关于作者
中国科学院老科学家科普演讲团副团长；中国科学院微生物研究所研究员，博士生导师，中国科学院研究生院教授；中国生物工程学会继续教育工作委员会主任、工业与与环境委员会委员，中国生物化学与分子生物学学会工业生化委员会委员，中国微生物学会酶与酶工程委员会委员。主要从事酶学、酶工程、基因工程和生化工程研究。
微生物脱硫
孙万儒
2011年05月09日
人类社会经历了三个能源时期，即柴草时期、煤炭时期和石油时期。到20世纪70年代，特别是1973年与1979年两次大的石油危机爆发后，煤炭的应用受到广泛关注，我国是世界上最大的产煤国和煤消耗国，煤炭占我国一次能源的3/4，高硫煤储量约占总储量的1/3，并且高硫煤开采比例在逐年上升。煤炭中的硫分为可燃硫和不燃硫，不燃硫主要是硫酸盐，可燃硫包括无机硫和有机硫。可燃硫经燃烧生成二氧化硫，随烟气排入大气，导致了严重的环境污染，每年造成的经济损失达数百亿元。1997年我国的二氧化硫年排放量已达2346万吨，居世界第一位，2006年全国二氧化硫排放量高达2594.4万吨，62%的城市大气二氧化硫日平均浓度超过国家三级标准，全国酸雨区面积已占国土面积的30%，华中酸雨区酸雨频率高达90%以上，罪魁祸首就是煤炭中所含的硫。用煤对环境的危害，如温室效应、粉尘污染等，也同样引起了人们的重视。为此发达国家对使用煤的硫含量都有了严格的限制，对不符合含硫标准的煤必须经过脱硫达标。我国虽然于1994年开始实施跨行业联合行动的“洁净煤技术工程”，但直到2006年二氧化硫排放量一直在增加，直到2007年才开始有所减少。
我国开始使用微生物脱硫的历史源远流长，远在公元前六、七世纪的《山海经》中就有“石脆之山，其阴多铜，灌水出焉，其中多流赤者”的记载，这比欧洲早了八、九百年。真正对浸矿或者是脱硫微生物的研究是从上世纪40年代末开始。1947年柯尔默（clomer a．r）等人首次从煤矿的酸性矿坑水中发现并证实能够利用无机的铁和硫盐为能源来源的细菌：氧化亚铁硫杆菌，发现这种微生物能将煤炭中的硫化物组分氧化成硫酸，并能将二价铁离子氧化成三价铁离子。进入上世纪80年代以后，国外开始把微生物脱硫研究转向应用性试验。可是在我国真正开始研究微生物脱硫却起步较晚，1990年中科院微生物研究所才开始了这方面的研究，1992年在四川南桐煤矿实验，取得脱硫达到86.11～95.16%的效果。
存在煤炭中的无机硫以黄铁矿为主，而有机硫则种类较多，结构复杂。但是用于煤炭脱除无机硫的微生物与脱去煤炭中的有机硫的微生物有所不同，总的用于脱硫的微生物有几十种，其中硫杆菌对无机硫和有机硫都很有效。微生物脱除无机硫，实际是使难溶的金属硫化物（主要为黄铁矿）中的硫氧化，使金属阳离子溶入浸取液中的过程。微生物脱除煤炭中有机硫就是将有机物化合物中的硫氧化成硫酸从中除去，碳原子骨架不发生降解，使有机物碳含量不变，因此煤的热值损失小。
目前，脱除煤炭中硫的方法主要有：燃前物理洗选脱硫的微生物浸出法，即在煤堆上面撒上含有微生物的水，将黄铁矿氧化分解成溶于水的铁离子和硫酸从煤炭中排除。可以脱除90%的硫，装置简单，但时间长（约30天）。而比较成功的煤物理浮选法和微生物处理相结合的微生物浮选法，是将煤粉与含氧化亚铁硫杆菌的水混合，从下面吹进空气，微生物附着在黄铁矿粉表面，使之由疏水变成亲水，而微生物难以附着在煤炭颗粒表面仍保持疏水。在浮选柱中气泡的推动下，煤炭颗粒上浮而黄铁矿颗粒下沉，从而将煤和黄铁矿分开，灰分也可同时沉底，脱硫时间只需数分钟，从而大幅度缩短了处理时间，无机硫脱除率达80%，同时还具有脱去灰分的优点。
真正要使微生物脱硫实现工业化，还有一些问题需要解决。尽管如此，由于这种技术拥有很好的发展前景，可以预见，在不久的将来，煤炭微生物脱硫技术将在煤炭应用领域发挥越来越重要的作用。目前存在的主要问题是：煤炭脱硫微生物的生长周期较长，脱硫速度比较慢，培养基成本高，脱硫效率不高，制约了煤炭微生物脱硫技术的工业放大和推广。微生物脱硫菌种单一，有待于选育出脱硫效率高、适应性广，能脱除多种形式硫的菌种，以提高脱硫效率。美国利用基因重组等手段构建高效脱硫工程菌取得了很好的进展，采用转基因技术改良的脱硫微生物，进行了与煤中有机硫相近的石油脱硫试验，取得了一定成果。另外，需要完善和开发新的微生物脱硫技术和工艺，特别是将微生物脱硫与煤炭加工和输送相结合的工艺，比如将微生物脱硫与浮选的工艺和过程结合，及微生物脱硫技术与水煤浆的制备和输送过程相结合。
目前微生物脱硫成本约为每吨80～90元，比现行的煤燃中脱硫技术、燃烧后的烟气脱硫技术和其他燃烧前脱硫技术都更具有竞争力。开发适合我国的微生物脱硫技术具有广阔的前景，对满足日益增长的煤炭能源需求和遵循日益严格的环保法规具有特别重要意义。
我国开始使用微生物脱硫的历史源远流长，远在公元前六、七世纪的《山海经》中就有“石脆之山，其阴多铜，灌水出焉，其中多流赤者”的记载，这比欧洲早了八、九百年。真正对浸矿或者是脱硫微生物的研究是从上世纪40年代末开始。1947年柯尔默（clomer a．r）等人首次从煤矿的酸性矿坑水中发现并证实能够利用无机的铁和硫盐为能源来源的细菌：氧化亚铁硫杆菌，发现这种微生物能将煤炭中的硫化物组分氧化成硫酸，并能将二价铁离子氧化成三价铁离子。进入上世纪80年代以后，国外开始把微生物脱硫研究转向应用性试验。可是在我国真正开始研究微生物脱硫却起步较晚，1990年中科院微生物研究所才开始了这方面的研究，1992年在四川南桐煤矿实验，取得脱硫达到86.11～95.16%的效果。
存在煤炭中的无机硫以黄铁矿为主，而有机硫则种类较多，结构复杂。但是用于煤炭脱除无机硫的微生物与脱去煤炭中的有机硫的微生物有所不同，总的用于脱硫的微生物有几十种，其中硫杆菌对无机硫和有机硫都很有效。微生物脱除无机硫，实际是使难溶的金属硫化物（主要为黄铁矿）中的硫氧化，使金属阳离子溶入浸取液中的过程。微生物脱除煤炭中有机硫就是将有机物化合物中的硫氧化成硫酸从中除去，碳原子骨架不发生降解，使有机物碳含量不变，因此煤的热值损失小。
目前，脱除煤炭中硫的方法主要有：燃前物理洗选脱硫的微生物浸出法，即在煤堆上面撒上含有微生物的水，将黄铁矿氧化分解成溶于水的铁离子和硫酸从煤炭中排除。可以脱除90%的硫，装置简单，但时间长（约30天）。而比较成功的煤物理浮选法和微生物处理相结合的微生物浮选法，是将煤粉与含氧化亚铁硫杆菌的水混合，从下面吹进空气，微生物附着在黄铁矿粉表面，使之由疏水变成亲水，而微生物难以附着在煤炭颗粒表面仍保持疏水。在浮选柱中气泡的推动下，煤炭颗粒上浮而黄铁矿颗粒下沉，从而将煤和黄铁矿分开，灰分也可同时沉底，脱硫时间只需数分钟，从而大幅度缩短了处理时间，无机硫脱除率达80%，同时还具有脱去灰分的优点。
真正要使微生物脱硫实现工业化，还有一些问题需要解决。尽管如此，由于这种技术拥有很好的发展前景，可以预见，在不久的将来，煤炭微生物脱硫技术将在煤炭应用领域发挥越来越重要的作用。目前存在的主要问题是：煤炭脱硫微生物的生长周期较长，脱硫速度比较慢，培养基成本高，脱硫效率不高，制约了煤炭微生物脱硫技术的工业放大和推广。微生物脱硫菌种单一，有待于选育出脱硫效率高、适应性广，能脱除多种形式硫的菌种，以提高脱硫效率。美国利用基因重组等手段构建高效脱硫工程菌取得了很好的进展，采用转基因技术改良的脱硫微生物，进行了与煤中有机硫相近的石油脱硫试验，取得了一定成果。另外，需要完善和开发新的微生物脱硫技术和工艺，特别是将微生物脱硫与煤炭加工和输送相结合的工艺，比如将微生物脱硫与浮选的工艺和过程结合，及微生物脱硫技术与水煤浆的制备和输送过程相结合。
目前微生物脱硫成本约为每吨80～90元，比现行的煤燃中脱硫技术、燃烧后的烟气脱硫技术和其他燃烧前脱硫技术都更具有竞争力。开发适合我国的微生物脱硫技术具有广阔的前景，对满足日益增长的煤炭能源需求和遵循日益严格的环保法规具有特别重要意义。