微生物淋滤法去除城市污泥中重金属的效果

1、生态环境学报 2009, 18(1: 111-115 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金项目:广东省科技计划项目(2005B3303008;建设部科技计划项目(2004(149作者简介:李淑更(1978年生,女,讲师,博士研究生,主要研究方向为环境生物技术。E-mail: lishugeng 收稿日期:2008-09-03微生物淋滤法去除城市污泥中重金属的效果李淑更1,2,张可方3,周少奇2,张朝升3,张立秋31. 广州大学环境科学与工程学院,广东 广州 510006;2. 华南理工大学环境科学与工程学院,广东 广州 5100

2、06;3. 广州大学土木工程学院,广东 广州 510006摘要:以广州市城市污泥作为培养介质,利用以硫代硫酸钠作为生长基质进行生命活动的氧化亚铁硫杆菌(T.f和氧化硫硫杆菌(T.t来淋滤去除污泥中的重金属,研究了不同底物含量及不同驯化污泥接菌量对重金属去除效果的影响。结果表明,在无驯化污泥接种的条件下,最佳基质投配率为10 g·L -1;驯化污泥接种培养可以缩短污泥的酸化周期,并且在相同投配比条件下,接种培养较不接种培养的去除效果明显提高。驯化污泥接种量为10%、投配比为7 g·L -1时,污泥中主要超标元素Cu 、Zn 、Cd 和Ni 的去除率分别达到67.2%,88.9

3、%,82.4%和68.4%。同时,处理后污泥中的重金属含量可满足污泥农用的国家标准。关键词:城市污泥;重金属;去除;微生物淋滤中图分类号:X172 文献标识码:A 文章编号:1674-5906(200901-0111-05城市污泥是采用活性污泥法处理污水过程中的副产物。据估算,目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量(干质量大约为130万t ,而且年增长率大于10%1。污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体,除含有大量的水分(可高达99%以上外,还含有氮、磷等营养物质,以及难降解的有机物、重金属、盐类、少量的病原微生物和寄生虫卵等,因此,国内外的相关机构越来越重视污泥

4、治理问题。城市污泥的处置方法通常有投海、填埋、焚烧、土地利用等。在这些方法中,投海已被弃用(1998年底国际公约已禁止污泥投海;由于占用大面积的土地,填埋方法也相应的在减少;焚烧可以降低污泥的体积,但是焚烧灰仍需填埋处理,并且污泥通常需要增加助燃物才能进行燃烧,这增加了污泥处理的经济成本2;污泥土地利用实现了有机物的土壤植物城市污水污泥土壤的良性大循环,被认为是最具吸引力的处置方式。但是,由于污泥中重金属含量较高,易引发严重的环境问题,成为制约污泥土地利用的关键因素3-5。因此,针对如何有效去除污泥中重金属这一问题,国内外众多学者展开了广泛的研究。结果表明,传统的化学方法去除效果明显,但处理费

5、用较高,难以在实践中应用6。近年来,利用微生物技术去除污泥中重金属的研究取得了较大进展,尤其是生物淋滤技术,该技术是利用氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌等嗜酸性硫杆菌的生物氧化作用,将污泥中难溶性重金属从固相中溶出进入水相,再通过固液分离法加以去除。因其去除污泥中重金属的效果明显且处理成本低而受到广泛关注7-11。这其中很多研究都是先进行菌种的分离纯化,然后再淋滤去除重金属,在实际应用中这势必增加操作的复杂性。因此,本研究直接以需要处理的污泥作为培养介质,利用污泥中原有的具有淋滤作用的微生物来去除污泥中的重金属。1 材料与方法1.1 供试污泥供试污泥来源于广州市猎德污水处理厂,为取自二沉池的剩余污

6、泥。污泥质量浓度为1015g·L -1,pH =6.88,干污泥中有机质含量为38.42%41.65%,总氮含量2.85%3.06%,总磷含量1.1%2.28%。污泥中重金属元素含量见表1。从表1中可以看出,污泥中Cu 、Zn 、Cd 、Ni 均超过了我国酸性土壤施用污泥的农用标准。因此,在淋滤过程中主要对超标重金属进行检测。1.2 污泥的驯化和接种培养取1 L 供试污泥于培养容器中,以不同投配比(5、7、10、13 g·L -1向污泥中投加培养基质Na 2S 2O 3,置于30 恒温水浴锅中进行曝气培养,并用pH 计表1 供试污泥中重金属质量分数 Table 1 The

7、heavy metal contents of sewagesludge used in the experiments mg·kg -1样品Cu Zn Pb Cr Cd Ni污泥 333.41219.8 153.6 207.2 11.1102.7pH<6.5250500 300 600 5 100农用标准(GB4282-84pH 6.55001000 1000 1000 20 200112 生态环境学报 第18卷第1期(2009年1月 对污泥的酸化情况进行监测。当所测定pH 值连续两天的变化幅度小于5%时,认定此时达到培养终点。取上述驯化污泥作为接种污泥,在室温25 及连续曝

8、气条件下,向原污泥中按不同接种量(5%、10%、25%投加接种污泥来研究其对污泥驯化周期和重金属的去除效果的影响。接种量的计算式为:接种量(%=接种污泥量/(处理污泥量+接种污泥量×100%。1.3 分析项目及方法试验过程中的分析项目包括:污泥中六种重金属的测定(Cu 、Zn 、Cd 、Cr 、Pb 、Ni ,污泥中有机质含量、全氮含量和全磷含量测定。试验检测分析方法采用中国土壤学会编制的土壤农业化学分析方法12。淋滤过程中污泥的pH 值采用WTW-82362 pH 计 (WTW, Germany进行测定。2 结果与讨论2.1 不同投配比时污泥酸化速度和重金属的去除效果以硫代硫酸钠作

9、为培养基质,不同投加量对污泥驯化周期的影响如图1所示。从图1中可以看出,当投配比为5 g·L -1时,污泥的酸化速度缓慢,在驯化期结束时,污泥的pH 值由6.88仅下降至3.9左右。投配比为7 g·L -1时,酸化速度较5 g·L -1的快,但驯化期结束时的pH 值也仅降至3.2左右。而按投配比为10 g·L -1和13 g·L -1L 投加培养基质进行驯化时,污泥的pH 值下降较明显,在89 d 的时间内,pH 值均降为2.3左右。根据以上检测结果,可以看出,当投配比从5 g·L -1增加至10 g·L -1时,污泥的酸化

10、速度随着投配比的增加而增加,说明增加投加量有助于缩短污泥的酸化周期;当投配比再行增加时,酸化速度和周期与10 g·L -1时的几乎相当,说明以硫代硫酸钠作为培养基质进行污泥驯化时,投配比达到10 g·L -1之后,很难通过增加投加量来缩短酸化周期。不同投加量时污泥中重金属的去除效果见图2。从图中可见,经过微生物处理后污泥中的主要超标元素Cu 、Zn 、Cd 、Ni 的含量都有不同程度的降低。当投配比为5 g·L -1时,经淋滤之后污泥中的Cu 、Zn 、Cd 的含量依然高于污泥施用于酸性土壤的标准值。这主要是由于在低投配比时,污泥酸化 图2 硫代硫酸钠不同投加量时

11、污泥中重金属的去除效果Fig. 2 Removal efficiency of heavy metals in sludge under different dosage of Na 2S 2O 3图1 硫代硫酸钠不同投配比时的污泥驯化周期 p Ht/d 012345678012345678910Fig. 1 Sludge acidification periods under different dosage rate of Na 2S 2O 3 w (污泥C u /(m g ·k g -1污泥中C u 的去除率/%培养基质Na 2S 2O 3的投加量/(g·L -150

12、100150200250300571013020406080w (污泥Z n /(m g ·k g -1污泥中Z n 的去除率/%培养基质Na 2S 2O 3的投加量/(g·L -110020030040050060057101320406080100w (污泥C d /(m g ·k g -1污泥中C d 的去除率/%培养基质Na 2S 2O 3的投加量/(g·L -1012345657101320406080100w (污泥N i /(m g ·k g -1污泥中N i 的去除率/% 培养基质Na 2S 2O 3的投加量/(g·L

13、 -102040608010012057101320406080李淑更等:微生物淋滤法去除城市污泥中重金属的效果 113速度慢,酸化程度不彻底造成的。当投配比从5 g·L-1增加到10 g·L-1时,这四种重金属的去除率相应提高,投配比为10 g·L-1时,Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分别为58.6%、83.7%、76.2%和59.2%,相比于投配比为7 g·L-1时的去除率(41.3%、71.8%、65.1%和49.4%,都有很大的提高。投配比为13g·L-1时,Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分别为61.6%、86.9%、79.1%和61.

14、09%,较10 g·L-1的去除率略有提高,但效果增加不明显,这和污泥驯化周期中投配比为10 g·L-1和13 g·L-1时最终酸化程度相当相对应。从以上分析可以看出,尽管重金属的去除率随投配比的增加而增加,但在去除率达到一定程度后,单纯依靠增加投配比所获得的去除效果是有限的。根据以上结果,以硫代硫酸钠为培养基质时,最合适的投配率为10 g·L-1。2.2 接种培养对淋滤效果的影响根据上述分析结果,选用投配比为10 g·L-1的驯化污泥作为接种污泥,按不同接种量(5%,10%和25%进行淋滤试验,在投配比为10 g·L-1时,淋滤过程

15、pH值变化结果见图3。待处理污泥按接种量为5%,10%和25%加入驯化污泥后,原污泥pH 值由原来的6.88分别下降至5.38、3.47和2.29。经曝气培养后,其各自的酸化周期分别为89 d、5 6 d和67 d。从图3中pH的变化过程来看,各接种条件下的污泥pH值均经历了一个先升高、然后降低并趋于稳定的过程,pH值的升高一方面由于污泥的缓冲作用,另一方面还由于硫代硫酸钠作为基质时,在氧化亚铁硫杆菌Thiobacillus ferrooxidans (T.f作用下,发生反应生成NaOH造成的13。反应过程如式(1所示。(1接种量为5%时,污泥预酸化不足,培养周期和不接种时基本没有变化,并且由

16、于接种量较少,在pH值升高后,后期的降低过程是逐渐进行的,所以接种量低时,由于接入的菌群无法成为优势菌群,起不到太大的作用。接种量为10%和25%时, pH在经历升高之后,都出现了从4左右降低到2.4左右的突降过程,这个现象和文献13中的变化过程一致,主要是由于T.f细菌的大量繁殖和硫代硫酸钠的氧化使硫酸大量生成,导致pH值的迅速降低,反应式见式(2。两种接种量下的最终pH值在2.2左右,和不接种条件下的最终酸化程度基本相同。(2不同接种量下,投配率为10 g·L-1时的Cu、Zn、Cd、Ni的去除效果见图4。从各重金属的去除效果来看,接种量为5%时 图3 不同接种量时的污泥驯化周期

17、pH t/d1234567012345678910Fig.3 Sludge acidification periods under different inoculation w(污泥Cu/( mg·kg-1污泥中Cu的去除率/%驯化污泥接种量/%501001502002503005102520406080w(污泥Zn/(m g·kg-1污泥中Zn的去除率/%驯化污泥接种量/%1002003004005006005102520406080100w(污泥Cd/(m g·kg-1污泥中Cd的去除率/%驯化污泥接种量/%1234565102520406080100w(污

18、泥Ni/(mg·kg-1污泥中Ni的去除率/%驯化污泥接种量/%204060801001205102520406080图4 不同接种量时重金属的去除效果Fig. 4 Removal efficiency of heavy metals in sludge under different inoculation114 生态环境学报 第18卷第1期(2009年1月的去除率均低于其他两种接种量下的去除率,和不接种情况下的去除率基本相当。10%接种量下各元素的去除率分别为:Cu 68.06%,Zn 89.31%,Cd 84.59%,Ni 69.68%。25%接种量下各元素的去除率分别为:Cu

19、 67.75%,Zn 89.37%,Cd 84.77%,Ni 68.13%。从以上数据可以看出,两者的去除效果基本相当,这也和前面分析的两者pH 值变化相似相对应。从以上分析可以看出,驯化污泥接种量为10%时,能缩短酸化周期,提高去除效果,低于此值,接种带来的效果不明显;高于此值,运行成本升高,但处理效果难进一步提高。试验过程中还对10%接种量条件下,投配比分别为5 g·L -1和7 g·L -1时的驯化周期和去除效果进行测定,结果见图5和图6。从图5可见,此两种投配率下的污泥驯化周期均为56 d ,比同条件下不接种时的驯化周期缩短5 d 左右,并且最终的pH 值也降低至2

20、.5左右。从图6的去除效果也可以看出,在10%接种的条件下,各重金属的去除率比不接种时均有所提高。图6和图4的结果进行对比,不难发现,7 g·L -1投配比下的去除率和10 g·L -1投配比下的去除率基本相当。这再次表明10%的接种量能明显缩短污泥驯化周期并提高去除效果,在此接种量条件下,最佳投配比也可以降至7 g·L -1。 2.3 机理分析活性污泥中普遍存在氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans ,T.f 和氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans ,T.t ,它们是2种化能自养微生物,能通过氧化硫酸亚铁或还

21、原性硫化合物获得能量。若在污水及污泥中投加此类物质会导致这些细菌大量繁殖。硫代硫酸钠作为硫和许多还原性硫化合物的氧化过程最主要的中间产物之一,硫代硫酸钠可被T.f 和T.t 作为能源物质加以利用14。在代谢过程中,能产生硫酸,使pH 值降低,使污泥中的重金属元素沥出,再通过固液分离去除重金属。污泥酸化过程中T.f 和T.t 对硫代硫酸根的可能代谢途径13如图7所示。 3 结论(1广州市猎德污水处理厂污泥中Cu 、Zn 、Cd 和Ni 的含量均超过我国酸性土壤条件下污泥农用标准,需经处理后才能农用。(2以硫代硫酸钠作为培养基质进行污泥淋滤时,淋滤效果随投配率的增加而增加,但当投配率超过10 g&

22、#183;L -1以后,去除效果难再行提高,根据试验结果,建议最合适的投配率为10 g·L -1。 (3接种培养时,驯化污泥的接种量从5%提高到10%时,污泥的酸化周期缩短,并且去除效果相应提高,接种量超过10%之后,去除效果基本保持不变,但成本增加,因此最佳接种量为10%左右。(4接种培养时污泥的酸化周期为56 d ,较不接种培养时缩短5 d 左右;接种培养和不接种培养对污泥的最终酸化程度没有太大影响,利用猎德污水厂污泥作介质进行试验时的最低pH 值在2.2左右;在相同投配比条件下,接种培养较不接种培养的去除效果明显提高;接种条件下,投配率降低至7 g·L -1时,主要超

23、标元素Cu 、Zn 、Cd 和Ni 的去除率分别达到67.2%,88.9%,82.4图7 T. f 和T. t 对硫代硫酸根离子的代谢过程示意Fig. 7 Diagrammatic sketch of metabolism process ofthiosulfate ion by T. f and T. tS 2Cu Zn Cd Ni图6 10%接种量下不同投配率的重金属去除效果 去除率/%重金属Fig. 6 Removal efficiency of heavy metals in sludge under different dosage rate of Na 2S 2O 3 with 1

24、0% inoculation图5 10%接种量下不同投配率的污泥驯化周期 p Ht/d 012345012345678910Fig. 5 Sludge acidification periods under differentdosage rate of Na 2S 2O 3 with 10% inoculation李淑更等:微生物淋滤法去除城市污泥中重金属的效果 115%和68.4%,污泥中的残余重金属含量均符合我国污泥农用标准。参考文献:1杭世珺, 陈吉宁, 郑兴灿, 等. 污泥处理处置的认识误区与控制对策J. 中国环保产业, 2005, 3: 11-14.Hang Shijun, Che

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