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中國科學院老科學家科普演講團副團長；中國科學院微生物研究所研究員，博士生導師，中國科學院研究生院教授；中國生物工程學會繼續(xù)教育工作委員會主任、工業(yè)與與環(huán)境委員會委員，中國生物化學與分子生物學學會工業(yè)生化委員會委員，中國微生物學會酶與酶工程委員會委員。主要從事酶學、酶工程、基因工程和生化工程研究。
微生物脫硫
孫萬儒
2011年05月09日
人類社會經(jīng)歷了三個能源時期，即柴草時期、煤炭時期和石油時期。到20世紀70年代，特別是1973年與1979年兩次大的石油危機爆發(fā)后，煤炭的應用受到廣泛關(guān)注，我國是世界上最大的產(chǎn)煤國和煤消耗國，煤炭占我國一次能源的3/4，高硫煤儲量約占總儲量的1/3，并且高硫煤開采比例在逐年上升。煤炭中的硫分為可燃硫和不燃硫，不燃硫主要是硫酸鹽，可燃硫包括無機硫和有機硫?？扇剂蚪?jīng)燃燒生成二氧化硫，隨煙氣排入大氣，導致了嚴重的環(huán)境污染，每年造成的經(jīng)濟損失達數(shù)百億元。1997年我國的二氧化硫年排放量已達2346萬噸，居世界第一位，2006年全國二氧化硫排放量高達2594.4萬噸，62%的城市大氣二氧化硫日平均濃度超過國家三級標準，全國酸雨區(qū)面積已占國土面積的30%，華中酸雨區(qū)酸雨頻率高達90%以上，罪魁禍首就是煤炭中所含的硫。用煤對環(huán)境的危害，如溫室效應、粉塵污染等，也同樣引起了人們的重視。為此發(fā)達國家對使用煤的硫含量都有了嚴格的限制，對不符合含硫標準的煤必須經(jīng)過脫硫達標。我國雖然于1994年開始實施跨行業(yè)聯(lián)合行動的“潔凈煤技術(shù)工程”，但直到2006年二氧化硫排放量一直在增加，直到2007年才開始有所減少。
我國開始使用微生物脫硫的歷史源遠流長，遠在公元前六、七世紀的《山海經(jīng)》中就有“石脆之山，其陰多銅，灌水出焉，其中多流赤者”的記載，這比歐洲早了八、九百年。真正對浸礦或者是脫硫微生物的研究是從上世紀40年代末開始。1947年柯爾默（Clomer A．R）等人首次從煤礦的酸性礦坑水中發(fā)現(xiàn)并證實能夠利用無機的鐵和硫鹽為能源來源的細菌：氧化亞鐵硫桿菌，發(fā)現(xiàn)這種微生物能將煤炭中的硫化物組分氧化成硫酸，并能將二價鐵離子氧化成三價鐵離子。進入上世紀80年代以后，國外開始把微生物脫硫研究轉(zhuǎn)向應用性試驗?？墒窃谖覈嬲_始研究微生物脫硫卻起步較晚，1990年中科院微生物研究所才開始了這方面的研究，1992年在四川南桐煤礦實驗，取得脫硫達到86.11～95.16%的效果。
存在煤炭中的無機硫以黃鐵礦為主，而有機硫則種類較多，結(jié)構(gòu)復雜。但是用于煤炭脫除無機硫的微生物與脫去煤炭中的有機硫的微生物有所不同，總的用于脫硫的微生物有幾十種，其中硫桿菌對無機硫和有機硫都很有效。微生物脫除無機硫，實際是使難溶的金屬硫化物（主要為黃鐵礦）中的硫氧化，使金屬陽離子溶入浸取液中的過程。微生物脫除煤炭中有機硫就是將有機物化合物中的硫氧化成硫酸從中除去，碳原子骨架不發(fā)生降解，使有機物碳含量不變，因此煤的熱值損失小。
目前，脫除煤炭中硫的方法主要有：燃前物理洗選脫硫的微生物浸出法，即在煤堆上面撒上含有微生物的水，將黃鐵礦氧化分解成溶于水的鐵離子和硫酸從煤炭中排除?？梢悦摮?0%的硫，裝置簡單，但時間長（約30天）。而比較成功的煤物理浮選法和微生物處理相結(jié)合的微生物浮選法，是將煤粉與含氧化亞鐵硫桿菌的水混合，從下面吹進空氣，微生物附著在黃鐵礦粉表面，使之由疏水變成親水，而微生物難以附著在煤炭顆粒表面仍保持疏水。在浮選柱中氣泡的推動下，煤炭顆粒上浮而黃鐵礦顆粒下沉，從而將煤和黃鐵礦分開，灰分也可同時沉底，脫硫時間只需數(shù)分鐘，從而大幅度縮短了處理時間，無機硫脫除率達80%，同時還具有脫去灰分的優(yōu)點。
真正要使微生物脫硫?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化，還有一些問題需要解決。盡管如此，由于這種技術(shù)擁有很好的發(fā)展前景，可以預見，在不久的將來，煤炭微生物脫硫技術(shù)將在煤炭應用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。目前存在的主要問題是：煤炭脫硫微生物的生長周期較長，脫硫速度比較慢，培養(yǎng)基成本高，脫硫效率不高，制約了煤炭微生物脫硫技術(shù)的工業(yè)放大和推廣。微生物脫硫菌種單一，有待于選育出脫硫效率高、適應性廣，能脫除多種形式硫的菌種，以提高脫硫效率。美國利用基因重組等手段構(gòu)建高效脫硫工程菌取得了很好的進展，采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良的脫硫微生物，進行了與煤中有機硫相近的石油脫硫試驗，取得了一定成果。另外，需要完善和開發(fā)新的微生物脫硫技術(shù)和工藝，特別是將微生物脫硫與煤炭加工和輸送相結(jié)合的工藝，比如將微生物脫硫與浮選的工藝和過程結(jié)合，及微生物脫硫技術(shù)與水煤漿的制備和輸送過程相結(jié)合。
目前微生物脫硫成本約為每噸80～90元，比現(xiàn)行的煤燃中脫硫技術(shù)、燃燒后的煙氣脫硫技術(shù)和其他燃燒前脫硫技術(shù)都更具有競爭力。開發(fā)適合我國的微生物脫硫技術(shù)具有廣闊的前景，對滿足日益增長的煤炭能源需求和遵循日益嚴格的環(huán)保法規(guī)具有特別重要意義。
我國開始使用微生物脫硫的歷史源遠流長，遠在公元前六、七世紀的《山海經(jīng)》中就有“石脆之山，其陰多銅，灌水出焉，其中多流赤者”的記載，這比歐洲早了八、九百年。真正對浸礦或者是脫硫微生物的研究是從上世紀40年代末開始。1947年柯爾默（Clomer A．R）等人首次從煤礦的酸性礦坑水中發(fā)現(xiàn)并證實能夠利用無機的鐵和硫鹽為能源來源的細菌：氧化亞鐵硫桿菌，發(fā)現(xiàn)這種微生物能將煤炭中的硫化物組分氧化成硫酸，并能將二價鐵離子氧化成三價鐵離子。進入上世紀80年代以后，國外開始把微生物脫硫研究轉(zhuǎn)向應用性試驗?？墒窃谖覈嬲_始研究微生物脫硫卻起步較晚，1990年中科院微生物研究所才開始了這方面的研究，1992年在四川南桐煤礦實驗，取得脫硫達到86.11～95.16%的效果。
存在煤炭中的無機硫以黃鐵礦為主，而有機硫則種類較多，結(jié)構(gòu)復雜。但是用于煤炭脫除無機硫的微生物與脫去煤炭中的有機硫的微生物有所不同，總的用于脫硫的微生物有幾十種，其中硫桿菌對無機硫和有機硫都很有效。微生物脫除無機硫，實際是使難溶的金屬硫化物（主要為黃鐵礦）中的硫氧化，使金屬陽離子溶入浸取液中的過程。微生物脫除煤炭中有機硫就是將有機物化合物中的硫氧化成硫酸從中除去，碳原子骨架不發(fā)生降解，使有機物碳含量不變，因此煤的熱值損失小。
目前，脫除煤炭中硫的方法主要有：燃前物理洗選脫硫的微生物浸出法，即在煤堆上面撒上含有微生物的水，將黃鐵礦氧化分解成溶于水的鐵離子和硫酸從煤炭中排除?？梢悦摮?0%的硫，裝置簡單，但時間長（約30天）。而比較成功的煤物理浮選法和微生物處理相結(jié)合的微生物浮選法，是將煤粉與含氧化亞鐵硫桿菌的水混合，從下面吹進空氣，微生物附著在黃鐵礦粉表面，使之由疏水變成親水，而微生物難以附著在煤炭顆粒表面仍保持疏水。在浮選柱中氣泡的推動下，煤炭顆粒上浮而黃鐵礦顆粒下沉，從而將煤和黃鐵礦分開，灰分也可同時沉底，脫硫時間只需數(shù)分鐘，從而大幅度縮短了處理時間，無機硫脫除率達80%，同時還具有脫去灰分的優(yōu)點。
真正要使微生物脫硫?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化，還有一些問題需要解決。盡管如此，由于這種技術(shù)擁有很好的發(fā)展前景，可以預見，在不久的將來，煤炭微生物脫硫技術(shù)將在煤炭應用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。目前存在的主要問題是：煤炭脫硫微生物的生長周期較長，脫硫速度比較慢，培養(yǎng)基成本高，脫硫效率不高，制約了煤炭微生物脫硫技術(shù)的工業(yè)放大和推廣。微生物脫硫菌種單一，有待于選育出脫硫效率高、適應性廣，能脫除多種形式硫的菌種，以提高脫硫效率。美國利用基因重組等手段構(gòu)建高效脫硫工程菌取得了很好的進展，采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良的脫硫微生物，進行了與煤中有機硫相近的石油脫硫試驗，取得了一定成果。另外，需要完善和開發(fā)新的微生物脫硫技術(shù)和工藝，特別是將微生物脫硫與煤炭加工和輸送相結(jié)合的工藝，比如將微生物脫硫與浮選的工藝和過程結(jié)合，及微生物脫硫技術(shù)與水煤漿的制備和輸送過程相結(jié)合。
目前微生物脫硫成本約為每噸80～90元，比現(xiàn)行的煤燃中脫硫技術(shù)、燃燒后的煙氣脫硫技術(shù)和其他燃燒前脫硫技術(shù)都更具有競爭力。開發(fā)適合我國的微生物脫硫技術(shù)具有廣闊的前景，對滿足日益增長的煤炭能源需求和遵循日益嚴格的環(huán)保法規(guī)具有特別重要意義。