关注 | 微生物技术处理固体废弃物的研究进展
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固体废弃物目前是我国环境污染的重要污染源之一。对固体废弃物的无害化、减量化、资源化处理是建设资源节约型、环境友好型社会不可或缺的一步。固体废弃物传统的处理方法如填埋、堆放和焚烧处理不仅没有达到理想的处理效果而且会造成二次污染。因此，近年来采用微生物处理技术引起了广大科研学者的重视。微生物技术在处理固体废弃物过程中以其低成本、绿色环保、不会有二次污染等优点受到大量研究和推广，尤其是在城市生活垃圾的处理上。
来源：中环协工业固废危废专委会
固体废弃物是指在人类生活和生产活动中产生的失去使用价值的固态和半固态废弃物。随着我国科技的进步，工业发展不断深入，城市化进程不断扩大，在人民生活水平提高的同时，环境已然成为了现今普遍关注的社会焦点问题，其中固体废弃物是环境污染的重要污染源之一。固体废弃种类繁多、来源广泛、数量巨大，其对大气、水源、土壤和人类生活环境都造成了极大的污染影响。我国对于固体废弃物的污染控制起步时间比国外晚，虽然随着国家技术发展的进步，对于环境保护愈发重视，近年来在固废处理上也取得了一些进展，但与欧美日等国家相比，我国在固体废弃物的治理上整体水平还很低。据《2011中国环境状况公报》，我国工业固体废弃物产生量达325140.6万t，综合利用量( 含利用往年贮存量) 为199757.4万t，综合利用率为60.5%。固体废弃物处理的最终目标是无害化、减量化和资源化。现今对固体废弃物处理方法有填埋处理、 焚烧处理、粉碎处理、生物处理及各种化学方法等， 其中生物处理主要是利用微生物对固体废弃物分解的处理技术，以其低成本、绿色环保、不会有二次污染等优点一直以来受到许多研究者的关注。随着研究的不断深入，微生物处理技术也不断成熟，在固体废弃物处理中得到了广泛的应用。微生物处理技术与其他传统处理工艺相结合，将为解决固体废弃物对环境的危害和固体废弃物的资源化利用提供一条新的途径。
固体废弃物组成繁杂、数量巨大，我们在控制固体废弃物对环境的污染和资源化利用过程中需要对其进行分类，针对不同种类的固体废弃物采用不同的处理技术，以期达到最大的处理效益。固体废弃物按其组成可分为有机固体废弃物和无机固体废弃物; 按其污染特性则可分为有害废物和一般废物等。在《固体废弃物污染环境防治法》中将固体废弃物分为城市固体废弃物、工业固体废弃物和有害固体废弃物。该文根据以上分类，以涉重危废、工业固体废弃物这两种具有代表性的固体废弃物为例，重点对这三种固体废弃物的微生物处理技术的应用和研究进展进行综述。
涉重危废是固体废弃物中有害固废的一类，也是固体废弃物处置管理中需要重视的一类废弃物。涉重危废是涉及重金属危险固体废弃物的简称，涉重危废( heavy metals-contained hazardous wastes) 泛指重金属含量较高，致使其浸出浓度超过危险废物鉴别标准值的固体废弃物。涉重危废具有强烈的生物毒性，对环境有极高的危害，世界各国对涉重危废的监管都极其严厉。2016年发布的新版《国家危险废物名录》中共列举了46大类危险废物，其中涉重危废占有17大类。涉重危废来源广、种类繁多、组成复杂，从其来源上看主要可以分为两大类，一是社会来源，主要是失效产品废弃物，包括废旧电池和电子线路板、失效催化剂; 二是工业来源，主要是工业生产加工过程产生的废弃物，包括电镀污泥、酸洗废渣、冶炼废渣和城市垃圾焚烧飞灰等。据生态环境部门统计，2015年我国各类危废产生量达4220万t，据估计1500～2000 万t为涉重危废，其中废旧电池、废旧电子线路板和失效催化剂均在数十万吨级，而酸洗废渣、冶炼废渣、城市垃圾焚烧飞灰高达数百万吨级。这些数量巨大的涉重危废含有高浓度的剧毒/有毒金属如镉、铅、汞、铜、镍、钴、锌、锰等。涉重危废处置不当可能会引发土壤大面积的重金属污染，涉重危废的非法倾倒是近期频频发生的涉砷、涉铅、涉镉等重金属污染公害事件的直接原因，涉重危废的处理问题已迫在眉睫。涉重危废种类繁多，其中针对三种典型涉重危废如铅锌冶炼废渣、城市垃圾焚烧飞灰、失效动力锂电进行介绍，下面是三种典型涉重危废及其危害的具体介绍。
铅锌是重要的有色金属，铅酸蓄电池、铅合金和铅管等生成原料都是铅，而镀锌工业、锌基合金和锌锰电池制备都离不开锌。我国是世界上最主要的铅锌生产国。据统计，2010年我国有419.9万t的精铅产量，占世界总量的45. 2%，而锌锭产量占世界总产量的40.5%，产量为516.4万t。然而，铅锌冶炼业作为有色金属工业，是重金属污染排放的主要源头之一，同时也是全国重金属污染排放大户。
城市垃圾焚烧飞灰来源于在垃圾焚烧过程中烟道收集的固态废物，其含有高浓度氯离子及多种重金属和二噁英，被世界各国列为危险废物。有关数据显示，全国飞灰年产生量有400～500万t，其中北京市飞灰产量有4～5万t。“十三五”期间，全国垃圾焚烧总量超过 50%，飞灰总量将接近1000万t；而北京市在建/拟建的8座垃圾焚烧发电厂也将陆续投入使用，届时飞灰总量达到15～20 万t。
失效动力锂电池是涉重危废的又一主要来源。自1991年索尼公司商品化以来，锂离子电池以其体积小、质量轻、电压高、容量大、寿命长、无记忆等优良特性，在手机、手提电脑、数码相机、便携式摄像机等小型家电的能源供给上有广泛的应用。2015年全球锂离子电池总产量达到100.75GWh，据国家统计局公布的数据，2015年我国锂离子电池总产量达到56.0亿只。锂离子电池的使用寿命一般为3～5年，之后便成为失效锂离子电池进入环境中，成为一类数量巨大的固体废弃物。据估算， 2015年我国动力锂电池累计报废量将达到2～4万t，2020年达12～17万t。针对数量如此巨大的失效锂电， 2016年2月国家发改委发布《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》来鼓励失效动力锂电池的阶梯利用、再生利用和资源利用。锂离子电池主要组分包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜等。其中正极材料是最有回收利用价值的，正极材料通常是钴酸锂( LiCoO2) 、磷酸铁锂( LiFePO4) 、锰酸锂( LiMnO2) 和三元材料( LiNixCoyMn1-x-yO2) 。其中含有高浓度的有价金属如钴、镍、锂和锰，金属总重占电池总重 25%～35%，而正极材料成本占到电池总价的40%以上。
01
生物沥浸技术对涉重危废中有价金属回收的研究进展
涉重危废因其严重的环境危害特性和生态毒性，无害化处理是现有处置技术的主要方向。但现有无害化处理技术或工艺如稳定化/固化后安全填埋工艺、水泥窑协同处置技术等不但不能完全消除涉重危废对环境潜在的污染风险，而且造成了金属资源的不可逆流失。因此，针对各类涉重危废，回收稀贵/有价金属，去除剧毒/有毒金属，减低/消除脱毒残渣的建材化利用风险，实现涉重危废的全循环、全利用和( 近) 零排放，是未来涉重危废处理技术的发展方向。生物沥浸是指通过特定微生物( 类群) 的直接( 接触) 作用或其代谢活性产物的间接( 非接触) 作用将固相材料中目标金属浸出并进入液相的过程，该技术以其经济、绿色、节能、安全的特点，在涉重危废的资源化利用中得到应用和研究。从 20世纪60年代开始，美国、加拿大、 澳大利亚、智利、南非、印度等国家深入开展了低品/ 难浸矿石的生物冶金( 生物沥浸) 技术和工艺的研究。我国生物冶金( 生物沥浸) 技术研究在王淀佐、邱冠周院士带领下取得重大突破，且在生物冶金领域的国际影响力得到了提升。目前，生物冶金技术已成功用于低品硫化矿中铜、镍、钴、铀、金等有价金属的浸提和回收。辛宝平课题组一直以来致力于涉重危废生物沥浸技术的研究，对涉重危废中的有价金属进行回收循环利用，王佳在其博士期间对4种典型涉重危废进行了生物沥浸的研究，着重研究了重金属生物沥浸的耦合机制、浸提机理、 过程调控和效能提升，同时也研究了不同金属溶出的化学和微生物学机制。
02
生物沥浸技术面临的问题
在高固液比条件下沥浸效率低的问题。涉重危废如废旧电池、城市垃圾焚烧飞灰、失效催化剂等都是高碱性的氧化物或氢氧化物，因此，涉重危废中有价金属的生物沥浸过程会强烈消耗H+，导致沥液pH值居高不下，危及嗜酸自养菌株的生长和活性。同时涉重危废中的高毒有机或无机物质如高浓度氟离子、六氟磷酸锂等都会危及工作菌株的生长，最终可能导致生物沥浸过程的停止。由于这些因素的存在，生物沥浸技术在高固液比下对涉重危废的处理能力大幅减低、处理成本显著上升，这成为了该技术实际应用的重大障碍。
运行周期长的问题。绿色、节能、低耗、安全是生物沥浸技术的优点， 但同时生物沥浸技术存在抗逆差、速率低、周期长等缺点。高达几周甚至数月之久的反应时间大大降低了固废处理的效率。因为沥浸的工作菌株大多为生长缓慢的化能自养菌，这类菌种不能满足涉重危废快速浸提的需要。
工业固体废弃物是指在工业生产过程中产生的固体废弃物。工业固体废弃物可分为冶金工业固体废弃物、矿业固体废弃物、石油化学工业固体废弃物、轻工业固体废弃物、能源工业固体废弃物、其他工业固体废弃物。工业固体废弃物按其危险性可分为一般固体废弃物和有害固体废弃物两大类。一般固体废弃物主要有高炉渣、钢渣、赤泥、有色金 属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、脱硫灰、电石渣、盐泥等。有害固体废弃物如废矿物油及含油废物、含铬废物等难以被环境消化，同时对土壤、水 源和人类生活健康造成危害的废弃物。传统的工业固体废弃物主要采用焚烧和填埋两种方法，而这两种处理固体废弃物的方式会造成二次污染，处理效果不佳，并且不能很好地对工业固废进行资源化利用。发展新的技术是实现工业固废无害化、资源化和减量化处理的方向。目前，有关微生物对工业固体废弃物的实验研究工作不少。
01
微生物技术在工业固体废弃物上的研究现状
陈立荣等研发出了微生物-土壤联合处理废弃钻井液渣泥技术。该工艺在丹浅001-8井和莲花000-X8等井进行现场试验，结果表明，经历了3个月的处理，钻井固体废弃物中的主要指标COD、石油类的降解率超过 90%，浸出液指标达到国家《污水综合排放标准》一级指标要求，土壤重金属离子浓度没有显著变化，各指标均达到了国家《土壤环境质量标准》 ( 旱地) 三级标准。
中国矿业大学毕银丽等利用微生物对煤矸石这种固体废弃物进行脱硫处理。实验采用氧化亚铁硫杆菌和嗜酸氧化硫杆菌对宁夏大武口高硫煤矸石进行微生物脱硫技术及应用条件的研究。实验结果表明2种脱硫细菌对煤矸石的脱硫效果显著， 采用小粒径煤矸石进行微生物脱硫效果更好。该实验研究为煤矿废弃物煤矸石的污染防治提供了技术依据。
含油污泥是石油工业中石油开采加工过程中产生的危险废弃物。对于含油污泥的处理，大多数企业仍以填埋和焚烧为主。不过随着法律的完善， 现有的处理技术无法达到处理标准，所以开展新的研究技术是解决含油污泥处理的新途径。有研究表明，自然状态下，石油降解菌群在受到石油污染后的土壤中数量增多。孙正贵进行了胜利油田某污水处理站污泥的微生物降解研究。将土著微生物和外引微生物的降解效果对比，经过230天的实验研究发现，外引微生物和土著微生物都能降低含油污泥中烃类物质的含量，且效果显著，两者都为含油污泥的微生物降解提供有效手段。该研究为微生物降解技术在含油污泥上的应用提供了技术依据。
02
微生物处理技术存在的问题
微生物技术在工业固体废弃物处理上尚不成熟，目前主要处于初始的研究阶段，微生物技术只是工业固体废弃处理的一小部分，如回收工业固废物中的有毒、有价金属，减少工业固废中的有害成分。同时经微生物技术脱毒后的残渣仍属于危废，最后还是需要通过传统的固化填埋或水泥窑协同处置进行无害化处理。所以微生物技术处理工业固体废弃物应协同其他传统处理技术，这样才能实现工业固废的资源化利用。
固体废弃物目前是我国环境污染的重要污染源之一。对固体废弃物的无害化、减量化、资源化处理是建设资源节约型、环境友好型社会不可或缺的一步。固体废弃物传统的处理方法如填埋、堆放和焚烧处理不仅没有达到理想的处理效果而且会造成二次污染。因此，近年来采用微生物处理技术引起了 广大科研学者的重视。微生物技术在处理固体废弃物过程中以其低成本、绿色环保、不会有二次污染等优点受到大量研究和推广，尤其是在城市生活垃圾的处理上。
微生物技术也有其不足之处，如反应速度慢、对某些固体废弃物难以降解。从目前国内外微生物技术处理固体废弃物的发展状况看，该技术得到了较大发展，但仍处于研究的初始阶段，工业化程度不高。尽管如此，微生物处理技术凭借传统方法不可比拟的优越性和安全性，在固体废弃物处理过程中发挥越来越大的作用。相信随着对微生物处理技术研究的深入，其在固体废弃物处理上存在的问题会得到解决。
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