赤泥是制铝行业产生的碱性工业废渣[1]。我国是赤泥排放量最大的国家，然而国内外针对赤泥综合利用的相关研究均难以实现大规模工业应用，其总体利用率不超过20%[2]。关键原因在于赤泥的碱性强，盐分和持水性高。我国赤泥的碱性平均pH为10～12,目前大部分针对赤泥脱碱的研究集中在水洗、酸洗和添加药剂中和碱性的方式。然而，采用水洗法会浪费大量的水资源，同时水洗之后的碱性溶液难以处理[3]。酸洗法会导致赤泥中的一些重金属被溶出，同时脱碱处理之后的废酸造成环境的二次污染[4];盐类脱碱法脱碱率较高，但脱碱药剂用量较大，且脱碱后赤泥酸性强、过滤性较差，工业化应用受到了极大阻碍[5]。

由于赤泥碱性强且难以脱除，国内尚无有效的工业化处理方法，导致氧化铝厂大都只能将赤泥进行筑坝堆存[6]。赤泥堆存不仅占用大量农田、土地，污染地表地下水源，造成附近土壤盐碱化。赤泥扬尘进入到空气中，造成大气污染，危害人体健康[7,8]。因此，开发有效的减量化、资源化和无害化处理赤泥的新途径已迫在眉睫。

目前，微生物脱碱法以其高效性和无二次污染等特点受到了广泛关注[9]。利用微生物的分解作用可对赤泥进行原地脱碱处理，不仅可以解决氧化铝厂工业废渣的处理问题，还可改善附近农田的土壤盐碱化，实现赤泥的土壤资源化利用。

巨大芽孢杆菌属革兰氏阳性菌，可以提高土壤肥质，同时耐高温抗逆性强，农业化用途广泛[10]。为此，本文利用巨大芽孢杆菌对赤泥进行了脱碱研究，考察了巨大芽孢杆菌用量、赤泥用量、液固比、培养方式、培养温度和培养天数等因素对赤泥脱碱的影响，阐述赤泥微生物脱碱机制，以期为赤泥高效脱碱和综合利用提供理论依据和技术支持。

1、试验

1.1试验原料

赤泥试样取自河南某氧化铝厂，该厂使用拜耳法生产氧化铝。赤泥试样经过X射线荧光光谱分析后，其主要化学成分为(质量分数，%):Al2O3 27.53、SiO2 24.40、CaO 16.67、Fe2O3 11.28、Na2O 10.50、TiO2 5.22、K2O 1.18、MgO 1.51、SO3 1.20、P2O5 0.28、Cr2O3 0.23。可知，该赤泥中氧化钠含量为10.50%,为赤泥中主要的含碱物质，同时该赤泥试样氧化铁含量为11.28%,氧化铝含量为27.53%,氧化硅含量为24.40%,还含有微量的氧化钾、氧化镁、氧化铬等金属氧化物。对赤泥原矿进行XRD和SEM分析，结果如图1和图2所示。

图1赤泥的XRD谱  

图2赤泥的表面形貌   

由图1可知，赤泥中主要的矿物组成为水钙铝榴石、方解石、钙霞石、钙柱石和赤铁矿等。赤泥中的碱主要分为结合碱和游离碱两大类，其中结合碱主要包含在含钠元素的矿物钙霞石中。由图2可知，赤泥颗粒微细且分散不均匀，没有固定形状。

巨大芽孢杆菌购自沧州旺发生物技术研究所有限公司，采用LB固体培养基(蛋白胨10.0 g、氯化钠5.0 g、牛肉膏粉3.0 g、琼脂15.0 g、蒸馏水1 000 mL)纯培养后其菌落形态如图3所示。通过显微镜观察，菌体形态如图4所示。单个菌落呈圆形、黄白色，菌体形态为杆状，末端圆，单个或呈短链排列，(1.2～1.5)μm×(2.0～4.0)μm,能运动。芽孢为(1.0～1.2)μm×(1.5～2.0)μm,椭圆形，中生或次端生，革兰氏阳性，属于芽孢杆菌属(Bacillus)[11]。

在试验中，分别采用牛皮纸和保鲜膜密封处理，其中牛皮纸模拟有空气供给，保鲜膜模拟无空气供给(PE保鲜膜氧气透过率小，即隔断性高，隔绝了外界空气供应[12])。

图3巨大芽孢杆菌菌落形态  

图4巨大芽孢杆菌菌体形态  

1.2试验方法

菌液的制备：分别取1、2.5、5、10、20 g(菌量为6.8×1010～1.0×1011个/g)巨大芽孢杆菌粉，分别加入50、100、150 mL无菌水在250 mL锥形瓶中，放入微生物培养箱(30℃、180 r/min)避光震荡15 min,混匀待用。

脱碱过程：赤泥经过灭菌处理之后烘干密闭保存备用。称取20 g赤泥加入到含有菌液的锥形瓶中，放入恒温培养箱(30℃)培养，每隔12 h检测整个体系的pH。试验完毕，取出离心，将脱碱渣放入烘箱中80℃烘干，研磨保存备用。

1.3检测方法

使用pH便携酸度仪(PHS-3C)测定脱碱前后赤泥的pH。采用U3000高效液相色谱-紫外检测器(HPLC)对巨大芽孢杆菌代谢产生的有机酸进行定量及定性分析。利用X射线荧光光谱仪(XRF,型号PANalytical Axios)测定赤泥的化学成分，使用X射线衍射仪(XRD,型号SmartLab)对赤泥和脱碱渣进行物相分析，使用扫描电子显微镜(SEM,型号Merlin Compact)对原矿和脱碱渣进行表面形貌分析。

2、结果与讨论

2.1巨大芽孢杆菌用量对降低赤泥pH的影响

称取1、2.5、5、10、20 g巨大芽孢杆菌粉，分装于250 mL锥形瓶中。称取赤泥20 g,无菌水100 mL,充分混匀之后放于恒温30℃的环境中避光静置培养，每隔12 h测定其pH,结果如图5所示。由图5可知，赤泥中添加巨大芽孢杆菌之后，整个体系的pH呈现迅速降低，约在36 h时达到最低，之后虽然稍有回升，但整体趋近于一个稳定的数值。当添加量为20 g时，活菌数量可达到1012 CFU/mL,赤泥的pH从10.70降低到6.58,在72 h后缓慢上升，可能是耐碱微生物不喜中性环境，改变自身代谢使得体系pH上升[13]13]。同时铝土矿中的碱性矿物被破坏，在矿物被完全溶解破坏之前，整个体系的pH会有一定的波动[14]14]。

图5不同菌粉添加量对赤泥的脱碱效果   

2.2液固比对巨大芽孢杆菌降低赤泥pH的影响

称取10 g菌粉于250 mL锥形瓶中，分别量取50、100、150 mL无菌水(记为1号至3号),加入20 g赤泥。制作对照组，赤泥用量为20 g,不添加菌粉，无菌水的用量分别50、100和150 mL(分别记为1号对照、2号对照和3号对照组),充分混匀之后在恒温30℃的环境中避光静置培养，每隔12 h测定其pH,结果如图6所示。

图6不同无菌水添加量对巨大芽 孢杆菌降低赤泥pH效果影响   

根据图6可知，巨大芽孢杆菌对降低赤泥pH效果显著，其中在0～24 h不同的液固比对巨大芽孢杆菌降低赤泥pH效果相差很小。在36 h时，无菌水用量为50 mL和150 mL整个体系的pH降到最低，分别为7.52和7.08,无菌水用量为100 mL在48 h时达到最低，为7.41。在48 h之后不同液固比条件下，赤泥pH开始缓慢上升，但均稳定在8.5。无菌水添加量为150 mL时，由于水的缓冲作用，赤泥的pH波动较小，最终稳定在7.5。同时较对照组，不同液固比条件下，赤泥的pH呈现先减小后增大的趋势，最终稳定在10.6。这可能是由于无菌水的添加使得赤泥中的部分游离碱被析出，导致赤泥的pH呈现出缓慢增大的趋势，这也侧面说明水洗法只能去除赤泥中部分游离碱[15]15]。不同液固比对巨大芽孢杆菌降低赤泥pH前期影响不大，在处理后期由于营养物质的消耗、活菌浓度的变化、赤泥中碱性物质的进一步析出和水的缓冲作用，使得在液固比较大的条件下，巨大芽孢杆菌降低赤泥的pH且保持稳定的效果更加明显。

2.3巨大芽孢杆菌培养方式对降低赤泥pH的影响

称取10 g菌粉于锥形瓶中，加入100 mL无菌水后，加入20 g赤泥。分别在恒温30℃的环境中避光静置培养和震荡培养(震荡速率175 r/min),每隔12 h测定其pH,结果如图7所示。根据图7可知，震荡培养加快微生物代谢，可能是将巨大芽孢杆菌的对数期提前，或增加了菌与营养物质的接触机率。静置培养条件下赤泥在36 h时达到最小pH,为7.28;震荡培养条件下，赤泥在24 h时达到最小pH,为7.11。在震荡培养36 h之后，微生物代谢产物的减少和赤泥碱性物质的进一步析出导致赤泥pH缓慢上升，但总体稳定在7.5左右。震荡培养更有利于微生物生长，但由于没有外来物质的供给，导致微生物在大量繁殖之后，菌液浓度过高时体系溶氧量和营养物质无法满足微生物生长需求，开始出现衰亡。

图7巨大芽孢杆菌培养方式对 降低赤泥pH的影响  

在0～12 h,震荡培养条件下，赤泥试样的pH从10.5迅速降低到7.5左右，较静置培养条件下，赤泥试样的pH从10.5降低至8.5左右，这就排除了巨大芽孢杆菌菌粉中的营养物质使赤泥试样pH下降。因此可以推测赤泥试样pH的下降原因主要是巨大芽孢杆菌代谢产生的某种酸性物质或者可以与OH-反应的某种物质造成的[16]16]。

震荡培养通过充分震荡，使得微生物和营养物质之间的接触面更大，因此巨大芽孢杆菌在震荡条件下更快地进入对数期，这是在0～12 h震荡培养条件下赤泥试样pH降低较快的主要原因。之后两种培养条件下，赤泥试样的pH都趋于平稳在7.5附近，这说明巨大芽孢杆菌菌粉中的营养物质已经不足以再支持微生物代谢，此时微生物生长和衰亡正处于一种动态平衡。虽然两种方式不同，但最后两种培养方式对应的赤泥pH变化相差并不大，考虑到能耗问题和实际工业生产应用，静置培养较为合适。

2.4空气供给对巨大芽孢杆菌降低赤泥pH的影响

称取10 g菌粉于250 mL锥形瓶中，加入100 mL无菌水后，再加入20 g赤泥。分别用保鲜膜和牛皮纸封存处理后在遮光恒温30℃的环境中静置培养，每隔12 h测定其pH,结果如图8所示。

由图8可以看出，由于巨大芽孢杆菌属于好氧微生物，在氧气充足的条件下，24 h将赤泥的pH降低到7.32。同时充足的氧气供应也促进了巨大芽孢杆菌的生长，使得其代谢产物增多，在36 h后虽然体系的pH在缓慢增加，但最终都稳定在7.5附近。总体看来，巨大芽孢杆菌在氧气供应充足的条件下，对降低赤泥pH具有显著的效果。在处理后期，由于营养物质的匮乏，导致巨大芽孢杆菌浓度降低，代谢产物减少，使得赤泥的pH有小幅度回升。但考虑到工业生产，裸露的赤泥堆场，如果可以在适当时间引入一定的营养物质，那么巨大芽孢杆菌处理赤泥，降低赤泥pH可能会有比较不错的效果。

图8空气供给对巨大芽孢杆菌 降低赤泥pH的影响   

2.5巨大芽孢杆菌降低赤泥pH机理分析

对巨大芽孢杆菌代谢有机酸进行检测，甲酸、苹果酸、乳酸、乙酸、马来酸、丙酸含量分别为18.49、554.89、153.49、157.75、9.35、533 mg/L。可知，巨大芽孢杆菌代谢产生的有机酸主要为苹果酸和丙酸，含有少量的乳酸、乙酸、马来酸和甲酸。赤泥中碱的存在形态分为游离态和化学态，其碱性降低可以分为中和作用、沉淀作用和抑制作用[17]17]。赤泥在经过巨大芽孢杆菌处理前pH在10.5左右，经过处理之后，最低可以达到7左右，说明巨大芽孢杆菌在赤泥中生存代谢时产生的有机酸等物质可以与赤泥中的碱性物质发生中和反应[18]18],导致体系pH降低，同时这些有机酸促进赤泥的分解，使得赤泥中的结合碱，通过间接酸浸的方法转化为可溶性的盐，从而被除去。

对赤泥原矿和巨大芽孢杆菌处理效果较好的脱碱渣进行了XRD分析，结果如图9所示。对图9分析可知，对比赤泥原矿和脱碱渣，经巨大芽孢杆菌处理后，赤泥中的钙柱石和钙长石衍射峰消失，钙霞石、水钙铝榴石和赤铁矿衍射峰减弱，三水铝石和碳酸钙的衍射峰明显加强。这说明巨大芽孢杆菌代谢物将原矿中矿相破坏，主要表现为分解原矿中的钙柱石、钙长石、钙霞石和水钙铝榴石，其中钙霞石和钙柱石中的Ca2+与其自身的CO32-结合生成碳酸钙，另一部分矿相中的Ca2+通过与微生物的呼吸作用产生的CO2相结合[19]19],生成了较为稳定的碳酸钙。微生物代谢可以产生对Fe3+具有螯合能力的有机化合物-铁载体[20]20],经过处理之后的赤泥，赤铁矿衍射峰明显减弱，其大部分铁元素不再以赤铁矿的形式存在，颜色也由红色变为灰色，赤泥脱碱前后颜色对比见图10。

图9赤泥原矿及菌株处理之后脱碱渣的XRD谱   

图10赤泥脱碱前后颜色对比   

结合图9和图10,由于赤泥矿相中主要含碱矿物为钙霞石，经过脱碱反应之后，钙霞石的衍射峰明显减弱。因此可以认定巨大芽孢杆菌对赤泥脱碱具有较明显的效果。对巨大芽孢杆菌处理效果较好的脱碱渣进行了SEM分析，结果如图11所示，其中图11(b)为图11(a)的局部放大图。

图11菌株处理后脱碱渣SEM形貌   

对图2和图11分析可知，原赤泥中团聚体粒度较小，棱角分明，结构松散，颗粒分布不均匀；经过巨大芽孢杆菌处理之后，赤泥颗粒的大小明显增加，表面平滑，呈紧密的堆叠状，颗粒间间隙减小，以明显的不规则棒状或针状形态存在，呈现出明显的细菌对其腐蚀痕迹。这说明巨大芽孢杆菌改变了原有赤泥的形貌。由于赤泥含有较大的比表面积，使得其可以吸附菌液中的菌体及菌体代谢产物，从而形成赤泥-菌体复合产物[21]21]。通过溶蚀作用，赤泥边缘变得平滑。微生物代谢能够产生具有胶结能力的物质，使得赤泥的团聚体颗粒增大，团聚体稳定性增强[22,23]22-23],这与本研究具有很好的一致性。

3、结论

（1）利用巨大芽孢杆菌对赤泥进行脱碱处理，在赤泥用量为20 g,巨大芽孢杆菌菌粉添加量为20 g,无菌水用量为150 mL,牛皮纸封存，175 r/min震荡培养条件下，赤泥试样的pH从10.3降低至6.5左右，36 h后可以保持在7.5。

（2）XRD分析表明，赤泥经微生物脱碱处理后，原矿中主要的含钠物质-钙霞石衍射峰明显减弱，同时钙柱石和钙长石衍射峰消失，水钙铝榴石和赤铁矿衍射峰减弱，三水铝石和方解石的衍射峰明显加强。对赤泥原样和脱碱渣进行的SEM分析可知，经过巨大芽孢杆菌处理之后的赤泥形状变得更加规则，颗粒明显增大。HPLC检测表明，巨大芽孢杆菌在生长过程中代谢产生了大量的有机酸(主要为苹果酸和丙酸),通过产酸将含碱矿物钙霞石溶解、中和并固定为稳定的难溶性矿物(方解石和三水铝石),从而降低了赤泥的碱性。

参考文献:

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基金资助:国家自然科学基金资助项目(51904097);河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(2019GGJS056);河南理工大学杰出青年基金资助项目(J2022-3);

文章来源:燕旭东,朱晓波,李望.赤泥微生物脱碱试验及机理探究[J].有色金属(冶炼部分),2023(09):68-75.