本发明属于固体废弃物资源回收领域，具体涉及利用微生物浸出从粉煤灰中浸提稀有贵重金属的方法。
背景技术：
粉煤灰主要由燃煤火电厂等燃煤工业产生，随着电力工业的快速发展，电厂规模不断扩大，导致我国粉煤灰的排放量急剧增长。1985年我国的粉煤灰排放量为3.769亿吨，之后每10年里，按平均每年560万吨的排灰量在增加，截止2010年，我国的排灰量以达30亿吨。粉煤灰在我国的利用率不高，2010年数据显示只有69％，再加上排灰量的急剧增加，给我国的土地、水、大气、环境造成了巨大的危害。在我国，对于粉煤灰的利用主要集中在填方造地方面。粉煤灰最早用于建筑材料，制作粉煤灰水泥、混凝土等，在公路建设中用于路堤填充、矿井井下回填，也有用于烧结粉煤灰砖、粉煤灰砌块。
随着研究的不断深入，已有研究者运用化学的方法从粉煤灰中提取回收氧化铝，这方面已经进入工业化生产。另外，还有研究者将其制做粉煤灰吸附剂，用于重金属污染及水体污染的治理。不过，粉煤灰在这两方面的应用仅占20％左右。
资料显示，我国火电厂粉煤灰主要由sio2、al2o3、feo、fe2o3、cao、tio2、mgo、mno2、p2o5等氧化物组成。此外，还含有很多非常稀贵的金属，如ti(钛)、ga(镓)、ge(锗)、铬、铅、钒、砷、铀等。目前，对粉煤灰进行处理的普通方法通常把稀有贵重金属浪费掉了。
我国粉煤灰在金属回收领域并没有得到充分的利用，仅在回收铝元素方面有所涉及。但是铝元素的回收手段都是应用的化学方法。不仅要使用大量的化学试剂，而且通常要求很高的温度。工业上用氯化物蒸馏法富集回收含锗粉煤灰中锗金属的工艺中，蒸馏过程需要消耗大量的氯化物，水解温度和纯化温度分别要求650～675℃和1000～1150℃，这对能源和设备的要求很高，且该方法的提取工艺也很复杂。
粉煤灰的综合利用之所以进展缓慢的原因之一是粉煤灰大多以玻璃珠体的形式存在，其表面覆盖一层光滑致密、牢固的si-o-si、si-o-al网络结构，使其化学性质处于一个比较稳定的状态，而其中所含的大多数金属元素被包裹在这样的网络结构中，很难与外界接触发生化学反应，造成常规的金属回收手段很难回收粉煤灰中的这些金属元素。
综上所述，目前工业上提取金属钛、镓、锶、锆等金属的方法仍存在诸多困难，许多工艺仍有待改进。然而从微生物的角度出发提取回收以上这些金属的方法也许是解决这一问题的可行方法之一，关于这方面的研究却鲜有报道，更没有一套完成的生物提取工艺被提出。
生物浸出是指利用微生物自身对矿物的氧化或还原特性将矿物氧化或还原从而使其中的金属溶解到浸矿溶液中，或者是利用微生物的代谢产物(如柠檬酸、草酸、fe3+等)和矿物中的金属络合使金属溶解或将矿物氧化、还原使金属溶解，将矿物中的有价金属释放到溶液中的过程。生物浸出是一个复杂的反应过程，可能包含有氧化还原反应、生物氧化反应、原电池反应、酸溶、络合、生物吸附等反应。绝大多数的生物浸出是多种反应类型同时存在的反应体系。
目前，科学家们从微生物的角度出发并利用微生物提取回收固废中的稀有贵重金属已经做了大量的研究。但是，涉及的微生物浸提主要针对的是从硫化物尾矿和废弃线路板中回收稀有贵重金属。其中利用微生物从废弃线路板和含铜尾矿中回收铜已经进入工业化生产。利用微生物方法从粉煤灰中回收ti、ga、sr、zr、ba等稀有的贵重金属还未见报道。微生物回收法不仅绿色环保，不会产生二次危害，而且工艺简单，不需要使用大量的化学试剂，即经济又环境友好。
技术实现要素：
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供利用微生物浸出从粉煤灰中浸提稀有贵重金属的方法，该方法包括如下步骤：
(1)利用naoh作为激发剂，将粉煤灰在水热条件下的高温高压反应釜中进行预处理；
(2)对黑曲霉进行产酸驯化；
(3)将步骤(2)所得驯化黑曲霉加入含有不同浓度灰浆的培养基，由低浓度至高浓度，进行梯度驯化；
(4)将步骤(3)所得驯化黑曲霉接种于含有培养基的步骤(1)所得物中，进行培养浸出；
所述稀有贵重金属包括ti、ga、sr、zr、ba中的至少一种。
所述黑曲霉为aspergillusnigerdsm11167。
优选的，步骤(1)中，naoh的浓度为1～4mol/l。
优选的，步骤(1)中，naoh的添加体积占反应釜体积的80％。
优选的，步骤(1)中，最在预处理时，于150～200℃，0.476～1.555mpa，反应12～24h，取出，用去离子水充分过滤清洗掉多余激发剂，即得水热碱预处理灰样。
步骤(2)中，进行阐述驯化时，所用的培养基包括pda培养基、psa培养基、dox培养基或pcs培养基；优选的，所用培养基为dox培养基。
步骤(2)中，在进行驯化培养时，于25～30℃，165～200rpm恒温培养，每天检测ph变化，至ph不再下降。
步骤(3)中，所述灰浆的浓度为1～10％。
优选的，步骤(3)中，所加的步骤(2)所得驯化黑曲霉的孢子悬液的od600＝0.1。
步骤(4)中，步骤(1)所得物的浓度为5～10％，步骤(3)所得驯化黑曲霉的接种量为5％；在进行培养时，于25～30℃，165～200rpm恒温培养7～10天。
对于本发明所述的稀有贵重金属而言，若需从粉煤灰中回收这些金属，如何改变粉煤灰特殊的表面结构，使得这些稀有贵重金属更易浸出，是问题的关键。
本发明首先用物理化学的方法预处理粉煤灰，在一定程度上破坏粉煤灰的表面结构，使金属元素暴露出来，再利用微生物的自身优势将金属元素还原或溶解出来。
培养基种类不同，碳源、氮源、微量元素含量会不相同，微生物的生长代谢也会存在差异。研究表明，黑曲霉在不同培养基中代谢类型和产有机酸的种类和含量都不相同。因此，筛选合适的培养基，增强黑曲霉的产酸能力和产酸量是提高浸提率的关键所在。本发明选取pda(马铃薯蔗糖培养基)、psa(马铃薯葡萄糖培养基)、dox(察氏培养基)、pcs(葡萄糖玉米浆培养基)作为候选培养基进行浸提培养基的筛选。
如本发明的实施例所示，dox最为适合黑曲霉的酸化驯化。
如本发明的一个优选的技术方案，在第二步驯化阶段时，将上一阶段驯化的冻存菌液在培养基中复壮后收集孢子，制成od600＝0.1的孢子悬液，作为接种菌液。首先配制低浓度(1％)的灰浆培养基，种子液接种灰浆培养基。待细菌生长后收集孢子，制成孢子悬液继续接种较高浓度的灰浆培养基，直至细菌能在10％的灰浆培养基中稳定生长为止。
值得指出的是，本发明所指的步骤(1)的预处理和步骤(2)至步骤(3)的驯化处理，并非是严格的先后关系。事实上，所述的预处理和两部驯化处理可以同步进行，或者先进行驯化处理，再进行预处理。
本发明创造性的而利用水热方法，在高温高压条件下利用naoh为激发剂对粉煤灰进行预处理，然后通过对黑曲霉的驯化，获得了一种高效从粉煤灰中提取ti、ga、sr、zr、ba等稀有贵重金属的方法。
本发明克服了传统固废回收金属工艺的诸多缺陷，没有复杂的工艺流程，浸提过程简单可控。不需要使用大量的化学试剂及能源，对设备的要求也不高，即经济又环境友好。
通过对本发明所得的技术效果的分析，发明人认为：本发明基于水热条件下的高温高压碱预处理粉煤灰，能有效破坏粉煤灰致密的表面结构。使其中包裹的金属及其化合物暴露出来，增加了粉煤灰中金属及其化合物与微生物及其代谢物接触的机会；本发明采用预处理再结合微生物浸提的方法，大大提高了粉煤灰中ti、ga、sr、zr、ba五种金属的浸出效果；作为对照，常规的、将粉煤灰的ph降低的处理方法，难以增加对本发明所述稀有贵重金属的提取，对于bi等而言，还会抑制其提取效率。
本发明的有益效果：
(1)本发明能显著提高ti、ga、sr、zr、ba这5种金属的浸提率。就ti金属而言，没有经过预处理的最大生物浸提率仅8.36％，经碱活化预处理后最大生物浸提率提高至97.5％；ga的浸提率由原来的39.4％提高71.7％；金属sr和金属zr的浸提率由18.1％、12.5％分别提高至72.4％、87.0％。
(2)本发明避免了有机试剂的大量使用，环境友好；
(3)本发明整个工艺无需太高温度，易于实施和操控。
附图说明
图1为粉煤灰sem电镜图；其中，a、b为未预处理前的粉煤灰；c、d为高温高压碱处理(即本发明处理)粉煤灰；e、f为高温高压酸处理粉煤灰；
图2为黑曲霉在dox培养基的生长情况；其中，a、b为固体培养基，c、d为液体培养基；
图3为驯化后黑曲霉生长曲线，本生长曲线利用生物量-菌丝称重法进行测定；
图4为酸驯化黑曲霉时利用不同培养基的ph变化规律结果图；
图5为酸驯化黑曲霉时，在不同培养基中产有机酸的含量结果图；
图6为不同处理方法对于ti、ga、sr、zr、ba和bi最大生物浸提率的结果图；
图7为不同处理方法对于同一金属的生物浸出率变化规律曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
下述实施例所用黑曲霉(aspergillusnigerdsm11167)，购于北京北纳创联生物技术研究院。
实施例1
粉煤灰预处理具体操作步骤：
(1)粉煤灰的预处理分别选用4mol/l的naoh(碱性激发剂)和饱和na2so4(酸性激发剂)作为激发剂。
(2)在200ml中的水热预处理条件下的高温高压反应釜中加入适量粉煤灰，分别加入酸碱激发剂适量。反应总体积为70％。反应温度150℃，体系压强为0.476mpa，反应24h取出。
(3)过滤多余水分，并用去离子水反复冲洗，除去高浓度的na+。总用水量按每100g灰样用2l去离子水计。
(4)预处理结束后的灰样制成硅片标本及压片后分别进行sem、xrf检测。
表1粉煤灰的化学组成
实施例2
浸提培养基的筛选及产酸能力驯化
(1)候选培养基的配方如下：
pda：取新鲜土豆200.0g，经削皮、切片后煮沸30.0min，用双层纱布过滤去除土豆渣，往过滤液中加入葡萄糖20.0g，再加入双蒸水至总体积为1.0l，搅拌混匀，ph自然，在121℃条件下高压灭菌20.0min。
psa：取新鲜土豆200.0g，经削皮、切片后煮沸30.0min，用双层纱布过滤去除土豆渣，往过滤液中加入蔗糖20.0g，再加入双蒸水至总体积为1.0l，搅拌混匀，ph自然，在121℃条件下高压灭菌20.0min。
dox：nano33.0g、k2hpo41.0g、kcl0.5g、mgso4.7h2o0.5.0g、feso40.01g、蔗糖30.0g、琼脂15.0-20.0g、蒸馏水1000.0ml、ph7.3±0.2。
pcs：取玉米粉10.0g煮沸30.0min，用双层纱布过滤，收集过滤液，往滤液中加入葡萄糖30.0g、酵母提取物1.0g、kh2po41.0g、mgso4.7h201.0g，再加入双蒸水至总体积为1.0l，搅拌混匀，ph自然，在121℃条件下高压灭菌20.0min。
(2)分别配制pda、psa、dox、pcs培养基，按1％接种量接种已驯化菌种的孢子悬液，30℃，165rpm条件下恒温培养。每天取样检测ph变化，直至ph不在降低为止。不同培养基ph值变化如图4。
(3)收集发酵液，离心，过0.45um微孔滤膜后用uplc和ic对发酵液中的草酸、柠檬酸、乙酸、苹果酸、α-酮戊二酸、琥珀酸进行定性和定量。
(4)根据图4、图5得：dox培养基的ph降幅最大，其产草酸、柠檬酸、乙酸、α-酮戊二酸的量最多。其中草酸的含量可达12.671mg/ml。故选择dox培养基作为黑曲霉浸矿培养基。
表2黑曲霉在不同培养基中产有机酸的含量
实施例3
耐受高浓度灰浆培养体系的驯化
(1)驯化培养基为察氏培养基：nano33.0g、k2hpo41.0g、kcl0.5g、mgso4.7h2o0.5g、feso40.01g、蔗糖30.0g、蒸馏水1000.0ml、ph7.3±0.2。(固体培养基加入琼脂15.0-20.0g)
(2)将冻存菌液在培养基中复壮后收集孢子，制成od600＝0.1的孢子悬液，作为接种菌液。
(5)重复步骤(4)多次，如果较高浓度的驯化培养基菌种不能存活，则降低灰浆浓度。直至菌种能稳定生长为止。
(6)如此反复多次，直至真菌能在10％灰浆浓度的培养基中稳定生长为止。收集孢子，制成孢子悬液，加入保护剂于-80℃保存，既得耐高浓度(10％)粉煤灰的黑曲霉。
(7)经过反复训化得到了能耐受10％灰浆浓度的黑曲霉种子液，且在固体(图2中的a、b)和液体(图2中的c、d)培养基中均能稳定生长。由生长曲线(图3)可知，驯化后黑曲霉在培养的第3天进入对数生长期，第5天达到生长平台期。
实施例4
微生物浸提体系的建立
(1)根据筛选结果，选择dox培养基作为浸出培养基。
(2)在500.0ml锥形瓶中装250.0ml培养基，分别称取25.0g原灰、高温高压碱活化灰、高温高压酸活化灰于培养基中，摇匀既得10％灰浆浓度的培养体系。调整ph至7.3±0.2，121℃灭菌15.0min。
(3)冷却后按5％接种量接种孢子悬液。于30℃，165rpm条件下恒温培养8d。每天取样测定金属含量、ph、生物量。蒸发的水分采用恒重法用蒸馏水补充。同时设置一组空白对照，空白组接种0.5％(v/v)的福尔马林抑菌剂(0.5％福尔马林乙醇溶液)。
(4)结果：结果表明，预处理结合生物浸出的方法能增加粉煤灰中许多金属的浸出率。其中，ti、ga、sr、zr、ba等5中种金属最具代表性。由图6可以看出，除金属bi外，高温高压酸、碱预处理法能显著提高ti、ga、sr、zr、ba的浸出率。其中，又属碱活化剂预处理的效果最为显著。就ti金属而言，没有经过预处理的最大生物浸提率仅8.36％，酸、碱活化预处理后最大生物浸提率分别提高至15.2％和97.5％。ga的浸提率也由原来的39.4％分别提高到57.6％和71.7％。金属sr和金属zr的情况大致相同，高温高压酸处理对其浸提率影响不大，碱处理时浸提率由18.1％、12.5％分别提高至72.4％、87.0％。
在为期8d的浸提周期里，金属ti的浸出规律如图7中的a所示。碱处理灰样中，随着细菌生长进入对数期，钛的浸出率也急剧增加，并在第6天达到平台期时达最大值(97.6％)；金属ga(图7中的b)的浸出规律为：三种灰样都在细菌生长的前5天发生变化，碱处理灰的浸出率高于酸处理灰和原灰，总体呈增加、不变、下降的趋势；金属sr(图7中的c)的浸出规律为：碱处理灰表现出同细菌生长相似的规律，在培养第1天后开始增加。浸出率达到65.2％后，变化不明显，第8天时达到72.4％；金属zr(图7中的d)在碱处理灰样中随着细菌的生长，浸出率逐渐增加，第7天达到最大值87.0％；ba(图7中的e)的浸出率增加集中在第1到5天之间，酸、碱灰样的最大浸出率分别为29％、45.6％；金属bi(图7中的f)则表现出不同的变化规律，在培养的前5天，酸、碱预处理反而使得bi的浸出率低于原灰的浸出率。原灰、碱处理灰、酸处理灰最大浸出率分别86.6％、60.9％、43.0％。