嗜酸氧化亞鐵硫桿菌處理線路板行業(yè)污泥的無害化

李東明，白建峰*，張承龍，戴　玨，苑文儀，鄧明強，毛文雄，王景偉（.上海第二工業(yè)大學電子廢棄物資源化產學研合作開發(fā)中心，上海 009；.森藍環(huán)保（上海）有限公司，上海 004；.惠州市雄越環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 惠州 56000）

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌處理線路板行業(yè)污泥的無害化

李東明1，白建峰1*，張承龍1，戴玨1，苑文儀1，鄧明強2，毛文雄3，王景偉1（1.上海第二工業(yè)大學電子廢棄
物資源化產學研合作開發(fā)中心，上海 201209；2.森藍環(huán)保（上海）有限公司，上海 201204；3.惠州市雄越環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 惠州 516000）

研究了一株用于浸出線路板中Cu的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans簡稱：A.f菌）在高固液比下無害化處理線路板污泥的影響.實驗以A.f菌為原始菌種，通過周期性的馴化培養(yǎng)，在不同的浸出條件下探究了生物浸出時間、培養(yǎng)基pH值、菌種馴化周期、固液比和硫酸亞鐵濃度等因素對A.f菌浸出線路板行業(yè)污泥中有價金屬的影響.結果表明：當固液比高于1：20時，溶液中高濃度的重金屬對微生物浸出有抑制作用，但通過連續(xù)的馴化培養(yǎng)可以提高菌種的耐受性，在FeSO4·7H2O投加量為60g/L、9k培養(yǎng)基初始pH為0.5、浸出時間為6d、固液比為1：10的條件下，Cu、Ni和Zn的浸出率可達：78%、53%和74%.

嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌；線路板行業(yè)；污泥；生物瀝濾；重金屬

電子行業(yè)近年來在中國發(fā)展迅速，由于電子行業(yè)在生產和回收等環(huán)節(jié)中會產生有機污染物（如多溴聯(lián)苯醚、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和二等）和重金屬污染物（如 Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr等），所以近年來電子行業(yè)的污染問題也越來越受到人們的關注［1-2］.印制線路板在電子行業(yè)中有著廣泛的應用，然而生產過程中由于酸洗、蝕刻和清洗等工藝會產生大量的含 Cu、Ni污水，其中的重金屬最終則會轉移到污泥中.此類含金屬污泥被2008年8月1日起實行的國家危險廢棄物名錄（環(huán)境保護部第 1號令）列為危險廢物，潛在污染性大，但同時又蘊含著豐富的物質資源.如果不經過處理隨意堆放，不僅會對周圍環(huán)境造成污染，也浪費了大量的金屬資源［3］.

近年來，由于微生物的環(huán)境友好性，微生物法處理含金屬廢物成為研究熱點.其中嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans，以下簡稱A.f菌）是應用較為廣泛的菌種之一，目前已廣泛應用于礦山冶金［4］、廢舊PCB板［5］、廢舊電池［6］、電子廢料［7］處理等行業(yè).而對于含金屬污泥的微生物浸出技術的研究還處于探索階段.國內有學者曾經報道過生物瀝濾技術應用于市政污泥、厭氧消化污泥和制革污泥中的處理［8-10］.國外也有生物瀝濾技術應用于生活污泥和電鍍污泥中的相關報道［11-14］.然而這些研究主要針對的是市政污泥和低固液比浸出條件下的工業(yè)污泥，由于高濃度的重金屬對微生物的生長有抑制作用［15］，而對于在高濃度重金屬環(huán)境中，微生物法處理含金屬污泥的研究則較少.如果在較高的固液比下，微生物可以有效的浸出含金屬污泥中的金屬，把危險廢物變成普通廢物，將大大降低此類污泥的處置成本，同時也節(jié)約了資源.

本課題組前期從江西某銅礦堆旁的土壤中篩選出一株A.f菌，并將其應用到PCB覆銅板的微生物浸出中，取得了良好的效果［16］.本研究從微生物浸出覆銅板的溶液中，選擇性的馴化了一株耐高濃度重金屬的 A.f菌（Cu2+的耐受性達5g/L以上），并通過連續(xù)的周期培養(yǎng)，探究了該技術處理線路板行業(yè)污泥的實驗效果.以期為今后該技術的進一步研究和應用提供一定的技術支持.

1　材料與方法

1.1含金屬污泥的來源

實驗樣品來自廣東省惠州市某印刷線路板企業(yè)生產過程產生的含重金屬污泥（含水率約為81%）.污泥的主要化學成分見表1.

表1　污泥中主要重金屬的含量Table 1　The concentration of heavy metals in sludge

根據《農用污泥中污染物控制標準 GB 4284-84》［17］中的規(guī)定，該污泥中的 Cu、Ni和Zn均超過了污泥農用的標準，同時有研究表明A.f菌的代謝受Cr的影響較大［21］，所以本實驗主要對污泥中Cu、Zn、Ni和Cr四種金屬進行了研究.

樣品處理：污泥在室外自然曬干后，研磨均勻，過60目篩備用.

1.2A.f菌的選擇

研究所用A.f菌是從江西德興銅礦堆放礦石尾礦的土壤中分離得到的.本課題組前期利用該菌種用于浸出線路板中的銅等多種金屬，浸出效果明顯［16］.在微生物浸出線路板過程中，選擇性地馴化了一株耐受高濃度重金屬效果較好的菌種作為初始接種液.吸取 5mL該菌液接種于100mL9K培養(yǎng)基中，置于 29℃恒溫搖床中擴大培養(yǎng)5d，然后轉接到新鮮培養(yǎng)基中.如此循環(huán)3次后得到的活化菌種為備用菌液.

1.3生物瀝濾含重金屬污泥試驗

A.f菌作用于含重金屬污泥受多種物理、化學和生物因素的影響［18］，如污泥性質、浸出時間、固液比、起始pH值、硫酸亞鐵濃度和ORP等.為了探究微生物法處理含重金屬污泥的實驗效果，研究這些因素對生物瀝濾的影響非常有必要.

1.3.1固液比對浸出率的影響試驗分別稱取0.5，1.0，2.5，5g的干污泥于100mL錐形瓶后，加入45mL用硫酸調節(jié)pH值的9K培養(yǎng)基（初始pH值為2.0、FeSO4·7H2O濃度為40g/L），接種5mL菌液，在28℃、160r/mim的搖床上培養(yǎng).培養(yǎng)過程中隔天測pH值并采樣，采樣時取0.5mL上清液定容到50mL后測各類金屬濃度.每次取樣后稱重補水，另設不接種和不加污泥的對照組，每組平行3次.

1.3.2馴化周期對浸出率的影響試驗取 5g干污泥于100mL錐形瓶中，加入45mL用硫酸調節(jié) pH值的 9K培養(yǎng)基（初始 pH值為 0.5、FeSO4·7H2O濃度為 40g/L）.然后將備用菌液以10%的接種量接種到培養(yǎng)基中，震蕩培養(yǎng)，同法繼續(xù)進行4次馴化培養(yǎng)，第2代接種液為第1次培養(yǎng)體系6d后的混合液，如此循環(huán).培養(yǎng)期間測pH值變化和6d后Cu、Zn、Ni和Cr等金屬的浸出率.

1.3.3浸出條件的影響及優(yōu)化在固液比為1：10、菌種馴化5代、9K培養(yǎng)基的初始pH值為0.5的條件下，考察了FeSO4·7H2O投加量對重金屬浸出率的影響.見表（2）在固液比為1：10、菌種馴化5代、FeSO4·7H2O投加量為40g/L的條件下，考察了9K培養(yǎng)基的初始pH值對重金屬浸出率的影響.

由于污泥具有一定的堿性，實驗中采取預先調節(jié)培養(yǎng)基pH值，再與污泥混合的方法，以獲得適合A.f菌生長的pH環(huán)境.

1.4測量方法

pH：搖瓶搖勻后用玻璃電極法（賽多利斯PB-10pH計）測pH值.

污泥重金屬含量：取1g干污泥樣品于50mL試管中，加入10mL王水，在90℃的數(shù)顯恒溫水浴鍋中消解3h后過濾定容，用去離子水稀釋50倍后，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES，Thermo，A-6300）測各類金屬濃度.

溶液中重金屬濃度：將搖瓶靜置2h后，取上清液0.5mL稀釋定容到50mL后，利用ICP-AES測各類金屬濃度.

2　結果與討論

2.1固液比對浸出率的影響

有研究表明，利用A.f菌處理含固量為3%的含銅污泥，15d后的Ni、Cr和Cu的浸出率高達92.8%、85%和96.8%.但耗時久是制約其大規(guī)模應用的主要因素［19］.出于對工程應用效率問題的考慮，實驗選取了 6d作為控制點，考察了高濃度重金屬對生物瀝濾效果的影響.

圖1反映了生物瀝濾6d后金屬浸出率隨固液比的變化.從圖 1中看出，隨著固液比的增大，Cu和Ni浸出率從90%降低到10%以下；Zn的浸出率則從90%降低到60%以下；Cr的浸出率則從50%降低到10%以下.這說明了隨著固液比的增大，溶液中重金屬濃度增大，對微生物的生長有明顯的抑制作用.在生物浸出過程中 A.f菌浸出污泥中的重金屬通過直接、間接二方面作用，見式（1），（2），（3）.直接作用是微生物將污泥中的金屬硫化物等物質直接氧化成金屬硫酸鹽而使金屬溶出.

間接作用是A.f菌通過自生的代謝將培養(yǎng)基中的 Fe2+氧化成為Fe3+，然后 Fe3+將金屬硫化物等物質氧化成為金屬硫酸鹽浸出，同時產生 H+，同時 Fe3+的水解作用也會伴隨 H+的產生，導致pH值降低，使浸出速度加快［20］.

根據間接作用機理，當高濃度的重金屬對微生物代謝產生抑制作用后，反應（2）會受到抑制，體系的鐵氧化速率會降低，pH值下降速度減緩甚至上升，金屬的浸出率下降.

圖1　不同固液比下重金屬的浸出率Fig.1　The leaching rates of heavy metals under the different solid-liquid ratio

謝鑫源等［21］的研究結果也表明：當溶液中Ni2+、Cr3+、Cu2+和Zn2+的濃度大于30、0.1、2.5 和30g/L時，會對A.f菌的活性產生抑制作用.而試驗測得固液比為 1：100的生物瀝濾體系，6d后Cu2+濃度已達 3.5g/L.所以固液比的增加會抑制重金屬的瀝濾效果.

2.2馴化世代周期對浸出率的影響

初步研究表明，高濃度的重金屬含量對微生物的生長有抑制作用.本實驗在固液比為1：10的條件下，對試驗菌種進行了連續(xù)5個世代的馴化和觀察，探究了耐高濃度重金屬菌種的馴化效果.

圖2　不同馴化周期下pH隨時間的變化Fig.2　The change of pH with time under the different acclimation periods

圖2反映了5個馴化周期中，瀝濾體系pH值隨時間的變化.馴化體系的起始 pH值均為 2.5.接種第一代菌種后，pH值先上升，2d后達到 3.8并保持不變；接種第二代菌種的生物瀝濾開始后，pH值先上升，2d后到達最高點4.4后緩慢下降，8d后到達3.8；接種第三代、第四代和第五代的菌種后，馴化體系pH先上升，2d后上升到最高點3.8左右，后持續(xù)下降，在8d后下分別降到3.4、3.0和2.8.

馴化起到了篩選耐堿性和重金屬環(huán)境A.f菌的作用［22］.馴化過程一方面增加了接種液中 A.f菌的濃度，另一方面縮短了微生物代謝處于遲緩期的時間.上述二方面作用加速了 A.f菌的代謝啟動速度，根據間接作用機理，A.f菌的代謝會增加溶液中H+的濃度，使pH值逐漸降低.

圖3　不同馴化周期下重金屬浸出率的變化Fig.3　The leaching rates of heavy metals under thedifferent acclimation periods

圖3反映了5個馴化周期中，瀝濾體系重金屬浸出率的變化.結果表明，Cr、Cu、Ni和Zn的浸出率隨著馴化周期的增加而增大.經過5個周期的連續(xù)馴化，污泥中Cr、 Cu、Ni、和Zn的浸出率分別從3%、17%、34%和12%提高到了8%、71%、65%和78%.

浸出率的增加同樣反應了微生物代謝活動的增強.隨著馴化世代周期的增多，瀝濾體系中金屬的浸出率不斷增加.這可能是由于菌種對重金屬環(huán)境耐受性的提高，也可能是馴化作用縮短了生長周期中處于遲緩期的時間，加快了微生物的代謝速度所導致的結果.

2.3FeSO4·7H2O添加量對浸出率的影響

圖4反映了不同F(xiàn)eSO4·7H2O添加量下，瀝濾過程pH值的變化.瀝濾開始后FeSO4·7H2O投加量為10，20，30g/L的情況下pH值在6d內呈現(xiàn)先上升后保持平穩(wěn)的規(guī)律；FeSO4·7H2O濃度為40，60，80，100g/L的情況下pH值在6d內則呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律.并且隨著 FeSO4·7H2O濃度的增大，下降趨勢越明顯.

瀝濾過程中pH值的變化是微生物代謝和化學反應綜合作用的結果［15］.由于污泥本身具有堿性，所以在瀝濾過程中發(fā)生微生物反應的同時，還會伴隨著酸堿中和等化學反應.一方面代謝的間接作用產生H+，另一方面堿性物質的產生和釋放起到了緩沖pH的作用.所以當FeSO4·7H2O濃度較低時，底物不足，微生物代謝緩慢，化學反應占主導，pH值緩慢上升.當?shù)孜餄舛茸銐?，生物作用占主導時，pH值開始下降.

圖4　不同F(xiàn)eSO4·7H2O濃度下pH隨時間的變化Fig.4　The change of pH with time under the different concentration of FeSO4·7H2O

圖5反映了不同F(xiàn)eSO4·7H2O濃度下，瀝濾過程中金屬浸出率的變化.通過對 6d后金屬浸出率的觀察，Cu、Ni和 Zn的浸出率在FeSO4·7H2O濃度低于60g/L時，隨著亞鐵濃度的增加，浸出率不斷上升，而當亞鐵濃度繼續(xù)增大時，Cu和Zn的浸出率基本保持不變，而Ni的浸出率反而下降，Cr的浸出率則保持在 10%以下.這說明過高的 Fe2+濃度反而會抑制 Ni的浸出.綜合考慮選擇60g/L的FeSO4·7H2O投加量作為浸出控制參數(shù)較適宜.

底物濃度充足時，生物作用占主導地位，pH值降低，嗜酸性的環(huán)境加速了 A.f菌瀝出污泥中的重金屬.而過量的Fe2+在A.f菌的催化作用下和溶液中的K、（NH4）2SO4等轉化為黃鉀鐵礬類沉淀，吸附在污泥顆粒表面，抑制了重金屬的浸出［23］.同時，F(xiàn)e2+轉化為 Fe3+后，絮凝作用增加了吸附和共沉等作用的幾率，使溶出的重金屬又沉淀到固相中.

圖5　不同F(xiàn)eSO4·7H2O濃度下重金屬浸出率Fig.5　The leaching rates of heavy metals under the different concentration of FeSO4·7H2O

2.4培養(yǎng)基初始pH對浸出率的影響

圖6　不同初始pH值的瀝濾體系pH值的變化Fig.6　pH changes in the bioleaching system at different original pH of 9K medium

圖6反映了使用不同pH值的9K培養(yǎng)基進行生物瀝濾，瀝濾體系pH值的變化.從圖中可以看出四種瀝濾體系在生物瀝濾開始后，均遵循先上升后下降的趨勢.但使用初始pH低的9K培養(yǎng)基較初始pH高的瀝濾體系，其下降速度更快.

圖7反映了使用了不同pH值9K培養(yǎng)基的瀝濾體系，浸出率隨時間的變化.隨著浸出時間的增加，使用pH值為0.25和0.5的9K培養(yǎng)基的瀝濾體系，啟動速度快，6d內Cu、Ni和Zn浸出率隨時間的增加而增加.而 Cr只有使用了 pH值為0.25的培養(yǎng)基的瀝濾體系浸出率不斷上升.這和周立祥的研究結果一致，Cr的浸出需要瀝濾反應體系的pH值下降到臨界點2.0以下，Cr才會大量浸出［8］.

由于PCB污泥呈堿性，瀝濾體系在反應初期，培養(yǎng)基中的H+和污泥釋放出的堿性物質迅速反應中和.所以適當增加預酸化的酸用量可以中和污泥中的堿性物質，使瀝濾體系處于弱酸性環(huán)境中，促使 A.f菌大量增值，并通過直接和間接作用使污泥中的重金屬進一步瀝出.如果培養(yǎng)基中的酸性物質不足，瀝濾體系反應初期的 pH值處于中性或者堿性，生物作用代謝緩慢，金屬瀝出率低.瀝出的重金屬可能重新沉淀，瀝出率表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢.

圖7　不同初始pH值的瀝濾體系Cu、Ni、Zn、Cr的浸出率Fig.7　Leaching rate of copper，nickel，zinc and chrome leaching rate in bioleaching system at different original pH of 9K medium

圖8反映了使用pH值為0.25和0.5的9k培養(yǎng)基進行生物瀝濾，浸出率隨時間的變化.Cr、Cu、Ni和Zn的6d浸出率分別為：65%、76%、 80%、77%和2%、78%、53%、74%.重金屬的溶解主要受pH值變化支配，且不同的重金屬受pH的影響程度不同. Cr的浸出率差異是由于pH值為0.5的溶液pH值沒有達到Cr的浸出限［8］.Fe的浸出率差異是由于pH值升高導致了Fe3+的沉淀.pH值為0.5的利率體系較0.25實現(xiàn)了選擇性浸出，而這對于后續(xù)的進一步回收是有利的［24］.

圖8　使用pH為0.25和0.5的9K培養(yǎng)基的瀝濾體系重金屬的浸出率Fig.8　The leaching rates of heavy metals in bioleaching system used pH value of 0.5 in 9K medium

3　結論

3.1當固液比高于 1：20時，溶液中高濃度的重金屬對微生物浸出有明顯的抑制作用.

3.2馴化 5個周期后獲得的菌液，對固液比為1：10的線路板污泥中Cr、Cu、Ni和Zn的浸出率，較沒有經過馴化處理的菌液分別提高了5%、54%、34%和66%.可見，通過連續(xù)的馴化培養(yǎng)，可以提高A.f菌對高濃度重金屬的耐受性.

3.3采用pH值為0.25和pH值為0.5的9K培養(yǎng)基，生物瀝濾體系啟動速度快，浸出率高，但 pH值為0.5的瀝濾組可以實現(xiàn)有價金屬Cu、Ni、Zn和Cr、Fe的選擇性浸出，且用酸量較少.綜合考慮，pH值為0.5的起始9K培養(yǎng)基更適合實際應用.

3.4A.f菌處理固液比為 1：10的線路板行業(yè)污泥，在最優(yōu)的浸出條件（FeSO4·7H2O投加量60g/L、9K培養(yǎng)基pH值為0.5、浸出時間6d）下Cr、Cu、Ni和Zn的浸出率可達：5%、76%、74% 和72%.

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Harmless research of printed circuit board sludge by Acidithiobacillus ferrooxidans.

LI Dong-ming1，BAI Jian-feng1*，ZHANG Cheng-long1，DAI Jue1，Yuan Wen-yi1，DENG Ming-qiang2，MAO Wen-xiong3，WANG Jing-wei1（1.Shanghai Second Polytechnic University，Shanghai 201209；2.Senlan Environmental Protection （Shanghai） Coperation Limited，Shanghai 201204；3.Huizhou Xiongyue Environmental Protection Science and Technology Coperation Limited，Huizhou 516000）.

China Environmental Science，2015，35（7）：2079～2086

The sludge from printed circuit board （PCB） industry was treated harmlessly by the bioleaching method. In the experiment，Acidithiobacillus ferrooxidans （hereafter abbreviated as A.f），which was selected from the copper mine，was used in the bioleaching process. For the original state of the strain，the effect of leaching time，pH value，acclimation period，solid-to-liquid ratio，concentration of ferrous sulfate on bioleaching valuable metals from the sludge were investigated. The results showed that high concentrations of heavy metals in the solution would inhibit the leaching rate of metals by the strain when the solid-to-liquid ratio exceeded 1：20. But the tolerance of the strain could enhance through the continuous acclimation. With a five cycles of continuous domestication for the strain in the bioleaching solution，the ability of the strain leaching metals from the sludge was improved significantly. Leaching rates of Cu，Ni and Zn from the sludge could reach 78%，53% and 74% respectively under the optical conditions，which were FeSO4?7H20concentration of 60g/L，pH value of 0.5，extraction time of 6days，ratio of solid-to-liquid of 1：10in 9K medium. So the environmentally friendly method would provide support for the PCB industry.

Acidithiobacillus ferrooxidans；PCB industry；sludge；bioleaching；heavy metals

X705

A

1000-6923（2015）07-2079-08

2014-12-12

國家自然科學基金項目（21307080）；上海張江重點項目（201310PDJQB2006）；校重點學科建設項目（XXKYS1404）

* 責任作者，副教授，jfbai@sspu.edu.cn

李東明（1990-），男，安徽滁州人，上海第二工業(yè)大學碩士研究生，主要從事廢棄物資源化處理與處置方面的研究工作.