嗜酸氧化亚铁硫杆菌处理线路板行业污泥的无害化

李东明，白建峰*，张承龙，戴　珏，苑文仪，邓明强，毛文雄，王景伟（.上海第二工业大学电子废弃物资源化产学研合作开发中心，上海 009；.森蓝环保（上海）有限公司，上海 004；.惠州市雄越环保科技有限公司，广东 惠州 56000）

嗜酸氧化亚铁硫杆菌处理线路板行业污泥的无害化

李东明1，白建峰1*，张承龙1，戴珏1，苑文仪1，邓明强2，毛文雄3，王景伟1（1.上海第二工业大学电子废弃
物资源化产学研合作开发中心，上海 201209；2.森蓝环保（上海）有限公司，上海 201204；3.惠州市雄越环保科技有限公司，广东 惠州 516000）

研究了一株用于浸出线路板中Cu的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans简称：A.f菌）在高固液比下无害化处理线路板污泥的影响.实验以A.f菌为原始菌种，通过周期性的驯化培养，在不同的浸出条件下探究了生物浸出时间、培养基pH值、菌种驯化周期、固液比和硫酸亚铁浓度等因素对A.f菌浸出线路板行业污泥中有价金属的影响.结果表明：当固液比高于1：20时，溶液中高浓度的重金属对微生物浸出有抑制作用，但通过连续的驯化培养可以提高菌种的耐受性，在FeSO4·7H2O投加量为60g/L、9k培养基初始pH为0.5、浸出时间为6d、固液比为1：10的条件下，Cu、Ni和Zn的浸出率可达：78%、53%和74%.

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌；线路板行业；污泥；生物沥滤；重金属

电子行业近年来在中国发展迅速，由于电子行业在生产和回收等环节中会产生有机污染物（如多溴联苯醚、多氯联苯、多环芳烃和二等）和重金属污染物（如 Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr等），所以近年来电子行业的污染问题也越来越受到人们的关注［1-2］.印制线路板在电子行业中有着广泛的应用，然而生产过程中由于酸洗、蚀刻和清洗等工艺会产生大量的含 Cu、Ni污水，其中的重金属最终则会转移到污泥中.此类含金属污泥被2008年8月1日起实行的国家危险废弃物名录（环境保护部第 1号令）列为危险废物，潜在污染性大，但同时又蕴含着丰富的物质资源.如果不经过处理随意堆放，不仅会对周围环境造成污染，也浪费了大量的金属资源［3］.

近年来，由于微生物的环境友好性，微生物法处理含金属废物成为研究热点.其中嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans，以下简称A.f菌）是应用较为广泛的菌种之一，目前已广泛应用于矿山冶金［4］、废旧PCB板［5］、废旧电池［6］、电子废料［7］处理等行业.而对于含金属污泥的微生物浸出技术的研究还处于探索阶段.国内有学者曾经报道过生物沥滤技术应用于市政污泥、厌氧消化污泥和制革污泥中的处理［8-10］.国外也有生物沥滤技术应用于生活污泥和电镀污泥中的相关报道［11-14］.然而这些研究主要针对的是市政污泥和低固液比浸出条件下的工业污泥，由于高浓度的重金属对微生物的生长有抑制作用［15］，而对于在高浓度重金属环境中，微生物法处理含金属污泥的研究则较少.如果在较高的固液比下，微生物可以有效的浸出含金属污泥中的金属，把危险废物变成普通废物，将大大降低此类污泥的处置成本，同时也节约了资源.

本课题组前期从江西某铜矿堆旁的土壤中筛选出一株A.f菌，并将其应用到PCB覆铜板的微生物浸出中，取得了良好的效果［16］.本研究从微生物浸出覆铜板的溶液中，选择性的驯化了一株耐高浓度重金属的 A.f菌（Cu2+的耐受性达5g/L以上），并通过连续的周期培养，探究了该技术处理线路板行业污泥的实验效果.以期为今后该技术的进一步研究和应用提供一定的技术支持.

1　材料与方法

1.1含金属污泥的来源

实验样品来自广东省惠州市某印刷线路板企业生产过程产生的含重金属污泥（含水率约为81%）.污泥的主要化学成分见表1.

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

根据《农用污泥中污染物控制标准 GB 4284-84》［17］中的规定，该污泥中的 Cu、Ni和Zn均超过了污泥农用的标准，同时有研究表明A.f菌的代谢受Cr的影响较大［21］，所以本实验主要对污泥中Cu、Zn、Ni和Cr四种金属进行了研究.

样品处理：污泥在室外自然晒干后，研磨均匀，过60目筛备用.

1.2A.f菌的选择

研究所用A.f菌是从江西德兴铜矿堆放矿石尾矿的土壤中分离得到的.本课题组前期利用该菌种用于浸出线路板中的铜等多种金属，浸出效果明显［16］.在微生物浸出线路板过程中，选择性地驯化了一株耐受高浓度重金属效果较好的菌种作为初始接种液.吸取 5mL该菌液接种于100mL9K培养基中，置于 29℃恒温摇床中扩大培养5d，然后转接到新鲜培养基中.如此循环3次后得到的活化菌种为备用菌液.

1.3生物沥滤含重金属污泥试验

A.f菌作用于含重金属污泥受多种物理、化学和生物因素的影响［18］，如污泥性质、浸出时间、固液比、起始pH值、硫酸亚铁浓度和ORP等.为了探究微生物法处理含重金属污泥的实验效果，研究这些因素对生物沥滤的影响非常有必要.

1.3.1固液比对浸出率的影响试验分别称取0.5，1.0，2.5，5g的干污泥于100mL锥形瓶后，加入45mL用硫酸调节pH值的9K培养基（初始pH值为2.0、FeSO4·7H2O浓度为40g/L），接种5mL菌液，在28℃、160r/mim的摇床上培养.培养过程中隔天测pH值并采样，采样时取0.5mL上清液定容到50mL后测各类金属浓度.每次取样后称重补水，另设不接种和不加污泥的对照组，每组平行3次.

1.3.2驯化周期对浸出率的影响试验取 5g干污泥于100mL锥形瓶中，加入45mL用硫酸调节 pH值的 9K培养基（初始 pH值为 0.5、FeSO4·7H2O浓度为 40g/L）.然后将备用菌液以10%的接种量接种到培养基中，震荡培养，同法继续进行4次驯化培养，第2代接种液为第1次培养体系6d后的混合液，如此循环.培养期间测pH值变化和6d后Cu、Zn、Ni和Cr等金属的浸出率.

1.3.3浸出条件的影响及优化在固液比为1：10、菌种驯化5代、9K培养基的初始pH值为0.5的条件下，考察了FeSO4·7H2O投加量对重金属浸出率的影响.见表（2）在固液比为1：10、菌种驯化5代、FeSO4·7H2O投加量为40g/L的条件下，考察了9K培养基的初始pH值对重金属浸出率的影响.

由于污泥具有一定的碱性，实验中采取预先调节培养基pH值，再与污泥混合的方法，以获得适合A.f菌生长的pH环境.

1.4测量方法

pH：摇瓶摇匀后用玻璃电极法（赛多利斯PB-10pH计）测pH值.

污泥重金属含量：取1g干污泥样品于50mL试管中，加入10mL王水，在90℃的数显恒温水浴锅中消解3h后过滤定容，用去离子水稀释50倍后，利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES，Thermo，A-6300）测各类金属浓度.

溶液中重金属浓度：将摇瓶静置2h后，取上清液0.5mL稀释定容到50mL后，利用ICP-AES测各类金属浓度.

2　结果与讨论

2.1固液比对浸出率的影响

有研究表明，利用A.f菌处理含固量为3%的含铜污泥，15d后的Ni、Cr和Cu的浸出率高达92.8%、85%和96.8%.但耗时久是制约其大规模应用的主要因素［19］.出于对工程应用效率问题的考虑，实验选取了 6d作为控制点，考察了高浓度重金属对生物沥滤效果的影响.

图1反映了生物沥滤6d后金属浸出率随固液比的变化.从图 1中看出，随着固液比的增大，Cu和Ni浸出率从90%降低到10%以下；Zn的浸出率则从90%降低到60%以下；Cr的浸出率则从50%降低到10%以下.这说明了随着固液比的增大，溶液中重金属浓度增大，对微生物的生长有明显的抑制作用.在生物浸出过程中 A.f菌浸出污泥中的重金属通过直接、间接二方面作用，见式（1），（2），（3）.直接作用是微生物将污泥中的金属硫化物等物质直接氧化成金属硫酸盐而使金属溶出.

间接作用是A.f菌通过自生的代谢将培养基中的 Fe2+氧化成为Fe3+，然后 Fe3+将金属硫化物等物质氧化成为金属硫酸盐浸出，同时产生 H+，同时 Fe3+的水解作用也会伴随 H+的产生，导致pH值降低，使浸出速度加快［20］.

根据间接作用机理，当高浓度的重金属对微生物代谢产生抑制作用后，反应（2）会受到抑制，体系的铁氧化速率会降低，pH值下降速度减缓甚至上升，金属的浸出率下降.

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

谢鑫源等［21］的研究结果也表明：当溶液中Ni2+、Cr3+、Cu2+和Zn2+的浓度大于30、0.1、2.5 和30g/L时，会对A.f菌的活性产生抑制作用.而试验测得固液比为 1：100的生物沥滤体系，6d后Cu2+浓度已达 3.5g/L.所以固液比的增加会抑制重金属的沥滤效果.

2.2驯化世代周期对浸出率的影响

初步研究表明，高浓度的重金属含量对微生物的生长有抑制作用.本实验在固液比为1：10的条件下，对试验菌种进行了连续5个世代的驯化和观察，探究了耐高浓度重金属菌种的驯化效果.

图2　不同驯化周期下pH随时间的变化Fig.2　The change of pH with time under the different acclimation periods

图2反映了5个驯化周期中，沥滤体系pH值随时间的变化.驯化体系的起始 pH值均为 2.5.接种第一代菌种后，pH值先上升，2d后达到 3.8并保持不变；接种第二代菌种的生物沥滤开始后，pH值先上升，2d后到达最高点4.4后缓慢下降，8d后到达3.8；接种第三代、第四代和第五代的菌种后，驯化体系pH先上升，2d后上升到最高点3.8左右，后持续下降，在8d后下分别降到3.4、3.0和2.8.

驯化起到了筛选耐碱性和重金属环境A.f菌的作用［22］.驯化过程一方面增加了接种液中 A.f菌的浓度，另一方面缩短了微生物代谢处于迟缓期的时间.上述二方面作用加速了 A.f菌的代谢启动速度，根据间接作用机理，A.f菌的代谢会增加溶液中H+的浓度，使pH值逐渐降低.

图3　不同驯化周期下重金属浸出率的变化Fig.3　The leaching rates of heavy metals under thedifferent acclimation periods

图3反映了5个驯化周期中，沥滤体系重金属浸出率的变化.结果表明，Cr、Cu、Ni和Zn的浸出率随着驯化周期的增加而增大.经过5个周期的连续驯化，污泥中Cr、 Cu、Ni、和Zn的浸出率分别从3%、17%、34%和12%提高到了8%、71%、65%和78%.

浸出率的增加同样反应了微生物代谢活动的增强.随着驯化世代周期的增多，沥滤体系中金属的浸出率不断增加.这可能是由于菌种对重金属环境耐受性的提高，也可能是驯化作用缩短了生长周期中处于迟缓期的时间，加快了微生物的代谢速度所导致的结果.

2.3FeSO4·7H2O添加量对浸出率的影响

图4反映了不同FeSO4·7H2O添加量下，沥滤过程pH值的变化.沥滤开始后FeSO4·7H2O投加量为10，20，30g/L的情况下pH值在6d内呈现先上升后保持平稳的规律；FeSO4·7H2O浓度为40，60，80，100g/L的情况下pH值在6d内则呈现先上升后下降的规律.并且随着 FeSO4·7H2O浓度的增大，下降趋势越明显.

沥滤过程中pH值的变化是微生物代谢和化学反应综合作用的结果［15］.由于污泥本身具有碱性，所以在沥滤过程中发生微生物反应的同时，还会伴随着酸碱中和等化学反应.一方面代谢的间接作用产生H+，另一方面碱性物质的产生和释放起到了缓冲pH的作用.所以当FeSO4·7H2O浓度较低时，底物不足，微生物代谢缓慢，化学反应占主导，pH值缓慢上升.当底物浓度足够，生物作用占主导时，pH值开始下降.

图4　不同FeSO4·7H2O浓度下pH随时间的变化Fig.4　The change of pH with time under the different concentration of FeSO4·7H2O

图5反映了不同FeSO4·7H2O浓度下，沥滤过程中金属浸出率的变化.通过对 6d后金属浸出率的观察，Cu、Ni和 Zn的浸出率在FeSO4·7H2O浓度低于60g/L时，随着亚铁浓度的增加，浸出率不断上升，而当亚铁浓度继续增大时，Cu和Zn的浸出率基本保持不变，而Ni的浸出率反而下降，Cr的浸出率则保持在 10%以下.这说明过高的 Fe2+浓度反而会抑制 Ni的浸出.综合考虑选择60g/L的FeSO4·7H2O投加量作为浸出控制参数较适宜.

底物浓度充足时，生物作用占主导地位，pH值降低，嗜酸性的环境加速了 A.f菌沥出污泥中的重金属.而过量的Fe2+在A.f菌的催化作用下和溶液中的K、（NH4）2SO4等转化为黄钾铁矾类沉淀，吸附在污泥颗粒表面，抑制了重金属的浸出［23］.同时，Fe2+转化为 Fe3+后，絮凝作用增加了吸附和共沉等作用的几率，使溶出的重金属又沉淀到固相中.

图5　不同FeSO4·7H2O浓度下重金属浸出率Fig.5　The leaching rates of heavy metals under the different concentration of FeSO4·7H2O

2.4培养基初始pH对浸出率的影响

图6　不同初始pH值的沥滤体系pH值的变化Fig.6　pH changes in the bioleaching system at different original pH of 9K medium

图6反映了使用不同pH值的9K培养基进行生物沥滤，沥滤体系pH值的变化.从图中可以看出四种沥滤体系在生物沥滤开始后，均遵循先上升后下降的趋势.但使用初始pH低的9K培养基较初始pH高的沥滤体系，其下降速度更快.

图7反映了使用了不同pH值9K培养基的沥滤体系，浸出率随时间的变化.随着浸出时间的增加，使用pH值为0.25和0.5的9K培养基的沥滤体系，启动速度快，6d内Cu、Ni和Zn浸出率随时间的增加而增加.而 Cr只有使用了 pH值为0.25的培养基的沥滤体系浸出率不断上升.这和周立祥的研究结果一致，Cr的浸出需要沥滤反应体系的pH值下降到临界点2.0以下，Cr才会大量浸出［8］.

由于PCB污泥呈碱性，沥滤体系在反应初期，培养基中的H+和污泥释放出的碱性物质迅速反应中和.所以适当增加预酸化的酸用量可以中和污泥中的碱性物质，使沥滤体系处于弱酸性环境中，促使 A.f菌大量增值，并通过直接和间接作用使污泥中的重金属进一步沥出.如果培养基中的酸性物质不足，沥滤体系反应初期的 pH值处于中性或者碱性，生物作用代谢缓慢，金属沥出率低.沥出的重金属可能重新沉淀，沥出率表现出先上升后下降的趋势.

图7　不同初始pH值的沥滤体系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

图8反映了使用pH值为0.25和0.5的9k培养基进行生物沥滤，浸出率随时间的变化.Cr、Cu、Ni和Zn的6d浸出率分别为：65%、76%、 80%、77%和2%、78%、53%、74%.重金属的溶解主要受pH值变化支配，且不同的重金属受pH的影响程度不同. Cr的浸出率差异是由于pH值为0.5的溶液pH值没有达到Cr的浸出限［8］.Fe的浸出率差异是由于pH值升高导致了Fe3+的沉淀.pH值为0.5的利率体系较0.25实现了选择性浸出，而这对于后续的进一步回收是有利的［24］.

图8　使用pH为0.25和0.5的9K培养基的沥滤体系重金属的浸出率Fig.8　The leaching rates of heavy metals in bioleaching system used pH value of 0.5 in 9K medium

3　结论

3.1当固液比高于 1：20时，溶液中高浓度的重金属对微生物浸出有明显的抑制作用.

3.2驯化 5个周期后获得的菌液，对固液比为1：10的线路板污泥中Cr、Cu、Ni和Zn的浸出率，较没有经过驯化处理的菌液分别提高了5%、54%、34%和66%.可见，通过连续的驯化培养，可以提高A.f菌对高浓度重金属的耐受性.

3.3采用pH值为0.25和pH值为0.5的9K培养基，生物沥滤体系启动速度快，浸出率高，但 pH值为0.5的沥滤组可以实现有价金属Cu、Ni、Zn和Cr、Fe的选择性浸出，且用酸量较少.综合考虑，pH值为0.5的起始9K培养基更适合实际应用.

3.4A.f菌处理固液比为 1：10的线路板行业污泥，在最优的浸出条件（FeSO4·7H2O投加量60g/L、9K培养基pH值为0.5、浸出时间6d）下Cr、Cu、Ni和Zn的浸出率可达：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

国家自然科学基金项目（21307080）；上海张江重点项目（201310PDJQB2006）；校重点学科建设项目（XXKYS1404）

* 责任作者，副教授，jfbai@sspu.edu.cn

李东明（1990-），男，安徽滁州人，上海第二工业大学硕士研究生，主要从事废弃物资源化处理与处置方面的研究工作.