化能自养菌Acidithiobacillus thiooxidans生物浸出高炉粉尘中锌元素的创新工艺与循环经济价值研究

本研究针对钢铁工业副产品——高炉粉尘(cast-house dust, CHD)中锌(Zn)杂质影响铁(Fe)资源回用的难题，创新性采用化能自养菌Acidithiobacillus thiooxidans进行生物浸出。通过优化通气量(0.42-0.50 vvm)和反应时间(7-14天)，在125 g L-1高粉尘浓度下实现Zn浸出率75±5%而Fe损失仅9±2%，为冶金废弃物资源化提供了环境友好型解决方案。

　　

钢铁工业每年产生大量含锌高炉粉尘，这些粉尘因锌元素在冶炼过程中的挥发性会形成炉壁结瘤，严重影响生产效率。传统火法冶炼Waelz工艺虽能回收锌，但存在能耗高、二次污染等问题。如何选择性提取锌并保留铁资源，成为实现冶金循环经济的关键瓶颈。

奥地利研究人员在《Biochemical Engineering Journal》发表的研究中，开创性地利用嗜酸硫杆菌Acidithiobacillus thiooxidans的生物氧化特性，通过其代谢产生的生物硫酸选择性浸出高炉粉尘中的锌。研究采用fed-batch搅拌反应器系统，通过动态氧传输系数(k_La)测定优化通气参数，在125 g L^-1超高粉尘负荷下，实现了锌铁浸出的高效分离。

关键技术包括：1) 建立三升规模fed-batch生物反应器系统；2) 采用ICP-MS/OES分析金属溶出动力学；3) 通过离子色谱(IC)监测SO₄^2-生成；4) 动态氧测量法计算k_La值；5) 扫描电镜(SEM)表征颗粒形态变化。

【CHD表征结果】

粉尘主要含Fe₃O_{4>/Fe2O3(63.75wt%)和ZnO(2.63wt%)，酸中和能力测试显示其缓冲性弱，有利于生物酸浸出。SEM显示颗粒平均直径10-50μm，孔隙结构为生物接触提供界面。}

【浸出效率分析】

在7.5 g L^-1低硫添加条件下，14天培养产生57 g L^-1 SO₄^2-，对应Zn浸出率75.2±3.0%。缩短周期至7天仍保持68.1±2.1% Zn浸出率，而Fe损失从9.0±1.5%降至5.1±2.1%，显著提高选择性。通气量从0.42增至0.50 vvm虽提升氧传输速率(OTR)24.8 mg L^-1 h^-1，但k_La值未显著改善，说明单纯增加通气量并非优化方向。

【固体残渣特性】

浸出后残渣铁含量提升至70.1wt%，锌残留仅1.15wt%，硫含量从0.58wt%降至0.35wt%，完全满足钢厂回用烧结原料的工艺要求。XRD证实残渣中主要相为赤铁矿，无锌化合物残留。

【工程参数优化】

通过OUR-OTR平衡方程计算发现，0.50 vvm通气时氧饱和浓度(c*)仅微量提升，说明需改进气泡分散效率而非单纯增加气量。临界氧浓度0.05 mg L^-1远低于实测值2 mg L^-1，证实当前系统氧供给充足。

该研究首次在工业相关浓度下验证了生物浸出工艺的稳定性，按奥地利年产1.6万吨CHD计算，可年回收228吨锌。创新性地采用低硫投加策略避免残渣硫累积，为冶金-生物技术跨学科整合提供了范本。未来通过耦合硫酸盐还原菌(SRB)实现废水循环，将进一步增强该技术的环境友好特性，推动钢铁工业向零废弃物生产转型。