氧化亞鐵硫桿菌與硫酸改善城市污泥的脫水性能

謝武明, 邢 瑜, 張 寧, 馬峽珍， 顧 舸， 劉敬勇， 區(qū)國(guó)才， 陳新杰

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 廣州 510006； 2. 廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院， 廣州 510006)

氧化亞鐵硫桿菌與硫酸改善城市污泥的脫水性能

謝武明1*, 邢 瑜1, 張 寧1, 馬峽珍1， 顧 舸2， 劉敬勇1， 區(qū)國(guó)才1， 陳新杰1

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 廣州 510006； 2. 廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院， 廣州 510006)

研究生物酸化和化學(xué)酸化調(diào)理法對(duì)污泥脫水性能的影響，以污泥比阻作為污泥脫水性能的評(píng)價(jià)指標(biāo). 結(jié)果表明，生物酸化調(diào)理污泥的脫水效果和穩(wěn)定性均優(yōu)于化學(xué)酸化. 在接種氧化亞鐵硫桿菌菌液為10%時(shí)，可使原泥脫水效率提高49.7%；而酸處理的最佳條件為初始pH 3.2，此時(shí)污泥脫水性能較原泥提高30.8%. 比較調(diào)理過程中污泥體系pH的變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接種量一定，生物調(diào)理法可較長(zhǎng)時(shí)間維持利于脫水的酸性環(huán)境. 經(jīng)電鏡掃描可見，生物法調(diào)理的污泥含硫桿菌，其團(tuán)形均勻、孔隙度大、泥質(zhì)松軟. 紅外光譜分析表明，氧化亞鐵硫桿菌通過酶作用把胞外聚合物中的蛋白質(zhì)分解，從而改善污泥脫水性能.

城市污泥； 氧化亞鐵硫桿菌； 生物酸化； 酸處理； 脫水性能

Keywords： municipal sludge；Acidithiobacillusferrooxidans; biological acidification; acid treatment; dewaterability

城市污水處理廠產(chǎn)生大量生化污泥，經(jīng)常規(guī)的濃縮、消化和脫水后，其含水率仍達(dá)80%[1]，高含水率限制其資源化利用[2-3]. 實(shí)現(xiàn)污泥高效、低耗和充分的脫水對(duì)解決其資源化利用顯得尤為重要. 制約生化污泥脫水的主要因素是：固體膠態(tài)物質(zhì)較低的沉降性能；污泥顆粒的高彈性和壓縮性能；胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,簡(jiǎn)稱EPS)的高親水性鎖住水分子[4]. 因此，為提高污泥脫水效率，可采取破壞高親水性EPS鎖住水分子的環(huán)境，改進(jìn)污泥顆粒物的沉降性能等污泥調(diào)理措施.

污泥調(diào)理中的物理法和化學(xué)法主要是改變污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而提高固體顆粒的沉降性能、濾餅的孔隙度和滲透性[4-5]. 化學(xué)酸化處理是利用外加無機(jī)酸創(chuàng)造酸性環(huán)境，使活性污泥胞外聚合物水解、微生物細(xì)胞瓦解，絮體、細(xì)胞內(nèi)部間隙水釋放變成自由水，改變水分分布，改善污泥脫水性能，提高脫水效果[5].

生物調(diào)理法是通過污泥中EPS的水解作用破壞絮凝物質(zhì)的凝膠結(jié)構(gòu)，通常細(xì)胞趨于聚集形成絮體，生物膜或顆粒[6]. 氧化亞鐵硫桿菌是鐵細(xì)菌的一種，以亞鐵硫化物為能源物質(zhì)，好氧條件和酶的催化作用下產(chǎn)生電子和鐵化物，前者可提供能量和提高電化學(xué)活性，鐵化物水解產(chǎn)生亞鐵化合物和H+，既提供能源物質(zhì)又降低體系pH. 按此路線構(gòu)建的氧化-還原系統(tǒng)，希望有效改善污泥脫水性能. 為此，相關(guān)專家著手研究氧化亞鐵硫桿菌的生物產(chǎn)酸和生物活動(dòng)產(chǎn)生衍生礦物質(zhì)對(duì)改善城市污泥脫水性能的影響[7-9].

生物法和化學(xué)法調(diào)理均提供酸性環(huán)境，本文對(duì)比研究不同調(diào)理方法改善污泥脫水性能的機(jī)制. 從城市污泥中篩選氧化亞鐵硫桿菌菌株，富集分離純化后經(jīng)送檢，菌種鑒定為氧化亞鐵硫桿菌ATCC232-70 (AcidithiobacillusferrooxidansATCC23270，簡(jiǎn)稱A.fATCC23270). 采用搖瓶試驗(yàn)，并結(jié)合電鏡掃描觀察和紅外表征，較全面地分析生物酸化與化學(xué)酸化對(duì)污泥脫水性能和污泥結(jié)構(gòu)的影響，為生物法調(diào)理市政污泥的工程化應(yīng)用提供必要的理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 供試污泥和菌種

實(shí)驗(yàn)所用污泥取自廣州某污水處理廠A/O工藝的新鮮污泥，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定污泥的pH、含固率和污泥比阻，其基本理化性質(zhì)如表1所示. 采集的污泥保存于4 ℃冰箱中，待用.

表1 原始污泥部分基本理化性質(zhì)Table 1 Portion of basic physical and chemical properties of raw sludge

篩選菌株污泥取自沉砂池上層，吸取15 mL污泥于135 mL已滅菌的9K培養(yǎng)基[10]中，于28～30 ℃搖床中培養(yǎng)(160 r/min). 直至培養(yǎng)液的氧化還原電位(ORP)上升至500 mV以上，此時(shí)菌液細(xì)胞濃度約為1×106cells/mL. 至瓶中溶液變成紅棕色，取15 mL第一次接種的菌液于135 mL已滅菌的9K培養(yǎng)液中，連續(xù)5個(gè)周期進(jìn)行富集培養(yǎng)，直至接入菌液的9K培養(yǎng)液能夠在1～2 d變成紅棕色，此時(shí)細(xì)菌生長(zhǎng)旺盛.

將氧化亞鐵硫桿菌ATCC23270的16S rRNA測(cè)序結(jié)果在NCBI上進(jìn)行比對(duì)分析，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹.

1.2 生物調(diào)理試驗(yàn)

取含氧化亞鐵硫桿菌的培養(yǎng)液于裝有新鮮污泥的錐形瓶中，在溫度28～30 ℃、轉(zhuǎn)速160 r/min的恒溫振蕩器(THZ-98C, 上海)中培養(yǎng)，在6 d的培養(yǎng)周期中，分別于0、24、48、72、96、120、144 h取樣，測(cè)定污泥比阻.

1.3 化學(xué)調(diào)理試驗(yàn)

取250 mL新鮮污泥于250 mL三角瓶中，用14.08 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)污泥pH至2.7、3.2、3.5、4.4、5.3、5.9，在攪拌下維持pH穩(wěn)定5 min，然后與原泥一起置于搖床完成調(diào)理過程，1 h后取出測(cè)定其污泥比阻.

1.4 分析方法

pH采用精密pH計(jì)(PHS-25，上海雷磁)測(cè)定；污泥比阻用布氏漏斗抽濾法測(cè)定[11].

電鏡掃描觀察：污泥樣品用2.5%戊二醛固定4 h，用磷酸緩沖液洗滌3次，然后進(jìn)行乙醇梯度脫水，30%、50%、70%、80%、90%各1次，100%乙醇2次，每次處理15 min，接著用乙酸異戊酯置換乙醇2次，每次20 min，再用乙醇/乙酸異戊酯比例為1∶1的溶液以及純乙酸異戊酯各置換1次，每次15 min，以上每一步完成后于高速離心機(jī)離心5 min(8 000 r/min)，最后將樣品置于-80 ℃的冷凍干燥器(LGJ-12, 北京)中12 h，噴金后進(jìn)行電鏡掃描(S-3400N, Hitachi)觀察.

紅外光譜表征：取45 mL樣品，3 000 r/min離心30 min，得到上清液，倒出上清液加入0.9%生理鹽水，搖勻，超聲2 min，水浴加熱30 min，然后6 000 r/min離心20 min，得到EPS，將其置于冷凍干燥器(LGJ-12, 北京松源華興科技發(fā)展有限公司)冷凍干燥約48 h，可得白色或米黃色粉末，即為固體EPS粉末，保存于-20 ℃冰箱中，用于紅外光譜(Nicolet6700, 美國(guó)Thermofisher)表征.

2 結(jié)果和討論

2.1 生物調(diào)理污泥比阻的變化

污泥比阻(Specific Resistance to Filtration，簡(jiǎn)稱SRF)是指泥餅對(duì)水流通產(chǎn)生的內(nèi)部阻力[12]. 生物調(diào)理試驗(yàn)中，以菌株培養(yǎng)液作為接種物，設(shè)置體積比20%、15%、10%、5%、1%、和0(原泥)共6個(gè)梯度的接種物比例，污泥比阻隨時(shí)間的變化如圖1所示. 生物調(diào)理中，比阻值呈下降的趨勢(shì)，可能是好氧條件下污泥中微生物胞外聚合物發(fā)生降解，導(dǎo)致污泥脫水性能的改善，此結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[13]. 1%接種量試驗(yàn)由于自身的酸化作用，比阻值不降反升. 接種菌劑量為10%時(shí)脫水性能最好，脫水性能較原泥提高49.8%.

圖1 接種量對(duì)污泥比阻的影響

原泥和接種量影響調(diào)理過程中pH的變化如圖2所示，原泥和接種菌劑量為1%的試驗(yàn)pH呈下降趨勢(shì)，因?yàn)榻臃N量過低，氧化亞鐵硫桿菌未能成為優(yōu)勢(shì)菌群，且污泥自身的酸化效應(yīng)，降低pH. 其它試驗(yàn)的pH先略有上升再下降，這是因?yàn)檠趸瘉嗚F硫桿菌進(jìn)入污泥系統(tǒng)需要經(jīng)過一定時(shí)間的適應(yīng)，當(dāng)污泥體系中氧化亞鐵硫桿菌的細(xì)胞濃度足夠時(shí)，pH維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍. 處理過程中氧化亞鐵硫桿菌利用能源物質(zhì)而產(chǎn)生H+，降低pH，即生物酸化[7]. 在氧化亞鐵硫桿菌的作用下，亞鐵和鐵化合物相互轉(zhuǎn)化，構(gòu)成氧化-還原體系，維持并穩(wěn)定細(xì)菌生長(zhǎng)需要的酸性環(huán)境.

2.2 不同初始pH下化學(xué)調(diào)理污泥比阻的變化

原始污泥加入硫酸溶液的化學(xué)酸化過程中，不同初始pH處理下污泥比阻如圖3所示，污泥經(jīng)過調(diào)理后其脫水性能得到改善，SRF減少的百分比表示脫水性能的提高效率. 酸處理實(shí)驗(yàn)中，初始pH 3～4試驗(yàn)的污泥比阻較低，初始pH為3.2最低，脫水性能較原泥提高30.8%.

圖2 不同接種量對(duì)污泥pH的影響

圖3 不同初始pH處理對(duì)化學(xué)酸化污泥比阻的影響

Figure 3 Effect of different initial pH on SRF of chemical acidified sludge

污泥是類似土壤的緩沖體系，由于污泥EPS含有較多的負(fù)電荷基團(tuán)及少量正電荷基團(tuán)，幾乎所有的污泥表面電位都呈負(fù)電性[14]. 而酸處理是通過H+與污泥顆粒結(jié)合，改變污泥的理化特性[15]. 因此酸處理會(huì)中和污泥表面的負(fù)電荷，改變污泥電化學(xué)和膠體性質(zhì). 化學(xué)酸處理中，酸的投加量有個(gè)閾值，此時(shí)H+與污泥表面的負(fù)電荷基團(tuán)發(fā)生中和反應(yīng)，加酸量超過這個(gè)值，對(duì)污泥脫水效果不明顯，趨近于零甚至惡化脫水性能.

生物調(diào)理與酸處理都有一個(gè)共同點(diǎn)，即酸性條件. 低pH環(huán)境下，污泥絮凝能力得到提高，此時(shí)靜電斥力減小，污泥絮體離解常數(shù)達(dá)到最小值[16]，利于污泥顆粒沉降. 當(dāng)pH過低，由于EPS過多地釋放到水中而影響水透過濾紙孔隙，污泥的脫水性能并不隨著酸度的增加而提高[17]. 如圖3所示，初始pH為2.7的試驗(yàn)脫水性能不如原泥(原泥的pH為5.9)，其原因可能是長(zhǎng)期過酸的外界環(huán)境促使存活的部分微生物分泌EPS，導(dǎo)致被EPS束縛的結(jié)合水含量顯著上升，從而惡化污泥脫水性能[18-19].

此外，在生物調(diào)理后污泥比阻測(cè)定過程中，并無聞到臭味，可能因?yàn)槲勰嘀械膼撼粑镔|(zhì)(如H2S)在氧化條件下被分解. 鄭冠宇等[20-21]研究指出，大部分細(xì)菌種屬只能生活在偏中性的pH環(huán)境，而氧化亞鐵硫桿菌的代謝活動(dòng)可營(yíng)造酸性環(huán)境，隨著pH的降低，一些對(duì)低pH敏感的種屬開始受到抵制，甚至消亡.

氧化亞鐵硫桿菌的調(diào)理中的酸性環(huán)境會(huì)影響污泥脫水性能，此外還有以下原因：第一，亞鐵、鐵離子及其衍生物對(duì)污泥顆粒的絮凝作用能有效降低污泥比阻[22-23]；第二，EPS結(jié)合水、有機(jī)質(zhì)離解結(jié)合水的釋放，生物細(xì)胞的破壞，有利于污泥脫水[24]. 相比于化學(xué)酸處理，生物法的調(diào)理效果更佳，更為穩(wěn)定.

2.3 污泥經(jīng)調(diào)理后污泥EPS的紅外表征

用紅外表征調(diào)理前后污泥EPS的結(jié)構(gòu)，可推測(cè)調(diào)理過程對(duì)污泥的作用機(jī)理. 從3個(gè)紅外光譜圖可看出，酸處理與原泥重疊程度很高，官能團(tuán)出峰位置基本一致. 經(jīng)過生物調(diào)理的污泥，在1 409 cm-1出現(xiàn)了羧酸官能團(tuán)對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的特征波數(shù)，表明EPS成分的酸性性質(zhì)[25]. 該官能團(tuán)是蛋白質(zhì)在酶的作用下分解的產(chǎn)物之一，說明氧化亞鐵硫桿菌在調(diào)理過程中有效破壞污泥中胞外聚合物結(jié)構(gòu)，改善脫水性能. 1 637～1 660 cm-1與蛋白質(zhì)酰胺的振動(dòng)有關(guān)，即與α-螺旋與β-折疊的CO伸縮振動(dòng)有關(guān)[26-27]，該官能團(tuán)可促進(jìn)生物絮凝，提高污泥沉降性能[25, 28]. 3 402～3 418 cm-1是細(xì)胞表面蛋白質(zhì)N—H鍵的伸縮振動(dòng)和碳水化合物結(jié)合水的O—H鍵的伸縮振動(dòng). 圖4中上述2個(gè)波段峰位的紅移，說明蛋白質(zhì)上官能團(tuán)對(duì)污泥脫水性能的調(diào)理中起重要作用. 相關(guān)研究表明，1 200～1 000 cm-1與O—H和C—O伸縮振動(dòng)有關(guān)，這2種最常見的官能團(tuán)存在于糖類[29]. 900～600 cm-1屬于指紋區(qū)，出現(xiàn)在指紋區(qū)的官能團(tuán)難以預(yù)測(cè)，但可作為識(shí)別細(xì)菌種類的依據(jù)，出峰位置的偏移，是2種處理方法導(dǎo)致細(xì)菌種類的差異[30].比較得出，氧化亞鐵硫桿菌通過生物酶的作用分解蛋白質(zhì)，破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而使調(diào)理后污泥的脫水性能優(yōu)于酸處理.

(a)原始污泥的EPS;(b)化學(xué)酸處理后污泥的EPS;(c)生物處理后的污泥EPS

圖4 3種污泥EPS的紅外光譜圖

Figure 4 The infrared spectra of three kinds of sludge’s EPS

2.4 生物調(diào)理法與酸處理對(duì)污泥形態(tài)影響的比較

圖5C是原始污泥，可看出污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)，顆粒與顆粒之間連結(jié)緊密. 圖5A是經(jīng)過嗜酸硫桿菌處理過的電鏡圖像，可看到污泥團(tuán)形松軟，孔隙度大，其中能看到桿菌，與結(jié)構(gòu)密實(shí)的原始污泥圖像對(duì)比，污泥結(jié)構(gòu)得到改善，從而提高脫水性能.

圖5B是化學(xué)酸處理的污泥，可看出表面粗糙破碎，顆粒分布規(guī)律. 酸性條件下，污泥的疏水性較強(qiáng)，易于沉降[31-32]. 肖本益等[33]研究表明，酸、堿預(yù)處理會(huì)破碎污泥，使大顆粒污泥減小，從而提高污泥粒徑的均勻性. 此外，污泥微生物的胞外聚合物中含有一些兩性物質(zhì)，這些兩性物質(zhì)在酸性條件下會(huì)溶解，從絮體結(jié)構(gòu)中分離出來，轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)，對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用[21, 34].

圖5 3種污泥的電鏡圖

生物調(diào)理和化學(xué)酸處理都能營(yíng)造酸性環(huán)境. 生物酸化要比化學(xué)酸反應(yīng)復(fù)雜得多，顯然氧化亞鐵硫桿菌的代謝活動(dòng)，使調(diào)理中的污泥持續(xù)處于酸性環(huán)境中. 經(jīng)生物好氧酸化調(diào)理的污泥無臭無味，泥餅?zāi)噘|(zhì)松軟. 酸處理的污泥有明顯氣味，測(cè)定比阻過程中有氣泡產(chǎn)生. 從所測(cè)定比阻的結(jié)果中，生物調(diào)理效果佳更穩(wěn)定，且生物法不產(chǎn)生二次污染，這是其突出的優(yōu)勢(shì).

3 結(jié)論

(1)當(dāng)接種菌劑量適中時(shí)，氧化亞鐵硫桿菌可較長(zhǎng)時(shí)間地營(yíng)造pH低于3的酸性環(huán)境以促進(jìn)污泥脫水，其穩(wěn)定性及持續(xù)性優(yōu)于酸處理. 酸處理在最佳pH3.2條件下最高為30.8%. 生物調(diào)理在接種菌劑比例為10%效果最佳，脫水性能可提高49.8%.

(2)紅外光譜表明，蛋白質(zhì)對(duì)污泥的調(diào)理起重要作用，經(jīng)生物法調(diào)理的污泥EPS紅外光譜在1 409 cm-1處出現(xiàn)羧酸官能團(tuán)的特征峰，是氧化亞鐵硫桿菌通過酶作用分解蛋白質(zhì)的產(chǎn)物. 電鏡掃描圖表明，經(jīng)氧化亞鐵硫桿菌處理過的污泥團(tuán)形松軟，孔隙度大，其中包含桿菌.

(3) 2種調(diào)理方法比較可得，氧化亞鐵硫桿菌通過持續(xù)維持酸性環(huán)境和破壞EPS蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，改善污泥脫水性能，從而使調(diào)理后污泥的脫水效果和穩(wěn)定性優(yōu)于酸處理.

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Study on Municipal Sewage Sludge Dewaterability Improved by Acidithiobacillus Ferrooxidans and Sulfuric Acid

XIE Wuming1*， XING Yu1， ZHANG Ning1， MA Xiazhen1， GU Ge2， LIU Jingyong1， OU Guocai1， CHEN Xinjie1

(1. School of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;(2. School of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The study was performed on effects of biological acidification and acid treatment on the sludge’s dewaterability. Specific resistance to filtration(SRF)was used to evaluate the dewatering properties. Experimental results showed that the dewaterability and stability of sludge treated by biological acidification were better than chemical acidification. With 10% inoculation ofAcidithiobacillusferrooxidansbacteria liquid，the dewaterability of original sludge had been impoved by 49.7%，compared with the 30.8% of acid treatment of initial pH 3.2. The sludge systems’ pH varaiation were compared during conditioning process, it was found that biological conditioning method at a certain inoculation can maintain longer acidic environment in favor of dehydration. By electron microscope scanning (SEM), the sludge shape of bioleaching treatment was uniform, large porosity, soft texture, and the bacteria strains were observed. Infrared spectrum results showed that,Acidithiobacillusferrooxidansdecomposed protein of extracellular polymeric substances (EPS) through enzyme action, improving sludge dewatering performance.

2016-11-08 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

廣東省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2015B010110004)；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411845213、201411845147)

*通訊作者:謝武明，副教授，Email:xiewuming@163.com.

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1000-5463(2017)05-0048-06

【中文責(zé)編：成文 編輯助理：冷佳奕 英文審校：李海航】