生物瀝浸對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.貴州工業職業技術學院，貴州貴陽 550008； 2.貴州民族大學，貴州貴陽 550025； 3.上海師范大學，上海 200234)

截至2015年，我國污水處理廠產生了超過2 300萬t污泥，城市污泥屬于污水處理的產物，若處理不當將會造成環境的二次污染，污泥含有豐富的有機質和氮、磷、鉀等微量營養元素，可以作為化學肥使用[1]，但其中含有的難降解鹽類、重金屬和致病菌，尤其是重金屬物質因其毒性、持久性和生物富集性而引起了人們的廣泛關注，已成為污泥農用最關鍵的問題之一[2]。微生物瀝浸法作為一種環保、高效、低成本、工程應用性強、 發展潛力大的城市污泥重金屬處理方法，受到越來越廣泛的青睞[3]。微生物瀝浸作為一種低成本，綠色環保的重金屬處理技術，能夠有效去除城市污泥中的重金屬物質。Barakat通過對意大利安科納港采集的沉積物作重金屬淋濾試驗發現，Cd、Zn、Cu的去除率在90%以上[4]；鄒塞等發現，微生物瀝浸完成后N、P的養分保持率分別為85%、31%，污泥中含有的肥效適合土地利用[5]。本研究對污泥進行生物瀝浸處理，分析污泥中重金屬物質的去除效果和相關營養物質的損失情況，以期提高生活污泥農用的安全性、可靠性。

1 測試方法

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、白云區污水處理廠、青山污水處理廠、花溪污水處理廠等7個污水處理廠。按照CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》測定污泥基本性質，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，每個采樣點重復采樣3次，樣品置于樣品袋內密閉，帶回實驗室自然風干，研缽磨細后分別過30目、100目尼龍篩，用于后續試驗(表1)。

1.2 菌種和培養

筆者在生物瀝浸試驗中所使用的菌種為嗜酸氧化硫硫桿菌，購于上海復祥生物科技有限公司。微生物培養所用培養基為牛肉膏蛋白胨培養基。所有試驗于2016年5月至2017年3月在貴州工業職業技術學院環境監測實驗室進行。

1.3 試驗測試

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/mL)，并加入1 g S0作為能源物質，將7層紗布置于瓶口處閉封后，置于25 ℃恒溫搖床中振蕩培養，每隔20 h吸取1 mL上層清液，用去離子水定容到25 mL后測定溶液中的SO42-含量，每隔20 h測定1次pH值，瀝浸后進行固液分離，固體物質在50 ℃干燥箱中烘干，用100目尼龍篩后進行重金屬、營養物質的含量測試。

1.4 分析與測試方法

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

本研究所有數據均采用Excle 2010和SPSS 18軟件進行處理，圖表中數據均用平均值表示。

2 結果與分析

2.1 污泥生物瀝浸后體系中pH值的變化

李桃等認為，pH值是污泥生物瀝浸中生物生長的重要影響因素，pH值的變化是生物活性和生物瀝浸效果的重要指標，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(以干質量計)

由圖1可知，在初始的20 h內，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果相似，說明在瀝浸初期，微生物活性不強，過程緩慢[7]。從160～280 h體系pH值下降趨勢明顯，之后變化趨緩。經過340 h的瀝浸，7種樣品中6個污泥樣品pH值均較低在1.13～2.38之間，pH值較低，只有金陽污水處理廠污泥經瀝浸后pH值為2.98，該污泥pH值較高主要是由于小分子有機物對瀝浸過程中產生的小分子物質的影響[8]。新莊、白云、青山、花溪等4個污水處理廠的污泥pH值降低到1.13～1.87，而金陽污水處理廠由于初始污泥的pH值較高，瀝浸結束后pH值偏高。

微生物瀝浸過程中，pH值最終會降到2.00以上，這能起到殺菌的作用，因為在該條件下大部分病原體都無法生存。

2.2 污泥瀝浸后各營養物質變化

污泥經生物瀝浸340 h后，污泥中的各營養物質變化情況見圖2、圖3，經長時間瀝浸后，污泥中各營養物質中全磷的含量平均損失率較高，達40.14%，而有機質、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%。貴陽市相關污水廠污泥營養價值相對較高，有利用的潛在價值。瀝浸后污泥的有機質、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%，養分總量(N+P2O5+K2O)含量在7.29%～10.83%，平均為8.23%，全部污泥有機質和總養分含量都滿足農用泥質標準(CJ/T 309—2009《城鎮污水處理廠污泥處置 農用泥質》)的限定值(有機質含量>20%，氮、磷、鉀含量之和>3%)，因此，瀝浸后的污泥養分含量雖然略有降低，但仍然具有較高農用價值。

2.3 S0氧化率在污泥瀝浸過程中的變化

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

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%，而其他重金屬物質去除率相對較低；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。謝琴等認為，污泥中Zn的主要存在形態是不穩定的可交換態和碳酸鹽結合態，在酸性條件下Zn2+很容易浸提到液相中去[10]；康得軍等的試驗結果也說明，污泥中Cr和Cu主要是以有機結合態存在，Pb主要以還原態存在，而Zn主要以不穩定狀態存在[11]。與其他重金屬相比，Zn在可交換態中所占的比例最高，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，隨著體系系統中Fe2+與S0的氧化，污泥中氧化還原電位快速升高，導致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合菌株對污泥中重金屬進行溶出試驗，混合菌種對重金屬的淋濾效果要高10%[12]，可見復合菌株對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%，金陽污水處理廠污泥中Cr、Cd去除率最高，分別達到84.41%、78.67%，青山污水處理廠污泥中Cu的去除率最高，達61.78%。可見，不同污水處理廠的污泥采用生物瀝浸技術去除重金屬的效果也各不一樣。

3 結束語

本研究以貴州省貴陽市7個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為能源物質進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%；而污泥有機質、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，而污泥剩余養分含量滿足CJ/T 309—2009《城鎮污水處理廠污泥處置 農用泥質》，從而確保城市污泥在農用過程中的安全性和有效性。