2.4　煤炭的微生物净化法

微生物净化法在国内外引起广泛的关注，是因为它可以同时脱除其中的硫化物和氮化物，与物理和化学法相比，该法还具有投资少、运转成本低、能耗少、可专一性地除去分布于煤中的极细微硫化物和氮化物、减少环境污染等优点。这一方法是由生物湿法冶金技术发展而来的，它是在常温常压下，利用微生物代谢过程的氧化还原反应达到脱硫的目的。而微生物脱氮的研究主要集中在石油的脱氮方面的研究，方法是通过微生物降解含氮化合物，这一方法从原理上可以用于煤的脱氮，但由于目前很少研究，这里就不作详细介绍。

微生物脱除无机硫的应用研究开始于20世纪50年代。最早是采用无机化能自养菌——氧化亚铁硫杆菌脱除煤炭中黄铁矿的研究。在以后的几十年里，在微生物脱硫方面进行了大量的工作，其中包括对细菌与煤炭中黄铁矿相互作用的机理研究、能够用于脱硫的菌种及其对黄铁矿氧化能力的研究、细菌生长动力学及细菌与黄铁矿相互作用动力学研究等。到20世纪80年代，国外开始把微生物脱硫研究工作转向应用性研究和实验，并成立了一些公司。1991年，意大利的Eni Chem-Anic煤矿开展了微生物浸出法脱硫的连续性试验研究，建成了一个处理能力为50kg（干煤）/h的微生物脱硫的中试厂，该装置的运行为工业放大提供了基础数据，标志着煤炭微生物脱硫工作正由实验室走向应用。研究结果充分证明了微生物脱硫技术的可行性和脱硫效率。目前的技术水平是：对黄铁矿的脱硫率可达90％，有机硫脱除率达40％［41］。

微生物脱除煤中有机硫的研究始于20世纪70年代末期，目前已有三种有效的细菌被筛选出来，并对这些菌株进行了分离、纯化和突变体筛选，并用于脱除煤中的有机硫，取得了一定的进展。

对于微生物对黄铁矿的作用机理，目前有两种观点：

①认为微生物的生化反应有助于硫化物在水中的溶解，称为细菌浸出脱硫；

②认为改变矿物表面性质使黄铁矿溶于水中，称为微生物助浮脱硫。

浸出法的原理是，利用某些嗜酸耐热菌在生长过程消化吸收FeS2等的作用，从而促进黄铁矿氧化分解与脱除，硫的脱除率可达90％以上，但时间较长。一般认为微生物促进黄铁矿氧化分解可分为直接作用和间接作用两类，即对FeS2中硫的直接氧化和先将Fe2+氧化为Fe3+，再由Fe3+将FeS2中硫间接氧化的过程［41］：

微生物附着在黄铁矿的表面使黄铁矿氧化，把其中的硫氧化生成硫酸［式（2-1）］，由此生成的2价铁氧化成3价铁［式（2-2）］，这是直接作用。氧化成3价的铁，反过来作为氧化剂作用于黄铁矿，再生成2价铁和单质硫［式（2-3）］，一方面2价铁再被细菌氧化［式（2-3）］，另一方面生成的单质硫被氧化成硫酸［式（2-4）］，这一连串的氧化还原反应被称为间接作用。

微生物助浮脱硫的原理是：利用许多细菌能自行地吸附在固体表面，或是因为表面提供了营养成分，或仅是简单地吸附以防被水冲走。这种吸附很快，一般在15min内即完成。细菌的表面化学性质与矿物差别悬殊，因此强烈地影响了矿物在处理过程中的行为。由于微生物能选择性地黏附在矿石和黄铁矿表面，故能利用微生物通过浮选从煤中脱硫。

当煤被破碎到一定粒度时，大部分的黄铁矿从煤中解离出来。由于在选煤过程中，煤粒和黄铁矿都具有疏水性，能附着在空气泡上，故能产生共浮，使煤脱硫。

常见的微生物浮选法脱硫技术是将氧化铁硫杆菌应用于煤的浮选体系中，如在浮选柱中加入该细菌后，因为微生物的亲水性和微生物的迅速黏附，黄铁矿表面由疏水性变为亲水性，因此在煤的浮选过程中，黄铁矿不能附着在空气泡上，即失去浮选性能。这一过程可以用图2-15表示［42］。

煤中有机硫的微生物脱硫机制与脱除黄铁矿硫完全不同，一般认为是由于微生物酶的作用，切断了碳硫键。对煤中有机硫起作用的微生物主要为细菌。

由于有机硫的脱硫机理尚不十分清楚，得到微生物也比较困难，所以有机硫方面的基础研究较多，而应用研究方面多偏重于无机硫的去除。浸出法煤炭脱硫反应时间较长，此方法适用于对储煤期较长的煤炭进行脱硫，但不宜用于大量煤炭的处理。微生物浮选法脱硫反应时间短，适于大量的煤炭处理，可用于煤浆制造工艺中。目前微生物浮选法已用于煤浆的脱硫。如图2-16所示为德国一典型的生物脱硫工艺流程［43］，大致可分为：煤的破碎、煤浆与细菌营养液混合、脱硫反应、过滤分离、脱水干燥、废水处理等组成部分。如按年处理煤量10万吨计，煤含硫分0.5％，则处理成本为17～26美元/t。

生物脱硫是应用于煤炭工业的一项生物工程技术。这种方法的优点是，煤矿不需要开采选煤，有能耗小、成本低、可节约大量人力和物力、减少环境污染的优点。缺点是浸出的流动性差、尾矿与菌液接触面积小、选煤处理周期长、微生物的培养较为困难等。