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/kg1。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1530%、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4 7 8；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10 11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Rio Tinto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（Leptospirillum ferrooxidans）、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（Thiobacillus ferrooxidans），其次是氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans） 和铁氧化钩端螺旋菌（Leptospirillum ferrooxidans）,它们的主要生物学特征见表11215。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（0.51.0）杆状（0.51.0）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（）303528302535最适pH231.52.01.52.0专性好氧（G+C）mol%是5557是5053是5057碳源：是否以CO2的作为唯一碳源是是是氮源：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1719（图1）。周质区存在铁氧化酶（Iron Oxidase），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的无机化能自养菌铁氧化钩端螺旋菌（Leptospirillum ferrooxidans）15。Helle和Onken发现在硫杆菌溶液中添加铁氧化钩端螺旋菌(L. ferrooxidans)可显著提高生物淋滤的速率21。Rawling等认为在大规模的连续搅拌池式反应器(CSTR)中, 铁氧化钩端螺旋菌(L. ferrooxidans)数量超过氧化亚铁硫杆菌（T. ferrooxidans）的主要原因是它可适应更高的氧化还原电位、温度以及对亚铁具有更高的亲合力。Eh超过690mV时，该菌对亚铁的生物氧化活性就高于氧化亚铁硫杆菌，因而在生物淋滤中的应用越来越受到重视22。这些嗜酸菌的另一个特性是能耐受高浓度的重金属离子的毒性，如Zn 120g/L、Ni 72g/L、Co 30g/L、Cu 55g/L以及160g/L的亚铁，但对有机物有一定的敏感性23。2生物淋滤法去除污泥中重金属的机理、方法与效果2.1生物淋滤重金属的机理厌氧消化污泥是国内外污泥消化的主要形式，厌氧消化污泥中重金属70%以难溶性的硫化物（Cr主要以Cr(OH)3形式）形式存在24，在氧化亚铁硫杆菌等细菌的作用下，金属硫化物变成可溶性的金属硫酸盐，通过固液分离可达到去除污泥中重金属的目的。一般认为氧化亚铁硫杆菌的溶出污泥中重金属有两种作用机理25 26：（1）直接机理：细菌通过其分泌的胞外多聚物直接吸附在污泥中金属硫化物（MS）表面，通过细胞内特有的氧化酶系统直接氧化金属硫化物，生成可溶性的硫酸盐。（2）间接机理：主要是利用氧化亚铁硫杆菌的代谢产物硫酸高铁，与金属硫化物起氧化还原作用。硫酸高铁被还原成硫酸亚铁并生成元素硫，金属以硫酸盐形式溶解出来，而亚铁又被细菌氧化成高铁，元素硫被细菌氧化生成硫酸，构成一个氧化还原的循环系统。通过生物淋滤，污泥pH下降到2.0左右，这又大大促进了污泥中重金属的溶解，其反应如下：2Fe2+1/2O2+2H+2Fe3+H2O（T. ferrooxidans、L. ferrooxidans等亚铁氧化菌）MS+2Fe3+M2+2Fe2+S 0（化学氧化）2S0+3O2+2H2O2H2SO4（T. ferrooxidans、T. thiooxidans等硫氧化菌)2.2生物淋滤法去除污泥中重金属的程序与去除效率为获得较高的重金属去除效果与缩短滞留时间，在实际应用或连续运行的工艺设计中，开始时常采用以下五个步骤27 28：（1）污泥（含固率210%）预酸化至pH4.0左右；（2）添加能量物，如FeSO47H2O（320g/L污泥）、元素硫（0.510g/L污泥）；（3）回流污泥以添加接种物（回流率在1020%，v/v），搅拌并在好气条件下培养数天至数周；（4）脱毒污泥压滤脱水；（5）脱水污泥经石灰中和后施入土地。一般来说，在连续运行的反应池中Cu、Zn、Ni、Cd、Co、Mn的去除率达80%以上，但Pb、Cr的去除率较低（见表2）。在实际工程中，气浮式反应池必须要有曝气装置，以提供好氧条件。近期我们利用从污泥中直接分离得到的特异微生物菌株组合进行了城市污泥和制革污泥生物淋滤试验获得极大成功（见表3），突出表现在重金属（包括Cr）去除率高达95%以上，污泥养分损失较小。污泥沉降性能得到极大改善，可以不加絮凝剂即可实现污泥的脱水。表2 污泥生物淋滤中重金属的去除效率底物污泥起始pH滞留时间(天)反应器种类回流率或接种量(V/V)去除率(%)参考文献CuZnCrPbNiFeSO47H2O4.010序批式5%39946698032031379826硫粉7.05序批式5%699288971941105477888硫粉7.016内圈式15%619983963446174457847FeSO47H2O4.00.75CSTR20%9294NDND6727注：CSTR表示连续搅拌池式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor)，ND表示没有数据表3 污泥生物脱毒效果（南京农业大学废弃物研究所，2002）处理重金属（mg/kg)有益成分(%)CuZnCrCdAs有机质NP城市污泥处理前481411444814.52745.62.961.46处理后72.210.830.80.031.640.32.611.23制革污泥处理前128335159001.35.454.63.030.59处理后5.84.9318n.d.n.d.48.12.850.50土壤本底值(南京)70.87662.220.180.672.3生物淋滤法去除污泥重金属的优越性与可行性生物淋滤法不仅可有效地去除污泥中重金属，而且还具有以下优越性：（1）与无机酸溶解法相比，耗酸量可节约80%28。（2）厌气消化污泥压滤脱水时，一般每吨干污泥需添加35kg聚凝剂，而经生物淋滤的污泥脱水性能比厌气消化污泥强38倍，因此脱水时不需要添加聚凝剂，这可大大节省污泥脱水成本30；（3）污泥经生物淋滤处理，可有效去除污泥中重金属，其矿质养分N、P等的损失又很小,污泥的肥料价值不受太大影响30；（4）Benmoussa等探讨了污水污泥消化与同步生物淋滤（SSDML）的可行性，发现由于污泥的生物淋滤过程中硫酸的产生，pH可很快降到并维持在pH2.02.5的范围内。这不仅可有效地去除污泥中重金属，而且对病原体、挥发性悬浮固体的降低效果与好气消化过程相近或更好，这样污泥中重金属的去除与消化可以一次完成，从而降低对能源的大量需求与运行费用7。Couillard等曾对加拿大的一个污水处理厂（日处理污水388,000M3）的污泥处置方式进行了详细的经济分析，结果发现，污泥经生物淋滤处理后土地利用的费用均低于其他所有处置方法，因此在经济上是完全可行的28。3影响生物淋滤过程中重金属去除效率的因素3.1温度温度对重金属去除效率的影响，主要是通过影响细菌的生长与增殖，进而影响到淋滤过程中污泥的酸化速率来达到的31。Tyagi等比较了硫杆菌不同温度对污泥的酸化的影响，发现在7、14、21、28、35下污泥pH降到2.0需要的时间分