復(fù)合硫桿菌對(duì)污泥重金屬生物淋濾機(jī)制的影響

張弛等

摘要：

對(duì)污泥生物淋濾過程中各種重金屬元素的形態(tài)變化情況進(jìn)行了測定，借助重金屬化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律，間接判斷污泥重金屬生物淋濾的轉(zhuǎn)化機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果顯示，Cu、Ni、Cd的生物淋濾是以直接機(jī)制為主的，Zn的生物淋濾過程是以間接機(jī)制為主的，Cr、Pb的生物淋濾過程屬于混合機(jī)制，但其混合機(jī)理是有差別的。

關(guān)鍵詞：

污泥； 重金屬； 生物淋濾； 機(jī)制

污泥是重要的環(huán)境污染物，其性質(zhì)復(fù)雜、毒害性持久，污泥中的重金屬處理更是環(huán)境污染控制領(lǐng)域的重要課題[12]。傳統(tǒng)的污泥消化、濃縮、脫水工藝并不能有效去除其中的重金屬。近年來新開發(fā)的針對(duì)重金屬去除的技術(shù)主要有：化學(xué)法（離子交換、氯化、化學(xué)淋濾、電化學(xué)等），物理法（超臨界流體萃取、動(dòng)電技術(shù)、微波法、吸附法）。以上方法存在著成本較高、去除率有限、伴生二次毒性物、存在安全隱患等問題。生物法也可用于污泥重金屬去除。一般用于污泥重金屬處理的生物法包括生物淋濾法以及植物提取法等。污泥生物淋濾法[36]是利用弱嗜酸菌硫桿菌、嗜酸硫桿菌（T.t、T.f）以及部分異養(yǎng)菌的生物化學(xué)代謝過程[79]，使污泥中重金屬由難溶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化成為易溶態(tài)，達(dá)到去除污泥中重金屬的目的。生物淋濾法具有適用面廣、去除率較高、操作條件簡單、添加基質(zhì)廉價(jià)易得、反應(yīng)溫和、耗酸量少、可與污水廠原有污泥消化工藝同步實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。近年來對(duì)污泥生物淋濾技術(shù)的研究雖然較多[1014]，但對(duì)其淋濾機(jī)制的研究成果較少，尤其是對(duì)Cd、Ni、Cr、Pb淋濾機(jī)制的研究更少。這種對(duì)污泥生物淋濾機(jī)理研究的欠缺嚴(yán)重制約了污泥淋濾技術(shù)的發(fā)展。在污泥生物淋濾機(jī)理研究領(lǐng)域，重金屬化學(xué)形態(tài)在淋濾過程中的轉(zhuǎn)化關(guān)系研究是一個(gè)核心問題[15]。借助重金屬化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律，可以間接推斷污泥重金屬生物淋濾的轉(zhuǎn)化機(jī)制。基于這一思路，本文對(duì)多種重金屬元素的生物淋濾機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期找到污泥生物淋濾過程中常見重金屬元素的普遍規(guī)律，進(jìn)而為提高重金屬淋濾效率提供生物化學(xué)理論依據(jù)，促進(jìn)對(duì)污泥生物淋濾機(jī)制的理解。

張弛，等：復(fù)合硫桿菌對(duì)污泥重金屬生物淋濾機(jī)制的影響

1材料和方法

1.1污泥樣品

研究所用污泥取自太原市河西中北部污水處理廠的濃縮污泥，以及冶峪化工廠污水站的濃縮污泥，將二者混合作為本試驗(yàn)用原始污泥。污泥重金屬含量的測定采用王水高氯酸氫氟酸消解原子吸收分光光度法，此方法是近年來對(duì)污泥生物淋濾的研究者通用的方法，其測定結(jié)果可靠度較好。經(jīng)測定，試驗(yàn)用污泥的基本性質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)用菌種

試驗(yàn)菌種的主體是復(fù)合硫桿菌，其組成為氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans，簡稱T.t）與氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans，簡稱T.f）混合菌液，試驗(yàn)所用的氧化硫硫桿菌與氧化亞鐵硫桿菌，是在新鮮濃縮污泥中添加硫粉底物進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，再經(jīng)過重復(fù)接種加富培養(yǎng)獲得的，試驗(yàn)時(shí)采用體積比2%T.t+20%T.f的接種量。另外配合加入課題組開發(fā)的MT基因工程菌（pGEXZjMTB）接種液作為對(duì)硫桿菌淋濾的促進(jìn)菌種（3%接種量）。試驗(yàn)所用的MT基因工程菌是采用金屬硫蛋白基因工程菌（pGEXZjMTB）為基本菌液，經(jīng)過耐酸性馴化后，得到耐酸型MT基因工程菌，作為對(duì)硫桿菌淋濾過程的協(xié)作菌種。

1.3污泥生物淋濾去除率及pH變化規(guī)律試驗(yàn)

為了考察所用技術(shù)在處理實(shí)際污泥時(shí)的效果，試驗(yàn)過程未采用滅菌處理，但設(shè)置了空白對(duì)照組以對(duì)比未添加混合菌時(shí)的處理效果。通過試驗(yàn)對(duì)“空白對(duì)照組”與“添加混合菌組”分別對(duì)重金屬的去除率進(jìn)行了對(duì)比。空白對(duì)照組的試驗(yàn)條件為：不添加混合菌，也不添加菌群生長所需的底物。試驗(yàn)在同等條件下重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

pH變化情況是影響污泥生物淋濾效果以及重金屬形態(tài)的重要因素之一，研究對(duì)接種混合菌與未接種混合菌（空白對(duì)照組）條件下污泥淋濾體系的pH值隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)?？瞻讓?duì)照組的試驗(yàn)條件為：不添加混合菌，也不添加菌群生長所需的底物。

1.4污泥淋濾中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律試驗(yàn)

通過檢測污泥中各種重金屬元素在生物淋濾過程中的形態(tài)變化情況，間接分析淋濾機(jī)制。重金屬元素的化學(xué)形態(tài)測定方法，參考了改進(jìn)的順序浸提法[16]進(jìn)行。主要步驟包括：1）利用KNO3提取出可交換態(tài)重金屬；2）利用KF提取出吸附態(tài)重金屬。3）采用Na4P2O7提取有機(jī)結(jié)合態(tài)。4）采用EDTA實(shí)現(xiàn)對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬的提取。5）采用HNO3將剩余的硫化物結(jié)合態(tài)重金屬提取出來。6）剩余的重金屬含量即殘?jiān)鼞B(tài)。先對(duì)試驗(yàn)用原始污泥的形態(tài)比例進(jìn)行測定，將測出的質(zhì)量濃度換算成質(zhì)量比，見表2。

2結(jié)果和討論

2.1污泥生物淋濾去除率及pH變化規(guī)律

混合菌接種組、空白對(duì)照組對(duì)污泥重金屬去除率隨時(shí)間的變化情況分別見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知，添加混合菌時(shí)，可以提高淋濾效果，其原理主要是縮短了淋濾啟動(dòng)時(shí)間，提高了轉(zhuǎn)化速率。對(duì)照組試驗(yàn)各種重金屬的去除率都很低，這是由于對(duì)照組沒有添加混合菌，也沒有添加菌群生長所需的底物，即使此時(shí)的樣品中存在本土自有菌群，也由于缺乏增殖所需的底物，缺少所需的電子供體，硫細(xì)菌不能大量增殖。此時(shí)淋濾過程中的重金屬化學(xué)形態(tài)比例變化微弱，不利于對(duì)重金屬轉(zhuǎn)化過程中的化學(xué)形態(tài)變化情況開展研究，因此僅對(duì)添加混合菌時(shí)的重金屬形態(tài)變化情況進(jìn)行討論。

接種混合菌與未接種混合菌（空白對(duì)照組）條件下污泥淋濾體系的pH值隨時(shí)間的變化情況見圖3。

由圖3可知，添加混合菌時(shí)淋濾體系的pH值在3～6 d時(shí)出現(xiàn)明顯下降。不添加混合菌，也不添加底物的對(duì)照組，pH值變化始終很小，12 d內(nèi)反應(yīng)體系的pH值始終未能低于5.20。

淋濾過程中的pH值既是淋濾過程的影響制約參數(shù)，又是淋濾過程中的表現(xiàn)參數(shù)，它關(guān)系到氧化硫硫桿菌（T.t）與氧化亞鐵硫桿菌（T.f）的生長增殖情況，也關(guān)系到重金屬淋濾過程中各種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化情況。

圖3污泥淋濾體系的pH值隨時(shí)間的變化情況

整個(gè)淋濾過程中的pH值下降與否取決于以上幾種反應(yīng)的組合效果。pH值的降低速率越塊，pH值降低幅度越大，說明生物淋濾作用越強(qiáng)。添加混合菌與不添加混合菌時(shí)pH變化結(jié)果的差異間接證明了添加混合菌對(duì)淋濾效果確有促進(jìn)。

2.2污泥生物淋濾過程中重金屬形態(tài)變化規(guī)律

雖然污泥的性質(zhì)復(fù)雜，但通過順序浸提的方法，可以測得污泥的6種形態(tài)：交換態(tài)、吸附態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)。交換態(tài)重金屬含量比例的增加值，可以反映出淋濾后重金屬去除率的變化規(guī)律。只要在污泥淋濾過程中，定時(shí)取出一定量的污泥樣品進(jìn)行重金屬的化學(xué)形態(tài)分析，就可以得到淋濾過程中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，籍此可以間接推斷某種重金屬元素在生物淋濾過程中的生化機(jī)制。

一般將污泥淋濾機(jī)制[17]分為直接機(jī)制、間接機(jī)制、混合機(jī)制3種。直接機(jī)制是指以重金屬硫化物結(jié)合態(tài)以及有機(jī)結(jié)合態(tài)被直接氧化成可溶硫酸鹽為特征的淋濾機(jī)制。間接機(jī)制是指以碳酸鹽結(jié)合態(tài)以及有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬大量轉(zhuǎn)化為交換態(tài)為特征的淋濾機(jī)制。混合機(jī)制是指直接與間接機(jī)制同等地發(fā)揮作用。此時(shí)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)同等大量轉(zhuǎn)化為交換態(tài)為特征的淋濾機(jī)制，也可以是以有機(jī)結(jié)合態(tài)大量轉(zhuǎn)化為交換態(tài)為特征，而硫化物結(jié)合態(tài)僅起次要轉(zhuǎn)化作用。試驗(yàn)中各種重金屬元素在生物淋濾過程中的形態(tài)變化情況見圖4～9。

由圖4可以看到，生物淋濾過程中，Cu的硫化物結(jié)合態(tài)顯著減少，交換態(tài)顯著增加，碳酸鹽結(jié)合態(tài)略有減少，吸附態(tài)略有減少，殘?jiān)鼞B(tài)經(jīng)歷了先增、再減、再增的過程。其中交換態(tài)由8.1%增加至646%；有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)的減少量分別占交換態(tài)總增加量的225%、69%、701%?？梢?，對(duì)交換態(tài)增加量貢獻(xiàn)的大小順序是：硫化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)。由此可以推斷：對(duì)于試驗(yàn)的污泥，Cu的生物淋濾過程屬于直接機(jī)制。此結(jié)論是基于以下3方面的原因：1）原始污泥化學(xué)形態(tài)比例因素（Cu的硫化物結(jié)合態(tài)所占比例較大）；2）主導(dǎo)因素（硫化物結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)最大）；3）可忽略因素（碳酸鹽結(jié)合態(tài)雖也對(duì)交換態(tài)的增加量有貢獻(xiàn)，但僅占69%，可以忽略）。

圖4Cu在生物淋濾過程中的形態(tài)變化

由圖5可以看到，Ni的淋濾過程中各種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律類似于Cu，硫化物結(jié)合態(tài)顯著減少，交換態(tài)顯著增加，碳酸鹽結(jié)合態(tài)略有減少，吸附態(tài)逐漸減少，殘?jiān)鼞B(tài)經(jīng)歷了先減、再增的過程。交換態(tài)由11.8%增加至54.7%，共增加了42.9%；有機(jī)結(jié)合態(tài)的減少量占交換態(tài)總增加量的13.5%，本文認(rèn)為有機(jī)結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化對(duì)Ni而言屬于可忽略因素；碳酸鹽結(jié)合態(tài)在全程由6.3%減少至4.7%，沒有討論價(jià)值；硫化物結(jié)合態(tài)在全程由31.3%減少至7.5%，其減少量占交換態(tài)總增加量的55.5%；可見，對(duì)交換態(tài)增加量貢獻(xiàn)的大小順序是：硫化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)。由此可知，本試驗(yàn)Ni的生物淋濾過程是以直接機(jī)制為主的，其規(guī)律類似于Cu。

圖5Ni在生物淋濾過程中的形態(tài)變化

由圖6可以看到，生物淋濾過程中Zn的交換態(tài)顯著增加，碳酸鹽結(jié)合態(tài)顯著減少，吸附態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)也有所減少，殘?jiān)鼞B(tài)逐漸增加。交換態(tài)由14.1%增加至65.8%；碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)的減少量分別占交換態(tài)總增加量的59.6%、22.1%、12.4%?？梢?，對(duì)交換態(tài)增加量貢獻(xiàn)的大小順序是：碳酸鹽結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)>硫化物結(jié)合態(tài)。由此可以推斷Zn的生物淋濾過程以間接機(jī)制為主。此結(jié)論是基于以下3方面的原因：1）在試驗(yàn)用原始污泥中Zn的原始化學(xué)形態(tài)比例中，碳酸鹽結(jié)合態(tài)與有機(jī)結(jié)合態(tài)所占比例較大。2）主導(dǎo)因素（碳酸鹽結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)最大）。3）可忽略因素（硫化物結(jié)合態(tài)雖也對(duì)交換態(tài)的增加量有貢獻(xiàn)，但僅占12.4%）。

圖6Zn在生物淋濾過程中的形態(tài)變化

由圖7可以看到，Cd的生物淋濾過程中各種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律是：硫化物結(jié)合態(tài)顯著減少，交換態(tài)顯著增加，有機(jī)結(jié)合態(tài)略有減少，碳酸鹽結(jié)合態(tài)略有減少，吸附態(tài)變化輕微，殘?jiān)鼞B(tài)略有增加。交換態(tài)由16.4%增加至62.6%；有機(jī)結(jié)合態(tài)在全程由133%減少至6.4%，其減少量占交換態(tài)總增加量的14.9%；碳酸鹽結(jié)合態(tài)在全程由9.9%減少至34%，其減少量占交換態(tài)總增加量的14.1%；硫化物結(jié)合態(tài)在全程由34.1%減少至5.9%，其減少量占交換態(tài)總增加量的61.0%?？梢姡瑢?duì)交換態(tài)增加量貢獻(xiàn)的大小順序是：硫化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)≈碳酸鹽結(jié)合態(tài)。由此可以推斷Cd的生物淋濾過程是以直接機(jī)制為主的。其規(guī)律類似于Ni。

圖7Cd在生物淋濾過程中的形態(tài)變化

由圖8可以看到，生物淋濾過程中Cr的有機(jī)結(jié)合態(tài)顯著減少，交換態(tài)顯著增加，碳酸鹽結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)略有減少，殘?jiān)鼞B(tài)經(jīng)歷了有小幅增加。交換態(tài)由71%增加至33.5%；有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)的減少量分別占交換態(tài)總增加量的56.1%、21.2%、22.7%?？梢?，對(duì)交換態(tài)增加量貢獻(xiàn)的大小順序是：有機(jī)結(jié)合態(tài)>硫化物結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)。由此可以推斷：對(duì)于本試驗(yàn)的污泥，Cr的生物淋濾過程屬于混合機(jī)制，也就是說直接與間接機(jī)制同時(shí)發(fā)揮作用。此結(jié)論是基于以下3方面的原因：1）原始污泥化學(xué)形態(tài)比例因素（有機(jī)結(jié)合態(tài)所占比例較大）；2）主導(dǎo)因素：有機(jī)結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)最大。這種形態(tài)特征意味著在Cr的淋濾進(jìn)程中，既有硫桿菌對(duì)有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬的直接氧化（這趨向于直接機(jī)制），又有高價(jià)態(tài)金屬離子（如：Fe3+）對(duì)ORP提高之后的二次氧化作用（這屬于間接機(jī)制）。同時(shí)，在Cr的生物淋濾過程中，硫化物結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)也有24.6%，這更使Cr的生物淋濾不能排除直接機(jī)制的可能性。3）兼顧因素：碳酸鹽結(jié)合態(tài)也對(duì)交換態(tài)的增加量有貢獻(xiàn)，占23.1%，不宜忽略。

圖8Cr在生物淋濾過程中的形態(tài)變化

由圖9可以看到，Pb的生物淋濾過程中各種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律是：碳酸鹽結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)均顯著減少，交換態(tài)顯著增加，其余各態(tài)變化不明顯。交換態(tài)由12.0%增加至47.1%，共增加了351%；有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)的減少量分別占交換態(tài)總增加量的19.7%、405%、35.0%。可見，對(duì)交換態(tài)增加量貢獻(xiàn)的大小順序是：碳酸鹽結(jié)合態(tài)≈硫化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)。由此可以推斷：對(duì)于本試驗(yàn)的污泥，Pb的生物淋濾過程屬于混合機(jī)制，即直接與間接機(jī)制同時(shí)發(fā)揮作用，但其機(jī)理規(guī)律不同于Cr。此結(jié)論是基于以下3方面的原因：1）原始污泥化學(xué)形態(tài)比例因素（碳酸鹽結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)所占比例都較大）；2）主導(dǎo)因素：碳酸鹽結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)近似，說明直接機(jī)制與間接機(jī)制在此同等重要。

圖9Pb在生物淋濾過程中的形態(tài)變化

由Cr、Pb的轉(zhuǎn)化規(guī)律可以看到，有機(jī)物型與弱碳酸型的重金屬元素在生物淋濾過程中，均可表現(xiàn)為混合機(jī)制，但其規(guī)律是不同的。需注意，不同城市的試驗(yàn)污泥，其成份是不同的，其淋濾過程中的化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化特征也是有差異的。

3結(jié)論

對(duì)污泥重金屬生物淋濾過程中的重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。根據(jù)各種重金屬在淋濾前后的化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律對(duì)相應(yīng)的淋濾機(jī)制進(jìn)行了歸類。判斷其淋濾機(jī)制的依據(jù)包括以下3個(gè)方面：1）原始污泥化學(xué)形態(tài)比例；2）主導(dǎo)因素（何種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)最大）；3）可忽略因素（某種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化量對(duì)交換態(tài)的增加量貢獻(xiàn)小于15%）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，Cu、Ni、Cd的生物淋濾是以直接機(jī)制為主的，Zn的生物淋濾過程是以間接機(jī)制為主的。Cr、Pb的生物淋濾過程屬于混合機(jī)制，但其規(guī)律是不同的，Cr的有機(jī)結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)是其主導(dǎo)因素，Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)與硫化物結(jié)合態(tài)同時(shí)發(fā)揮著轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)。

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（編輯王秀玲）