负载营养填料对污泥生物沥滤的促进效果研究

文_张弛 李超 杨志宏

1. 太原理工大学环境科学与工程学院 2. 山西省生态环境研究中心 3. 山西正阳污水净化有限公司

污泥生物沥滤是指在电子供体存在的条件下，利用硫杆菌以及部分异养菌的生物化学代谢过程，去除污泥中的重金属。

营养基质是污泥生物沥滤的生物化学反应基础物质，本文所讨论的底物，主要是指化能自养菌氧化硫硫杆菌（T.t）与氧化亚铁硫杆菌（T.f）所需的底物单质S以及FeSO4。在传统的污泥生物沥滤操作过程中，其营养物的添加方式是向反应器中直接投加硫粉、FeSO4，作为硫杆菌的生长基质。此时的硫粉易于沉淀，营养物质易失去与硫杆菌的接触机会；FeSO4不易保持高浓度水平，浓度不易控制，易随水流失，需要反复投加。

本文采用内置负载S、Fe两种营养基质的固体定型颗粒，结合塑料骨架构成立体球状悬浮填料，实现S、Fe营养基质的长效稳定。一方面可以加大游离型T.f菌、游离型T.t菌与营养基质的接触机会；另一方面为附着型T.f菌、附着型T.t菌提供更多的附着载体。在立体球状悬浮填料内搭建起微观的生物沥滤稳定环境，作为污泥生物沥滤混合液反应体系的有益补充。

1 试验方法

1.1 试验用污泥原料

本文所用污泥取自晋中市污水处理厂，是经过浓缩之后的污泥，呈现黑褐色。该厂接纳的污水为晋中市部分城区的生活污水和工业废水，其中生活污水约占55%。经测定，试验用污泥重金属测定值中，Cu、Cr超过我国GB4284-84（污泥农林利用酸性土壤标准），生物沥滤时降低污泥重金属含量的有效方法。

1.2 新型负载营养填料的制备

采用立体球状悬浮填料，塑料骨架制成网格球体，小球内同时放置两种营养基质负载颗粒。单体颗粒球由颗粒A与颗粒B复合组成。颗粒A为负载Fe营养基质的活性炭颗粒，采用活性炭浸渍FeSO4·7H2O制成。颗粒B为负载S营养基质，采用单质硫粉、CMC、黏土在氮气中烧制成型。采用立体球状悬浮填料，塑料骨架制成网格球体，小球内同时放置两种营养基质负载颗粒。具有亲水性强、菌群附着力强、耐酸碱性稳定等优点。

1.3 硫杆菌驯化适应实验

本实验的驯化目标是通过特定营养基质驯化、酸化、重复接种富集的方法，使氧化硫硫杆菌(T.t)与氧化亚铁硫杆菌(T.f)成为复合优势菌群。在传统基质模式下的预酸化阶段，取新鲜浓缩污泥调节pH值为4.0；添加硫粉、FeSO4·7H2O；反应温度28℃。在加富培养阶段，同样采用前述方法培养2～6d，得到复合硫杆菌菌液。在投加营养填料模式下，填料球的投加密度为15个/100mL。其余反应条件与传统基质模式相同。在设定时刻取样测定溶液体系的pH值，对照研究“投加营养填料”与“传统基质”两种方式条件下，复合硫杆菌的驯化、富集过程中，pH值的变化情况，反映投加营养填料对硫杆菌驯化适应的促进作用。

1.4 污泥生物沥滤实验

将20mL复合硫杆菌接种液接入待沥滤处理的200mL污泥中（即：接种量比例为10%），置于500mL锥形瓶中。在恒温水浴振荡器中进行沥滤实验，初始pH=4.0，温度30℃，转速150rpm，每个样品做三个平行试样。每天对锥形瓶称重，并以蒸馏水弥补水分的损失。在传统基质模式下，底物加入量采用6g/L的单质硫粉、10g/L的FeSO4·7H2O；在投加营养填料模式下，填料球的投加密度为15个/100mL。试验共进行15d，在每天的固定时间对污泥处理体系的重金属浓度进行检测，经过计算可得沥滤后污泥重金属的去除率。每天的固定时间对污泥取样，测定其中的Cu、Cr浓度，计算得到去除率。

2 研究结果与讨论

2.1 投加营养填料对硫杆菌驯化适应的促进作用

通过对照“投加营养填料”与“传统基质”两种方式条件下，复合硫杆菌的驯化、富集过程中，pH值的变化情况，得到实验结果见图1。

图1 硫杆菌驯化过程中的pH值变化情况

由图1可知，在三次硫杆菌培养过程中，pH值随着反应时间相应地经历了三次降低过程。以pH值＜2.0作为菌群培养完成的标志。三次培养过程所需的时间越来越短。第一阶段耗时11d，可称为“驯化适应阶段”；第二阶段耗时6d，可称为“预富集阶段”；第三阶段耗时5d，可称为“增长富集阶段”。菌群培养所需时间逐步缩短，间接反映出污泥生物沥滤优势菌群对污泥混合液环境的适应能力越来越强。pH值的快速降低，对应于嗜酸性微生物的扩大繁殖及其产酸效应。本文的营养填料可以促进微生物稳定附着于介质表面，使菌群的停留时间大幅度延长，能有效的筛选和驯化微生物。对于T.t而言，投加新型营养填料可以避免单质硫粉过早沉淀，增加硫杆菌与硫的接触机会；对于T.f而言，投加新型营养填料可以延长FeSO4的滞留时间。

2.2 投加营养填料对淋滤过程pH值的促进

通过对照“投加营养填料”与“传统基质”两种方式条件下，污泥沥滤过程中的pH值变化情况，得到实验结果见图2。

图2 污泥淋滤过程中pH值变化情况

由图3可知，污泥淋滤体系的pH值第3～4d之间出现大幅度降低。“投加营养填料”反应体系在污泥沥滤过程中的pH值降低速率比“传统基质”反应体系有显著提高。在8d至15d的曲线可知，“投加营养填料” 反应体系的pH值波动更小，表明填料的加入使污泥沥滤反应更加稳定。pH值一方面是污泥生物淋滤过程中的表现参数，另一方面又是淋滤过程的影响制约参数。

2.3 投加营养填料对重金属去除效果的促进

通过对污泥中Cu、Cr进行生物淋滤实验，并对照“投加营养填料”与“传统基质”两种方式条件下的处理结果，得到污泥中Cu、Cr在沥滤之后的去除率随时间的变化曲线，见图3、图4。

图3 污泥淋滤后Cu的去除率变化情况

图4 污泥淋滤后Cr的去除率变化情况

由图3、图4可知，Cu、Cr在淋滤之后，都获得了较好的去除效果，Cr的沥滤效果比Cu差。虽然Cr的沥滤效果比Cu差，但总体而言，污泥中的Cu、Cr在淋滤之后都满足了GB4284（农林利用酸性土壤标准（pH＜6.5））限值要求。沥滤去除率在2～6d阶段的上升速率很快，6d后“投加营养填料”体系的去除率与“传统基质”体系效果类似。

3 结语

在污泥生物沥滤反应器中，投加负载Fe、S营养基质的立体球状悬浮填料，能够替代传统的硫粉、FeSO4投加方式，并发挥优于传统基质的污泥沥滤效果。悬浮球填料可为复合硫杆菌提供所需营养底物，其生长情况优于传统的硫粉投加方式，以及一次性的FeSO4·7H2O投加方式。

在硫杆菌驯化适应过程中，投加营养填料能促进菌群快速适应反应环境，促进T.t与T.f菌群的代谢与增殖。驯化过程中的pH值降低速率优于传统基质体系，pH值的最大改善比率为21.91%。

在污泥沥滤过程中，投加营养填料对能够提高沥滤过程中pH值的降低速率。复合菌群在小球内进行生物富集的同时，可以对污泥实施生物沥滤，去除污泥中的重金属。本文的污泥沥滤过程对Cu、Cr都获得了较好的治理效果。