污泥生物淋濾過程中Cd及Pb 形態(tài)變化研究

原武斌

污泥是污水處理過程的伴生物，產(chǎn)量巨大。中國現(xiàn)有的污水處理廠的污泥大多數(shù)只采用濃縮和機(jī)械脫水處理，簡單堆置、填埋。污泥中含有豐富的N，P，K等營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，土壤良好的改良劑和肥料。污泥農(nóng)用應(yīng)是最為現(xiàn)實可行的途徑，但污泥中含有大量的重金屬，若直接施用在農(nóng)田上，會導(dǎo)致重金屬在土壤中累積，造成生態(tài)環(huán)境的“二次污染”，因此應(yīng)進(jìn)行污泥重金屬的無害化處理，提高污泥農(nóng)用的安全性。

生物淋濾技術(shù)作為一種綠色潔凈化技術(shù)而受到廣泛關(guān)注[1]，它主要是利用嗜酸性硫桿菌的氧化作用，將污泥中難溶性的重金屬去除[2]，其中同時包含了氧化還原機(jī)理、吸附機(jī)理、鰲合機(jī)理。研究表明，重金屬的毒性不僅取決于其濃度的高低，還與其生物有效性關(guān)系密切，重金屬的不同形態(tài)表現(xiàn)出不同的生物毒性和環(huán)境行為，所以重金屬元素的存在形態(tài)是衡量其環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)[3]。目前對重金屬形態(tài)的研究大多是對原始污泥金屬形態(tài)的研究，對重金屬在生物淋濾過程中形態(tài)的變化研究較少。由于不同重金屬形態(tài)代表不同的能量級，具有不同的化學(xué)穩(wěn)定性，故而在生物淋濾過程中，污泥中不同化學(xué)形態(tài)的重金屬以及同種重金屬的不同形態(tài)的釋放特征也會存在一定差異。本研究重點(diǎn)對生物瀝濾過程中不同重金屬化學(xué)形態(tài)的釋放特征進(jìn)行研究，對生物淋濾重金屬遷移、累積的特點(diǎn)深入分析，為優(yōu)化生物淋濾過程的工藝參數(shù)，提高生物淋濾去除重金屬的效率，以及預(yù)測污泥農(nóng)用的環(huán)境污染風(fēng)險，城市污泥的農(nóng)業(yè)利用提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗污泥

研究所用污泥為太原市河西中北部污水處理廠的剩余污泥，根據(jù)已有淋濾試驗成果確定的最佳運(yùn)行條件，對該污泥進(jìn)行重金屬生物瀝濾處理，并定期取樣檢測污泥中重金屬含量及其化學(xué)形態(tài)。經(jīng)測定，污泥的理化性質(zhì)見表1(除pH值外均以干物質(zhì)計)。

表1 河西中北部污水處理廠污泥重金屬和營養(yǎng)成分含量

1.2 污泥樣品處理

經(jīng)生物淋濾實驗確定最佳接種量和最佳底物濃度。在以2%混合硫細(xì)菌接種液、3 g/L的單質(zhì)硫為底物濃度、180 r/min和28℃的工藝參數(shù)下，進(jìn)行序批生物淋濾實驗，定時分別從淋濾反應(yīng)器內(nèi)取定量體積的泥水混合物，將部分泥水混合物在8000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心15 min，棄去上清液，將沉淀污泥用超純水沖洗到蒸發(fā)皿中，放入烘箱中低溫烘干至恒重，用瑪瑙研缽磨碎，過100目尼龍篩后于4℃存放，供化學(xué)形態(tài)分析測試使用。

1.3 分析方法和儀器

采用改進(jìn)的順序浸提法分析重金屬的化學(xué)形態(tài)變化，進(jìn)行逐級提取，并采用原子吸收分光光度計分析各化學(xué)形態(tài)的重金屬含量。

2 結(jié)果與討論

優(yōu)化運(yùn)行條件下并定期從A.thiooxidans菌瀝濾污泥的反應(yīng)裝置內(nèi)取定量污泥，測定其中主要重金屬Cd，Pb的總量和各化學(xué)形態(tài)變化情況。具體結(jié)果見圖1，圖2。

圖1 污泥生物瀝濾過程中Cd形態(tài)的轉(zhuǎn)化

由圖1可知，在生物瀝濾進(jìn)行的前4天，污泥中Cd的各種形態(tài)之間的轉(zhuǎn)變十分微小、比較穩(wěn)定。但到第4天后，污泥中有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd比例下降明顯，碳酸鹽結(jié)合態(tài)的含量有所下降，交換態(tài)Cd比例顯著增加，硫化物結(jié)合態(tài)也呈增大的趨勢，而吸附態(tài)和殘渣態(tài)Cd比例基本沒有變化。當(dāng)瀝濾過程完成時，碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd的比例僅分別為3.7%和3.4%。因為，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd在酸性條件下容易溶解釋放，對pH值變化反應(yīng)極其敏感，有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd經(jīng)硫化物氧化或微生物分解可轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)及可交換形態(tài)釋放出來，這兩種形態(tài)是生物瀝濾法去除污泥中Cd的主要部分。可交換態(tài)Cd在瀝濾結(jié)束時高達(dá)67.4%，其中90.4%的可交換態(tài)Cd由碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化而來。這表明Cd的生物瀝濾主要是通過間接機(jī)制才得以實現(xiàn)。

由圖2可以看出，在經(jīng)過生物瀝濾后，交換態(tài)Pb只占39.8%，由此也正好解釋了污泥重金屬Pb的瀝出率比其他三種重金屬低的原因。污泥中Pb主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)(為18.8%)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)(為18.9%)存在，這與Zn很相似。然而，這兩種主要形態(tài)的轉(zhuǎn)化模式卻與Zn有很大差異。有機(jī)結(jié)合態(tài)在生物瀝濾過程中呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，但最終略有所減少，這可能是由于Pb與SO2－4結(jié)合的能力低于與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的能力。碳酸鹽結(jié)合態(tài)前3天基本穩(wěn)定，在第4天～第7天出現(xiàn)急劇下降，到第8天后又基本保持不變，為3.5%左右。在第4天～第7天就出現(xiàn)劇烈下降的原因，可能是由于以碳酸鹽結(jié)合態(tài)的重金屬對于pH值的變化極為靈敏，隨著瀝濾的進(jìn)行，pH值降低，碳酸鹽結(jié)合態(tài)的重金屬得以溶解釋放出來。吸附態(tài)Pb一直在減少，而殘渣形態(tài)卻略有增加。交換態(tài)Pb主要是由碳酸鹽結(jié)合態(tài)和硫化物結(jié)合態(tài)(約17.3%)轉(zhuǎn)化而來。因此，Pb是通過直接機(jī)制和間接機(jī)制的共同作用進(jìn)行生物瀝濾。

圖2 污泥生物瀝濾過程中Pb形態(tài)的轉(zhuǎn)化

3 結(jié)語

1)生物淋濾技術(shù)是對污泥中的重金屬進(jìn)行去除或者毒性降低的有效方法，成本低、可操作性強(qiáng)。在生物淋濾過程中，重金屬的化學(xué)形態(tài)發(fā)生了變化。2)在污泥生物淋濾過程中，Cd是通過間接機(jī)制瀝出的;Pb的瀝出主要是由直接機(jī)制和間接機(jī)制的共同作用完成的。3)污泥中的Cd和Pb在生物淋濾過程中，有機(jī)結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)等各形態(tài)明顯減少，殘渣態(tài)未發(fā)生明顯的變化。經(jīng)生物淋濾后的污泥環(huán)境風(fēng)險較低。

[1]周立祥，周順桂.污泥潔凈化與再生利用新技術(shù)——微生物淋濾技術(shù)[A].污泥處理處置技術(shù)與裝備國際研討會[C].2003:121-128.

[2]Lombardi A T，Garcia O.An evaluation into the potential of biological processing for the removal of metals from sewage sludge[J].Critical Reviews in Microbiology，1999，25(4):275-288.

[3]鄭承松.三明市城市生活污水處理廠污泥中的重金屬含量及其形態(tài)分布研究[J].海峽科學(xué)，2007，6(6):48-49.

[4]史旭東.淺談重金屬對污水處理中活性污泥影響[J].山西建筑，2011，37(9):122-123.