嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌對(duì)市政污泥脫水性能的改善

秦松巖，郭麗娜，解永磊，張丹丹，馬 放

(1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，300384天津;2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090哈爾濱)

利用生物的酸化作用和亞鐵離子的氧化作用(簡(jiǎn)稱生物酸化鐵氧化)提高污泥脫水性能，是近年來(lái)應(yīng)用于污泥深度脫水的新方法［1］.經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化處理后的市政污泥在不加藥劑的條件下，其脫水性能提高了近10倍［2］.該方法是利用嗜酸性復(fù)合菌群如嗜酸自養(yǎng)菌(Acidithiobacillu thiooxidans、Acidithiobacillus ferrooxidans)和耐酸性異養(yǎng)菌的協(xié)同作用，在提供營(yíng)養(yǎng)劑的條件下，該菌群通過(guò)自身產(chǎn)酸使污泥pH降低并改變污泥中原有的微生物菌群結(jié)構(gòu)，菌群生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的Fe(Ⅲ)和次生礦物等均促進(jìn)和改善了污泥的脫水性能［1］.

利用生物酸化鐵氧化方法處理市政污泥時(shí)，多采用復(fù)合菌群并在一定量營(yíng)養(yǎng)劑條件下進(jìn)行［3-4］，復(fù)合菌是基于菌群中嗜酸性異養(yǎng)菌消耗污泥中水溶性有機(jī)物(DOM)以促進(jìn)生物酸化進(jìn)程［5］以及嗜酸性硫桿菌的生物氧化和產(chǎn)酸作用，其中pH降低主要是氧化硫硫桿菌的生物產(chǎn)酸作用.然而嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的生物產(chǎn)酸及生物成礦作用對(duì)提高市政污泥脫水性能的影響尚未明確.本課題組分離得到一株嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)，該菌可在 pH 1.4～3.5 范圍生長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境pH適應(yīng)能力較強(qiáng)［6］，氮源需求少且溶解性Fe(Ⅲ)生成量大［7］.污泥生物處理過(guò)程中可利用污泥中氨氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而不需另外添加，減少營(yíng)養(yǎng)劑的需求量;同時(shí)溶解性Fe(Ⅲ)的增加有利于污泥脫水［8］.為此，利用課題組現(xiàn)有的Acidithiobacillus ferrooxidansXJF8菌株進(jìn)行污泥生物酸化鐵氧化處理，并參考搖瓶實(shí)驗(yàn)［9］進(jìn)行連續(xù)流小試實(shí)驗(yàn)?zāi)M.探討單一菌株生物酸化鐵氧化對(duì)市政污泥脫水性能的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用菌與供試污泥

實(shí)驗(yàn)用菌:利用山西某露天煤礦的礦坑廢水通過(guò)9K液體培養(yǎng)基［10］對(duì)其中的菌群進(jìn)行富集培養(yǎng)，然后在9K固體培養(yǎng)基上涂布，直至固體培養(yǎng)基上長(zhǎng)出棕褐色具有金屬光澤的單菌落，挑取單菌落在9K液體培養(yǎng)基中富集，純化后經(jīng)過(guò)16SrDNA鑒定為嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidansXJF8，基因庫(kù)登錄號(hào) KF378735，簡(jiǎn)稱At·fXJF8)［11］.該菌(如圖 1 所示)屬于嗜酸性自養(yǎng)型好氧菌，以CO2為唯一碳源，30 h達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，最適溫度和pH分別為30℃和2.0，通過(guò)氧化Fe(Ⅱ)為Fe(Ⅲ)獲得能量.

圖1 氧化亞鐵硫桿菌XJF8

接種菌泥培養(yǎng):按照文獻(xiàn)［12］的方法，在搖瓶中利用嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌加入改進(jìn)的營(yíng)養(yǎng)劑(主要含 Fe和 N、P、Ca、Mg等微量元素)對(duì)市政污泥進(jìn)行酸化，反復(fù)轉(zhuǎn)接2次后，污泥pH降至3.0左右培養(yǎng)完成.共計(jì)培養(yǎng)5 L生物酸化污泥作為反應(yīng)器接種污泥.供試污泥采自天津某市政污水處理廠濃縮污泥，包含初沉池和二沉池污泥，基本性質(zhì)如表1所示.

表1 污泥理化性質(zhì)

1.2 污泥生物酸化鐵氧化反應(yīng)系統(tǒng)

污泥生物酸化鐵氧化反應(yīng)系統(tǒng)由進(jìn)泥池、調(diào)節(jié)池、生物酸化反應(yīng)池、污泥濃縮池等結(jié)構(gòu)單元，以及曝氣、攪拌和污泥回流泵等構(gòu)成.進(jìn)泥池為100 L帶攪拌圓桶，調(diào)節(jié)池和污泥濃縮池由直徑200 mm的有機(jī)玻璃制成，容積分別為 3.14，12.56 L.生物酸化反應(yīng)池采用 8 mm PVC板焊接而成，尺寸為670 mm×485 mm×280 mm，有效容積 68 L.用隔板將其分為3個(gè)廊道，并設(shè)置折流板，將反應(yīng)器分為7個(gè)區(qū)域.反應(yīng)系統(tǒng)流程如圖2所示.

在整個(gè)系統(tǒng)中，原始污泥經(jīng)進(jìn)液泵提升至調(diào)節(jié)池，與回流污泥以及營(yíng)養(yǎng)劑進(jìn)行曝氣混合后進(jìn)入生物酸化反應(yīng)池，沿1～7號(hào)區(qū)域上下折流推進(jìn).在生物酸化反應(yīng)器中，嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌在曝氣和營(yíng)養(yǎng)劑存在下進(jìn)行污泥的生物氧化及酸化.酸化后的污泥進(jìn)入污泥濃縮池進(jìn)行濃縮沉淀.

圖2 污泥生物酸化鐵氧化反應(yīng)系統(tǒng)流程

1.3 污泥生物酸化鐵氧化系統(tǒng)小試實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)

將培養(yǎng)好的接種污泥接種到反應(yīng)器的1號(hào)區(qū)域，然后進(jìn)行連續(xù)流啟動(dòng)運(yùn)行.根據(jù)進(jìn)泥量，按照2.11 g·L-1(以Fe(Ⅱ)計(jì)算)每隔 4 h間歇投加營(yíng)養(yǎng)劑.隨著反應(yīng)進(jìn)行，污泥從1～7號(hào)區(qū)域逐級(jí)推進(jìn)，最終達(dá)到整個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定.污泥平均停留時(shí)間(SRT)3.7 d，溫度保持室溫(25 ℃)，污泥回流比80%.反應(yīng)器啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，每天監(jiān)測(cè)各區(qū)pH、Fe(Ⅱ)氧化率，反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，測(cè)定各區(qū)的污泥沉降性以及污泥比阻.比較在同等抽濾條件下的泥餅含水率以及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.4 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定方法

采用Sartorius PB-10精密pH計(jì)測(cè)定污泥pH;污泥比阻(SRF)采用布式漏斗-真空抽濾法測(cè)定［13-15］;上清液中 Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度采用重鉻酸鉀容量法(GB/T 6730.8-1986)測(cè)定［16］;污泥沉降性能:取各區(qū)污泥混勻后，倒入100 mL量筒中，記錄30 min、24 h 后污泥體積，計(jì)算污泥沉降性［17］.在0.05 MPa恒壓下，抽濾100 mL污泥直至真空破壞，將泥餅在105℃烘干，根據(jù)烘干前后的質(zhì)量計(jì)算含水率，然后在600℃下灼燒2 h，計(jì)算污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 生物酸化反應(yīng)池pH變化

pH在生物酸化鐵氧化過(guò)程中的變化主要是由嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌將 Fe(Ⅱ)離子氧化為Fe(Ⅲ)，為自身的生長(zhǎng)提供能量，F(xiàn)e(Ⅲ)的生物成礦過(guò)程以及水解過(guò)程使pH下降［18］.為使微生物快速適應(yīng)污泥環(huán)境，節(jié)約啟動(dòng)時(shí)間，在初期的84 h內(nèi)，調(diào)節(jié)池污泥用硫酸將pH調(diào)至4.00，待反應(yīng)器滿負(fù)荷后停止加酸.圖3為生物酸化反應(yīng)器從啟動(dòng)到穩(wěn)定階段pH的變化.

圖3 生物酸化反應(yīng)器pH變化

由圖3可知，在啟動(dòng)初期反應(yīng)器未連續(xù)進(jìn)泥的條件下，1～7號(hào)區(qū)域初始pH均維持在3.0左右.在連續(xù)流運(yùn)行狀況下，隨著新泥將原有酸化污泥替換后，1號(hào)區(qū)域的pH 由3.0逐漸升高到4.0，之后2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)的變化與1號(hào)趨勢(shì)一致.而5～7號(hào)區(qū)域，pH在整個(gè)啟動(dòng)和穩(wěn)定階段變化不大，維持在3.0±0.3，說(shuō)明在 SRT 為 3.7 d 的條件下，反應(yīng)器完全能夠完成污泥生物酸化鐵氧化過(guò)程，存在進(jìn)一步縮短停留時(shí)間的可能.在84 h之后進(jìn)泥停止調(diào)節(jié)pH，1～4號(hào)區(qū)域pH隨之逐漸上升，分別由84 h的4.04、3.39、3.19、3.13 上升到 156 h 的 5.58、4.76、4.1、3.74，并基本保持穩(wěn)定，此時(shí)整個(gè)生物酸化鐵氧化反應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)168 h運(yùn)行后達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定期間反應(yīng)器 1～7 號(hào)區(qū)域的 pH 分別為 5.27±0.15、4.57±0.11、4.15 ± 0.13、3.57 ± 0.6、3.23 ± 0.02、3.01 ± 0.06、2.95±0.02.污泥隨著推流式前進(jìn)，整個(gè)過(guò)程中 pH 最低在3.0左右，沒有進(jìn)一步降低，這與已有報(bào)道［19］pH可降至2.5相比偏高，可能由于本系統(tǒng)中不存在生物酸化作用較強(qiáng)的氧化硫硫桿菌群，在缺乏氧化硫硫桿菌協(xié)同作用下，S0氧化為H2SO4的過(guò)程受到限制，pH沒有進(jìn)一步降低.整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，pH由原泥的7.22經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化后降至2.95左右，說(shuō)明At·fXJF8菌株在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的逐步酸化.

2.2 泥餅含水率及污泥比阻變化

泥餅的含水率直接體現(xiàn)了污泥生物處理前后脫水性能的變化.實(shí)驗(yàn)期間在 0.05 MPa條件下對(duì)100 mL污泥進(jìn)行抽濾，測(cè)定污泥泥餅含水率和有機(jī)質(zhì).兩者抽濾時(shí)間上存在較大差異，原泥大約需要20 min完成此過(guò)程，而處理后的污泥在2～3 min即可完成.原泥泥餅含水率大約在80%，而處理后泥餅含水率低于68%.經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化之后，污泥的脫水性能大大提高，泥餅含水率變化明顯.

污泥比阻可作為脫水性能的指標(biāo)，比阻越低，污泥的脫水性能越好［20-21］.一般認(rèn)為比阻 SRF＞4×1012m·kg-1時(shí)污泥不易脫水;SRF在 1×1012～4×1012m·kg-1時(shí)脫水性能中等;SRF＜1×1012m·kg-1時(shí)為易脫水污泥［22］.

在系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定后(168 h后)，測(cè)定原始污泥、1號(hào)區(qū)域、4號(hào)區(qū)域和7號(hào)區(qū)域的污泥比阻，取整個(gè)運(yùn)行期間的平均值進(jìn)行分析.圖4為反應(yīng)器中不同區(qū)域污泥比阻的變化.可以看出，實(shí)驗(yàn)期間污泥比阻的變化十分明顯，原始污泥的比阻為(4.2±0.59)×1012m·kg-1，屬于較難脫水污泥，在1號(hào)區(qū)域中污泥比阻變化較小，此時(shí)比阻變化主要是由調(diào)節(jié)池中原始污泥與回流污泥和營(yíng)養(yǎng)劑混合后導(dǎo)致pH下降而引起，隨著污泥在反應(yīng)器中推流式前進(jìn)，At·fXJF8菌株逐步適應(yīng)污泥環(huán)境，微生物活性逐漸增強(qiáng)，到達(dá)4號(hào)區(qū)域時(shí)，污泥比阻變化較明顯，為(1.0±0.06)×1012m·kg-1，此時(shí)污泥脫水性能大大提高，這一變化趨勢(shì)與pH變化相吻合.經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化反應(yīng)之后，污泥比阻最終降至(0.55±0.11)×1012m·kg-1，此時(shí)污泥屬于易脫水污泥.比阻變化表明整個(gè)反應(yīng)體系中At·fXJF8菌株逐漸適應(yīng)在污泥環(huán)境中進(jìn)行生物酸化鐵氧化反應(yīng)，污泥逐步酸化過(guò)程中污泥比阻也明顯降低，此過(guò)程中市政污泥的脫水性能得到明顯改善.

圖4 反應(yīng)器中污泥比阻變化

2.3 反應(yīng)過(guò)程中Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度及氧化率變化

嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌通過(guò)將Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ)獲取能量，進(jìn)而產(chǎn)生 H+使污泥酸化.Fe(Ⅱ)的氧化速率可以反映嗜酸性氧化亞鐵菌的活性以及污泥生物酸化鐵氧化的進(jìn)程［23］.圖5反映了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間，F(xiàn)e(Ⅱ)質(zhì)量濃度和氧化率的變化.可以看出，初始 Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度為(1.98±0.05)g·L-1，比實(shí)際加入量2.11 g·L-1低，可能是由于部分 Fe(Ⅱ)吸附在污泥絮體中，整個(gè)過(guò)程中 Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度由(1.98±0.05)g·L-1降為最終的(0.133±0.06)g·L-1，F(xiàn)e(Ⅱ)的氧化率達(dá)(96.6±1.2)%.在最初的1 號(hào)和2 號(hào)區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)e(Ⅱ)質(zhì)量濃度變化緩慢，氧化率較低，微生物活性較低;污泥從2號(hào)區(qū)域到4號(hào)區(qū)域，F(xiàn)e(Ⅱ)質(zhì)量濃度由(1.39±0.05)g·L-1降到(0.3±0.11)g·L-1，氧化率也增加到(93.6±0.96)%，這一變化與 pH 和比阻的變化趨勢(shì)一致.表明這一過(guò)程中微生物活性明顯增強(qiáng)，生物酸化鐵氧化過(guò)程主要發(fā)生在2～4號(hào)區(qū)域內(nèi).5～7號(hào)區(qū)域Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度及氧化率變化較小，此時(shí)生物酸化鐵氧化達(dá)到穩(wěn)定階段，由于受到低質(zhì)量濃度Fe(Ⅱ)的限制At·fXJF8菌株的活性降低.這也進(jìn)一步解釋了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，5～7號(hào)區(qū)域pH略微升高是由Fe(III)轉(zhuǎn)化為羥基硫酸鐵等次生礦物，如黃鉀鐵礬和施氏礦物［24］，F(xiàn)e(III)水解量減少導(dǎo)致的.

圖5 Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度及氧化率變化

2.4 污泥沉降性變化

污泥沉降性(SV)可以反映污泥的固液分離程度.選取在30 min的SV30反映生物酸化鐵氧化過(guò)程變化.在反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后(180 h之后)測(cè)定污泥沉降性.圖6為原始污泥和反應(yīng)器7個(gè)區(qū)域SV30的變化.可以看出，在反應(yīng)池中隨著污泥由1號(hào)向7號(hào)推進(jìn)，污泥的沉降性能得到改善，在30 min內(nèi)沉降比由原泥的(94±2)%降至最低(83±2)%.很明顯，污泥的固液分離能力在生物酸化鐵氧化之后明顯提高，可進(jìn)一步濃縮出更多的水分.5號(hào)區(qū)域之后污泥沉降性升高，分析認(rèn)為5號(hào)區(qū)域之后Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度降低，表明生物酸化鐵氧化過(guò)程已經(jīng)完成，F(xiàn)e(Ⅱ)質(zhì)量濃度降低抑制At·fXJF8菌株的活性，pH略微上升，導(dǎo)致沉降速率降低，但沉降24 h的沉降比沒有升高(如圖7所示).反應(yīng)器穩(wěn)定期污泥沉降性的變化趨勢(shì)與pH變化一致，At·fXJF8菌株隨著污泥推流前進(jìn)逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌，并產(chǎn)生酸使污泥酸化，從而提高泥水分離效果.

圖6 污泥沉降性變化

圖7 24 h污泥沉降性

2.5 污泥有機(jī)質(zhì)變化

污泥經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化處理后有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖8.可以看出，原始污泥的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為(53±0.76)%，經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化后污泥的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降至(45±0.24)%，下降了8%，比市政污泥厭氧消化(或好氧消化)有機(jī)質(zhì)的降解率低，后者一般大于40%［25］.較低的有機(jī)質(zhì)削減率有利于脫水后污泥的資源化利用.

圖8 污泥有機(jī)質(zhì)變化

目前對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)影響脫水性能的研究多為對(duì)污泥中胞外聚合物(EPS)的研究.EPS是微生物在一定的環(huán)境下，其代謝過(guò)程中分泌的包圍在細(xì)胞壁外的多聚物，主要是一些高分子的聚合物，如蛋白質(zhì)、多糖和核酸等［26］.EPS 占污泥總有機(jī)成分的50%～90%，會(huì)影響污泥脫水性能，增加污泥脫水難度［27］.污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，使污泥中EPS下降，而污泥中結(jié)合水主要來(lái)源于EPS束縛的結(jié)合水和微生物細(xì)胞束縛的細(xì)胞內(nèi)結(jié)合水［26］，因此，污泥有機(jī)質(zhì)的降低有利于污泥脫水性能的提高.

3 結(jié)論

1)單一菌株的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌生物酸化鐵氧化處理市政污泥，其pH最終可降至3.0左右，處理后污泥 比 阻 為 (0.55±0.11)×1012m · kg-1＜1×1012m·kg-1，屬于易脫水污泥，F(xiàn)e(Ⅱ)的氧化率達(dá)(96.6±1.2)%，表明At·fXJF8 菌株能夠在一定條件下對(duì)污泥進(jìn)行生物酸化鐵氧化從而提高污泥脫水性能.

2)污泥經(jīng)過(guò)生物酸化鐵氧化后，不需要添加任何藥劑，在0.05 MPa壓力下，2 min之內(nèi)即可完成抽濾，抽濾泥餅含水率低于68%.處理后污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在55%～63%，有利于脫水后污泥的資源化利用.

3)污泥生物酸化鐵氧化需要一定營(yíng)養(yǎng)劑條件下才能進(jìn)行.本研究利用At·fXJF8菌株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，營(yíng)養(yǎng)劑中無(wú)需添加S、氨氮和有機(jī)酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，減少了營(yíng)養(yǎng)劑用量和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用.

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