一种基于微生物菌剂阻燃硫化矿石的方法及使用的菌剂

1.本发明属于硫化矿石阻燃技术领域，具体涉及一种基于微生物菌剂阻燃硫化矿石的方法及使用的菌剂。


背景技术：

2.20世纪末以来，中国丰富多样的矿产资源为其经济发展做出了重大贡献。其中硫化铁矿占世界总量的10％。在资源丰富的同时，地形复杂、矿床规模大导致开采过程中存在一些隐患，例如矿山自燃风险。在开发过程中，突然接触到氧气发生氧化加速矿石内聚热，发生自燃。硫化矿物自燃会导致严重的人员安全问题，同时造成环境污染和经济损失。
3.硫化矿的自燃现象可以归结于三个充要条件，容易被氧化的矿石、一定浓度的氧气和局部聚热环境。当硫化矿被开采后，其矿石表面暴露在空气中并会缓慢发生氧化产热。若不能及时排出氧化反应产生的热量，这就会导致局部温度升高，加速矿石氧化，最终使得温度达到了矿石的自燃点，引发自燃。
4.为了减少矿山硫矿物自燃，传统物理方法有通过降低矿山堆中氧气含量、通过一些通风散热程序降低温度或挖除易氧化的矿石；化学方法主要以添加化学抑制剂，降低氧化速度以控制温度低于着火点。然而，传统的物理化学方法只能降低矿山自燃的可能性，并不能较大程度上氧化除去矿石中所含的硫元素，无法解决矿山自燃问题的真正原因。并且，传统物理化学方法也会对原有生态环境造成污染破坏。而微生物脱硫技术可以克服传统物理化学方法技术的缺点，如对环境友好、无污染。而且，微生物脱硫技术具有操作简单，原料价格便宜，反应条件温和等显著优势。同时它能加快硫化矿石中的表面硫元素氧化浸出，渗透到矿石堆内部，达到较好的矿石阻燃防治效果。
5.为此需要一种基于微生物菌剂阻燃硫化矿石的方法并优化脱硫体系条件。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述传统物理化学方法的不足，提供一种基于微生物菌剂阻燃硫化矿石的方法及使用的菌剂。该方法通过微生物氧化作用降低了硫化矿石表面硫含量，能够有效阻止硫化矿石内部局部积热，阻止硫化矿石堆的自热现象，以达到硫化矿石的阻燃防治。本发明还探究了微生物脱硫体系条件优化(如有机营养物浓度)，提高微生物脱硫体系对硫化矿石表面脱硫效率，加强对硫化矿石中硫的氧化去除效果，以实现硫化矿山自燃防治。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于微生物菌剂阻燃硫化矿石的方法，包括以下步骤：
8.将含有嗜酸性喜温硫杆菌(acidithiobacillus caldus)、草螺菌(herbaspirillum huttiense)、嗜麦芽窄食单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)、栖湖菌(limnohabitans parvus)、酸热脂环酸杆菌(alicyclobacillus acidocaldarius)、江都丛毛单胞菌(comamonas jiangduensis)、斯氏普罗威登斯菌(providencia stuartii)、
皮氏罗尔斯顿菌(ralstonia pickettii)的菌液和硫化矿石分别加入到含有机营养物的9k液体培养基中进行培养和脱硫处理，得到脱硫后的硫化矿石。
9.所述的菌液包含嗜酸性喜温硫杆菌85-95％、草螺菌0.3125-0.9375％、嗜麦芽窄食单胞菌0.3125-0.9375％、栖湖菌0.3125-0.9375％、酸热脂环酸杆菌0.3125-0.9375％、江都丛毛单胞菌0.625-1.875％、斯氏普罗威登斯菌1.5625-4.6875％、皮氏罗尔斯顿菌1.5625-4.6875％；所述的菌液比例是将菌种加入到含有硫粉的9k液体培养基中进行培养后得到的。
10.进一步地，硫粉的加入量为5-10g/l。
11.加入硫粉后培养温度为40-45℃，转速为170-180rpm/min，培养时间为3-5d；当细菌密度达到6
×
107个/ml以上时结束培养。
12.进一步地，硫化矿石的加入量为20-30g/l，9k培养基的ph为1.8-2.0。
13.所述的有机营养物包括葡萄糖、酵母提取物、蛋白胨中的至少一种，优选为蛋白胨。
14.进一步地，有机营养物的浓度为0.2-0.8g/l；优选为0.2g/l。
15.进一步地，菌液的接种量为液体培养基体积分数的10-20％。
16.培养和脱硫温度为40-45℃，转速为170-180rpm/min，培养和脱硫时间为20-25d。
17.嗜酸性喜温硫杆菌(acidithiobacillus caldus)的菌种保藏号为：cctcc-ab-2019256，生长条件为：含硫粉的9k液体培养基，温度40-45℃，转速为170-180rpm/min，培养时间为3-5d；草螺菌(herbaspirillum huttiense)的菌种保藏号为：atcc-baa-806，生长条件为：含硫酸镁的蛋白胨、酵母提取物培养基，温度30℃，好氧条件；嗜麦芽窄食单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)的菌种保藏号为：atcc-13637，生长条件为：营养琼脂或营养肉汤，温度30℃，好氧条件；栖湖菌(limnohabitans parvus)的菌种保藏号为：dsm-21592，生长条件为：酵母提取物、蛋白胨、酪蛋白氨基酸、葡萄糖、可溶性淀粉培养基，温度28℃，好氧条件；酸热脂环酸杆菌(alicyclobacillus acidocaldarius)的菌种保藏号为：atcc-49025，生长条件为：酵母提取物、葡萄糖培养基，温度50℃，好氧条件；江都丛毛单胞菌(comamonas jiangduensis)的菌种保藏号为：atcc-11996，生长条件为：含2％酵母提取物的营养琼脂或营养肉汤，温度30℃，好氧条件；斯氏普罗威登斯菌(providencia stuartii)的菌种保藏号为：atcc-29914，生长条件为：营养琼脂或营养肉汤，温度37℃，好氧条件；皮氏罗尔斯顿菌(ralstonia pickettii)的菌种保藏号为：atcc-27511，生长条件为：营养琼脂或营养肉汤，温度30℃，好氧条件。
18.本发明中，所述9k培养基的组成为：mgso4·
7h2o 0.5g、ca(no3)2·
4h2o0.01g、k2hpo
4 0.5g、(nh4)2so
4 3.0g、kcl 0.1g和蒸馏水1000ml；9k培养基的ph为1.8-2.0。
19.进一步地，使用浓度为2.5mol/l的hcl调节9k培养基的ph。
20.进一步地，菌液重复培养两次，使细菌充分活化，效果达到最佳。
21.本发明通过控制培养条件，使以嗜酸性喜温硫杆菌为主菌群在最佳生长条件下生长，活化富集后的生物菌剂保证脱硫处理的效果。
22.添加一定浓度的有机营养物能够提高生物菌剂对硫化矿石表面硫氧化去除，促进硫化矿石的硫浸出，有更好的硫化矿石阻燃防治效果。
23.本发明基于微生物菌剂对硫化矿石脱硫阻燃防治，以微生物脱硫体系为核心，以
有机营养物(葡萄糖、酵母提取物、蛋白胨)为单因素变量，对微生物脱硫体系条件优化，得出最适微生物脱硫体系的有机营养物种类和浓度。在优化条件下，进行微生物对硫化矿石氧化脱硫研究。并且，通过扫描电镜(sem)、能谱(eds)、x射线衍射技术(xrd)、矿石s元素相态及含量分析、氧化增重方法验证微生物对硫化矿石表面脱硫效果，以及微生物脱硫体系条件优化的效果。
24.本发明按照设定好的浓度将有机营养物加入到9k培养基，调整培养基的ph。培养基灭菌后接种微生物菌剂，使微生物菌剂在适宜温度下对硫化矿石表面脱硫。打开蠕动泵输送微生物菌剂，使浸矿柱中的矿样完全浸湿。通过能谱(eds)分析微生物菌剂柱浸硫化矿石表面脱硫实际应用前景。
25.本发明先将以嗜酸性喜温硫杆菌为主的菌群进行摇瓶培养活化，当菌液达到一定浓度后，再将菌液加入搅拌器中进行搅拌培养进一步获取大量高浓度菌液。本发明通过将活化富集培养后菌液加入硫化矿石中进行表面脱硫，利用微生物对硫化矿石接触的直接作用(如式1-1)和铁离子介导的间接作用氧化反应(如式1-2和1-3)，对硫化矿石表面的硫进行氧化脱去。
26.4fes2 2h2o 15o2＝4fe
3
8so
42- 4h

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-1)
27.fes2 14fe
3
8h2o＝15fe
2
2so
42- 16h

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-2)
28.4fe
2
o2 4h

＝4fe
3
2h2o(1-3)
29.在脱硫过程中，嗜酸性喜温硫杆菌通过直接与矿石接触作用氧化脱去硫，同时产生了fe
3
和h

。产生h

离子能够促进硫化矿石的浸出，利于微生物继续氧化利用矿石表面硫，以及使硫化矿石与空气接触的比表面积增大，利于细菌生长、硫的氧化脱去和氧化fe
2
为fe
3
；产生fe
3
离子具有强氧化性，在酸性条件下，能够直接氧化脱去硫化矿物表面的硫。在嗜酸性喜温硫杆菌的直接和间接作用下，硫化矿石表面的硫被氧化脱去，其副产物也加快了矿石的浸出，使得硫化矿石中的硫进一步暴露氧化脱去，保证了脱硫的效果。减少矿石表面硫与氧气发生反应放热导致的局部热量积聚，有效地降低硫化矿石自燃倾向性，达到一定的阻燃效果。
30.本发明与现有技术相比具有以下优点：
31.(1)本发明通过将微生物菌剂加入硫化矿物中脱去硫化矿石表面硫，利用嗜酸性喜温硫杆菌将矿石表面的硫氧化去除，产生的硫酸加速硫化矿物的浸出，使硫化矿石内部的硫元素暴露，能够更加彻底地将硫化矿石中的硫去除，达到良好的防治硫化矿石自燃效果。
32.(2)单一的嗜酸性喜温硫杆菌是自养型细菌，不能有效利用葡萄糖、酵母提取物、蛋白胨等有机营养物，本发明将其与其他菌种进行复配，其他菌种可以利用有机营养物，促进生物膜的形成，加速铁离子介导的硫氧化过程，从而促进嗜酸性喜温硫杆菌进一步脱硫，提高了脱硫效率。
33.(3)本发明通过优化微生物脱硫体系，提高微生物脱硫体系对硫化矿石表面脱硫，加强对硫化矿石中硫的浸出去除效果。相比传统物理和化学方法存在的处理成本高，环境污染，防治硫化矿石自燃不彻底等问题，本发明所述的微生物对硫化矿石表面进行脱硫的方法成本低、绿色环保、简单可行，能够更加彻底地从源头上解决硫化矿石自燃的问题。
34.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
35.图1为在不同有机营养物浓度下(a葡萄糖，b蛋白胨，c酵母提取物)微生物处理后硫、铁元素含量变化图；
36.图2为矿样电镜图(a原矿样，b未优化矿样，c优化后矿样)；
37.图3为矿石的能谱图及背散射图(a原矿样，b未优化矿样，c优化后矿样)；
38.图4为未优化矿样和优化后矿样脱硫后5天氧化增重曲线；
39.图5为浸矿装置图；
40.图6为浸矿柱脱硫前后矿石的能谱图及背散射图。
具体实施方式
41.实施例1
42.本实施例包括以下步骤：
43.实验所用的嗜酸性喜温硫杆菌(acidithiobacillus caldus)由中南大学资源加工与生物工程学院提供，且为市面可售的常规菌株。
44.嗜酸性喜温硫杆菌(acidithiobacillus caldus)的菌种保藏号为：cctcc-ab-2019256，生长条件为：含硫粉的9k液体培养基，温度40-45℃，转速为170-180rpm/min，培养时间为3-5d；草螺菌(herbaspirillum huttiense)的菌种保藏号为：atcc-baa-806，生长条件为：含硫酸镁的蛋白胨、酵母提取物培养基，温度30℃，好氧条件；嗜麦芽窄食单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)的菌种保藏号为：atcc-13637，生长条件为：营养琼脂或营养肉汤，温度30℃，好氧条件；栖湖菌(limnohabitans parvus)的菌种保藏号为：dsm-21592，生长条件为：酵母提取物、蛋白胨、酪蛋白氨基酸、葡萄糖、可溶性淀粉培养基，温度28℃，好氧条件；酸热脂环酸杆菌(alicyclobacillus acidocaldarius)的菌种保藏号为：atcc-49025，生长条件为：酵母提取物、葡萄糖培养基，温度50℃，好氧条件；江都丛毛单胞菌(comamonas jiangduensis)的菌种保藏号为：atcc-11996，生长条件为：含2％酵母提取物的营养琼脂或营养肉汤，温度30℃，好氧条件；斯氏普罗威登斯菌(providencia stuartii)的菌种保藏号为：atcc-29914，生长条件为：营养琼脂或营养肉汤，温度37℃，好氧条件；皮氏罗尔斯顿菌(ralstonia pickettii)的菌种保藏号为：atcc-27511，生长条件为：营养琼脂或营养肉汤，温度30℃，好氧条件。
45.上述菌株均购自于atcc等各大保藏库。
46.接种1ml菌液加入到以硫粉为唯一能源物质的9k液体培养基(s 10g、mgso4·
7h2o0.5 g、ca(no3)2·
4h2o 0.01g、k2hpo40.5 g、(nh4)2so
4 3.0g、kcl 0.1g和蒸馏水1000ml)中培养，用2.5mol/l的hcl调节液体培养基的ph为2。温度设定为45℃，转速设定为180rpm/min，培养至细菌密度达到6
×
107个/ml，制备微生物菌液。该菌液经9k液体培养基培养后含有嗜酸性喜温硫杆菌92％、草螺菌0.5％、嗜麦芽窄食单胞菌0.5％、栖湖菌0.5％、酸热脂环酸杆菌0.5％、江都丛毛单胞菌1.0％、斯氏普罗威登斯菌2.5％、皮氏罗尔斯顿菌2.5％。
47.以葡萄糖、酵母提取物、蛋白胨三种有机营养物浓度为变量对微生物脱硫体系进行条件优化，并且将对其优化脱硫后的硫化矿石进行脱硫阻燃效果研究。
48.选择不同有机营养物及其浓度，对微生物脱硫体系条件优化，并加入硫化矿石进
行脱硫阻燃实验。
49.葡萄糖浓度实验组设定为0.2g/l、0.4g/l、0.6g/l、0.8g/l；
50.酵母提取物浓度实验组设定为0.2g/l、0.4g/l、0.6g/l、0.8g/l；
51.蛋白胨实验组设定为0.2g/l、0.4g/l、0.6g/l、0.8g/l。
52.依据不同种类有机营养物及其不同浓度，加入对应有机营养物到含有硫化矿石的液体培养基(硫化矿石30g、mgso4·
7h2o 0.5g、ca(no3)2·
4h2o 0.01g、k2hpo
4 0.5g、(nh4)2so
4 3.0g、kcl 0.1g和蒸馏水1000ml)中进行微生物脱硫体系的单因素有机营养物优化脱硫阻燃实验，微生物菌剂的接种量为10％，微生物菌液脱硫实验过程反应一共进行20天。
53.有机营养物对微生物脱硫体系中硫、铁浓度影响可以见图1，根据微生物菌剂对硫化矿石的累计脱硫量，得到适合微生物脱硫体系有机营养物浓度为0.2g/l蛋白胨。
54.同时还通过扫描电镜(sem)、能谱(eds)、x射线衍射技术(xrd)、矿石s元素相态及含量分析、氧化增重曲线方法研究优化后微生物菌剂对硫化矿石表面脱硫、硫相态变化和硫化矿石阻燃防治。
55.原矿样表示未经处理的矿样原样；未优化矿样表示添加了9k培养基和微生物，摇瓶20天后的矿样；优化后矿样表示在未优化矿样基础上添加了0.2g/l蛋白胨摇瓶20天后的矿样。
56.对试验前后的矿石进行电镜(sem)扫描，结果见图2；图2-a为未经处理的矿样原样；图2-b为添加了9k培养基和微生物，摇瓶20天后的矿样；图2-c为图2-b基础上添加了0.2g/l蛋白胨摇瓶20天后的矿样。每幅图从左至右分别为其放大1000倍、3000倍和10000倍图像。
57.从图2可以看到，原矿石表面较光滑；未优化的矿样粒径明显变小，表面出现腐蚀坑；优化后的矿石粒度更小，表面腐蚀坑更加密集。其中矿石电镜图中出现的颜色较白的颗粒为反应生成的黄钾铁矾。
58.未优化矿样的电镜结果表明微生物菌剂对硫化矿石脱硫阻燃有一定效果；优化后矿样的电镜结果表明，微生物脱硫体系条件优化能够提高微生物菌剂对硫化矿石表面脱硫，并且加强微生物对硫化矿石中硫的浸出。
59.对试验前后的矿石进行能谱(eds)，结果见图3；图3-a为未经处理的矿样原样；图3-b为添加了9k培养基和微生物，摇瓶20天后的矿样；图3-c为图3-b基础上添加了0.2g/l蛋白胨摇瓶20天后的矿样。
60.从图3和表1可以看到，矿样脱硫前表面含硫量为23.67％，未优化脱硫后矿样含硫量为15.80％，表面脱硫率为33.25％；优化脱硫后矿样含硫率为12.73％，表面脱硫率为46.22％。通过表面脱硫率的计算可知，细菌脱硫以及加入有机营养物后，表面硫含量有明显的下降。
61.表1原矿样、未优化矿样、优化后矿样的含硫量
[0062][0063]
对试验前后的矿石进行x射线衍射技术(xrd)，其矿石成分见表2。由表2可知，原矿样中含40.7％的黄铁矿和21.3％的白铁矿，在未优化的矿样中两种成分分别下降了21.13％和55.40％，在优化后的矿样中分别下降了85.75％和56.81％，优化后的条件中，明显提升了对黄铁矿成分的浸出。同时，在脱硫过程中产生了大量黄钾铁矾，未优化矿样产生了31.7％的黄钾铁矾，优化的矿样产生了54.1％的黄钾铁矾，黄钾铁矾覆盖在矿石表面可以组织其进一步氧化，对矿石阻燃和酸性矿山废水减排均有一定效果。
[0064]
表2原矿样、未优化矿样、优化后矿样的矿石成分分析及含量
[0065][0066]
对试验前后的矿石进行矿石s元素相态及含量分析，结果如表3。由表3可知，原矿样中总硫为33.61％，未优化矿样总硫减少了18.15％，优化后脱硫量率为57.63％，减少最多的为硫化物中硫，增长的为硫酸盐中硫。通过矿石s元素相态及含量分析结果可知，条件优化后，微生物菌剂对硫化矿石氧化脱硫效果显著增强。
[0067]
表3原矿样、未优化矿样、优化后矿样的矿石s元素相态及含量分析
[0068][0069]
实施例2
[0070]
对试验前后的矿石进行氧化增重曲线测试，本实施例包括以下步骤：
[0071]
选取添加0.2g/l蛋白胨微生物脱硫体系为优化组和不添加有机营养物的微生物脱硫体系对照组，作为后续硫化矿石阻燃效果研究。矿浆浓度设定为30g/l，每个摇瓶中含
3g矿样，每个试验编号设计20个样品，每组总矿样为60g，摇瓶过程与之前相同，菌液添加量为10％。摇瓶结束后，将矿浆静置2小时以上，使培养基与矿样分离，收集沉淀的矿样，放入真空干燥箱进行干燥。称取干燥后的矿样每组50g，平铺放置于同等大小的培养皿中，将培养皿放入恒温恒湿培养箱中，培养箱温度设定为40℃，湿度设定为90％，时间设定为5天。每隔12h将阻燃样品取出使用0.00001g精度的电子天平称重并记录阻燃样品的质量，根据氧化增重率和时间绘制图形，结果见图4。
[0072]
经检测，在本例中未优化矿样的五天氧化增重率为0.68％，优化后矿样的五天氧化增重率为0.12％，增重率明显下降，矿石自燃倾向降低。
[0073]
实施例3
[0074]
本实施例包括以下步骤：
[0075]
为了进一步证明本发明以嗜酸性喜温硫杆菌为主菌群的生物菌剂在硫化矿石脱硫的扩大试验中的作用，通过硫化矿石的微生物脱硫的小型柱浸试验，为硫化矿石微生物浸出的应用提供理论支持。
[0076]
对硫化矿样分别设置实验组和对照组，一共两组设置试验编号如表4所示。
[0077]
表4浸矿柱脱硫实验设计
[0078][0079]
浸柱实验时间设定为30天，硫化矿石称量1.2kg置于浸矿柱中，浸矿柱内温度设定为45℃。
[0080]
在配好的9k培养基中，加入10％微生物菌剂和按照设定好浓度有机营养物。由于在浸柱实验中，矿石与培养基之间固液比较大，矿石中含有的碱性物质更容易使培养基ph升高，因此将培养基ph调整至1.8。
[0081]
将浸矿柱如图5连接，将水浴锅打开，温度设定为50℃，连接水浴锅的蠕动泵打开，待温度稳定，此时浸矿柱内温度为45℃。将连接菌液的蠕动泵打开，观察浸矿柱情况，待浸矿柱中的矿样完全浸湿。
[0082]
待微生物菌剂脱硫处理后，取硫化矿石，通过eds能谱仪扫描矿石表面，测定矿石表面元素比率，通过测定表面含硫率以及计算表面脱硫率。
[0083]
eds扫描后的矿石表面含硫量如表5和图6所示。矿样在加细菌处理后表面含硫量为18.27％，未加细菌的实验组为20.32％，下降了10.09％。因此微生物菌剂在扩大实验体系(柱浸)后，对硫化矿石表面脱硫具有一定效果，对微生物菌剂防治硫化矿山自燃应用提供了理论依据。
[0084]
表5矿石表面含硫率
[0085][0086]
以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。