張 弛,蘇冰琴,李 超,楊志宏,張海怡,彭婭婭
(1.太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院,太原 030024;2.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心,太原 030024;3.山西正陽污水凈化有限公司,山西 晉中 030600)
污水廠產生的污泥是一種典型的環(huán)境污染物,其綜合利用經常受到脫水難、重金屬含量高等因素的困擾[1-3]。生物瀝濾法能同時實現(xiàn)去除污泥重金屬污染物與提高污泥脫水性能兩方面目標,是一種具有良好應用前景的污泥處理方法[4-6]。污泥生物瀝濾技術是在S0,S2-,F(xiàn)e2+等電子供體或能源物質存在的條件下,利用弱嗜酸菌硫桿菌、嗜酸硫桿菌以及部分異養(yǎng)菌的生物化學代謝過程,促使反應體系形成酸性、氧化性環(huán)境,使污泥中的重金屬形態(tài)從難溶態(tài)轉化成易溶態(tài)的過程[7-8]。瀝濾營養(yǎng)基質、pH值、接種液、EPS水平、EPS中蛋白質含量等因素對污泥脫水性能都有較大的影響[9-11]。
污泥生物瀝濾菌群能獲得的營養(yǎng)基質及其轉化效率是影響污泥瀝濾效果的關鍵因素。在不同的基質環(huán)境中,本實驗所依賴的核心菌群氧化亞鐵硫桿菌(T.f)與氧化硫硫桿菌(T.t)所發(fā)揮的作用不同,其附著型、游離型菌群所占的優(yōu)勢比例也不同,所能實現(xiàn)的瀝濾效果也不同[12]。硫桿菌的世代時間、瀝濾進程中pH值和ORP值的變化情況,也會隨著底物種類差異而變化,進而影響瀝濾效果。對于T.f或T.t菌群而言,單質S、多聚硫酸鹽、S2-,F(xiàn)eSO4·7H2O,F(xiàn)e2(SO4)3,F(xiàn)eCl2都是可能的營養(yǎng)基質。其中S及其化合物在污泥生物瀝濾菌群代謝中發(fā)揮著重要的控制作用。
近年來,S作為環(huán)??蒲蓄I域廣泛應用的重要營養(yǎng)基質得到了深入研究,生物S氧化技術在污水處理領域已逐漸引起重視[13]。氣態(tài)S基質能夠通過化學以及生物作用轉化為液態(tài)S基質。H2S進入污泥混合液后,可轉化為S2-,S0或生物態(tài)S,同時參與Fe2+與Fe3+之間的轉化過程,共同構成T.t、T.f菌群所需的S-Fe營養(yǎng)基質。但在污泥生物瀝濾領域,將純H2S或污水廠臭氣用作硫桿菌生長的營養(yǎng)基質尚未見報道。
本文的研究目的是探索純H2S氣體以及污水處理廠臭氣中的H2S等氣態(tài)硫基質對污泥生物瀝濾的促進效應。主要研究了氣態(tài)S基質參與條件下,接種污泥中瀝濾菌群的馴化過程中pH值的變化特征、污泥瀝濾菌群的群落多樣性,瀝濾過程中ORP值以及Cr去除率的變化情況,以及S基質對瀝濾污泥脫水性能的影響情況。本文是對污泥生物瀝濾S基質的改良創(chuàng)新,同時也是對污水廠臭氣H2S污染物提出的一種新的綜合利用途徑,具有廣泛的應用價值。
實驗所用的污泥取自晉中市生活污水廠的污泥濃縮池,實驗優(yōu)先采用生鮮污泥,過夜污泥儲存于4 ℃冰箱中。污泥使用前先用磁力攪拌器混合均勻。污泥樣品的理化性質見表1.
污泥生物瀝濾實驗包括:瀝濾菌群馴化階段與污泥重金屬瀝濾階段。
在污泥生物瀝濾之前,為了獲得高效優(yōu)勢的菌群,用于后續(xù)的污泥生物瀝濾實驗,需對污泥中的菌液進行瀝濾馴化。重復3次馴化過程,馴化時間分別為11 d,7 d,6 d,且均以污泥混合液的pH值降至2.0以下作為馴化終點。經過馴化,得到實驗用氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌(T.f&T.t)加富菌液,以此處獲得的加富菌液作為下一步污泥瀝濾實驗的接種污泥。
污泥生物瀝濾實驗在500 mL的錐形瓶中進行,經過前期預備實驗對接種量的優(yōu)化可知,取30%的菌液接種比例可以獲得較穩(wěn)定的實驗效果。因此向每個錐形瓶內同時投加原始污泥180 mL和接種污泥54 mL,然后在恒溫振蕩器內進行瀝濾實驗。瀝濾前用質量比為1∶5的硫酸溶液預調節(jié)污泥的初始pH值為2.0.隨后,將錐形瓶置于(28±1) ℃、165 r/min條件下振蕩反應。每組實驗同時設置3個平行樣,每天對反應體系混合液進行稱重,生物瀝濾過程中損耗的水分用蒸餾水每12 h補充一次。
本實驗主要是研究以H2S替代傳統(tǒng)單質S作為硫基質的可能性,因此設置不同的營養(yǎng)基質作為對照實驗組,并以硫粉作為單質S營養(yǎng)物質,另外添加FeSO4·7H2O作為T.t、T.f菌群的協(xié)同營養(yǎng)。
本實驗所用的純H2S氣體采用硫化亞鐵固體(FeS)和稀鹽酸(HCl)在啟普發(fā)生器中反應制得。所用的臭氣取自污水廠格柵間進水渠內,經過集氣罩收集、風機抽出輸送至集氣袋。在實驗室內由集氣袋向反應器輸入臭氣。由檢測得知,本文所采集的臭氣主要成分是H2S,其他雜質成分較少,對H2S在本實驗中的反應無影響。3種不同硫基質反應組的營養(yǎng)基質組成見表2.
其中,實驗室純H2S氣體的流量設置為120 mL/h,含H2S臭氣的流量設置為300 mL/h.實驗過程中,采用高精度小流量氣體流量控制器,配合間歇進氣方式,實現(xiàn)對小流量H2S氣體輸入的精確控制。
實驗期間,在設定的時間取污泥或混合液樣品進行相應的數(shù)據(jù)測定。污泥菌群馴化過程中,菌群的群落多樣性分析是通過在設定的時間對污泥進行取樣檢測實現(xiàn)的。采用CTAB方法對樣本的基因組DNA進行提取,之后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度,以稀釋后的基因組DNA為模板,經過PCR擴增、建庫、電泳檢測等操作,建庫并檢測合格后使用Ion S5TMXL進行上機測序。采用獲得的數(shù)據(jù),進行菌群多樣性分析。
污泥進行EPS紅外光譜分析之前,先將瀝濾后的污泥經過水洗、加熱提取、離心(6 000 r/min、15 min)處理后,棄沉淀物,所得上清液經0.22 μm濾膜過濾,用冷凍干燥機干燥,再采用傅立葉紅外光譜儀(Nexus 670)進行測定。
測定污泥Cr去除率時,先將污泥離心后的沉淀物進行干燥,采用H2O2-HNO3-HCl-HF輔助微波消解,然后采用火焰原子吸收儀(TAS-986)測定鉻的含量。通過公式(1)計算Cr的去除率:
Cr的去除率=[(1-w1)/w0]×100 .
(1)
式中:w1為干燥的瀝濾污泥中Cr的質量分數(shù),mg/kg;w0為干燥的原污泥中Cr的質量分數(shù),mg/kg.
pH值與ORP值采用PHS-3C pH/ORP計進行測量。測定污泥的離心脫水率(centrifugal dehydration rate,簡稱CDR)時,先將污泥混合液以4 000 r/min轉速離心10 min,所得上清液體積與總體積的比值定義為離心脫水率。污泥比阻(specific resistance to filtration,SRF)采用布氏漏斗法進行測定。
不同硫基質條件下,接種污泥中瀝濾菌群馴化過程的pH值動態(tài)變化情況,如圖1所示。
圖1 污泥瀝濾馴化過程中pH值變化情況Fig.1 pH change during sludge bioleaching and domestication
由圖1可知,3種基質條件下的馴化過程均可以在預定的時間段內完成,表明污泥中的硫桿菌微生物通過連續(xù)重復的馴化過程適應了污泥瀝濾環(huán)境,構成優(yōu)勢菌群。但對照3組數(shù)據(jù)可知,第一階段的11 d,為微生物適應階段,此時S+純H2S基質反應組的pH值下降速率比其他兩組更快,在第9 d時pH值已小于2.該階段還產生了S+臭氣H2S基質反應組的表現(xiàn)略優(yōu)于單質S反應組的現(xiàn)象,尤其是在最初的2 d時其pH值下降效果接近于S+純H2S基質反應組,但在第3~11 d,其效果接近單質S反應組。第二階段的7 d為優(yōu)勢菌群的預富集階段,第三階段的6 d為優(yōu)勢菌群的增長富集階段。在這兩個階段內,S+純H2S基質反應組均對污泥生物瀝濾體系pH值的快速下降發(fā)揮了積極作用。
上述現(xiàn)象表明,H2S氣體作為污泥生物瀝濾傳統(tǒng)單質S基質的替代品是有意義的。臭氣中的H2S氣體能夠在一定程度上實現(xiàn)純H2S的作用,但由于臭氣成分復雜,存在不確定因素,其效果略差于純H2S.
基因組高通量測序技術能使我們對環(huán)境微生物進行深度了解,能夠靈敏地探測出環(huán)境微生物群落結構隨外界環(huán)境的改變而發(fā)生的變化,可以反映出微生物群落的豐度和多樣性[14]。以抽取的測序數(shù)據(jù)量與對應的物種數(shù)構建稀釋曲線,見圖2.稀釋曲線可直接反映測序數(shù)據(jù)量的合理性,并間接反映樣本中物種的豐富程度。當曲線趨向平坦時,說明測序數(shù)據(jù)量漸進合理,更多的數(shù)據(jù)只會產生少量新的物種(OTUs).為了更好地研究S+純H2S基質反應組在馴化前后對菌群物種結構的促進作用,根據(jù)物種注釋結果,將樣本在種水平上豐度排名前十位的物種,繪制成為種水平Top10相對豐度圖,見圖3.
圖2 物種多樣性稀釋曲線Fig.2 Dilution curve of species diversity
圖3 種水平Top10物種相對豐度圖Fig.3 Relative abundance of top 10 at species level
由圖2可知,在最初的測序數(shù)據(jù)量10位置處,各個曲線的差距微弱;在測序數(shù)據(jù)量12 000位置處,馴化1 d時的稀釋曲線與馴化結束時的曲線差距為391~412,存在較明顯的高度差距。對于3種S基質體系而言,不論是在馴化1 d時或是馴化結束時,單質S反應體系樣本的稀釋曲線位置都處于最高,S+純H2S反應體系樣本的稀釋曲線位置都處于最低,S+臭氣H2S的反應樣本曲線居中。當隨機抽取的測序數(shù)據(jù)量小于15 000時,曲線呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢;當隨機抽取的測序數(shù)據(jù)量大于50 000時,各條曲線均趨于平坦。這表明隨著污泥馴化過程的進行,生物酸化作用下污泥體系的酸性越來越強,原始污泥中的異養(yǎng)微生物因無法耐受酸性環(huán)境而逐漸衰亡,間接表現(xiàn)為菌屬種類不斷減少。馴化結束時,S+純H2S樣本的稀釋曲線位置最低,曲線平坦度最好,表明此時菌群物種豐富度最小。
圖3結果表明,馴化結束時的菌群結構與馴化1 d時出現(xiàn)較明顯的差異。馴化結束時,與污泥瀝濾密切相關的優(yōu)勢菌種氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus_thiooxidans)、氧化硫硫單胞菌(Thiomonas_arsenitoxydans)等菌種的相對豐度較高,馴化1 d時相對豐度較高的硝化菌(Nitrospira_sp)等菌種明顯減少。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于污泥馴化過程引起了菌群微生物生長環(huán)境的變化,嗜酸性微生物更適應環(huán)境,能夠在苛刻的環(huán)境條件下繼續(xù)利用營養(yǎng)物質大量繁殖,嗜中性微生物則趨于衰亡。
上述實驗結果表明,污泥馴化結束時,硫桿菌成為污泥混合液中的優(yōu)勢菌群。此時的S+純H2S基質條件為T.t和T.f菌的形成提供了較好的反應環(huán)境。H2S的介入有利于污泥混合液pH值的加速降低,同時促進Fe3+還原為Fe2+,H2S逐步被氧化為單質S,增加了硫桿菌可利用的營養(yǎng)基質量。這一方面能夠縮短菌群培養(yǎng)所需的時間歷程,T.t、T.f菌群能更好地適應污泥混合液化學環(huán)境;另一方面能夠抑制無效菌群,使污泥生物瀝濾所依賴的嗜酸性微生物在擴大繁殖過程中占據(jù)優(yōu)勢。
圖4為3種不同的硫基質條件下,污泥生物瀝濾過程中氧化還原電位(Oxidation-Reduction Potential,ORP)值的變化情況。
圖4 污泥生物瀝濾過程中ORP值的變化情況Fig.4 Changes of ORP during bioleaching of sludge
由圖4可知,不同的硫基質對瀝濾過程中的ORP值有影響。隨著瀝濾反應的進行,3種反應體系的ORP值都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。最初1 d,ORP值出現(xiàn)較快速的上升,3種硫基質條件的ORP值普遍升至185~246 mV之間;1~2 d時,ORP值上升速率變慢;到第2 d結束時,S+純H2S反應組的ORP值比單質S反應組高出68 mV.第2~4 d,各組的ORP值均出現(xiàn)第二次大幅度升高,S+純H2S反應組升高幅度最大,其余兩組的升高幅度接近。到第4 d結束時,S+純H2S反應組的ORP值比單質S反應組高出172 mV,這顯示出S+純H2S的硫基質體系對瀝濾過程中ORP值的提高發(fā)揮了積極意義。之后的瀝濾過程中,ORP值雖然略有波動,但基本維持不變。
通入H2S后,能夠促進Fe3+還原為Fe2+,H2S在此傾向于轉化為S2-,同時一定量的H2S被氧化為S單質,為T.t和T.f菌提供營養(yǎng)基質。通入H2S有利于快速形成酸性環(huán)境,易于形成自由的Fe3+,使Fe3+更易于發(fā)揮出其自身的氧化性。ORP值既是生物瀝濾過程中的表現(xiàn)參數(shù),更是瀝濾過程的制約參數(shù)。本實驗中各種反應的綜合效果使得瀝濾過程中的ORP值呈現(xiàn)升高的趨勢,H2S的加入有利于ORP值的快速升高,這間接表明了嗜酸性微生物的優(yōu)勢增殖,反映出H2S對瀝濾過程的促進效果。
使用傅立葉紅外光譜儀對各種硫基質中生物瀝濾過程的污泥EPS進行表征,其FT-IR光譜見圖5。
對照圖5(a)與圖5(b)可知,污泥生物瀝濾1 d時的譜峰強度普遍大于瀝濾結束時的譜峰,且部分譜峰產生了漂移現(xiàn)象。尤其是在860 cm-1處,S+純H2S反應體系的譜峰明顯減弱,其原因主要是含硫基團參與了重金屬硫化物以及Fe3+的反應,基團結構發(fā)生了變化,并吸附了重金屬離子,吸附后的含硫基團鍵的力常數(shù)發(fā)生了變化。在1 070~1 110 cm-1區(qū)域內C—O—C的伸縮振動在瀝濾結束時發(fā)生了漂移,表明污泥EPS中的C—O—C基團受到重金屬吸附的影響;1 411 cm-1、1 664 cm-1、2 935 cm-1處的譜峰在瀝濾結束時強度減弱,3 410 cm-1處的譜峰發(fā)生了漂移。
圖5 各種硫基質情況下生物瀝濾過程的污泥FT-IR光譜Fig.5 FT-IR spectra of sludge in bioleaching process with various sulfur substrates
對比3種S基質體系的譜峰差異可知,不論在污泥生物瀝濾1 d時還是在瀝濾結束時,以S+純H2S為基質的反應體系中1 070~1 110 cm-1區(qū)域內的基團,其伸縮振動強度的減弱程度都是最明顯的,這表明S+純H2S基質更加有利于C—O—C基團對重金屬的吸附。在1 664~3 410 cm-1區(qū)域,以S+臭氣H2S為基質的反應體系,C—H、O—H、N—H等化學基團伸縮振動的減弱幅度最大,也就是說此時的負電荷基團含量下降相對較多,污泥EPS表面負電荷強度降低較明顯,污泥顆粒間的排斥力減弱迅速。這種現(xiàn)象表明,S+純H2S、S+臭氣H2S都能夠一定程度地促進污泥生物瀝濾過程中核心化學基團對重金屬的吸附,并提高其化學轉化速率。單質S基質在污泥瀝濾過程中的反應效果不及另外兩種基質。因此,S+臭氣H2S可以較好地替代S+純H2S基質。
瀝濾過程中Cr去除率的變化情況如圖6所示。
圖6 瀝濾過程中Cr去除率變化情況Fig.6 Change of Cr removal rate during bioleaching
由圖6可知,不同的硫基質對污泥生物瀝濾過程中的Cr去除率有較大的影響,H2S的加入對改善Cr去除率有積極意義。在瀝濾第1 d結束時,S+純H2S反應組的Cr去除率比單質S反應組提高了9.3%。在瀝濾2~4 d期間,各組的去除率都有上升,但S+純H2S反應組提高速度依然較大。S+臭氣H2S反應組的提高效果從第2 d之后就逐漸變弱,與S+純H2S反應組的差距逐漸加大。最終瀝濾進行至第10 d時,S+純H2S反應組的Cr去除率分別比另外兩組高出22.8%和16.2%.Cr屬于難以瀝濾去除的重金屬元素,污泥中Cr的生物瀝濾過程屬于混合瀝濾機制,即同時受直接機制與間接機制制約。直接機制生物瀝濾以氧化條件的形成為瀝濾動力,表現(xiàn)為與反應體系的ORP值聯(lián)系緊密;間接機制生物瀝濾受pH值下降速率影響較大??傮w而言,H2S的加入同時可以促進反應體系ORP值的快速提高與pH值的下降,能夠同時發(fā)揮生物瀝濾的直接機制與間接機制,最終促進嗜酸性微生物的大量繁殖,提高Cr的去除率。
壓濾脫水性與離心脫水性是污泥脫水性能的兩個重要指標,本文分別用污泥比阻和污泥離心脫水率來衡量。通過測定污泥生物瀝濾過程中污泥比阻和離心脫水率的動態(tài)變化情況,研究不同硫基質對生物瀝濾污泥脫水性能的影響。不同硫基質條件下瀝濾過程中污泥比阻的測定結果見圖7.
圖7 不同硫基質條件下瀝濾過程中污泥比阻Fig.7 SRF of sludge in leaching process under different sulfur substrate conditions
由圖7可知,生物瀝濾后的污泥比阻普遍減小,而且S+純H2S反應組對污泥比阻的減小效果更明顯。在瀝濾0.5~1 d內,比阻的降低速率較大;2 d后基本維持在較低值。S+純H2S作為基質時的反應效果優(yōu)于其他兩組。瀝濾1 d時,S+純H2S、S+臭氣H2S、單質S組的污泥比阻相對于原始比阻值分別降低了87.6%,84.5%,78.4%。S+臭氣H2S組在0~0.25 d內表現(xiàn)出與S+純H2S組類似的速率降低效果,在0.25 d之后的比阻數(shù)據(jù)曲線向單質S反應組靠攏。這說明S+臭氣H2S難于像S+純H2S那樣在起始的0.5~1 d區(qū)間持續(xù)快速促進比阻的降低。單質S為基質的瀝濾過程中,污泥比阻降低的速率與幅度均小于其他兩種基質體系。
不同硫基質條件下瀝濾過程中污泥離心脫水率的測定結果見圖8.
圖8 污泥瀝濾過程中離心脫水率的變化情況Fig.8 Change of centrifugal dehydration rate during sludge leaching
由圖8可知,經過生物瀝濾,污泥離心脫水率明顯增大。在污泥生物瀝濾過程中,存在如下機理促進污泥脫水:
1) 生物瀝濾過程促使污泥混合液呈現(xiàn)出強酸性以及偏高的氧化還原電位,這使得嗜酸性自養(yǎng)微生物大量增殖,原微生物細胞解體釋放出胞內物質和水分子,污泥細胞間隙水增多,改善了污泥比阻與離心脫水率。
2) 前述過程強化了污泥混合液的氧化環(huán)境,能夠降低污泥表面菌膠團結構的穩(wěn)定性,改善污泥脫水性能。
3) 隨著污泥酸化作用的增強,大量的H+能夠中和污泥顆粒表面的負電荷,尤其是污泥EPS表面負電荷明顯降低,使污泥顆粒表面達到電中性,顆粒之間的排斥力減弱,有利于污泥聚沉和脫水性能的改善[10]。
圖8表明,S+純H2S與S+臭氣H2S基質對污泥離心脫水率的增加有促進作用。在瀝濾開始的1~2 d,離心脫水率升高速率較大;尤其是S+純H2S作為基質的條件下,瀝濾1 d時的離心脫水率就由起始的69.1%增加至83.6%.各種反應體系的離心脫水率在2 d以后趨于平穩(wěn),普遍增加至83.7%~88.2%.單質S為基質的瀝濾過程中,離心脫水率增加速率與提升幅度均小于其他兩種基質體系。
綜合污泥比阻和離心脫水率兩種指標,表明污泥生物瀝濾能夠提升污泥脫水性能,而且H2S作為替代單質S的營養(yǎng)基質有利于增強污泥生物瀝濾的這種優(yōu)勢。比阻越小,或離心脫水率越大,污泥越易于脫水。二者反映了不同的污泥水分子結合狀態(tài)。比阻側重于泥水膠體顆粒的分子粒度差異,離心率側重于分子質量差異。由此可知,比阻更易于反映出污泥內部吸附水和毛細水結合的緊密程度。
本文以純H2S以及污水廠臭氣H2S替代傳統(tǒng)的單質S基質,對污泥生物瀝濾過程進行了研究。研究結果表明:
1) 在污泥瀝濾馴化過程中,S+純H2S基質反應組的pH值下降速率比其他兩組更快,瀝濾菌群的馴化過程更易于完成。群落多樣性分析顯示,S+純H2S樣本的稀釋曲線位置最低,表明此時更利于瀝濾反應所需的硫桿菌形成優(yōu)勢菌群。
2) 不同的硫基質條件對瀝濾過程ORP值有影響,H2S的加入有利于ORP值的快速升高。瀝濾4 d時,S+純H2S反應組的ORP值比單質S反應組高出172 mV,表明H2S對瀝濾過程ORP值的提高發(fā)揮了積極意義。H2S能夠促進污泥生物瀝濾過程中核心化學基團對重金屬的吸附,并提高其化學轉化速率。不同硫基質對污泥生物瀝濾過程中的Cr去除率有較大的影響,H2S的加入對提高Cr去除率有積極意義。瀝濾進行至第10 d時,S+純H2S反應組的Cr去除率分別比另外兩組高出22.8%和16.2%.
3) 經過生物瀝濾,各個反應組的污泥脫水性能都有較大改善。在瀝濾0.5~1 d內,比阻的降低速率較大。S+純H2S基質對降低污泥比阻的效果更明顯,臭氣H2S反應組的效果差于純H2S反應組。各種反應體系的離心脫水率在2 d以后普遍增加至83.7%~88.2%.S+純H2S與S+臭氣H2S基質對污泥離心脫水率的增加有改善作用。尤其是S+純H2S作為基質的條件下,瀝濾1 d時的離心脫水率就由起始的69.1%增加至83.6%.
4) 在以純H2S、臭氣H2S為替代S基質的反應體系中,可以使單質S的投加量降低約50%,并可以實現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)基質的反應效果。氣態(tài)S基質能夠部分替代傳統(tǒng)的單質S基質,污水廠臭氣中的H2S成分可以在一定程度上替代純H2S.
本文提出的技術方案能夠同時實現(xiàn)污染物治理與廢物的資源化利用,具有良好的應用價值。