(无特别说
明时为10mL),控制相应的矿石粒度、pH、矿浆
浓度,在温度为30e、转速为150r/m in的恒温
摇床中培养。采用称重法定期补充挥发水分。10
d后将培养液在12000r/m in条件下离心分离5
min,吸取上清液,取试样损失的浸出液,用相同
体积的液体培养基补充。测定上清液中P2O5的
含量,并计算磷的浸出率。
(3)正交实验设计。选取A、B、C三因素和
1、2、3三水平做正交实验(见表3)。试样在温度
为30e、转速为150r/min的恒温摇床中培养浸
出10d。
表3因素水平正交表
Table3Factor levels
水平
因素
A
矿浆浓度/g#L-1
B
pH
C
菌种体积浓度/%
15 1.015
210 1.520
315 2.025
1.5测定方法
磷含量的测定[11]:采用磷钼黄比色法(波长为420nm)测定上清液中P2O5的含量,磷的浸出率用100g磷矿粉溶解出的P2O5含量表示。
2结果与讨论
2.1磷矿粒度对混合菌浸磷率的影响
图1为磷矿粒度对混合菌浸磷率的影响。由图1可看出,混合菌浸磷率随着矿石粒度的减小呈先增后降的趋势,矿石粒度为-100目至+200目区间时,其浸矿效果较好。矿石粒度影响矿物表面的暴露程度和细菌
浸矿的氧化反应动力学[12],
随着磨矿细度的增加,矿石中磷的解理面增加,与浸出液的接触面积增大,磷的浸出率上升。但矿石粒度过细,矿浆黏度增大,不利于空气流通,恶化微生物生长所需的供氧条件,使微生物活性下降,反而会降低磷的浸出率。
图1不同磷矿粒度下的混合菌浸磷率
Fig.1Phosphorus leaching rates under different phosphate particles
2.2浸磷初始pH值对混合菌浸磷率的影响
图2为浸磷初始pH值对混合菌浸磷率的影响。由图2可看出,在pH值小于1.3时,不加混合菌的浸磷率比加混合菌时的浸磷率要高,表明此环境中混合菌的产酸效应不明显,基本上是硫酸起作用。pH值为1.3~ 2.3时,加混合菌的浸磷率大于不加混合菌时的浸磷率,表明混合菌起到产酸效应。在此pH值范围内,大量的混合菌吸附在黄铁矿晶体表面[13],利用其能源产酸浸磷,浸磷率高达60%。随着pH值继续提高,
图2不同浸磷初始pH值下的混合菌浸磷率Fig.2Phosphorus leaching rates under different initial pH values
315
武汉科技大学学报2010年第3期
混合菌的产酸效应又呈下降趋势。其原因与混合菌的生长特性有关,氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌均有其适宜生长的初始pH 值,初始pH 值过高或过低都将影响细菌的存活、生长与繁殖速度。初始pH 值太高或太低,混合菌不适应其环境而大量死亡,从而导致浸磷率降低。
2.3 初始接种量对混合菌浸磷率的影响
图3为初始接种量对混合菌浸磷率的影响。由图3可看出,随着初始接种量的逐步增加,浸磷率先呈上升趋势,菌种体积浓度为20%时浸磷率达到最高,随后浸磷率呈下降的趋势。其原因可能是,在培养基装瓶量一定的情况下,随着细菌接种量的增加,细菌生长的延迟期缩短,细菌生长速度越快,产酸较多,从而提高了浸磷率。但细菌接种量过大,矿粒表面吸附的细菌趋于饱和,单位体积内培养基中细菌利用的营养物减少,
细菌的生
图3 不同菌种量下的混合菌浸磷率
Fig.3Phosphorus leaching rates under different bacteria densities
长速度反而减慢,从而导致浸磷率下降。2.4 矿浆浓度对混合菌浸磷率的影响
图4为矿浆浓度对混合菌浸磷率的影响。由图4可知,提高矿浆固体矿物浓度,浸磷率却越来越低。这是由于高浓度的矿浆阻碍氧气和二氧化碳的流通,同时磷矿粉的增加,其中含有的有害物质氟增多,抑制了细菌的生长及活性[14]
。此外,在浸出液中细菌浓度一定的条件下,固体矿物浓度增大将导致吸附在单位矿粒表面上的细菌数目下降;在高固体矿物浓度下进行搅拌时,矿粒之间的碰撞和摩擦将加剧,也会使吸附于矿粒表面的细菌损伤或脱落,
所有这些均会降低浸磷率。
图4 矿浆浓度对混合菌浸磷率的影响(w (黄铁矿)B w (磷矿)=1B 1)
Fig.4Eff ect of phosphorite content on phosphorus leaching rate
2.5 正交实验结果与分析
正交实验结果分析如表4所示。用统计分析软件SPSSV13.0得出的数据如表5所示。由表4、
表4 正交实验结果
Table 4Results of orthogonal test
水平因 素
矿浆浓度/g #L -1
pH 菌种体积浓度/%
误差浸磷率/%15 1.015184.432
5 1.520239.5435 2.0253 3.30410 1.020379.49510 1.525123.68610 2.0152 4.53715 1.025270.98815 1.515351.07915 2.0201 2.68
K 1127.27234.90140.03110.79K 2107.70114.29121.71115.05K 3124.7310.5197.96133.86E =359.70K )
142.4278.3046.6836.93K )235.938.0940.5738.35K )341.57 3.5032.6544.62
E =119.90优水平R j A 16.52
B 174.8
C 114.03主次顺序
BCA
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2010年第3期孙昱,等:混合嗜酸硫杆菌浸出低品位磷矿的正交实验研究
表5方差分析表
Table5Variance analysis
项目平方和自由度平均方差F检验显著性
校正模型8779.662a61463.27729.1300.034截距14376.010114376.010286.1880.003
矿浆浓度/g#L-175.495237.7480.7510.571 pH8407.54824203.77483.6860.012菌种体积浓度/%296.6192148.309 2.9520.253误差100.465250.233
总计23256.1389
校正总和8880.1288
注:a为平方差,其值为0.989(调整平方差为0.955)。
表5可看出,A1B1C1为最佳工艺,即浸磷初始pH 值为1.0,菌种体积浓度为15%,矿浆浓度为5g/L。在此条件下的混合菌浸磷率最高,达到84.43%。但随着磷矿浓度的增加,浸磷率降低; pH值越小,浸磷率越高;U(混合菌)\15%时,浸磷率降低。
根据表5中的显著性值,可知浸磷初始pH 值对实验的显著性最大。但浸磷初始pH值过低,会加大经济成本和污染环境,实验中选用浸磷初始pH值为1.5;考虑到矿浆浓度([15g/L)对整个浸磷过程影响不大,选用矿浆浓度为15g/ L;实际实验中选用的U(混合菌)为15%,在以上条件下浸磷率达到51.07%。
3结论
(1)矿石粒度不是越细越有利于混合菌浸磷,粒度为-100目至+200目区间的磷矿,才有利于混合菌浸磷。
(2)菌种体积浓度为20%时,混合菌的浸磷效果最好。
(3)当浸磷初始pH值为1.3~2.3时,混合菌浸磷起主导作用,浸磷率可达60%。
(4)矿浆浓度越高,有害物质氟随之增加,影响细菌的生长及活性,不利于细菌浸磷。
(5)最优浸磷的适宜条件是,矿浆浓度为15 g/L,菌种体积浓度为15%,浸磷初始pH值为1.5,浸磷率达到51.07%。
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317
318
武汉科技大学学报2010年第3期Bioleaching of low-grade phosphate ore with the mixed
Acidithiobacillus spp.
Sun Yu1,J ia Weiw ei1,Wu Min2,L u Zaosheng1,L i L ing ling1
(1.College o f Chemical Eng ineering and T echno log y,Wuhan U niv ersit y of Science and T echno log y,
Wuhan430081,China; 2.Q ing hai Western M ining T echno log y Co.,L td.,Xining810001,China) Abstract:The mix ed bacteria of Acidithiobacillus ferr oox idans and Acidithiobacillus thioo xidans w ere isolated fro m acid mine drainage from a mine in H uibei Pro vince fo r phosphor us leaching.With pyr ite as the energ y substr ate,the pho spho rus-and iron-free9K medium as the leaching medium,the condi tio ns of the sing le factor and or thog onal optimization ex perim ents for the low-g rade phosphate or e (w(P2O5)=22.8%)phosphorus leaching w er e studied.T he o ptimal conditions are found to be phos-phate concentration at15g/L,inoculum concentration at15%;initial pH at1.5,w hen the phosphor-us leaching rate is up to51.07%.
Key words:Acidithiobacillus spp.;phosphorus bio leaching;low-grade phosphate o re;pyrite;orthog-o nal ex periment
[责任编辑徐前进]
正交试验设计 对于单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。但在实际工作中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。正交试验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。 1 正交试验设计的概念及原理 1.1 正交试验设计的基本概念 正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。 例如：设计一个三因素、3水平的试验 A因素，设A1、A2、A33个水平；B因素，设B1、B2、B33个水平；C因素，设C1、C2、C3 3个水平，各因素的水平之间全部可能组合有27种。 全面试验：可以分析各因素的效应，交互作用，也可选出最优水平组合。但全面试验包含的水平组合数较多（图示的27个节点），工作量大，在有些情况下无法完成。 若试验的主要目的是寻求最优水平组合，则可利用正交表来设计安排试验。 全面试验法示意图
三因素、三水平全面试验方案 正交试验设计的基本特点是：用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。 正因为正交试验是用部分试验来代替全面试验的，它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析；当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。虽然正交试验设计有上述不足，但它能通过部分试验找到最优水平组合，因而很受实际工作者青睐。 如对于上述3因素3水平试验，若不考虑交互作用，可利用正交表L9(34)安排，试验方案仅包含9个水平组合，就能反映试验方案包
第十一章正交设计试验资料的方差分析 在实际工作中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。 正交设计是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。 第一节、正交设计原理和方法 (一) 正交设计的基本概念 正交设计是利用正交表来安排多因素试验、分析试验结果的一种设计方法。它从多因素试验的全部水平组合中挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优水平组合。 例如，研究氮、磷、钾肥施用量对某小麦品种产量的影响： A因素是氮肥施用量，设A1、A2、A3 3个水平； B因素是磷肥施用量，设B1、B2、B3 3个水平； C因素是钾肥施用量，设C1、C2、C3 3个水平。 这是一个3因素每个因素3水平的试验，各因素的水平之间全部可能的组合有27种。 如果进行全面试验，可以分析各因素的效应，交互作用，也可选出最优水平组合。 但全面试验包含的水平组合数较多，工作量大，由于受试验场地、经费等限制而难于实施。 如果试验的主要目的是寻求最优水平组合，则可利用正交设计来安排试验。 正交设计的基本特点是：用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。 正交试验是用部分试验来代替全面试验，它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析；当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。 如对于上述3因素每个因素3水平试验，若不考虑交互作用，可利用正交表L9(34)安排，试验方案仅包含9个水平组合，就能反映试验方案包含27个水平组合的全面试验的情况，找出最佳的生产条件。 一、正交设计的基本原理 表11-1 33试验的全面试验方案
第四节混合水平的正交试验设计 为了使试验设计简化和数据处理的方便，前面所介绍的正交试验设计问题，其各因素都取相同的水平数，但在实际问题中，有些因素会受到某些条件的限制，其水平数不能选取太多，而有些因素则是准备在试验中着重考察的，为了更好的了解这些因素与试验指标之间的关系，需要多取几个水平。因此，在试验设计中常常要考虑所谓混合水平的正交试验设计问题。 一、直接套用混合水平正交表 下面通过例子说明： 例4．1 为了探索某胶压板的制造工艺，考虑的因素和水平如下表 根据所给因素和水平，此问题的试验方案可以直接套用混合水平正交表L8(41×24)来安排试验。试验的结果见表4 -1 1.极差分析法
表4-1 试验方案及计算结果表
当因素水平完全相同时，因素的主次关系完全由极差R 的大小来决定。当水平数不完全一样时，无法进行直接的比较，这是因为当因素对指标有同等影响时，水平多的因素极差应大一些。因此需要利用折算系数对极差进行折算。 折算系数表 折算后，则可借助于R ′的大小来衡量因素的主次顺序。 R ′的计算公式为： 由上计算可知因素主次顺序为： ????→A;C,B 主次 相应地胶压板的制造工艺条件为 A 1 B 2 C 1 ' '''(41) 2.70.45 3.40.90.71 2.61.10.71 3.1 A B C R R R R R =-=??==??==??=所以：
2.方差分析法 平方和的计算: 已知: n =8, s =4, r 1=4, r 2= r 3=2, m 1=2, m 2= m 3=4, T=Σy i =113 , C=T 2 /32=399.03 (1)2(1)2(1)2(1)2 1234122221(K )(K )(K )+(K )1(41)(24)(19)+(27)399.0324 3347399.0319.35 8A S C m s ??=++-????=++-???=-= (2)2(2)2 122221(K )(K )1(48)(63)399.0344 6273399.03 6.96816B S C m s ??=+-????=+-???=-=-