細(xì)胞凍融破碎對(duì)城市污泥中重金屬浸出濃度的影響

付融冰,王 旌,羅淑華,張長(zhǎng)波,羅啟仕 (.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 0033；.四川省大竹縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,四川 大竹 63500)

城市污泥中含有大量有害重金屬,因而限制了污泥的資源化利用.重金屬浸出濃度是污泥毒性鑒別的主要手段.城市污泥中也含有大量的微生物和生物絮體,它們?cè)谏L(zhǎng)代謝過(guò)程中通過(guò)主動(dòng)吸收和細(xì)胞表面吸附等作用能聚集具有特殊功能的金屬元素[1-5].從細(xì)胞結(jié)構(gòu)看,主要有細(xì)胞外積累/沉淀、細(xì)胞表面吸附/沉淀和細(xì)胞內(nèi)積累等過(guò)程[6-8].周立祥等[9]研究表明,生物絮凝體組分是污泥中有效重金屬的主要提供者,占污泥中重金屬總量的66%～84%.因此,污泥中的有機(jī)體對(duì)重金屬的富集及其分布具有重要影響,隨著有機(jī)細(xì)胞后續(xù)的死亡和分解,污泥中重金屬的形態(tài)分布將會(huì)發(fā)生變化,浸出濃度也會(huì)隨之變化.目前,關(guān)于這方面的研究較少.

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)反復(fù)凍融的方法對(duì)污泥有機(jī)細(xì)胞進(jìn)行破碎,考察污泥在細(xì)胞破碎前后污泥中,重金屬的浸出濃度和形態(tài)分布.采用掃描電鏡和紅外光譜觀察并分析污泥中細(xì)胞形貌和EPS成分的變化,探討細(xì)胞破碎對(duì)污泥重金屬浸出濃度的影響.為城市污泥或其他有機(jī)體成分含量高的固體廢物的浸出毒性鑒別,提供深層次的認(rèn)識(shí),也為城市污泥資源化利用提供新的思路.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)污泥

實(shí)驗(yàn)用污泥取自上海市某污水處理廠,為工業(yè)廢水和生活污水混合經(jīng)二級(jí)生化處理后產(chǎn)生的脫水污泥.污泥呈黑色,含水率為82%,pH值為7.0.污泥中的鋅、銅、鎳和鉻的含量(以干固體計(jì))較高,分 別 為4223.0mg/kg,1383.1mg/kg,2119.7mg/kg,4639.3mg/kg,鎘和鉛的含量較低,分別為24.2mg/kg,67.5mg/kg.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污泥細(xì)胞破碎方法 污泥細(xì)胞破碎采用反復(fù)凍融法[10].取800g污泥置于2L的塑料燒杯中,在-25℃下冷凍 6 h后,轉(zhuǎn)入水浴鍋中以50℃融解,如此反復(fù)4次.將經(jīng)反復(fù)凍融處理后的污泥在通風(fēng)處風(fēng)干后研磨,過(guò)2mm 篩.以原始風(fēng)干污泥作為對(duì)照,進(jìn)行重金屬浸提實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)平行樣,所得結(jié)果為3組平行樣的平均值.

1.2.2 重金屬浸出濃度測(cè)定 采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署頒布的TCLP方法[11],測(cè)定污泥中重金屬的浸出濃度.用pH2.88的醋酸溶液對(duì)污泥樣品進(jìn)行浸提,固液比(質(zhì)量體積比)為1:20,在30r/min轉(zhuǎn)速下浸提18～20h.

1.2.3 重金屬總量及形態(tài)分布分析 取過(guò)100目篩的風(fēng)干污泥1 g,采用HNO3-HClO4-HF體系消解法[12]對(duì)污泥樣品進(jìn)行消解,測(cè)定污泥中重金屬的總量.取過(guò)100目的風(fēng)干污泥1g,采用七步分析方法(表1)測(cè)定重金屬的形態(tài)分布[13].用原子吸收儀(novAA400型,德國(guó),耶拿公司)測(cè)定處理后的溶液中重金屬濃度.

1.3 污泥細(xì)胞形貌觀察及結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電子顯微鏡(GSM 6380 LV,日本,Jeol)對(duì)污泥細(xì)胞形貌進(jìn)行觀察,采用紅外光譜分析儀(D/max 2550VB/PC,日本,Rigaku)對(duì)污泥中細(xì)胞EPS各有機(jī)基團(tuán)進(jìn)行測(cè)定.

表1 污泥重金屬形態(tài)分布及提取方法Table 1 The fractionation of heavy metals and the extraction methods

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)胞破碎處理前后污泥重金屬浸出濃度的變化

原始污泥的重金屬浸出濃度及污泥經(jīng)細(xì)胞破碎處理后重金屬的浸出濃度如表2所示.

表2 反復(fù)凍融前后重金屬的浸出濃度變化(mg/L)Table2 Leaching concentration of heavy metals before and after freezing and thawing (mg/L)

由表2可知,原始污泥中的鋅和鎳的浸出濃度的絕對(duì)值較高,分別為28.9mg/L和46.7mg/L.其他重金屬的浸出濃度均很小,鉻、鎘和銅的浸出濃度分別為0.04,1.1,0.4mg/L,污泥中鉛的浸出濃度未檢出.

污泥在經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融處理后,各重金屬的浸出濃度均發(fā)生了變化.鋅的浸出濃度增大至 31.7 mg/L,比原始污泥增大了 9.7%,鎳的浸出濃度增大至49.1mg/L,比原始污泥增大了5.1%.而鉻、鎘和銅的浸出濃度也分別增大至 0.05 mg/L、1.2mg/L和0.6mg/L,比原始污泥中的浸出濃度分別提高了25%、9%和50%.

由此可見(jiàn),污泥在經(jīng)過(guò)細(xì)胞破碎處理后,其重金屬的浸出濃度均增大.這些都可能與污泥在反復(fù)凍融處理后,污泥中微生物細(xì)胞不同程度的破碎有關(guān).

2.2 細(xì)胞破碎前后污泥中重金屬的形態(tài)分布變化

原始污泥中,鋅和鎳的不穩(wěn)定態(tài)(包括離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和無(wú)定型氧化錳結(jié)合態(tài))比例相對(duì)較高,分別為13.5%和32.7%,這也是原始污泥中鋅和鎳浸出濃度較高的主要原因.其他重金屬的不穩(wěn)定態(tài)均未檢出或很小.由此可見(jiàn),污泥中重金屬的浸出濃度主要取決于重金屬在污泥中的形態(tài)分布.

如圖 1,經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融處理后,鋅和鎳的不穩(wěn)定形態(tài)(包括離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和無(wú)定型氧化錳結(jié)合態(tài))由原來(lái)的13.5%和32.7%分別增加到20.4%和37.9%.其中,鋅和鎳的離子交換態(tài)分別增加了 0.81%和0.54%,碳酸鹽結(jié)合態(tài)增加了 3.1%和3.6%,無(wú)定型氧化錳結(jié)合態(tài)增加了3.0%和1.1%.污泥經(jīng)過(guò)細(xì)胞破碎處理后,各重金屬有機(jī)態(tài)均有所減少,其中鋅、鎳、鉻和銅的有機(jī)態(tài)分別減少了 4.2%、8.2%、1.2%和5.1%.由此可見(jiàn),污泥在經(jīng)過(guò)細(xì)胞破碎處理后,由于污泥微生物的消亡和有機(jī)化合物的減少,以這一部分形態(tài)即有機(jī)態(tài)存在的重金屬發(fā)生了改變,并進(jìn)而轉(zhuǎn)化成了其他的結(jié)合態(tài),這也是各重金屬浸出濃度增加的主要原因.由圖亦可知,鉻與銅在污泥中主要以有機(jī)態(tài)存在,分別占63.0%和56.8%,因此,盡管這 2種重金屬的有機(jī)態(tài)減少的比例不高,但對(duì)其浸出濃度的影響仍然很大,這從浸出濃度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析中可以看出.

圖1 細(xì)胞破碎前后污泥重金屬的形態(tài)分布Fig.1 Fractionation of heavy metals before and after cell fragmentation

2.3 污泥細(xì)胞的掃描電鏡分析

反復(fù)凍融法是由于細(xì)胞在冷凍及融解的過(guò)程中,細(xì)胞體內(nèi)外形成較大而尖銳的冰晶,對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理性損傷,使細(xì)胞的完整性受到破壞,從而使胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來(lái)[14].采用掃描電子顯微鏡對(duì)原始污泥及經(jīng)細(xì)胞破碎處理的污泥進(jìn)行觀察.如圖2和圖3所示,污泥中的微生物細(xì)胞由于反復(fù)凍融處理發(fā)生了形態(tài)上的變化,塌陷的細(xì)胞數(shù)量更多,塌陷程度也更加嚴(yán)重,這說(shuō)明了污泥中部分微生物細(xì)胞的消亡.

圖2 原始污泥的掃描電鏡圖Fig.2 SEM pictures of the untreated sludge

圖3 凍融污泥的掃描電鏡圖Fig.3 SEM pictures of the sludge after freezing and thawing

2.4 污泥的紅外光譜分析

胞外聚合物是在一定環(huán)境條件下,由微生物分泌于體外的一些高分子聚合物,這些高分子物質(zhì)包括多糖、蛋白質(zhì)和核酸等[15-17].在紅外光譜圖中,特征明顯的強(qiáng)頻段表示蛋白質(zhì)和多聚糖基團(tuán);強(qiáng)度較弱頻段表示其他基團(tuán),如羧基、糖醛酸、腐植酸;指紋區(qū)可能表明核酸中的磷酸鹽的存在[18-19].表3為紅外光譜觀察到的污泥中主要化合物及基團(tuán).

表3 紅外光譜觀察到的污泥中主要化合物及基團(tuán)Table 3 Main function groups observed in IR spectra

由圖4可見(jiàn),在經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融處理過(guò)后,污泥中的有機(jī)化合物和基團(tuán)發(fā)生了變化.其中,位于1570～1530cm-1波 段 的蛋 白 質(zhì),位 于 1400～1395cm-1的羧酸,位于 1150～1030cm-1的多聚糖均減少.污泥中可能含有其它有機(jī)污染物質(zhì),但通過(guò)反復(fù)凍融的物理方法很難將其分解.因此這些減少了的有機(jī)基團(tuán)很可能是污泥中胞外聚合物所含有的.說(shuō)明污泥中在經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融處理后性質(zhì)發(fā)生了改變,組成胞外聚合物的有機(jī)基團(tuán)含量減少.這與經(jīng)過(guò)細(xì)胞破碎處理的污泥中有機(jī)態(tài)的重金屬含量減少是一致的,說(shuō)明隨著污泥中有機(jī)細(xì)胞的衰亡和分解,重金屬的分布形態(tài)和浸出濃度確實(shí)會(huì)發(fā)生變化.

圖4 細(xì)胞破碎前后污泥的紅外光譜分析結(jié)果Fig.4 IR analysis results of sludge before and after freezing and thawing

3 結(jié)論

3.1 污泥在經(jīng)過(guò)細(xì)胞破碎處理后,各重金屬的浸出濃度均增加,以不穩(wěn)定形態(tài)(包括離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和無(wú)定型氧化錳結(jié)合態(tài))存在的比例增大.說(shuō)明隨著污泥中有機(jī)細(xì)胞的衰亡和分解,污泥中重金屬的分布形態(tài)和浸出濃度會(huì)發(fā)生改變.

3.2 污泥細(xì)胞破碎后污泥中以有機(jī)態(tài)存在的重金屬比例減少,掃描電鏡和紅外光譜分析證明,污泥在經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融處理后,細(xì)胞破碎的數(shù)量和破碎程度增加,細(xì)胞胞外聚合物的有機(jī)基團(tuán)減少.原來(lái)以有機(jī)態(tài)存在的重金屬轉(zhuǎn)化成了其他形式的結(jié)合態(tài),總體上不穩(wěn)定態(tài)重金屬含量增加.

[1]陳素華,孫鐵珩,周啟星,等.微生物與重金屬間的相互作用及其應(yīng)用研究 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2002,13(2):239-242.

[2]Wei Y B. Physiology of microbes [M]. Beijing: Higher Education Press,1989.

[3]Unz R F, Shuttleworth K L. Microbial mobilization and immobilization of heavy metals [J]. Curr. Opin. Chem. Biol.,1996,7(3):307-310.

[4]Johnsona K J, Cyganb R T, Fein J B. Molecular simulations of metal adsorption to bacterial surface [J]. Geochim. Cosmochim.Acta, 2006,70:5075-5088.

[5]Nies D H. Efflux-mediated heavy metal resistance in prokaryotes[J]. FEMS Microbiol. Rev., 2003,6(27):313-339.

[6]何寶燕,尹 華,彭 輝,等.酵母菌吸附重金屬鉻的生理代謝機(jī)理及細(xì)胞形貌分析 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2007,28(1):194-198.

[7]Saiano F, Ciofalo M, Olga C S, et al. Metal ion adsorption by Phomopsis sp. biomaterial in laboratory experiments and real wastewater treatment [J]. Water Res., 2005,39(11):2273-2280.

[8]Tewari N, Vasudevan P, Guha B K. Study on biosorption of Cr(VI) by Mucor hiealis [J]. Biochem. Eng. J., 2005,23(2):185-192.

[9]周立祥,沈其榮,陳同斌,等.重金屬養(yǎng)分元素在城市污泥主要組分中的分配及其化學(xué)形態(tài) [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005,20(3):269-274.

[10]周德慶.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè) [M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1983:32-34.

[11]Chen C L, Lo S L, Kuan W H, et al. Stabilization of Cu in acid-extracted industrial sludge using a microwave process [J]. J.Hazard Mater, 2005,123(1-3):256-261.

[12]孫 穎,陳 玲,趙建夫,等.測(cè)定城市生活污泥中重金屬的酸消解方法研究 [J]. 環(huán)境污染與防治, 2004,26(3):170-172.

[13]邵孝侯,邢光熹,侯文華.連續(xù)提取法區(qū)分土壤重金屬元素形態(tài)的研究及應(yīng)用 [J]. 土壤學(xué)進(jìn)展, 1994,22(3):40-46.

[14]王雪青,苗 惠,翟 燕.微藻細(xì)胞破碎方法的研究 [J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,22(1):21-25.

[15]Melanie J B, Lester J N. Metal removal in activated sludge the role of bacterial extracellular polymers [J]. Wat. Res., 1979,13(1):817-837.

[16]段 亮,夏四清,宋永會(huì),等.活性污泥胞外聚合物提取動(dòng)力學(xué)模型 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009,29(3):951-954.

[17]倪丙杰,徐得潛,劉紹根.污泥性質(zhì)的重要影響物質(zhì)-胞外聚合物(EPS) [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2006,29(3):108-110.

[18]鄭 蕾,田 禹,孫德智. pH值對(duì)活性污泥胞外聚合物分子結(jié)構(gòu)和表面特征影響研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2007,28(7):1507-1511.

[19]潘響亮,王建龍,張道勇,等.硫酸鹽還原菌混合菌群胞外聚合物對(duì)Zn2+的吸附和機(jī)理 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2005,18(6):53-55.