復合硫桿菌對污泥重金屬生物淋濾機制的影響

張弛等

摘要：

對污泥生物淋濾過程中各種重金屬元素的形態變化情況進行了測定，借助重金屬化學形態轉化規律，間接判斷污泥重金屬生物淋濾的轉化機制。試驗結果顯示，Cu、Ni、Cd的生物淋濾是以直接機制為主的，Zn的生物淋濾過程是以間接機制為主的，Cr、Pb的生物淋濾過程屬于混合機制，但其混合機理是有差別的。

關鍵詞：

污泥； 重金屬； 生物淋濾； 機制

污泥是重要的環境污染物，其性質復雜、毒害性持久，污泥中的重金屬處理更是環境污染控制領域的重要課題[12]。傳統的污泥消化、濃縮、脫水工藝并不能有效去除其中的重金屬。近年來新開發的針對重金屬去除的技術主要有：化學法（離子交換、氯化、化學淋濾、電化學等），物理法（超臨界流體萃取、動電技術、微波法、吸附法）。以上方法存在著成本較高、去除率有限、伴生二次毒性物、存在安全隱患等問題。生物法也可用于污泥重金屬去除。一般用于污泥重金屬處理的生物法包括生物淋濾法以及植物提取法等。污泥生物淋濾法[36]是利用弱嗜酸菌硫桿菌、嗜酸硫桿菌（T.t、T.f）以及部分異養菌的生物化學代謝過程[79]，使污泥中重金屬由難溶態逐漸轉化成為易溶態，達到去除污泥中重金屬的目的。生物淋濾法具有適用面廣、去除率較高、操作條件簡單、添加基質廉價易得、反應溫和、耗酸量少、可與污水廠原有污泥消化工藝同步實施等優點。近年來對污泥生物淋濾技術的研究雖然較多[1014]，但對其淋濾機制的研究成果較少，尤其是對Cd、Ni、Cr、Pb淋濾機制的研究更少。這種對污泥生物淋濾機理研究的欠缺嚴重制約了污泥淋濾技術的發展。在污泥生物淋濾機理研究領域，重金屬化學形態在淋濾過程中的轉化關系研究是一個核心問題[15]。借助重金屬化學形態轉化規律，可以間接推斷污泥重金屬生物淋濾的轉化機制。基于這一思路，本文對多種重金屬元素的生物淋濾機制進行了系統研究，以期找到污泥生物淋濾過程中常見重金屬元素的普遍規律，進而為提高重金屬淋濾效率提供生物化學理論依據，促進對污泥生物淋濾機制的理解。

張弛，等：復合硫桿菌對污泥重金屬生物淋濾機制的影響

1材料和方法

1.1污泥樣品

研究所用污泥取自太原市河西中北部污水處理廠的濃縮污泥，以及冶峪化工廠污水站的濃縮污泥，將二者混合作為本試驗用原始污泥。污泥重金屬含量的測定采用王水高氯酸氫氟酸消解原子吸收分光光度法，此方法是近年來對污泥生物淋濾的研究者通用的方法，其測定結果可靠度較好。經測定，試驗用污泥的基本性質見表1。

1.2試驗用菌種

試驗菌種的主體是復合硫桿菌，其組成為氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans，簡稱T.t）與氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans，簡稱T.f）混合菌液，試驗所用的氧化硫硫桿菌與氧化亞鐵硫桿菌，是在新鮮濃縮污泥中添加硫粉底物進行預培養，再經過重復接種加富培養獲得的，試驗時采用體積比2%T.t+20%T.f的接種量。另外配合加入課題組開發的MT基因工程菌（pGEXZjMTB）接種液作為對硫桿菌淋濾的促進菌種（3%接種量）。試驗所用的MT基因工程菌是采用金屬硫蛋白基因工程菌（pGEXZjMTB）為基本菌液，經過耐酸性馴化后，得到耐酸型MT基因工程菌，作為對硫桿菌淋濾過程的協作菌種。

1.3污泥生物淋濾去除率及pH變化規律試驗

為了考察所用技術在處理實際污泥時的效果，試驗過程未采用滅菌處理，但設置了空白對照組以對比未添加混合菌時的處理效果。通過試驗對“空白對照組”與“添加混合菌組”分別對重金屬的去除率進行了對比。空白對照組的試驗條件為：不添加混合菌，也不添加菌群生長所需的底物。試驗在同等條件下重復3次，取3次試驗結果的平均值。

pH變化情況是影響污泥生物淋濾效果以及重金屬形態的重要因素之一，研究對接種混合菌與未接種混合菌（空白對照組）條件下污泥淋濾體系的pH值隨時間的變化情況進行了試驗。空白對照組的試驗條件為：不添加混合菌，也不添加菌群生長所需的底物。

1.4污泥淋濾中重金屬形態轉化規律試驗

通過檢測污泥中各種重金屬元素在生物淋濾過程中的形態變化情況，間接分析淋濾機制。重金屬元素的化學形態測定方法，參考了改進的順序浸提法[16]進行。主要步驟包括：1）利用KNO3提取出可交換態重金屬；2）利用KF提取出吸附態重金屬。3）采用Na4P2O7提取有機結合態。4）采用EDTA實現對碳酸鹽結合態重金屬的提取。5）采用HNO3將剩余的硫化物結合態重金屬提取出來。6）剩余的重金屬含量即殘渣態。先對試驗用原始污泥的形態比例進行測定，將測出的質量濃度換算成質量比，見表2。

2結果和討論

2.1污泥生物淋濾去除率及pH變化規律

混合菌接種組、空白對照組對污泥重金屬去除率隨時間的變化情況分別見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知，添加混合菌時，可以提高淋濾效果，其原理主要是縮短了淋濾啟動時間，提高了轉化速率。對照組試驗各種重金屬的去除率都很低，這是由于對照組沒有添加混合菌，也沒有添加菌群生長所需的底物，即使此時的樣品中存在本土自有菌群，也由于缺乏增殖所需的底物，缺少所需的電子供體，硫細菌不能大量增殖。此時淋濾過程中的重金屬化學形態比例變化微弱，不利于對重金屬轉化過程中的化學形態變化情況開展研究，因此僅對添加混合菌時的重金屬形態變化情況進行討論。

接種混合菌與未接種混合菌（空白對照組）條件下污泥淋濾體系的pH值隨時間的變化情況見圖3。

由圖3可知，添加混合菌時淋濾體系的pH值在3～6 d時出現明顯下降。不添加混合菌，也不添加底物的對照組，pH值變化始終很小，12 d內反應體系的pH值始終未能低于5.20。

淋濾過程中的pH值既是淋濾過程的影響制約參數，又是淋濾過程中的表現參數，它關系到氧化硫硫桿菌（T.t）與氧化亞鐵硫桿菌（T.f）的生長增殖情況，也關系到重金屬淋濾過程中各種化學形態的轉化情況。

圖3污泥淋濾體系的pH值隨時間的變化情況

整個淋濾過程中的pH值下降與否取決于以上幾種反應的組合效果。pH值的降低速率越塊，pH值降低幅度越大，說明生物淋濾作用越強。添加混合菌與不添加混合菌時pH變化結果的差異間接證明了添加混合菌對淋濾效果確有促進。

2.2污泥生物淋濾過程中重金屬形態變化規律

雖然污泥的性質復雜，但通過順序浸提的方法，可以測得污泥的6種形態：交換態、吸附態、有機結合態、碳酸鹽結合態、硫化物結合態、殘渣態。交換態重金屬含量比例的增加值，可以反映出淋濾后重金屬去除率的變化規律。只要在污泥淋濾過程中，定時取出一定量的污泥樣品進行重金屬的化學形態分析，就可以得到淋濾過程中重金屬形態轉化的規律，籍此可以間接推斷某種重金屬元素在生物淋濾過程中的生化機制。

一般將污泥淋濾機制[17]分為直接機制、間接機制、混合機制3種。直接機制是指以重金屬硫化物結合態以及有機結合態被直接氧化成可溶硫酸鹽為特征的淋濾機制。間接機制是指以碳酸鹽結合態以及有機結合態重金屬大量轉化為交換態為特征的淋濾機制。混合機制是指直接與間接機制同等地發揮作用。此時，碳酸鹽結合態與硫化物結合態同等大量轉化為交換態為特征的淋濾機制，也可以是以有機結合態大量轉化為交換態為特征，而硫化物結合態僅起次要轉化作用。試驗中各種重金屬元素在生物淋濾過程中的形態變化情況見圖4～9。

由圖4可以看到，生物淋濾過程中，Cu的硫化物結合態顯著減少，交換態顯著增加，碳酸鹽結合態略有減少，吸附態略有減少，殘渣態經歷了先增、再減、再增的過程。其中交換態由8.1%增加至646%；有機結合態、碳酸鹽結合態、硫化物結合態的減少量分別占交換態總增加量的225%、69%、701%。可見，對交換態增加量貢獻的大小順序是：硫化物結合態>有機結合態>碳酸鹽結合態。由此可以推斷：對于試驗的污泥，Cu的生物淋濾過程屬于直接機制。此結論是基于以下3方面的原因：1）原始污泥化學形態比例因素（Cu的硫化物結合態所占比例較大）；2）主導因素（硫化物結合態的轉化量對交換態的增加量貢獻最大）；3）可忽略因素（碳酸鹽結合態雖也對交換態的增加量有貢獻，但僅占69%，可以忽略）。

圖4Cu在生物淋濾過程中的形態變化

由圖5可以看到，Ni的淋濾過程中各種化學形態的轉化規律類似于Cu，硫化物結合態顯著減少，交換態顯著增加，碳酸鹽結合態略有減少，吸附態逐漸減少，殘渣態經歷了先減、再增的過程。交換態由11.8%增加至54.7%，共增加了42.9%；有機結合態的減少量占交換態總增加量的13.5%，本文認為有機結合態的轉化對Ni而言屬于可忽略因素；碳酸鹽結合態在全程由6.3%減少至4.7%，沒有討論價值；硫化物結合態在全程由31.3%減少至7.5%，其減少量占交換態總增加量的55.5%；可見，對交換態增加量貢獻的大小順序是：硫化物結合態>有機結合態>碳酸鹽結合態。由此可知，本試驗Ni的生物淋濾過程是以直接機制為主的，其規律類似于Cu。

圖5Ni在生物淋濾過程中的形態變化

由圖6可以看到，生物淋濾過程中Zn的交換態顯著增加，碳酸鹽結合態顯著減少，吸附態、有機結合態與硫化物結合態也有所減少，殘渣態逐漸增加。交換態由14.1%增加至65.8%；碳酸鹽結合態、有機結合態、硫化物結合態的減少量分別占交換態總增加量的59.6%、22.1%、12.4%。可見，對交換態增加量貢獻的大小順序是：碳酸鹽結合態>有機結合態>硫化物結合態。由此可以推斷Zn的生物淋濾過程以間接機制為主。此結論是基于以下3方面的原因：1）在試驗用原始污泥中Zn的原始化學形態比例中，碳酸鹽結合態與有機結合態所占比例較大。2）主導因素（碳酸鹽結合態的轉化量對交換態的增加量貢獻最大）。3）可忽略因素（硫化物結合態雖也對交換態的增加量有貢獻，但僅占12.4%）。

圖6Zn在生物淋濾過程中的形態變化

由圖7可以看到，Cd的生物淋濾過程中各種化學形態的轉化規律是：硫化物結合態顯著減少，交換態顯著增加，有機結合態略有減少，碳酸鹽結合態略有減少，吸附態變化輕微，殘渣態略有增加。交換態由16.4%增加至62.6%；有機結合態在全程由133%減少至6.4%，其減少量占交換態總增加量的14.9%；碳酸鹽結合態在全程由9.9%減少至34%，其減少量占交換態總增加量的14.1%；硫化物結合態在全程由34.1%減少至5.9%，其減少量占交換態總增加量的61.0%。可見，對交換態增加量貢獻的大小順序是：硫化物結合態>有機結合態≈碳酸鹽結合態。由此可以推斷Cd的生物淋濾過程是以直接機制為主的。其規律類似于Ni。

圖7Cd在生物淋濾過程中的形態變化

由圖8可以看到，生物淋濾過程中Cr的有機結合態顯著減少，交換態顯著增加，碳酸鹽結合態與硫化物結合態略有減少，殘渣態經歷了有小幅增加。交換態由71%增加至33.5%；有機結合態、碳酸鹽結合態、硫化物結合態的減少量分別占交換態總增加量的56.1%、21.2%、22.7%。可見，對交換態增加量貢獻的大小順序是：有機結合態>硫化物結合態>碳酸鹽結合態。由此可以推斷：對于本試驗的污泥，Cr的生物淋濾過程屬于混合機制，也就是說直接與間接機制同時發揮作用。此結論是基于以下3方面的原因：1）原始污泥化學形態比例因素（有機結合態所占比例較大）；2）主導因素：有機結合態的轉化量對交換態的增加量貢獻最大。這種形態特征意味著在Cr的淋濾進程中，既有硫桿菌對有機結合態重金屬的直接氧化（這趨向于直接機制），又有高價態金屬離子（如：Fe3+）對ORP提高之后的二次氧化作用（這屬于間接機制）。同時，在Cr的生物淋濾過程中，硫化物結合態的轉化量對交換態的增加量貢獻也有24.6%，這更使Cr的生物淋濾不能排除直接機制的可能性。3）兼顧因素：碳酸鹽結合態也對交換態的增加量有貢獻，占23.1%，不宜忽略。

圖8Cr在生物淋濾過程中的形態變化

由圖9可以看到，Pb的生物淋濾過程中各種化學形態的轉化規律是：碳酸鹽結合態與硫化物結合態均顯著減少，交換態顯著增加，其余各態變化不明顯。交換態由12.0%增加至47.1%，共增加了351%；有機結合態、碳酸鹽結合態、硫化物結合態的減少量分別占交換態總增加量的19.7%、405%、35.0%。可見，對交換態增加量貢獻的大小順序是：碳酸鹽結合態≈硫化物結合態>有機結合態。由此可以推斷：對于本試驗的污泥，Pb的生物淋濾過程屬于混合機制，即直接與間接機制同時發揮作用，但其機理規律不同于Cr。此結論是基于以下3方面的原因：1）原始污泥化學形態比例因素（碳酸鹽結合態與硫化物結合態所占比例都較大）；2）主導因素：碳酸鹽結合態與硫化物結合態的轉化量對交換態的增加量貢獻近似，說明直接機制與間接機制在此同等重要。

圖9Pb在生物淋濾過程中的形態變化

由Cr、Pb的轉化規律可以看到，有機物型與弱碳酸型的重金屬元素在生物淋濾過程中，均可表現為混合機制，但其規律是不同的。需注意，不同城市的試驗污泥，其成份是不同的，其淋濾過程中的化學形態轉化特征也是有差異的。

3結論

對污泥重金屬生物淋濾過程中的重金屬形態轉化機制進行了系統的研究。根據各種重金屬在淋濾前后的化學形態轉化規律對相應的淋濾機制進行了歸類。判斷其淋濾機制的依據包括以下3個方面：1）原始污泥化學形態比例；2）主導因素（何種化學形態的轉化量對交換態的增加量貢獻最大）；3）可忽略因素（某種化學形態的轉化量對交換態的增加量貢獻小于15%）。

試驗結果表明，Cu、Ni、Cd的生物淋濾是以直接機制為主的，Zn的生物淋濾過程是以間接機制為主的。Cr、Pb的生物淋濾過程屬于混合機制，但其規律是不同的，Cr的有機結合態的轉化貢獻是其主導因素，Pb的碳酸鹽結合態與硫化物結合態同時發揮著轉化貢獻。

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（編輯王秀玲）