微生物技術(shù)處理固體廢棄物的研究進(jìn)展

固廢網(wǎng)訊:固體廢棄物是指在人類生活和生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的失去使用價值的固態(tài)和半固態(tài)廢棄物。隨著我國科技的進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展不斷深入，城市化進(jìn)程不斷擴(kuò)大，在人民生活水平提高的同時，環(huán)境已然成為了現(xiàn)今普遍關(guān)注的社會焦點問題，其中固體廢棄物是環(huán)境污染的重要污染源之一。固體廢棄種類繁多、來源廣泛、數(shù)量巨大，其對大氣、水源、土壤和人類生活環(huán)境都造成了極大的污染影響。我國對于固體廢棄物的污染控制起步時間比國外晚，雖然隨著國家技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，對于環(huán)境保護(hù)愈發(fā)重視，近年來在固廢處理上也取得了一些進(jìn)展，但與歐美日等國家相比，我國在固體廢棄物的治理上整體水平還很低。據(jù)《2011中國環(huán)境狀況公報》，我國工業(yè)固體廢棄物 產(chǎn)生量達(dá)325 140. 6萬t，綜合利用量( 含利用往年貯存量) 為199757. 4萬t，綜合利用率為60. 5%。固體廢棄物處理的最終目標(biāo)是無害化、減量化和資 源化?，F(xiàn)今對固體廢棄物處理方法有填埋處理、 焚燒處理、粉碎處理、生物處理及各種化學(xué)方法等， 其中生物處理主要是利用微生物對固體廢棄物分解的處理技術(shù)，以其低成本、綠色環(huán)保、不會有二次污染等優(yōu)點一直以來受到許多研究者的關(guān)注。隨著研究的不斷深入，微生物處理技術(shù)也不斷成熟，在固體廢棄物處理中得到了廣泛的應(yīng)用。微生物處理技術(shù)與其他傳統(tǒng)處理工藝相結(jié)合，將為解決固體廢棄物對環(huán)境的危害和固體廢棄物的資源化利用提供一條新的途徑。

固體廢棄物組成繁雜、數(shù)量巨大，我們在控制固體廢棄物對環(huán)境的污染和資源化利用過程中需要對其進(jìn)行分類，針對不同種類的固體廢棄物采用不同的處理技術(shù)，以期達(dá)到最大的處理效益。固體廢棄物按其組成可分為有機(jī)固體廢棄物和無機(jī)固體廢棄物; 按其污染特性則可分為有害廢物和一般廢物等。在《固體廢棄物污染環(huán)境防治法》中將固體廢棄物分為城市固體廢棄物、工業(yè)固體廢棄物和有害固體廢棄物。該文根據(jù)以上分類，以涉重危廢、工業(yè)固體廢棄物這er種具有代表性的固體廢棄物為例，重點對這三種固體廢棄物的微生物處理技術(shù)的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

涉重危廢

涉重危廢是固體廢棄物中有害固廢的一類，也是固體廢棄物處置管理中需要重視的一類廢棄物。涉重危廢是涉及重金屬危險固體廢棄物的簡稱，涉重危廢( heavy metals-contained hazardous wastes) 泛指重金屬含量較高，致使其浸出濃度超過危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值的固體廢棄物。涉重危廢具有強(qiáng)烈的生物毒性，對環(huán)境有極高的危害，世界各國對涉重危廢 的監(jiān)管都極其嚴(yán)厲。2016年發(fā)布的新版《國家危險廢物名錄》中共列舉了 46大類危險廢物，其中涉重危廢占有17大類。涉重危廢來源廣、種類繁多、組成復(fù)雜，從其來源上看主要可以分為兩大類，一是社會來源，主要是失效產(chǎn)品廢棄物，包括廢舊電池和電子線路板、失效催化劑; 二是工業(yè)來源，主要是工業(yè)生產(chǎn)加工過程產(chǎn)生的廢棄物，包括電鍍污泥、酸洗廢渣、冶煉廢渣和城市垃圾焚燒飛灰等。據(jù)生態(tài)環(huán)境部門統(tǒng)計，2015年我國各類危廢產(chǎn)生量達(dá)4220萬t，據(jù)估計1500～2000 萬t為涉重危廢，其中廢舊電池、廢舊電子線路板和失效催化劑均在數(shù)十萬噸級，而酸洗廢渣、冶煉廢渣、城市垃圾焚燒飛灰高達(dá)數(shù)百萬噸級。這些數(shù)量巨大的涉重危廢含有高濃度的劇毒/有毒金屬如鎘、鉛、汞、銅、鎳、鈷、鋅、錳等。涉重危廢處置不當(dāng)可能會引發(fā)土壤大面積的重金屬污 染，涉重危廢的非法傾倒是近期頻頻發(fā)生的涉砷、涉 鉛、涉鎘等重金屬污染公害事件的直接原因，涉重危廢的處理問題已迫在眉睫。涉重危廢種類繁多，其中針對三種典型涉重危廢如鉛鋅冶煉廢渣、城市垃 圾焚燒飛灰、失效動力鋰電進(jìn)行介紹，下面是三種典型涉重危廢及其危害的具體介紹。

鉛鋅是重要的有色金屬，鉛酸蓄電池、鉛合金和鉛管等生成原料都是鉛，而鍍鋅工業(yè)、鋅基合金和鋅錳電池制備都離不開鋅。我國是世界上最主要的鉛鋅生產(chǎn)國。據(jù)統(tǒng)計，2010年我國有419. 9萬t的精鉛產(chǎn)量，占世界總量的45. 2%，而鋅錠產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的40. 5%，產(chǎn)量為516. 4萬t。然而，鉛鋅冶煉業(yè)作為有色金屬工業(yè)，是重金屬污染排放的主要源頭之一，同時也是全國重金屬污染排放大戶。

城市垃圾焚燒飛灰來源于在垃圾焚燒過程中煙道收集的固態(tài)廢物，其含有高濃度氯離子及多種重金屬和二噁英，被世界各國列為危險廢物。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全國飛灰年產(chǎn)生量有400～500萬t，其中北京市飛灰產(chǎn)量有4～5萬t?！笆濉逼陂g，全國垃圾焚燒總量超過 50%，飛灰總量將接近1000萬t; 而北京市在建/擬建的 8座垃圾焚燒發(fā)電廠也將陸續(xù)投入使用，屆時飛灰總量達(dá)到15～20 萬t。

失效動力鋰電池是涉重危廢的又一主要來源。自 1991年索尼公司商品化以來，鋰離子電池以其體積 小、質(zhì)量輕、電壓高、容量大、壽命長、無記憶等優(yōu)良 特性，在手機(jī)、手提電腦、數(shù)碼相機(jī)、便攜式攝像機(jī)等 小型家電的能源供給上有廣泛的應(yīng)用。2015年全球鋰離子電池總產(chǎn)量達(dá)到100. 75GWh，據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2015年我國鋰離子電池總產(chǎn)量達(dá)到56. 0億只。鋰離子電池的使用壽命一般為3～5年，之后便成為失效鋰離子電池進(jìn)入環(huán)境中，成為一類數(shù)量巨大的固體廢棄物。據(jù)估算， 2015年我國動力鋰電池累計報廢量將達(dá)到2～4萬t，2020年達(dá)12～17萬t。針對數(shù)量如此巨大的失效鋰電， 2016年2月國家發(fā)改委發(fā)布《電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策》來鼓勵失效動力鋰電池的階梯利用、再生利用和資源利用。鋰離子電池主要組分包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等。其中正極 材料是最有回收利用價值的，正極材料通常是鈷酸鋰( LiCoO2) 、磷酸鐵鋰( LiFePO4) 、錳酸鋰( LiMnO2) 和三元材料( LiNixCoyMn1-x-yO2) 。其中含有高濃度的有價金屬如鈷、鎳、鋰和錳，金屬總重占電池總重 25%～35%，而正極材料成本占到電池總價的40%以上。

1、生物瀝浸技術(shù)對涉重危廢中有價金屬回收的研究進(jìn)展

涉重危廢因其嚴(yán)重的環(huán)境危害特性和生態(tài)毒性，無害化處理是現(xiàn)有處置技術(shù)的主要方向。但現(xiàn)有無害化處理技術(shù)或工藝如穩(wěn)定化/固化后安全填埋工藝、水泥窯協(xié)同處置技術(shù)等不但不能完全消除 涉重危廢對環(huán)境潛在的污染風(fēng)險，而且造成了金屬資源的不可逆流失。因此，針對各類涉重危廢，回收稀貴/有價金屬，去除劇毒/有毒金屬，減低/消除脫毒殘渣的建材化利用風(fēng)險，實現(xiàn)涉重危廢的全循環(huán)、全利用和( 近) 零排放，是未來涉重危廢處理技術(shù)的發(fā)展方向。生物瀝浸是指通過特定微生物( 類群) 的直接( 接觸) 作用或其代謝活性產(chǎn)物的間接( 非接觸) 作用將固相材料中目標(biāo)金屬浸出并進(jìn)入液相的過程，該技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、綠色、節(jié)能、安全的特點，在涉重危廢的資源化利用中得到應(yīng)用和研究。從 20世紀(jì)60年代開始，美國、加拿大、 澳大利亞、智利、南非、印度等國家深入開展了低品/ 難浸礦石的生物冶金( 生物瀝浸) 技術(shù)和工藝的研究。我國生物冶金( 生物瀝浸) 技術(shù)研究在王淀佐、邱冠周院士帶領(lǐng)下取得重大突破，且在生物冶金領(lǐng)域的國際影響力得到了提升。目前，生物冶金技術(shù)已成功用于低品硫化礦中銅、鎳、鈷、鈾、金等有價金屬的浸提和回收。辛寶平課題組一直以來致力于涉重危廢生物瀝浸技術(shù)的研究，對涉重危廢中的有價金屬進(jìn)行回收循環(huán)利用，王佳在其博士 期間對4種典型涉重危廢進(jìn)行了生物瀝浸的研究，著重研究了重金屬生物瀝浸的耦合機(jī)制、浸提機(jī)理、 過程調(diào)控和效能提升，同時也研究了不同金屬溶出的化學(xué)和微生物學(xué)機(jī)制。

2、生物瀝浸技術(shù)面臨的問題

在高固液比條件下瀝浸效率低的問題。涉重危廢如廢舊電池、城市垃圾焚燒飛灰、失效催化劑等都是高堿性的氧化物或氫氧化物，因此，涉重危廢中有價金屬的生物瀝浸過程會強(qiáng)烈消耗H+，導(dǎo)致瀝液pH值居高不下，危及嗜酸自養(yǎng)菌株的生長和活性。同時涉重危廢中的高毒有機(jī)或無機(jī)物質(zhì) 如高濃度氟離子、六氟磷酸鋰等都會危及工作菌株的生長，最終可能導(dǎo)致生物瀝浸過程的停止。由于這些因素的存在，生物瀝浸技術(shù)在高固液比下對涉重危廢的處理能力大幅減低、處理成本顯著上升，這成為了該技術(shù)實際應(yīng)用的重大障礙。

運行周期長的問題。綠色、節(jié)能、低耗、安全是生物瀝浸技術(shù)的優(yōu)點， 但同時生物瀝浸技術(shù)存在抗逆差、速率低、周期長等缺點。高達(dá)幾周甚至數(shù)月之久的反應(yīng)時間大大降低了固廢處理的效率。因為瀝浸的工作菌株大多為生長緩慢的化能自養(yǎng)菌，這類菌種不能滿足涉重危廢快速浸提的需要。

工業(yè)固體廢物

工業(yè)固體廢棄物是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。工業(yè)固體廢棄物可分為冶金工業(yè)固體廢棄物、礦業(yè)固體廢棄物、石油化學(xué)工業(yè)固體廢棄 物、輕工業(yè)固體廢棄物、能源工業(yè)固體廢棄物、其他工業(yè)固體廢棄物。工業(yè)固體廢棄物按其危險性可分為一般固體廢棄物和有害固體廢棄物兩大類。一般固體廢棄物主要有高爐渣、鋼渣、赤泥、有色金 屬渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、廢石膏、脫硫灰、電石渣、鹽泥等。有害固體廢棄物如廢礦物油及含油廢物、含鉻廢物等難以被環(huán)境消化，同時對土壤、水 源和人類生活健康造成危害的廢棄物。傳統(tǒng)的工業(yè)固體廢棄物主要采用焚燒和填埋兩種方法，而這兩種處理固體廢棄物的方式會造成二次污染，處理效果不佳，并且不能很好地對工業(yè)固廢進(jìn)行資源化利用。發(fā)展新的技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)固廢無害化、資源化和減量化處理的方向。目前，有關(guān)微生物對工業(yè)固體廢棄物的實驗研究工作不少。

1、微生物技術(shù)在工業(yè)固體廢棄物上的研究現(xiàn)狀

陳立榮等研發(fā)出了微生物-土壤聯(lián)合處理廢棄鉆井液渣泥技術(shù)。該工藝在丹淺001-8井和蓮花000-X8等井進(jìn)行現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，經(jīng)歷了3個月的處理，鉆井固體廢棄物中的主要指標(biāo)COD、石油類的降解率超過 90%，浸出液指標(biāo)達(dá)到國家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級指標(biāo)要求，土壤重金屬離子濃度沒有顯著變化，各指標(biāo)均達(dá)到了國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 ( 旱地) 三級標(biāo)準(zhǔn)。

中國礦業(yè)大學(xué)畢銀麗等利用微生物對煤矸石這種固體廢棄物進(jìn)行脫硫處理。實驗采用氧化亞鐵硫桿菌和嗜酸氧化硫硫桿菌對寧夏大武口高硫煤矸石進(jìn)行微生物脫硫技術(shù)及應(yīng)用條件的研究。實驗結(jié)果表明2種脫硫細(xì)菌對煤矸石的脫硫效果顯著， 采用小粒徑煤矸石進(jìn)行微生物脫硫效果更好。該實 驗研究為煤礦廢棄物煤矸石的污染防治提供了技術(shù)依據(jù)。

含油污泥是石油工業(yè)中石油開采加工過程中產(chǎn)生的危險廢棄物。對于含油污泥的處理，大多數(shù)企業(yè)仍以填埋和焚燒為主。不過隨著法律的完善， 現(xiàn)有的處理技術(shù)無法達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)，所以開展新的研究技術(shù)是解決含油污泥處理的新途徑。有研究表明，自然狀態(tài)下，石油降解菌群在受到石油污染后的土壤中數(shù)量增多。孫正貴進(jìn)行了勝利油田某污水處理站污泥的微生物降解研究。將土著微生物和外引微生物的降解效果對比，經(jīng)過230天的實驗研究發(fā)現(xiàn)，外引微生物和土著微生物都能降低含油污泥中烴類物質(zhì)的含量，且效果顯著，兩者都為含油 污泥的微生物降解提供有效手段。該研究為微生物降解技術(shù)在含油污泥上的應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。

2、微生物處理技術(shù)存在的問題

微生物技術(shù)在工業(yè)固體廢棄物處理上尚不成熟，目前主要處于初始的研究階段，微生物技術(shù)只是工業(yè)固體廢棄處理的一小部分，如回收工業(yè)固廢物中的有毒、有價金屬，減少工業(yè)固廢中的有害成分。同時經(jīng)微生物技術(shù)脫毒后的殘渣仍屬于危廢，最后還是需要通過傳統(tǒng)的固化填埋或水泥窯協(xié)同處置進(jìn)行無害化處理。所以微生物技術(shù)處理工業(yè)固體廢棄物應(yīng)協(xié)同其他傳統(tǒng)處理技術(shù)，這樣才能實現(xiàn)工業(yè)固廢的資源化利用。

前景展望

固體廢棄物目前是我國環(huán)境污染的重要污染源之一。對固體廢棄物的無害化、減量化、資源化處理是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會不可或缺的一步。固體廢棄物傳統(tǒng)的處理方法如填埋、堆放和焚燒處理不僅沒有達(dá)到理想的處理效果而且會造成二次污染。因此，近年來采用微生物處理技術(shù)引起了 廣大科研學(xué)者的重視。微生物技術(shù)在處理固體廢棄物過程中以其低成本、綠色環(huán)保、不會有二次污染等優(yōu)點受到大量研究和推廣，尤其是在城市生活垃圾的處理上。

微生物技術(shù)也有其不足之處，如反應(yīng)速度慢、對某些固體廢棄物難以降解。從目前國內(nèi)外微生物技術(shù)處理固體廢棄物的發(fā)展?fàn)顩r看，該技術(shù)得到了較大發(fā)展，但仍處于研究的初始階段，工業(yè)化程度不高。盡管如此，微生物處理技術(shù)憑借傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)越性和安全性，在固體廢棄物處理 過程中發(fā)揮越來越大的作用。相信隨著對微生物處理技術(shù)研究的深入，其在固體廢棄物處理上存在的問題會得到解決。

原標(biāo)題:【行業(yè)前沿】微生物技術(shù)處理固體廢棄物的研究進(jìn)展