含铀废水的生物处理技术研究,生物技术论文.docx

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1、含铀废水的生物处理技术研究,生物技术论文 随着我们国家铀矿冶的发展，铀资源被加速开发和利用，核燃料循环经过中所产生的放射性含铀废水种类及数量越来越多1,2.由于铀具有重金属化学毒性和放射性辐射双重危害，不仅能够通过本身衰变而放射出的粒子直接对人体造成外辐照，而且可沿食物链被生物吸收、蓄积，最终造成人体积累和慢性中毒，危害生态环境和人类健康，造成严重的环境安全隐患3-5.实际上，铀矿冶废水周边农业土壤、地下水和地表水中已经检测出铀的污染物6-8.铀矿冶、铀加工经过中排放的废水铀质量浓度一般在 5 mg/L 左右或下面，当前的技术对该类低浓度含铀废水处理效果不佳，难以到达国家规定允许排放的浓度0.

2、05 mg/L。因而，为防止含铀废水对人类健康和生态环境的危害，高效、便宜的治理技术方式方法的研究是一项非常迫切而又艰巨的任务。 1含铀废水的处理 放射性废水有别于普通工业废水，不能通过物理、化学或生物等方式方法将其分解毁坏，只能靠其自然衰变降低以致消失其放射性。因而，在放射性废水的处理方面，只能使用储存与扩散两种方式，即便用适当的方式方法处理之后，将大部分的放射性元素转移到小体积的浓缩废物中并加以贮藏，而使大体积废水中剩余的放射性元素含量小于最大允许浓度排放于环境中进行稀释和扩散。对放射性含铀废水的处理，人们几乎尝试了各种先进的水处理工艺，包括有化学沉淀、离子交换、蒸发浓缩及吸附等传统处理方

3、式方法，以及膜处理法、植物修复法、可浸透反响墙治理技术及微生物处理等新技术9-13. 当前对含铀废水的处理一般仍采用方式方法成熟的传统净化处理工艺，但是其存在很多问题，如化学沉淀法沉渣量大、处置困难 ;蒸发浓缩法能耗高，尤其是对低浓度含铀废水应用受限 ;离子交换法交换选择性不理想，交换容量有限，对高盐分的含铀废水的处理效果不佳1.近些年来新处理方式方法的研究固然获得突破性进展，但是这些方式方法要么处理效率不高，要么成本太高，难以知足实际需要。如人工湿地法是近期在国外普遍流行的方式方法，但易受气候条件和温度的影响，基质易饱和易堵塞，占地面积较大，且易引起铀扩散而造成二次污染14;膜分离法易生成污

4、垢、使用寿命短，还不能成熟应用于含铀废水处理，膜材料的制备和膜污染与控制还有待研究 ;而被以为颇具潜力的零价铁可浸透反响墙处理法存在吸附、复原后的铀易被解吸或被氧化再释放，造成二次污染的缺点15. 随着生物技术的发展，对微生物与重金属及放射性核素之间互相作用机制的研究不断深切进入，人们逐步认识到利用微生物治理放射性铀废水污染是一种极有应用前景的方式方法。用微生物菌体作为生物处理剂，吸附存在于水溶液中的铀等放射性核素，具有效率高、成本低廉、耗能少等众多优点，能够实现放射性废物的减量化目的，为核素的回收利用或地质处置创造有利条件。因此在含铀废水处理领域遭到了人们的日益重视和青睐16-19. 2铀废

5、水转化菌种类及转化机理 早在 20 世纪 80 年代，就有人发现一些微生物的吸附容量比一些吸附剂还高，如当溶液中的铀、钍质量浓度均为 5 mg/L 时，少根根霉菌对铀、钍的吸收留量分别为 80、140 mg/g,而离子交换树脂IRA-400分别为 31、3 mg/g,活性炭F-400分别为 15、20 mg/g20.当前随着对铀废水研究的深切进入，国内外学者发现，与铀的富集作用有密切关系的微生物已达数十种，包括细菌、放线菌和真菌等。 微生物构造的复杂性意味着生物除铀可能有多种方式，当前研究发现的机理主要包括生物外表吸附、体内富集、氧化复原及生成无机微沉淀等方式。这些机理能够单独起作用，可以以与

6、其他机理结合在一起发挥作用，这取决于全经过的反响条件。国内外学者对生物处理含铀废水进行了大量研究，并获得了很多可喜的研究成果21-23. 2.1 外表吸附 生物外表吸附是一个物理化学经过，废水中的铀与生物外表发生静电吸附或与生物细胞壁上的 -COOH、-NH、-OH、PO43-和-SH 等官能团的化学络合，到达降低其迁移性的目的。这种方式方法适宜处理废水量大、浓度低的放射性废水，具有快速、便宜的特点24.阳海斌等25研究了红树林内源真菌对铀的富集特性，结果表示清楚受试菌吸附铀的吸附平衡时间为60 min,常温常压下吸附最佳条件为 pH4.0,铀的初始质量浓度为 50 mg/L,铀的吸附容量为

7、15.46 mg/g. 刘明学等26应用扫描电子显微镜、傅立叶红外光谱、和电子能谱等方式方法研究了酿酒酵母菌与铀酰离子的互相作用，结果表示清楚，酵母菌细胞外表有大量铀结晶，UO22+离子与细胞外表发生了显著的吸附作用，并且吸附量随铀浓度增加和作用时间延长而加大。另外，王宝娥等27研究表示清楚，死体微生物富集金属的能力并不比活体微生物差，其利用灭活啤酒酵母菌研究吸附铀的能力，试验结果证明在 pH 值为 6.0 时，灭活啤酒酵母菌吸附速率较快，吸附量大，由吸附模型能够得出理论最大吸附量可达 196.1 mg/g. 尽管生物吸附能快速的降低废水中的铀含量，但当前鲜见其应用于实际废水的处理，主要原因在

8、于生物吸附后产物非常不稳定，有研究表示清楚28处理后期其解吸速度几乎与吸附速度一样快。 2.2 生物体内富集 铀在生物体内富集往往发生在生物外表吸附后期，即首先是通过物理化学作用使金属被动地附着在细胞外表 ;然后通过能量流动和信息传递等功能使金属在细胞内部富集22.生物体内积累仅发生在活细胞内，铀不是生物功能性元素，不介入细胞新陈代谢，细胞体内的铀含量可能是由于铀的毒性改变细胞膜的浸透性后进入生物体内29.Kazy 等30研究了假单胞菌对铀的沉淀机制及化学特性，结果发现与铀作用的基团有磷酸基、羧基和酰胺基团，微沉淀是主要机制，铀在细胞内构成稠密的胞内沉积物，随着铀的富集，细胞长度和宽度都有所增

9、加，但细胞外表没有被毁坏。另外，其他学者31,32从铀污染场地挑选出假单胞菌对铀废液进行修复试验，结果表示清楚其对铀毒性有很好的耐受能力。 铀在生物体内积累是一个伴随着能量消耗的主动经过，由于其主要原理是通过与生物体内的磷酸盐结合生成稳定的磷酸铀酰沉淀，因而当前仅发现假单胞菌等聚磷菌具有这一功能。该技术有待于对生物体内富集效能、磷酸盐来源及生物活性等因素进一步研究。 2.3 生物复原 自 Lovely 等33在 20 世纪 90 年代初期提出利用微生物地杆菌以氢为电子供体将地下水环境中可溶性的 UVI复原转化为稳定的、溶解度较低的四价铀，进而防止其迁移扩散的设想，生物复原除铀技术开场引起了国内

10、外学者的关注。通过近 10 余年的实验室试验证实，某些微生物具有除铀能力，能够通过其复原作用将溶解性的 UVI复原成不溶性的 UIV。微生物学家们试验了用纯培养物或混合菌群来复原 UVI发现，多种微生物具有复原铀的功能，如硫酸盐复原菌、地杆菌、厌氧黏细菌、希瓦氏菌及梭菌等34-36. 硫酸盐复原菌是一种典型的金属复原菌，在 H2或乳酸盐等电子供体存在的条件下，硫酸盐复原菌可通过酶促作用直接将铀 UVI复原，并且其对铀具有良好的耐受能力和去除效果。易正戟等37采用硫酸盐复原菌处理地浸含铀废水中的铀，结果表示清楚 pH 值对铀生物沉淀存在显著影响，在 pH 为 6.0时铀去除率高达 99.4%.谢

11、水波等38研究了共存离子 MoVI及 Ca2+对铀的去除效果影响，结果表示清楚 MoVI或 Ca2+初始浓度 5 mg/L 时，对硫酸盐复原菌去除 UVI影响不大 ;但当其浓度到达20 mg/L 时，UVI复原遭到强抑制作用。周泉宇等39通过柱实验研究了硫酸盐复原菌和零价铁协同去除铀废水的潜力，结果表示清楚 UVI的去除率可达 99.4%.Barlett 等40系统研究了铀污染生物修复中硫酸盐复原菌和地杆菌的互相关系，结果发现FeIII浓度是影响地杆菌数量及活性的关键因素，并与铀的原位生物修复效果密切相关。谢水波等41研究发现腐败希瓦氏菌能够利用一些有机酸盐作为电子供体，以蒽醌 -2-磺酸钠作

12、为电子穿梭载体，高效复原 U。而 Shi 等42对希瓦氏菌的研究发现，外膜细胞色素及构造蛋白在铀的复原中发挥重要作用。另外，美国一些研究者们43,44也进行了微生物复原 UO的土柱试验和现场原位固定试验。吴唯民等45总结了美国斯坦福大学和橡树岭国家实验室等在美国能源部田纳西州橡树岭综合试验基地进行的铀污染原位微生物修复阶段性试验结果，并通过参加溶解氧和硝酸盐来试验微生物原位修复后的地下水层中复原固定态铀的稳定性，结果表示清楚，固定化后的四价铀只要在厌氧条件下才是稳定的，溶解氧和硝酸盐侵入地下水层后会使固定化的四价铀重新氧化为溶解态的六价铀。 这些研究表示清楚，生物复原技术应用于修复铀废水，需要

13、保持厌氧条件，才能长期保持复原态铀的稳定性及保证生物修复效果。因此，它不适用于含NO3-、Fe3+及 Mn6+等氧化态离子及水质参数多变的废水修复。 2.4 生物矿化 生物矿化是指生物将大分子有机物分解转化为无机物的经过，再利用生成的无机物如磷酸盐、碳酸盐及氢氧化物等，以及废水中的铀发生化学反响，构成不溶的无机微沉淀。研究发现大肠杆菌、沙雷氏菌属及假单胞菌属等能够通过酶促反响矿化分解磷酸盐类有机物产生正磷酸盐，能与铀结合生成稳定的磷酸铀沉淀，如 HUO2PO4、CaUO22PO42和 H2UO22PO42等。 英国科学家 Paterson-Beedle 等46发现大肠杆菌配合肌醇磷酸，能够用来

14、回收铀矿污染水中的铀，试验中将大肠杆菌与肌醇磷酸配合使用，大肠杆菌能分解肌醇磷酸，让磷酸盐分子处于自由状态。之后，磷酸盐分子与铀结合称为铀磷酸盐，并凝结沉积在大肠杆菌细胞外表。美国学者 Ray 等47从被铀污染的沉积物中挑选出的微生物菌株，在 pH 为 7.0 厌氧环境对铀进行固化试验发现，固化体中除了四价铀晶相构造外，还出现部分磷酸铀酰固相结晶，表示清楚该菌株能够通过复原六价铀和释放磷酸盐生成磷酸铀酰等方式共同发挥除铀的作用。Handley-Sidhu等48利用沙雷氏菌矿化甘油磷酸生成磷酸钙盐纳米颗粒对铀等放射性核素进行修复试验，考察铀在固化体的吸附点位及稳定性，结果表示清楚，磷酸钙盐纳米固

15、化基材对铀等放射性污染地下水具有良好的修复能力。Salome 等49通过外加电子供体与磷酸矿物，对厌氧环境下微生物的固铀方式进行了研究，结果发如今 pH 为 5.5 弱酸及 pH 为 7.0 中性环境下，铀酰离子大部分均与磷酸盐 11 结合生成磷酸铀酰类物质HUO2PO4、CaUO22PO42和 H2UO22PO42,表示清楚在该体系中微生物矿化生成稳定的磷酸铀酰沉淀较生物复原对铀的去除效果更明显，为其主要的固铀方式。 微生物的无机微沉淀其优势在于沉淀产物的稳定性强，操作条件温和、适用于好氧、厌氧等各种复杂环境，但现有研究主要以 甘油磷酸 作为碳源及磷酸盐供体，存在获取困难、高成本等问题。假如

16、能找到一种来源广泛、价格低廉的磷酸盐基材，它很可能成为一种有效、应用前景良好的铀废水处理方式方法。 3瞻望 随着生物技术、当代分子检测技术的发展，人们对微生物与铀互相作用机制的研究不断深切进入，获得了可喜的成绩。但生物法作为有效的处理含铀废水的技术，还需对微生物除铀全经过，微生物的适应性、产物稳定性及铀的去除效率等问题作进一步研究，有下面几点值得借鉴和探寻求索 :1微生物与铀的互相作用非常复杂，不同微生物或同种微生物在不同环境下除铀方式不尽一样，生成产物的稳定性也不同，如 P-U 胞内 / 外微沉淀较外表吸附、沥青铀矿稳定。因而有待于对微生物除铀方式的竞争机制、调控机制做进一步研究，寻找和挑选

17、更高层次效、生成产物更稳定的铀转化菌 ;2由于单一菌株适应性比拟差，因而能够将几种高效铀转化菌进行混合培养，使其在转化铀经过中能够产生互生和共生作用，这将会大大加强其适应性，以到达更高层次的去除率 ;3随着当代基因工程技术的发展，还能够采用基因技术将多种有益的特征基因重组成具有多功能、高转化能力的 超级菌株 ,使该菌株能够同时长期稳定的发挥去除铀的功能 ;4微生物处理实验室模拟含铀废液获得了较好的效果，而对实际废水处理的工程化实践研究较少，为确保我们国家核工业可持续发展，提高铀矿资源的利用率，有必要对处理后的铀沉淀产物进行资源回收利用研究，如微生物 - 铀絮凝体的灰化 - 浸提等有待进一步讨论

18、。 参 考 文 献 1魏广芝， 徐乐昌。 低浓度含铀废水的处理技术及其研究进展J.铀矿冶 , 2007, 262：90-95. 2闫强 , 王安建 , 王高尚 , 等 . 铀矿资源大概情况与 2030 年需求预测J. 中国矿业 , 2018, 202：1-5. 3张晶 , 王运 , 赵海波 , 等 . 铀矿山酸性废水的治理方式方法和研究进展J. 能源研究与管理 , 20183：34-36. 4Rahman RO, Ibrahium HA, Hung YT. Liquid radioactive wastestreatment :a reviewJ. Water, 2018, 32：551-565. 5刘辉 , 柳青 . 水源放射性污染与防治对策J. 资源节约与环保 ,20207：215-215. 6花明 , 陈润羊 . 某铀矿尾矿区周边土壤环境质量评价J. 矿业研究与开发 , 20183：85-88. 7黄德娟 , 朱业安 , 余月 , 等 . 铀污染环境治理中的植物修复研究J. 铀矿冶 , 2020, 314：202-206.