初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理電鍍污泥脫水及去除銅的影響

洪偉彬，耿雨馨，王佳德，石明巖，孫琪，王杰，劉桂帆，羅凱榮

（廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006）

電鍍污泥中富含的Cu是從污水中吸附、沉淀而來的。Cu隨污泥進入到環(huán)境，會對生態(tài)環(huán)境及人類、動物的健康造成極大的潛在危害。嗜酸性硫桿菌(氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌)可以通過氧化以硫粉為代表的底物產酸，達到浸提重金屬和改善污泥脫水性能的目的[1-3]。硫粉為疏水性物質，微生物底物利用率低，處理能力有限；若過量投加，污泥土地利用后則有土壤“后酸化效應”風險[4]。表面活性劑具有良好的增溶和濕潤性，有利于增加硫粉的溶解度，增大硫粉與硫桿菌的接觸面積，提高微生物底物利用率[5-7]。但是，污泥初始pH的變化不僅會改變微生物表面電荷和細胞內酶的活性，而且會改變表面活性劑的形態(tài)及理化性質[8-9]，需要合理控制。為此，本文以十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)、鼠李糖脂和烷基糖苷(APG-10)分別作為兩性、生物和非離子型表面活性劑的代表，考察初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理電鍍污泥的影響，為電鍍污泥的穩(wěn)定化和減量化處理提供參考。

1 實驗

1.1 供試污泥的性質

供試污泥取自廣東省某工業(yè)園區(qū)，其基本性質如下：pH 6.88～7.06，含固率1.03%～1.38%，Cu含量 799.74～1 118.88 mg/kg，比阻(1.39～1.98)× 1012m/kg。

1.2 嗜酸性硫桿菌的培養(yǎng)

把150 mL供試污泥裝入250 mL錐形瓶中，加入10 g/L的硫粉、FeSO4·7H2O和一定濃度的表面活性劑，然后置于180 r/min、28 °C的恒溫水浴振蕩器中連續(xù)培養(yǎng)，待污泥體系的pH降至2.5左右時結束第一次培養(yǎng)。取20 mL酸化污泥加入130 mL供試污泥中，同時加入2 g/L的硫粉、FeSO4·7H2O以及一定濃度的表面活性劑，在上述條件下重復培養(yǎng)2次，可獲得以嗜酸性硫桿菌為優(yōu)勢菌群的接種物。菌群富集培養(yǎng)過程中，錐形瓶用保鮮膜封口。

1.3 表面活性劑/嗜酸性硫桿菌試驗

用10%氫氧化鈉或(1 + 3)鹽酸將供試污泥的初始pH調節(jié)至3～9的范圍內，投加2 g/L的硫粉和6 g/L的 FeSO4作為能量底物，接種物投加量(以接種物與供試污泥的體積百分比計)為20%，同時加入0.3 g/L的表面活性劑，然后置于180 r/min、28 °C的恒溫水浴振蕩器中連續(xù)培養(yǎng)7 d。每天取樣測試pH、ORP(氧化還原電位)、Cu含量、SRF(比阻)等指標。其中，pH、ORP采用玻璃電極法測量，Cu含量采用火焰原子吸收分光光度法測定，Cu形態(tài)采用 BCR(歐洲共同體參考物機構)順序提取法測定，比阻采用布氏漏斗法測量。

2 結果與討論

2.1 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌酸化和氧化效果的影響

由圖1可知，反應過程中污泥pH均呈下降趨勢，這是嗜酸性硫桿菌將單質硫氧化為硫酸所致[10]。不同表面活性劑處理下，pH下降率均隨著初始pH升高而增大。這與污泥堿性越強，與酸中和時所需的H+越多有關。

圖1 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理過程中pH的影響Figure 1 Effect of initial pH on the pH during the process of surfactant/thiobacillus acidophilus treatment

比較相同初始pH下不同表面活性劑處理的結果會發(fā)現，酸性和中性條件下APG-10組的pH下降率最高，較其他兩組高出3.2%～14.6%。推測可能的原因是：APG-10能夠促進鐵細菌增殖，提高鐵細菌活性，增強氧化亞鐵硫桿菌對重金屬的適應性，提高其對亞鐵的氧化能力，促進了Fe2+的氧化[11-12]，Fe3+的進一步水解會生成H+，導致pH下降。

堿性條件下，鼠李糖脂的酸化效果最為突出。這是由于鼠李糖脂的水溶性相對較強[13-15]，強化了對硫粉的增溶作用，從而促進了嗜酸性硫桿菌的產酸反應。

由圖2可知，不同初始pH下，污泥的ORP均呈上升趨勢，這是硫粉和Fe2+分別氧化生成與Fe3+所致[16]。其中，APG-10處理組的ORP增幅最大(425.5%)，氧化能力表現相對最強。

圖2 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理過程中污泥ORP的影響Figure 2 Effect of initial pH on the ORP of sludge during the process of surfactant/thiobacillus acidophilus treatment

2.2 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理過程中Cu去除的影響

由圖3可知，不同初始pH下，處理過程中Cu含量均呈下降趨勢。反應結束時，Cu含量均滿足《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284–2018)中的A級標準(限值500 mg/kg)。其中，在初始pH為5時，APG-10處理組達到93.1%的最大去除率。分析原因是：(1)APG-10分子中豐富的官能團能夠吸附游離在污泥表面的Cu2+，為Cu的溶出創(chuàng)造有利條件[17]；(2)初始pH為5時APG-10組的pH下降率最高(見圖1)，酸化作用最強，因此Cu溶出率最高；(3)反應體系中Fe2+氧化生成大量的Fe3+，三價鐵鹽可進一步氧化Cu的硫化物，促進Cu以硫酸鹽的形式浸出[18-19]，ORP此時達到最大值(見圖2c)也證明了這一點。

圖3 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理過程中Cu去除的影響Figure 3 Effect of initial pH on Cu removal during the process of surfactant/thiobacillus acidophilus treatment

2.3 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理前后污泥中Cu形態(tài)的影響

由圖4可知，不同處理下，可交換態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)Cu的含量均呈下降趨勢，降幅分別為7.46% ~15.95%、5.44%～7.85%和9.10%～24.13%；殘渣態(tài)Cu含量則不斷增加，增幅為16.56%～41.81%。這說明表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理可以有效降低污泥中Cu的生物有效性，增強污泥的穩(wěn)定性，降低污泥土地利用的風險，提高污泥資源化利用的價值。

圖4 不同初始pH下表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理前后污泥中不同形態(tài)Cu的變化Figure 4 Changes of various forms of Cu in sludge before and after surfactant/thiobacillus acidophilus treatment at different initial pHs

當初始pH由3變化至9時，BS-12/硫桿菌處理后可交換態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)和殘渣態(tài)Cu的含量相近，表明初始pH對該體系的影響不明顯。而鼠李糖脂組的污泥中殘渣態(tài)Cu逐漸增加，增幅為19.00%～28.61%，可交換態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)Cu均明顯減小，初始pH為9時的殘渣態(tài)Cu增幅為28.61%，可交換態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)Cu降幅分別為11.94%、7.85%和7.97%，表明堿性環(huán)境有利于鼠李糖脂/硫桿菌處理。APG-10組在初始pH為5時殘渣態(tài)Cu含量最高(50.89%)，氧化態(tài)Cu含量最低(15.89%)，可交換態(tài)和還原態(tài)Cu含量相對較低，表明弱酸性環(huán)境有利于APG-10效能的發(fā)揮。

比較不同表面活性劑處理的結果發(fā)現，APG-10組中可交換態(tài)Cu的減少和殘渣態(tài)Cu的增加最為明顯。結合圖1和圖2c，推斷這與其相對較強的酸化和氧化能力有關。

2.4 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理污泥脫水性能的影響

由圖5可知，在不同初始pH下，SRF均呈先下降后上升的趨勢，污泥SRF從處理前的(1.39～1.99)×1012m/kg降至(3.6～6.4)× 1011m/kg，均由難脫水狀態(tài)轉為易脫水狀態(tài)(SRF < 1.0 × 1012m/kg)[20-21]。分析原因是：(1)表面活性劑的增溶和分散作用使EPS(胞外聚合物)脫離污泥絮體而溶于液相中，釋放結合水，同時減小了污泥液相的表面張力，于是污泥脫水效果有了提高[22-25]；(2)結合圖1可知，在初始pH為5時，APG-10組的pH下降率最高，該處理體系的酸化作用最強，H+含量的增加促使污泥表面負電荷更多地被中和，污泥顆粒間的相互排斥作用下降，從而促進脫水[26]；(3)結合圖2可知，在初始pH為5時，APG-10組的ORP最高，該體系的氧化能力最強，有更多的Fe2+被氧化成Fe3+，而Fe3+與發(fā)生水解聚合反應后生成羥基聚合硫酸鐵，進而通過絮凝沉降作用促進污泥脫水[27]。

圖5 初始pH對表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理過程中SRF的影響Figure 5 Effect of initial pH on SRF during the process of surfactant/thiobacillus acidophilus treatment

3 結論

在硫粉投加量為2 g/L，FeSO4投加量為6 g/L，接種物投加量為20%的條件下，研究了初始pH對典型表面活性劑/嗜酸性硫桿菌處理電鍍污泥時脫水及Cu去除率的影響，得到以下結論：

(1) 隨著初始pH的升高，BS-12/嗜酸性硫桿菌處理時Cu的去除率及銅形態(tài)含量均無明顯變化；鼠李糖脂/嗜酸性硫桿菌處理時Cu的去除率和殘渣態(tài)Cu含量均增加，其他各形態(tài)Cu的含量無明顯變化；而APG-10/嗜酸性硫桿菌處理時Cu的去除率先增大后減小，殘渣態(tài)Cu先增多后減少，氧化態(tài)Cu先減少后增多，可交換態(tài)、還原態(tài)Cu含量無明顯變化。BS-12、鼠李糖脂和APG-10的最佳初始pH分別為9、9和5，處理7 d后Cu的去除率分別為76.44%、85.81%和93.06%。

(2) 隨著初始 pH的增大，BS-12/嗜酸性硫桿菌處理時污泥比阻下降率增大，鼠李糖脂/嗜酸性硫桿菌處理時亦然，而 APG-10/嗜酸性硫桿菌處理時污泥比阻下降率先增大后減小。在 BS-12、鼠李糖脂及APG-10各自最佳的初始pH下，污泥比阻下降率分別為78.11%、79.16%和80.08%，污泥均由中等難度脫水狀態(tài)轉化為易脫水狀態(tài)。