負(fù)載營(yíng)養(yǎng)填料對(duì)污泥生物瀝濾的促進(jìn)效果研究

文_張弛 李超 楊志宏

1. 太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2. 山西省生態(tài)環(huán)境研究中心 3. 山西正陽(yáng)污水凈化有限公司

污泥生物瀝濾是指在電子供體存在的條件下，利用硫桿菌以及部分異養(yǎng)菌的生物化學(xué)代謝過(guò)程，去除污泥中的重金屬。

營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)是污泥生物瀝濾的生物化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)物質(zhì)，本文所討論的底物，主要是指化能自養(yǎng)菌氧化硫硫桿菌（T.t）與氧化亞鐵硫桿菌（T.f）所需的底物單質(zhì)S以及FeSO4。在傳統(tǒng)的污泥生物瀝濾操作過(guò)程中，其營(yíng)養(yǎng)物的添加方式是向反應(yīng)器中直接投加硫粉、FeSO4，作為硫桿菌的生長(zhǎng)基質(zhì)。此時(shí)的硫粉易于沉淀，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)易失去與硫桿菌的接觸機(jī)會(huì)；FeSO4不易保持高濃度水平，濃度不易控制，易隨水流失，需要反復(fù)投加。

本文采用內(nèi)置負(fù)載S、Fe兩種營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的固體定型顆粒，結(jié)合塑料骨架構(gòu)成立體球狀懸浮填料，實(shí)現(xiàn)S、Fe營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的長(zhǎng)效穩(wěn)定。一方面可以加大游離型T.f菌、游離型T.t菌與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的接觸機(jī)會(huì)；另一方面為附著型T.f菌、附著型T.t菌提供更多的附著載體。在立體球狀懸浮填料內(nèi)搭建起微觀的生物瀝濾穩(wěn)定環(huán)境，作為污泥生物瀝濾混合液反應(yīng)體系的有益補(bǔ)充。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用污泥原料

本文所用污泥取自晉中市污水處理廠，是經(jīng)過(guò)濃縮之后的污泥，呈現(xiàn)黑褐色。該廠接納的污水為晉中市部分城區(qū)的生活污水和工業(yè)廢水，其中生活污水約占55%。經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)用污泥重金屬測(cè)定值中，Cu、Cr超過(guò)我國(guó)GB4284-84（污泥農(nóng)林利用酸性土壤標(biāo)準(zhǔn)），生物瀝濾時(shí)降低污泥重金屬含量的有效方法。

1.2 新型負(fù)載營(yíng)養(yǎng)填料的制備

采用立體球狀懸浮填料，塑料骨架制成網(wǎng)格球體，小球內(nèi)同時(shí)放置兩種營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)負(fù)載顆粒。單體顆粒球由顆粒A與顆粒B復(fù)合組成。顆粒A為負(fù)載Fe營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的活性炭顆粒，采用活性炭浸漬FeSO4·7H2O制成。顆粒B為負(fù)載S營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，采用單質(zhì)硫粉、CMC、黏土在氮?dú)庵袩瞥尚汀２捎昧Ⅲw球狀懸浮填料，塑料骨架制成網(wǎng)格球體，小球內(nèi)同時(shí)放置兩種營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)負(fù)載顆粒。具有親水性強(qiáng)、菌群附著力強(qiáng)、耐酸堿性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 硫桿菌馴化適應(yīng)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的馴化目標(biāo)是通過(guò)特定營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)馴化、酸化、重復(fù)接種富集的方法，使氧化硫硫桿菌(T.t)與氧化亞鐵硫桿菌(T.f)成為復(fù)合優(yōu)勢(shì)菌群。在傳統(tǒng)基質(zhì)模式下的預(yù)酸化階段，取新鮮濃縮污泥調(diào)節(jié)pH值為4.0；添加硫粉、FeSO4·7H2O；反應(yīng)溫度28℃。在加富培養(yǎng)階段，同樣采用前述方法培養(yǎng)2～6d，得到復(fù)合硫桿菌菌液。在投加營(yíng)養(yǎng)填料模式下，填料球的投加密度為15個(gè)/100mL。其余反應(yīng)條件與傳統(tǒng)基質(zhì)模式相同。在設(shè)定時(shí)刻取樣測(cè)定溶液體系的pH值，對(duì)照研究“投加營(yíng)養(yǎng)填料”與“傳統(tǒng)基質(zhì)”兩種方式條件下，復(fù)合硫桿菌的馴化、富集過(guò)程中，pH值的變化情況，反映投加營(yíng)養(yǎng)填料對(duì)硫桿菌馴化適應(yīng)的促進(jìn)作用。

1.4 污泥生物瀝濾實(shí)驗(yàn)

將20mL復(fù)合硫桿菌接種液接入待瀝濾處理的200mL污泥中（即：接種量比例為10%），置于500mL錐形瓶中。在恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行瀝濾實(shí)驗(yàn)，初始pH=4.0，溫度30℃，轉(zhuǎn)速150rpm，每個(gè)樣品做三個(gè)平行試樣。每天對(duì)錐形瓶稱重，并以蒸餾水彌補(bǔ)水分的損失。在傳統(tǒng)基質(zhì)模式下，底物加入量采用6g/L的單質(zhì)硫粉、10g/L的FeSO4·7H2O；在投加營(yíng)養(yǎng)填料模式下，填料球的投加密度為15個(gè)/100mL。試驗(yàn)共進(jìn)行15d，在每天的固定時(shí)間對(duì)污泥處理體系的重金屬濃度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得瀝濾后污泥重金屬的去除率。每天的固定時(shí)間對(duì)污泥取樣，測(cè)定其中的Cu、Cr濃度，計(jì)算得到去除率。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 投加營(yíng)養(yǎng)填料對(duì)硫桿菌馴化適應(yīng)的促進(jìn)作用

通過(guò)對(duì)照“投加營(yíng)養(yǎng)填料”與“傳統(tǒng)基質(zhì)”兩種方式條件下，復(fù)合硫桿菌的馴化、富集過(guò)程中，pH值的變化情況，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 硫桿菌馴化過(guò)程中的pH值變化情況

由圖1可知，在三次硫桿菌培養(yǎng)過(guò)程中，pH值隨著反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)地經(jīng)歷了三次降低過(guò)程。以pH值＜2.0作為菌群培養(yǎng)完成的標(biāo)志。三次培養(yǎng)過(guò)程所需的時(shí)間越來(lái)越短。第一階段耗時(shí)11d，可稱為“馴化適應(yīng)階段”；第二階段耗時(shí)6d，可稱為“預(yù)富集階段”；第三階段耗時(shí)5d，可稱為“增長(zhǎng)富集階段”。菌群培養(yǎng)所需時(shí)間逐步縮短，間接反映出污泥生物瀝濾優(yōu)勢(shì)菌群對(duì)污泥混合液環(huán)境的適應(yīng)能力越來(lái)越強(qiáng)。pH值的快速降低，對(duì)應(yīng)于嗜酸性微生物的擴(kuò)大繁殖及其產(chǎn)酸效應(yīng)。本文的營(yíng)養(yǎng)填料可以促進(jìn)微生物穩(wěn)定附著于介質(zhì)表面，使菌群的停留時(shí)間大幅度延長(zhǎng)，能有效的篩選和馴化微生物。對(duì)于T.t而言，投加新型營(yíng)養(yǎng)填料可以避免單質(zhì)硫粉過(guò)早沉淀，增加硫桿菌與硫的接觸機(jī)會(huì)；對(duì)于T.f而言，投加新型營(yíng)養(yǎng)填料可以延長(zhǎng)FeSO4的滯留時(shí)間。

2.2 投加營(yíng)養(yǎng)填料對(duì)淋濾過(guò)程pH值的促進(jìn)

通過(guò)對(duì)照“投加營(yíng)養(yǎng)填料”與“傳統(tǒng)基質(zhì)”兩種方式條件下，污泥瀝濾過(guò)程中的pH值變化情況，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 污泥淋濾過(guò)程中pH值變化情況

由圖3可知，污泥淋濾體系的pH值第3～4d之間出現(xiàn)大幅度降低。“投加營(yíng)養(yǎng)填料”反應(yīng)體系在污泥瀝濾過(guò)程中的pH值降低速率比“傳統(tǒng)基質(zhì)”反應(yīng)體系有顯著提高。在8d至15d的曲線可知，“投加營(yíng)養(yǎng)填料” 反應(yīng)體系的pH值波動(dòng)更小，表明填料的加入使污泥瀝濾反應(yīng)更加穩(wěn)定。pH值一方面是污泥生物淋濾過(guò)程中的表現(xiàn)參數(shù)，另一方面又是淋濾過(guò)程的影響制約參數(shù)。

2.3 投加營(yíng)養(yǎng)填料對(duì)重金屬去除效果的促進(jìn)

通過(guò)對(duì)污泥中Cu、Cr進(jìn)行生物淋濾實(shí)驗(yàn)，并對(duì)照“投加營(yíng)養(yǎng)填料”與“傳統(tǒng)基質(zhì)”兩種方式條件下的處理結(jié)果，得到污泥中Cu、Cr在瀝濾之后的去除率隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 污泥淋濾后Cu的去除率變化情況

圖4 污泥淋濾后Cr的去除率變化情況

由圖3、圖4可知，Cu、Cr在淋濾之后，都獲得了較好的去除效果，Cr的瀝濾效果比Cu差。雖然Cr的瀝濾效果比Cu差，但總體而言，污泥中的Cu、Cr在淋濾之后都滿足了GB4284（農(nóng)林利用酸性土壤標(biāo)準(zhǔn)（pH＜6.5））限值要求。瀝濾去除率在2～6d階段的上升速率很快，6d后“投加營(yíng)養(yǎng)填料”體系的去除率與“傳統(tǒng)基質(zhì)”體系效果類似。

3 結(jié)語(yǔ)

在污泥生物瀝濾反應(yīng)器中，投加負(fù)載Fe、S營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的立體球狀懸浮填料，能夠替代傳統(tǒng)的硫粉、FeSO4投加方式，并發(fā)揮優(yōu)于傳統(tǒng)基質(zhì)的污泥瀝濾效果。懸浮球填料可為復(fù)合硫桿菌提供所需營(yíng)養(yǎng)底物，其生長(zhǎng)情況優(yōu)于傳統(tǒng)的硫粉投加方式，以及一次性的FeSO4·7H2O投加方式。

在硫桿菌馴化適應(yīng)過(guò)程中，投加營(yíng)養(yǎng)填料能促進(jìn)菌群快速適應(yīng)反應(yīng)環(huán)境，促進(jìn)T.t與T.f菌群的代謝與增殖。馴化過(guò)程中的pH值降低速率優(yōu)于傳統(tǒng)基質(zhì)體系，pH值的最大改善比率為21.91%。

在污泥瀝濾過(guò)程中，投加營(yíng)養(yǎng)填料對(duì)能夠提高瀝濾過(guò)程中pH值的降低速率。復(fù)合菌群在小球內(nèi)進(jìn)行生物富集的同時(shí)，可以對(duì)污泥實(shí)施生物瀝濾，去除污泥中的重金屬。本文的污泥瀝濾過(guò)程對(duì)Cu、Cr都獲得了較好的治理效果。