市政剩余污泥CaO處理及生物干化過(guò)程的細(xì)菌群落變化

梁曉輝, 司洪宇 , 趙玉曉, 華棟梁*, 唐春紅, 李瑞國(guó)

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院能源研究所 山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067；3青島特利爾環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266071)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水處理量逐年上升。剩余污泥作為城市污水處理過(guò)程中的副產(chǎn)物，其生成量也在迅速增加[1]。目前我國(guó)大量剩余污泥未能得到有效的處理處置，造成了嚴(yán)重的二次污染，社會(huì)矛盾日益凸顯。城市污水廠剩余污泥處理處置問(wèn)題已經(jīng)十分突出，其減量化、無(wú)害化及資源化處理引起我國(guó)環(huán)保部門的高度重視。市政污泥因含有大量的有機(jī)質(zhì)，其資源化應(yīng)用潛力較大，可用于燃燒、氣化、提取微生物蛋白、堆肥、制備緩釋劑和黏結(jié)劑的原料[2]。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，污泥處理處置投資約占污水處理廠總投資的50%～70%。在我國(guó)現(xiàn)有污水處理設(shè)施中，有污泥穩(wěn)定處理設(shè)施的還不到25%，處理工藝和配套設(shè)備較為完善的還不到10%，其中能夠正常運(yùn)行的為數(shù)不多，特別是在城市化水平較高的大城市與地區(qū)，污泥處理處置問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫[3]。由于市政污泥中含有大量的水分(80%左右)，不易脫水，有機(jī)物含量多，性質(zhì)不穩(wěn)定，必須經(jīng)過(guò)脫水、干化等過(guò)程才能進(jìn)一步處理處置。目前污泥脫水主要采取熱干化技術(shù)，設(shè)備成本很高，且必須利用外加熱源才能正常運(yùn)行，故其能耗極高。污泥生物干化技術(shù)是利用微生物高溫好氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)物降解所產(chǎn)生的生物熱能，將污泥中的水分快速蒸發(fā)去除，從而實(shí)現(xiàn)污泥無(wú)害化、穩(wěn)定化和減量化的目的[4]。該技術(shù)具有能耗低、成本低、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)國(guó)情，在處置市政污泥方面具有重要的推廣價(jià)值。

生物干化技術(shù)主要依賴于好氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的熱量使水分蒸發(fā)，故基質(zhì)的特性對(duì)于生物干化效果至關(guān)重要[5-7]。因此，對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理是獲得良好干化效果的關(guān)鍵步驟。污泥預(yù)處理主要調(diào)節(jié)基質(zhì)的生物可及性、顆粒度、濕度、孔隙度、滲透性以及機(jī)械強(qiáng)度等，經(jīng)過(guò)處理的污泥可以更好地被微生物利用，從而可以加快升溫過(guò)程、縮短處理時(shí)間。目前污泥的預(yù)處理技術(shù)尚不成熟，需要在研究中發(fā)現(xiàn)和建立實(shí)用性較強(qiáng)的處理技術(shù)。另一方面，我國(guó)市政剩余污泥生物干化處理技術(shù)尚處于起步階段，主要集中在污泥生物干化工藝及設(shè)備開發(fā)方面，而對(duì)其處理過(guò)程中的微生物群落動(dòng)態(tài)變化過(guò)程尚無(wú)深入報(bào)道。本研究采用CaO結(jié)合生物干化的方式研究了其污泥處理的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加低濃度CaO對(duì)市政剩余污泥的生物干化過(guò)程有一定促進(jìn)作用。初步闡明了堿處理污泥生物干化過(guò)程中細(xì)菌群落的種類分布及變化規(guī)律，對(duì)生物干化工藝的改進(jìn)與優(yōu)化具有重要的理論參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料

市政剩余污泥，采集自濟(jì)南市污水處理廠，系經(jīng)過(guò)壓濾后的脫水污泥，含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為78.6%；干物質(zhì)中總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.3%，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.62%，碳氮比為6∶1，pH為7.38。

1.2 方法

市政剩余污泥的CaO預(yù)處理及可溶蛋白含量測(cè)定，按照100 g污泥CaO添加量為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g的比例進(jìn)行處理，攪拌均勻后處理時(shí)間為144 h，每天取樣分析其中胞外可溶蛋白的含量。經(jīng)處理的污泥經(jīng)充分混合后稱取1.00 g，加入20 mL蒸餾水，連續(xù)攪拌1 h后離心(10 000 g，15 min)，吸取上清液測(cè)定其中的可溶蛋白含量[8-9]。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，實(shí)驗(yàn)樣品表見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品表

生物干化實(shí)驗(yàn)所用容器為小泡沫箱子(規(guī)格為33.5 cm×26 cm×28.5 cm，泡沫厚度3.5 cm)，裝物料量為4 kg污泥(利用干污泥調(diào)整含水量為60%)，每日取樣測(cè)定并翻料一次。

細(xì)菌群落分析以含水量60%的污泥作為對(duì)照，在第1 d、5 d和9 d分別在實(shí)驗(yàn)組中的上、中、下3個(gè)位置取樣混合均勻后，由華大基因股份有限公司進(jìn)行細(xì)菌群落分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 CaO對(duì)污泥可溶蛋白釋放量的影響

按照100 g污泥中CaO粉末為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g的添加量，在處理不同時(shí)間后測(cè)定污泥中可溶蛋白的量，其結(jié)果如表2所示。

由表2可見，CaO對(duì)污泥可溶蛋白釋放量有著明顯的處理效果，其可溶蛋白含量效果隨著CaO濃度的上升而增加。在每100 g污泥CaO添加量為為0.6～1.2 g時(shí)，可溶蛋白釋放量為初始值2倍以上。可溶蛋白釋放量在處理初期增加量較快，96 h之后則變慢。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在利用CaO對(duì)污泥進(jìn)行處理時(shí)，每100 g污泥CaO添加量為0.6～0.8 g，處理時(shí)間控制在96 h。鄧文義等[10]向脫水污泥中添加1%～5%的CaO，發(fā)現(xiàn)污泥上清液中有機(jī)質(zhì)含量上升，常溫處理下其上清液中蛋白含量為3 mg/g左右，與本研究結(jié)果相近。由于本研究需考慮污泥的pH對(duì)微生物活性的影響，故CaO的添加量較低。

表2 不同CaO添加量對(duì)污泥可溶蛋白釋放量的影響

2.2 生物干化過(guò)程分析

2.2.1 pH變化

污泥在生物干化過(guò)程中的pH變化情況如圖1所示。

圖1 CaO處理污泥生物干化過(guò)程中pH變化

從圖1中可以看出，經(jīng)過(guò)CaO處理的污泥基質(zhì)pH均在72 h內(nèi)迅速下降到8左右，之后又有上升趨勢(shì)。這表明污泥具有較強(qiáng)的pH緩沖能力，在處理過(guò)程中釋放的胞內(nèi)溶物屬于酸性物質(zhì)，且微生物在活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸也可以中和部分CaO；此外，CaO在與空氣接觸時(shí)可以部分形成CaCO3，這對(duì)pH也具有一定的緩沖作用，且可以降低CaO的堿性。之后pH的上升趨勢(shì)表明在生物干化過(guò)程中隨著水分散失，污泥發(fā)酵基質(zhì)的含水量相對(duì)下降，從而提高了pH。對(duì)照組(CK)pH在整個(gè)好氧處理過(guò)程中呈上升趨勢(shì)，可能是由于污泥中的蛋白經(jīng)微生物分解后產(chǎn)生的氨可提高基質(zhì)的pH?？傮w而言，加入CaO后，經(jīng)過(guò)72 h后污泥基質(zhì)pH可以降低到微生物適宜的條件，這表明低濃度堿處理可以用于生物干化。

2.2.2 溫度變化曲線

由圖2可見，每100 g污泥CaO添加量為0.6 g時(shí)，對(duì)生物干化溫度升高有著促進(jìn)作用，而每100 g污泥CaO添加量為1.2 g時(shí)則抑制了生物干化過(guò)程，導(dǎo)致升溫效果不如對(duì)照組。其中以每100 g污泥CaO添加量為0.6 g處理48 h效果最好，在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了最高溫度43.1 ℃，高于環(huán)境溫度13.5 ℃，可以認(rèn)為該組的CaO添加量?jī)?yōu)于其他實(shí)驗(yàn)組。由于污泥中可有效利用有機(jī)質(zhì)含量較低，且未添加輔料導(dǎo)致透氣性較差，故發(fā)酵溫度總體較低。

圖2 CaO處理污泥生物干化過(guò)程中溫度變化

2.2.3 含水量變化曲線

從含水量變化曲線(圖3)可以看出，每100 g污泥CaO添加量為0.6 g的處理組對(duì)污泥的生物脫水有著較好的效果，基質(zhì)含水量從最初的55%降低到了49%。每100 g污泥CaO添加量為1.2 g處理組效果最差，這可能是由于污泥中添加CaO濃度較高，影響了生物干化效率。由于污泥結(jié)塊嚴(yán)重，透氣性差，發(fā)酵溫度較低，故水分去除率總體較低。

圖3 CaO處理污泥生物干化過(guò)程中含水量變化

2.3 細(xì)菌群落變化分析

2.3.1 細(xì)菌種類及豐度

生物干化過(guò)程中細(xì)菌群落變化情況見表3。從表中可以看出，該過(guò)程中豐度較高的菌群為Bacteroidia、Bacteroidetes、Bacteria、Bacilli、Clostridia、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria等，其中以Bacteroidia和Bacteria占種群比例較大，且變化較為劇烈，表明其在生物干化過(guò)程中起著重要作用。

表3 細(xì)菌種群在污泥生物干化過(guò)程中的分布及豐度變化

李昂等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在污泥高溫好氧堆肥前中期細(xì)菌活動(dòng)占主導(dǎo)作用,且在整個(gè)堆肥期間豐度較高，細(xì)菌的比例增長(zhǎng)主要集中在堆肥反應(yīng)中溫度較高的時(shí)期。Wu等[12]研究發(fā)現(xiàn)，生物干化過(guò)程中變形菌門細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。本研究也顯示了相似的規(guī)律，其中變形菌門(Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Epsilonproteobacteria、Gammaproteobacteria)細(xì)菌豐度從初期的27.1%(L1)提高到40%以上(L8和L9)。然而因本研究中發(fā)酵基質(zhì)透氣性不好且未通風(fēng)，故厭氧性菌群Clostridia含量也較高。堿性環(huán)境對(duì)種群有一定影響，如Bacteroidia和Bacilli在堿性環(huán)境污泥基質(zhì)中比例較高，表明其對(duì)堿性條件下生物干化升溫過(guò)程有一定促進(jìn)作用，Clostridia和Gammaproteobacteria也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。變形菌中的Alphaproteobacteria對(duì)堿性環(huán)境及高溫環(huán)境適應(yīng)性較差，在干化過(guò)程中比例呈降低趨勢(shì)。魏煒等[6-7]認(rèn)為，高效通風(fēng)和溫度是使生物干化基質(zhì)中菌群從嗜溫微生物菌群快速轉(zhuǎn)變?yōu)槭葻嵛⑸?如嗜熱芽孢桿菌)菌群結(jié)構(gòu)變化的主要因素。較之物料配比、通風(fēng)、溫度的影響，pH對(duì)微生物群落的影響較小。由于污泥營(yíng)養(yǎng)成分較低，微生物活力較差，故生物干化過(guò)程中整體發(fā)酵溫度較低，無(wú)論是對(duì)照組還是實(shí)驗(yàn)組，發(fā)酵溫度均處于50 ℃以下，故嗜熱菌的豐度不高。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中需考慮加入部分輔料并進(jìn)行通風(fēng)提高發(fā)酵溫度和生物干化效率。

2.3.2 主坐標(biāo)分析

細(xì)菌群落的主坐標(biāo)分析如圖4所示。由圖中可以看出，空白組污泥樣品L1，取樣時(shí)間為第1 d實(shí)驗(yàn)組的L2、L3、L4，取樣時(shí)間為第5 d實(shí)驗(yàn)組的L5、L6、L7和取樣時(shí)間為第9 d實(shí)驗(yàn)組的L7、L8、L10分布距離較近，說(shuō)明在本研究所涉及的CaO處理濃度內(nèi)，生物干化時(shí)間是影響細(xì)菌菌群種類變化的主要因素，而CaO的濃度對(duì)菌群中微生物種類的影響較小。在本研究的pH范圍內(nèi)，生物干化過(guò)程中細(xì)菌菌群種類的變化有著相似的規(guī)律。

圖4 生物干化樣品中細(xì)菌群落的主坐標(biāo)分析

3 結(jié)論

本文采用CaO作為堿處理劑對(duì)市政剩余污泥進(jìn)行了處理和生物干化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明低濃度CaO(每100 g污泥CaO添加量為0.6 g)可大幅提升污泥可溶蛋白的釋放量，并能在一定程度上提高生物干化溫度及脫水效果。對(duì)市政剩余污泥CaO處理及生物干化過(guò)程中的溫度、pH、含水量等進(jìn)行了研究，并與未經(jīng)CaO處理的市政剩余污泥進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)市政剩余污泥具有良好的pH緩沖能力，且CaO處理可以在一定程度上提高市政剩余污泥生物干化溫度，但在無(wú)其他輔料存在的情況下發(fā)酵溫度仍然較低。在此基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)CaO處理和未處理兩種條件下的市政剩余污泥生物干化過(guò)程中的細(xì)菌群落變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明不同處理方式以及生物干化時(shí)間對(duì)污泥基質(zhì)中細(xì)菌群落的影響較為明顯。本研究結(jié)果為進(jìn)一步闡明市政剩余污泥好氧生物干化的微生物群落更替規(guī)律奠定了初步基礎(chǔ)。