污泥洁净化与再生利用新技术—微生物淋滤技术VIP免费

污泥洁净化与再生利用新技术—微生物淋滤技术周立祥周顺桂（南京农业大学资源环境学院废弃物研究所）污水污泥是指污水处理厂在净化污水过程中产生的沉淀物，它虽然含有大量的有机质及氮、磷等植物养分，但也富集了污水中50%至80%的重金属。据报道，我国多数城市污泥中重金属含量可达数百至数千mg/kg[1]。目前，污泥的处置方式主要有填埋、焚烧、投海和土地利用等。基于处置费用和废物资源化角度考虑，污泥农业利用被认为是最具吸引力的、可持续的污泥处置方法[2]。然而，污泥中较多重金属始终是污泥安全农用的限制因子[3]。因此，降低或去除污泥中的重金属显得非常重要和迫切。利用无机酸或有机络合剂如H2SO4、HNO3、HCl、EDTA等处理污泥以溶解和浸提重金属的化学浸提法，虽能在短时间内大幅度去除重金属，但耗酸量大、处理费用高、操作不便，使其难以付诸于工程实际。而起源于微生物湿法冶金的生物淋滤法（Bioleaching）因耗酸极少、运行成本低、重金属去除效率高、实用性强等具有许多化学浸提法不可替代的优点而越来越受到关注[4]。生物淋滤法是指利用自然界中一些微生物的直接作用或其代谢产物的间接作用，产生氧化、还原、络合、吸附或溶解作用，将固相中某些不溶性成分（如重金属、硫及其它金属）分离浸提出来的一种技术。它应用于难浸提矿石或贫矿中金属的溶出与回收又称微生物湿法冶金（biohydrometallurgy）。20纪50年代美国就开始利用生物淋滤法浸出铜矿、60年代加拿大浸出铀矿，以及80年代对难处理的金矿细菌氧化预处理的工业应用相继成功[5]。目前全世界，通过该法开采的铜、铀、金分别占总量15～30%、10-15%、20%[6]。它的研究和应用正扩展到环境污染治理等领域，例如，污水污泥或者其焚烧灰分中重金属去除[478]；重金属污染土壤、河流底泥的生物修复[8]；工业废弃物如粉煤灰中重金属脱毒与钛、铝、钴等贵重金属的回收[6]；煤和石油中硫的脱除[1011]等。1生物淋滤法采用的主要细菌及其生物学特性早在1670年，在西班牙的RioTinto矿山，人们就已知道从矿山浸出水中沉淀回收铜[12]。然而，直到近三百年以后，人们才知道在自然界的酸性矿水或污泥中普遍存在一群嗜酸性的无机化能自养菌[5]。目前，可用来进行生物淋滤的细菌有硫杆菌属（Thiobacillus）、铁氧化钩端螺旋菌（Leptospirillumferrooxidans）、硫化杆菌属（Sulfobacillus）、酸菌属（Acidianus）、嗜酸菌属（Acidiphilium）以及其它与硫杆菌联合生长的兼性嗜酸异养菌。其中，应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans），其次是氧化硫硫杆菌（Thiobacillusthiooxidans）和铁氧化钩端螺旋菌（Leptospirillumferrooxidans）,它们的主要生物学特征见表1[12～15]。表1生物淋滤法采用的主要细菌及其生物学特性氧化亚铁硫杆菌氧化硫硫杆菌铁氧化钩端螺旋菌细菌形状与大小杆状（0.5×1.0µ）杆状（0.5×1.0µ）螺旋状运动性＋＋＋鞭毛单一极鞭毛极鞭毛鞭毛革兰氏染色－－ND最适温度（℃）30～3528～3025～35最适pH2～31.5～2.01.5～2.0专性好氧（G+C）mol%是55～57是50～53是50～57碳源：是否以CO2的作为唯一碳是是是源氮源：NH4+－NNO3-－N*＋±＋－NDND能量：元素硫亚铁硫代硫酸钠＋＋＋＋－＋－＋－注*表示能固定空气中的氮气[16]ND表示没有数据氧化亚铁硫杆菌是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自养菌，其生物膜（Biomembrane）由外膜、肽聚糖、周质区和内膜构成[17～19]（图1）。周质区存在铁氧化酶（IronOxidase），从外界培养液跨膜运输到周质区的Fe2+离子在铁氧化酶催化下失去一个电子，这个电子经过铜蛋白、细胞色素C（Cyto.c）、色素氧化酶（Cyto.a1）最终传递给分子氧，并伴随H+和能量的吸收，这一能量使细胞内ADP（二磷酸腺苷）和Pi（无机磷）结合成ATP（三磷酸腺苷）使细菌得以生长繁殖[19]。氧化亚铁硫杆菌中的铁大部分以高铁状态与脂多糖结合[20]。另外，在酸性矿水或污泥中广泛存在的氧化硫硫杆菌也是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自养菌，但它只能通过氧化元素硫、硫代硫酸钠等还原性硫而获得能量[8]。Markosyan等首次报道在同样的酸性矿水中还存在另一种依靠亚铁的生物氧化以获得能量...