生物瀝浸對(duì)城市污泥中重金屬去除研究

王 京， 冉 全， 范百齡， 張明贊， 王 初

(1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550008； 2.貴州民族大學(xué)，貴州貴陽(yáng) 550025； 3.上海師范大學(xué)，上海 200234)

截至2015年，我國(guó)污水處理廠產(chǎn)生了超過2 300萬(wàn)t污泥，城市污泥屬于污水處理的產(chǎn)物，若處理不當(dāng)將會(huì)造成環(huán)境的二次污染，污泥含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等微量營(yíng)養(yǎng)元素，可以作為化學(xué)肥使用[1]，但其中含有的難降解鹽類、重金屬和致病菌，尤其是重金屬物質(zhì)因其毒性、持久性和生物富集性而引起了人們的廣泛關(guān)注，已成為污泥農(nóng)用最關(guān)鍵的問題之一[2]。微生物瀝浸法作為一種環(huán)保、高效、低成本、工程應(yīng)用性強(qiáng)、 發(fā)展?jié)摿Υ蟮某鞘形勰嘀亟饘偬幚矸椒ǎ艿皆絹碓綇V泛的青睞[3]。微生物瀝浸作為一種低成本，綠色環(huán)保的重金屬處理技術(shù)，能夠有效去除城市污泥中的重金屬物質(zhì)。Barakat通過對(duì)意大利安科納港采集的沉積物作重金屬淋濾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cd、Zn、Cu的去除率在90%以上[4]；鄒塞等發(fā)現(xiàn)，微生物瀝浸完成后N、P的養(yǎng)分保持率分別為85%、31%，污泥中含有的肥效適合土地利用[5]。本研究對(duì)污泥進(jìn)行生物瀝浸處理，分析污泥中重金屬物質(zhì)的去除效果和相關(guān)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失情況，以期提高生活污泥農(nóng)用的安全性、可靠性。

1 測(cè)試方法

1.1 樣品采集與處理

污泥樣品于2016年2—5月采集于貴州省金陽(yáng)污水處理廠、新莊污水處理廠、小河污水處理廠、金百污水處理廠、白云區(qū)污水處理廠、青山污水處理廠、花溪污水處理廠等7個(gè)污水處理廠。按照CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》測(cè)定污泥基本性質(zhì)，所有樣品為污泥傳輸帶上的新鮮樣品，每隔5 min采集1次，多次混合，每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)采樣3次，樣品置于樣品袋內(nèi)密閉，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研缽磨細(xì)后分別過30目、100目尼龍篩，用于后續(xù)試驗(yàn)(表1)。

1.2 菌種和培養(yǎng)

筆者在生物瀝浸試驗(yàn)中所使用的菌種為嗜酸氧化硫硫桿菌，購(gòu)于上海復(fù)祥生物科技有限公司。微生物培養(yǎng)所用培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基。所有試驗(yàn)于2016年5月至2017年3月在貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

將已過100目篩的5 g污泥粉末置于250 mL三角瓶中以及150 mL去離子水以及5 mL氧化硫硫桿菌液體(菌密度為108個(gè)/mL)，并加入1 g S0作為能源物質(zhì)，將7層紗布置于瓶口處閉封后，置于25 ℃恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)，每隔20 h吸取1 mL上層清液，用去離子水定容到25 mL后測(cè)定溶液中的SO42-含量，每隔20 h測(cè)定1次pH值，瀝浸后進(jìn)行固液分離，固體物質(zhì)在50 ℃干燥箱中烘干，用100目尼龍篩后進(jìn)行重金屬、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量測(cè)試。

1.4 分析與測(cè)試方法

pH值的測(cè)定采用pH計(jì)，瀝浸后體系中SO42-含量采用分光光度計(jì)法測(cè)定；樣品污泥中的磷含量采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定；總氮含量采用紫外分光光度法測(cè)定；鉀含量使用HF-HClO4法測(cè)定；Pb 、Cd、Cr、Zn、Cu含量均采用HNO3+HCl+HF消煮，原子吸收光光度法測(cè)定。

本研究所有數(shù)據(jù)均采用Excle 2010和SPSS 18軟件進(jìn)行處理，圖表中數(shù)據(jù)均用平均值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥生物瀝浸后體系中pH值的變化

李桃等認(rèn)為，pH值是污泥生物瀝浸中生物生長(zhǎng)的重要影響因素，pH值的變化是生物活性和生物瀝浸效果的重要指標(biāo)，通常情況下，體系的pH值越低微生物的活性越好[6]。

表1 各污水廠原始污泥基本性質(zhì)(以干質(zhì)量計(jì))

由圖1可知，在初始的20 h內(nèi)，由于氧化硫硫桿菌接種液的加入，體系pH值開始逐步下降，而從20 h起逐步回升，在前160 h內(nèi)各體系pH值基本保持在6.53～7.73之間，這與李桃等的研究結(jié)果相似，說明在瀝浸初期，微生物活性不強(qiáng)，過程緩慢[7]。從160～280 h體系pH值下降趨勢(shì)明顯，之后變化趨緩。經(jīng)過340 h的瀝浸，7種樣品中6個(gè)污泥樣品pH值均較低在1.13～2.38之間，pH值較低，只有金陽(yáng)污水處理廠污泥經(jīng)瀝浸后pH值為2.98，該污泥pH值較高主要是由于小分子有機(jī)物對(duì)瀝浸過程中產(chǎn)生的小分子物質(zhì)的影響[8]。新莊、白云、青山、花溪等4個(gè)污水處理廠的污泥pH值降低到1.13～1.87，而金陽(yáng)污水處理廠由于初始污泥的pH值較高，瀝浸結(jié)束后pH值偏高。

微生物瀝浸過程中，pH值最終會(huì)降到2.00以上，這能起到殺菌的作用，因?yàn)樵谠摋l件下大部分病原體都無法生存。

2.2 污泥瀝浸后各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化

污泥經(jīng)生物瀝浸340 h后，污泥中的各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化情況見圖2、圖3，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間瀝浸后，污泥中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中全磷的含量平均損失率較高，達(dá)40.14%，而有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀的含量平均損失率分別為8.63%、7.02%、12.78%。各污水處理廠污泥中全氮、全磷含量在瀝浸前普遍較高，而全鉀含量較低，全氮含量變化范圍為4.54%～6.85%，平均為5.41%；全磷含量變化范圍為2.87%～3.97%，平均為3.23%；全鉀含量變化范圍為1.09%～1.85%，平均為1.45%。貴陽(yáng)市相關(guān)污水廠污泥營(yíng)養(yǎng)價(jià)值相對(duì)較高，有利用的潛在價(jià)值。瀝浸后污泥的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的含量分別為33.21%～62.34%、4.21%～6.42%、1.54%～2.78%、0.93%～1.63%，養(yǎng)分總量(N+P2O5+K2O)含量在7.29%～10.83%，平均為8.23%，全部污泥有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分含量都滿足農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》)的限定值(有機(jī)質(zhì)含量>20%，氮、磷、鉀含量之和>3%)，因此，瀝浸后的污泥養(yǎng)分含量雖然略有降低，但仍然具有較高農(nóng)用價(jià)值。

2.3 S0氧化率在污泥瀝浸過程中的變化

李超等認(rèn)為，S0的氧化率不但可以用于評(píng)價(jià)S0在瀝浸過程中作為能源物質(zhì)被微生物利用的效率，也是評(píng)價(jià)瀝浸后去除污泥中重金屬物質(zhì)的重要指標(biāo)[9]。由圖4可知，在瀝浸初期，S0的生物轉(zhuǎn)化率較低，瀝浸到140 h，S0轉(zhuǎn)化率開始緩慢升高，體系S0的轉(zhuǎn)化率整體在280 h達(dá)到最高值。全部污泥瀝浸體系中S0的轉(zhuǎn)化率均呈現(xiàn)初期緩慢增長(zhǎng)、中期增長(zhǎng)加快、后期維持穩(wěn)定的趨勢(shì)，且最終S0的轉(zhuǎn)化率均在60%以上，說明氧化硫硫化桿菌的生命活動(dòng)較活躍。

2.4 污泥中Pb 、Cd、Cr、Zn、Cu的去除效果

由圖5可知，生物瀝浸過程中Zn的去除率最高，在 85.78%～91.64%之間，平均為89.06%，而其他重金屬物質(zhì)去除率相對(duì)較低；其中Cu的去除率整體最低，在21.20%～61.78%之間，平均為43.17%；Cd的去除率為58.57%～78.67%，平均為70.39%；Cr的去除率為64.28%～84.41%，平均為75.22%；Pb的去除率為45.31%～65.11%，平均為55.35%。重金屬平均去除率由高到低依次為Zn>Cr>Cd>Pb>Cu。謝琴等認(rèn)為，污泥中Zn的主要存在形態(tài)是不穩(wěn)定的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，在酸性條件下Zn2+很容易浸提到液相中去[10]；康得軍等的試驗(yàn)結(jié)果也說明，污泥中Cr和Cu主要是以有機(jī)結(jié)合態(tài)存在，Pb主要以還原態(tài)存在，而Zn主要以不穩(wěn)定狀態(tài)存在[11]。與其他重金屬相比，Zn在可交換態(tài)中所占的比例最高，所以去除率高于其他重金屬。

李超等采用Fe2+與S0作為能源物質(zhì)，隨著體系系統(tǒng)中Fe2+與S0的氧化，污泥中氧化還原電位快速升高，導(dǎo)致Cu的去除率下降[9]。李艷霞等采用氧化硫硫桿菌與氧化亞鐵硫桿菌復(fù)合菌株對(duì)污泥中重金屬進(jìn)行溶出試驗(yàn)，混合菌種對(duì)重金屬的淋濾效果要高10%[12]，可見復(fù)合菌株對(duì)Cu的去除效果明顯高于單一微生物氧化硫硫桿菌[13-14]。

由圖5可知，小河污水處理廠污泥中Pb、Zn去除率最高，分別為65.11%、91.64%，金陽(yáng)污水處理廠污泥中Cr、Cd去除率最高，分別達(dá)到84.41%、78.67%，青山污水處理廠污泥中Cu的去除率最高，達(dá)61.78%?？梢?，不同污水處理廠的污泥采用生物瀝浸技術(shù)去除重金屬的效果也各不一樣。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究以貴州省貴陽(yáng)市7個(gè)污水處理廠污泥為試樣，用氧化硫硫桿菌作功能微生物，以S0為能源物質(zhì)進(jìn)行污泥重金屬去除的瀝浸分析，污泥樣品中Pb 、Cd、Cr、Zn、Cu的去除率分別為45.31%～65.11%、58.57%～78.67%、64.28%～84.41%、85.78%～91.64%、21.20%～61.78%；而污泥有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等含量平均損失率分別為8.63%、7.02%、40.74%、 12.78%。因此，生物瀝浸法可去除污泥中的大部分重金屬物質(zhì)，而污泥剩余養(yǎng)分含量滿足CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》，從而確保城市污泥在農(nóng)用過程中的安全性和有效性。