接種物投量對生物瀝浸調(diào)理航道底泥脫水性能的影響

孫琪，石明巖，劉恒甫，簡國丹，黃鳳丹，黃麗鳳

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

接種物投量對生物瀝浸調(diào)理航道底泥脫水性能的影響

孫琪，石明巖*，劉恒甫，簡國丹，黃鳳丹，黃麗鳳

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

接種物投量;生物瀝浸;航道底泥;比阻;TB-EPS

為避免航道污染,需清淤或疏浚。由此產(chǎn)生的底泥是不同來源的營養(yǎng)物質(zhì)和污染物經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)和生化作用,形成的疏松狀、高含水率的灰黑色淤泥[1],需妥善處理，其中脫水減量化處理是關(guān)鍵。生物瀝浸技術(shù),最早應(yīng)用于礦山浸礦[2]。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),該技術(shù)還可通過鐵氧化鉤端螺旋菌、硫化桿菌屬、嗜酸菌屬以及其他與硫桿菌聯(lián)合生長的兼性嗜酸異養(yǎng)菌的生物作用對污泥脫水性能進(jìn)行調(diào)理[3]。接種物投量的大小直接影響瀝浸體系中微生物生長環(huán)境的維持和良性循環(huán)[4],進(jìn)而影響處理效果。為此,本研究以黃鐵礦粉和硫粉為能量底物,采用搖瓶培養(yǎng)試驗對航道底泥進(jìn)行不同接種物投量下的生物瀝浸處理,目的是考察接種物投量對底泥脫水性能的變化及相應(yīng)的作用機(jī)理,為航道底泥減量化處理提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 接種物制備

試驗所用底泥取自某航道,泥質(zhì)見表 1。

將150 mL原始底泥裝入250 mL錐形瓶中,分別加入5.0 g·L-1的FeS2和2.0 g·L-1的S0,置于恒溫水浴振蕩器中,保持28 ℃、180 r/min的條件進(jìn)行搖瓶培養(yǎng)。定時監(jiān)測底泥pH,當(dāng)pH值低于2.5時,結(jié)束第1次培養(yǎng)。之后取20 mL酸化底泥加入130 mL新鮮底泥中,采用相同方法重復(fù)培養(yǎng)2次,獲得的酸化物可達(dá)到接種要求。

表1 試驗?zāi)噘|(zhì)

1.2 搖瓶試驗

1.3 分析項目與測試方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS13.0 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析[10]，相關(guān)性分析用皮爾森相關(guān)系數(shù)表示。

2 結(jié)果與討論

生物瀝浸過程中Fe2+和S0的氧化率被認(rèn)為是微生物活性和生物瀝浸效果的重要評判指標(biāo),氧化率越高,說明瀝浸效果越好[9,11]。

圖1顯示了不同接種物投量下處理過程的Fe3+濃度變化。

由圖1可知,瀝浸前期Fe3+濃度呈現(xiàn)上升趨勢,可能是Fe2+氧化生成Fe3+所致[12-13]。當(dāng)接種物投量分別為5%、10%、15%、20%時,Fe3+濃度分別由0時刻的0.71 mg·L-1、0.98 mg·L-1、0.63 mg·L-1、0.66 mg·L-1增至2.24 mg·L-1、3.86 mg·L-1、2.59 mg·L-1、2.15 mg·L-1。其中,10%接種物投量下的Fe3+濃度變化最為顯著,增長率為293.38%。瀝浸后期能源物質(zhì)被大量消耗,瀝浸微生物逐步進(jìn)入內(nèi)源呼吸期,氧化能力減弱,Fe3+濃度因此出現(xiàn)下降。

Fig.1 Changes of Fe3+ concentrations in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖1 不同接種物投量下生物瀝浸過程中Fe3+濃度的變化

Fig.2 Changes of concentrations in the process of bio-leaching under different amounts inoculum圖2 不同接種物投量下生物瀝浸過程中濃度的變化

Fig.3 Changes of the value of ORP in the process of bio-leaching under different amounts inoculum圖3 不同接種物投量下生物瀝浸過程中ORP的變化

(1)

(2)

(3)

(4)

Fig.4 Changes of the value of pH in the process of bio-leaching under different amounts inoculum圖4 不同接種物投量下生物瀝浸過程中pH的變化

Fig.5 Changes of the value of SRF in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖5 不同接種物投量下生物瀝浸過程中比阻的變化

2.2 接種物投量對底泥比阻的影響

比阻SRF是衡量污泥脫水性能的主要指標(biāo)。當(dāng)SRF>4.00×1012m·kg-1時為難脫水污泥,當(dāng)1.00×1012m·kg-1

由圖5可以看出,瀝浸前期,不同處理下的底泥比阻呈現(xiàn)不同程度地下降。當(dāng)接種物投量分別為5%、10%、15%、20%時,比阻分別由初始時刻的5.63×1012m·kg-1、5.06×1012m·kg-1、5.63×1012m·kg-1、5.91×1012m·kg-1降至最低值的1.10×1012m·kg-1、0.92×1012m·kg-1、1.06×1012m·kg-1、1.21×1012m·kg-1,接種物投量為10%時的比阻下降率最高(81.82%)。說明接種物投量不足,會影響瀝浸體系中微生物活性[4],脫水性能變差,但并非越高越好。同時，在空白對照組中,未經(jīng)接種的底泥比阻呈直線下降,在72 h時,比阻為1.84×1012m·kg-1。相比其他組而言,可以看出瀝浸最佳時刻延遲,驗證了前述接種物投量對瀝浸效果的影響。

Fig.6 Changes of the content of S-EPS,LB-EPS and TB-EPS in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖6 不同接種物投量下生物瀝浸過程中S-EPS、LB-EPS、TB-EPS含量的變化

2.3 胞外聚合物(EPS)的變化

按底泥有機(jī)物與細(xì)胞相的結(jié)合程度,EPS 可分為黏液層 EPS(S-EPS)、松散結(jié)合的 EPS(LB-EPS)和緊密結(jié)合的EPS(TB-EPS) 3個層組[19],其中EPS為TB-EPS與LB-EPS之和。不同接種物投量下EPS各層組含量的變化如圖6所示。

Fig.7 Changes of the number of heterotrophic bacteria in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖7 不同接種物投量下生物瀝浸過程中異養(yǎng)菌數(shù)量變化

由圖6可知,S-EPS含量表現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律,而LB-EPS、TB-EPS的變化則與之相反。對照圖4可以發(fā)現(xiàn),pH與LB-EPS、TB-EPS的變化同步,表明生物酸化與EPS變化直接相關(guān)。進(jìn)一步分析推測,瀝浸前期pH降低,酸化作用增強,附著在LB-EPS、TB-EPS上的不溶態(tài)蛋白和多糖大量轉(zhuǎn)移到最外層的Slime層[20],導(dǎo)致LB-EPS、TB-EPS含量減少,S-EPS含量增加。圖7顯示,瀝浸過程中異養(yǎng)菌數(shù)量急劇下降,由4.30×1012～11.40×1012個·mL-1降至2.61×1010～7.40×1010個·mL-1。表明此階段自養(yǎng)型硫桿菌為優(yōu)勢菌群,由于其分泌的LB-EPS和TB-EPS極少[18],同時部分TB-EPS、LB-EPS轉(zhuǎn)化為S-EPS[21],因此也導(dǎo)致了上述現(xiàn)象的出現(xiàn)。然而過長時間的生物瀝浸處理會造成底泥pH值過低,底泥中存活的微生物分泌大量的EPS以保護(hù)自身細(xì)胞免受傷害[22],從而出現(xiàn)瀝浸后期TB-EPS、LB-EPS含量回升,S-EPS含量下降。

結(jié)合SRF變化發(fā)現(xiàn),SRF與LB-EPS、TB-EPS變化同步，進(jìn)一步分析LB-EPS、TB-EPS與SRF下降的相關(guān)性,結(jié)果見表2。

表2 LB-EPS、TB-EPS與比阻的相關(guān)性分析

由表2可知,當(dāng)接種物投量在0～20%范圍內(nèi)時，LB-EPS 、TB-EPS與SRF的相關(guān)系數(shù)分別在0.82～0.96和0.84～0.96之間變化，與SRF呈正相關(guān),且對比阻的影響接近。

3 結(jié)論

研究了0%～20%范圍內(nèi)的接種物投量對生物瀝浸法調(diào)理航道底泥脫水性能的影響,結(jié)果表明:

(2)經(jīng)生物瀝浸,底泥比阻由5.06×1012m·kg-1～5.91×1012m·kg-1降至0.92×1012m·kg-1～1.21×1012m·kg-1,下降率為79.53%～81.82%。其中當(dāng)接種物投量為10%、瀝浸48 h時,底泥比阻由5.06×1012m·kg-1降至0.92×1012m·kg-1,取得最大下降率81.82%。

(3)LB-EPS、TB-EPS與比阻呈正相關(guān),其含量越少,比阻越低,越有利于脫水。其中,TB-EPS對降低比阻的貢獻(xiàn)略高于LB-EPS。

[1] 王慧,于偉鵬,黑亮,等.污染底泥處理及資源化利用研究進(jìn)展[J].人民珠江,2015(3):121-124.DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2015.03.034.

[2] Torma A E.Biotechnology Applied to Mining of Metals[J].BiotechnolAdv,1983,1(1):73-80.DOI：10.1016/0734-9750(83)90302-6.

[3] 周立祥.污泥生物瀝浸處理技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012(5):154-166.

[4] ZHOU LX,FANG D,WANG SM,etal.Bioleaching of Cr from Tannery Sludge:The Effects of Initial Acid Addition and Recycling of Acidified Bioleached Sludge[J].EnvironmentalTechnology,2005,26(3):277-84.DOI：10.1080/09593332608618558.

[5] 劉奮武,周立祥.不同能源物質(zhì)配合及化學(xué)強化對生物瀝浸法提高城市污泥脫水性能的效果[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009(5):974-979.DOI：10.3321/j.issn:0253-2468.2009.05.014.

[6] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,1999:106-226.

[7] HUO M,ZHENG G,ZHOU L.Enhancement of the Dewaterability of Sludge During Bioleaching Mainly Controlled by Microbial Quantity Change and the Decrease of Slime Extracellular Polymeric Substances Content[J].BioresourTechnol,2014,168:190-197.DOI：10.1016/j.biortech.2014.02.098.

[8] WONG J W C,ZHOU J,Kurade M B,etal.Influence of Ferrous Ions on Extracellular Polymeric Substances Content and Sludge Dewaterability During Bioleaching[J].BioresourceTechnology,2015:78-83.DOI：10.1016/j.biortech.2014.10.099.

[9] 宋興偉,周立祥.生物瀝浸處理對城市污泥脫水性能的影響研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008(10):2012-2017.DOI：10.3321/j.issn:0253-2468.2008.10.012.

[10] 宋永偉,王鶴茹,曹艷曉,等.低分子有機(jī)酸對硫桿菌活性的抑制作用及對土壤重金屬脫除的影響[J].環(huán)境科學(xué),2016(5):1960-1967.DOI：10.13227/j.hjkx.2016.05.046.

[11] FANG D,ZHOU LX.Effect of Sludge Dissolved Organic Matter on Oxidation of Ferrous Iron and Sulfer by Acidithiobacillus Ferrooxidans and Acidithiobacillus Thiooxidans[J].WaterAir&SoilPollution,2006,171(1-4):81-94.DOI: 10.1007/s11270-005-9014-9.

[12] 石超宏,朱能武,吳平霄,等.生物瀝浸去除污泥重金屬及改善脫水性能研究[J].中國環(huán)境科學(xué),2013(3):474-479.DOI：10.3969/j.issn.1000-6923.2013.03.014.

[13] Pathak A,Dastidar M G,Sreekrishnan T R.Bioleaching of Heavy Metals from Sewage Sludge by Indigenous Iron-oxidizing Microorganisms Using Ammonium Ferrous Sulfate and Ferrous Sulfate as Energy Sources:A Comparative Study[J].JHazardMater,2009,171(1-3):273-278.DOI：10.1016/j.jhazmat.2009.05.139.

[14] 朱海鳳,周立祥,王電站.生物瀝浸的酸化效應(yīng)對城市污泥脫水性能的影響[J].環(huán)境科學(xué),2012(03):916-921.DOI：10.13227/j.hjkx.2012.03.047.

[15] Liao Y,Zhou L,Bai S,etal.Occurrence of Biogenic Schwertmannite in Sludge Bioleaching Environments and Its Adverse Effect on Solubilization of Sludge-borne Metals[J].AppliedGeochemistry,2009,24(9):1739-1746.DOI：10.1016/j.apgeochem.2009.05.003.

[16] 李超,周立祥,王世梅.復(fù)合硫桿菌生物浸出污泥中重金屬的效果及與pH和ORP的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008(6):1155-1160.DOI：10.3321/j.issn:0253-2468.2008.06.020.

[17] Houghton J I,Stephenson T.Effect of Influent Organic Content on Digested Sludge Extracellular Polymer Content and Dewaterability[J].WaterRes,2002,36(14):3620-3628.DOI：10.1016/S0043-1354(02)00055-6.

[18] 宋永偉,劉奮武,周立祥.微生物營養(yǎng)劑濃度對生物瀝浸法促進(jìn)城市污泥脫水性能的影響[J].環(huán)境科學(xué),2012(8):2786-2792.DOI：10.13227/j.hjkx.2012.08.044.

[19] Frolund B,Griebe T,Nielsen P H.Enzymatic Activity in the Activated-sludge Floc Matrix[J].ApplMicrobiolBiotechnol,1995,43(4):755-761.DOI：10.1007/BF00164784.

[20] 何培培,余光輝,邵立明,等.污泥中蛋白質(zhì)和多糖的分布對脫水性能的影響[J].環(huán)境科學(xué),2008(12):3457-3461.DOI：10.13227/j.hjkx.2008.12.010.

[21] 童震松,洪晨,邢奕,等.表面活性劑調(diào)理下污泥中胞外聚合物分布與束縛水含量的關(guān)系[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(08):2913-2919.

[22] Cabiscol E,Tamarit J,Ros J.Oxidative Stress in Bacteria and Protein Damage by Reactive Oxygen Species[J].InternationalMicrobiology,2000,3(1):3-8.

Influence of Bioleaching in the Amounts of Inoculum on Dewaterability of the Channel Sediment

SUN Qi，SHI Mingyan*,LIU Hengfu,JIAN Guodan,HUANG Fengdan,HUANG Lifeng

(DepartmentofMunicipalEngineering,CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

amount of inoculum;bioleaching;channel sediment;SRF;TB-EPS

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.028

2016-08-29；

2016-11-09

國家自然科學(xué)基金(51308136);廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2014-15);國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201511078012);廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201611078069)

孫琪(1993-)，武漢人，碩士研究生。

*通信作者：石明巖(SHI Mingyan),E-mail:mingyanshi@163.com

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0253-2395(2017)01-0195-06