負載營養填料對污泥生物瀝濾的促進效果研究

文_張弛 李超 楊志宏

1. 太原理工大學環境科學與工程學院 2. 山西省生態環境研究中心 3. 山西正陽污水凈化有限公司

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菌的生物化學代謝過程，去除污泥中的重金屬。

營養基質是污泥生物瀝濾的生物化學反應基礎物質，本文所討論的底物，主要是指化能自養菌氧化硫硫桿菌（T.t）與氧化亞鐵硫桿菌（T.f）所需的底物單質S以及FeSO4。在傳統的污泥生物瀝濾操作過程中，其營養物的添加方式是向反應器中直接投加硫粉、FeSO4，作為硫桿菌的生長基質。此時的硫粉易于沉淀，營養物質易失去與硫桿菌的接觸機會；FeSO4不易保持高濃度水平，濃度不易控制，易隨水流失，需要反復投加。

本文采用內置負載S、Fe兩種營養基質的固體定型顆粒，結合塑料骨架構成立體球狀懸浮填料，實現S、Fe營養基質的長效穩定。一方面可以加大游離型T.f菌、游離型T.t菌與營養基質的接觸機會；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搭建起微觀的生物瀝濾穩定環境，作為污泥生物瀝濾混合液反應體系的有益補充。

1 試驗方法

1.1 試驗用污泥原料

本文所用污泥取自晉中市污水處理廠，是經過濃縮之后的污泥，呈現黑褐色。該廠接納的污水為晉中市部分城區的生活污水和工業廢水，其中生活污水約占55%。經測定，試驗用污泥重金屬測定值中，Cu、Cr超過我國GB4284-84（污泥農林利用酸性土壤標準），生物瀝濾時降低污泥重金屬含量的有效方法。

1.2 新型負載營養填料的制備

采用立體球狀懸浮填料，塑料骨架制成網格球體，小球內同時放置兩種營養基質負載顆粒。單體顆粒球由顆粒A與顆粒B復合組成。顆粒A為負載Fe營養基質的活性炭顆粒，采用活性炭浸漬FeSO4·7H2O制成。顆粒B為負載S營養基質，采用單質硫粉、CMC、黏土在氮氣中燒制成型。采用立體球狀懸浮填料，塑料骨架制成網格球體，小球內同時放置兩種營養基質負載顆粒。具有親水性強、菌群附著力強、耐酸堿性穩定等優點。

1.3 硫桿菌馴化適應實驗

本實驗的馴化目標是通過特定營養基質馴化、酸化、重復接種富集的方法，使氧化硫硫桿菌(T.t)與氧化亞鐵硫桿菌(T.f)成為復合優勢菌群。在傳統基質模式下的預酸化階段，取新鮮濃縮污泥調節pH值為4.0；添加硫粉、FeSO4·7H2O；反應溫度28℃。在加富培養階段，同樣采用前述方法培養2～6d，得到復合硫桿菌菌液。在投加營養填料模式下，填料球的投加密度為15個/100mL。其余反應條件與傳統基質模式相同。在設定時刻取樣測定溶液體系的pH值，對照研究“投加營養填料”與“傳統基質”兩種方式條件下，復合硫桿菌的馴化、富集過程中，pH值的變化情況，反映投加營養填料對硫桿菌馴化適應的促進作用。

1.4 污泥生物瀝濾實驗

將20mL復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行瀝濾實驗，初始pH=4.0，溫度30℃，轉速150rpm，每個樣品做三個平行試樣。每天對錐形瓶稱重，并以蒸餾水彌補水分的損失。在傳統基質模式下，底物加入量采用6g/L的單質硫粉、10g/L的FeSO4·7H2O；在投加營養填料模式下，填料球的投加密度為15個/100mL。試驗共進行15d，在每天的固定時間對污泥處理體系的重金屬濃度進行檢測，經過計算可得瀝濾后污泥重金屬的去除率。每天的固定時間對污泥取樣，測定其中的Cu、Cr濃度，計算得到去除率。

2 研究結果與討論

2.1 投加營養填料對硫桿菌馴化適應的促進作用

通過對照“投加營養填料”與“傳統基質”兩種方式條件下，復合硫桿菌的馴化、富集過程中，pH值的變化情況，得到實驗結果見圖1。

圖1 硫桿菌馴化過程中的pH值變化情況

由圖1可知，在三次硫桿菌培養過程中，pH值隨著反應時間相應地經歷了三次降低過程。以pH值＜2.0作為菌群培養完成的標志。三次培養過程所需的時間越來越短。第一階段耗時11d，可稱為“馴化適應階段”；第二階段耗時6d，可稱為“預富集階段”；第三階段耗時5d，可稱為“增長富集階段”。菌群培養所需時間逐步縮短，間接反映出污泥生物瀝濾優勢菌群對污泥混合液環境的適應能力越來越強。pH值的快速降低，對應于嗜酸性微生物的擴大繁殖及其產酸效應。本文的營養填料可以促進微生物穩定附著于介質表面，使菌群的停留時間大幅度延長，能有效的篩選和馴化微生物。對于T.t而言，投加新型營養填料可以避免單質硫粉過早沉淀，增加硫桿菌與硫的接觸機會；對于T.f而言，投加新型營養填料可以延長FeSO4的滯留時間。

2.2 投加營養填料對淋濾過程pH值的促進

通過對照“投加營養填料”與“傳統基質”兩種方式條件下，污泥瀝濾過程中的pH值變化情況，得到實驗結果見圖2。

圖2 污泥淋濾過程中pH值變化情況

由圖3可知，污泥淋濾體系的pH值第3～4d之間出現大幅度降低?！巴都訝I養填料”反應體系在污泥瀝濾過程中的pH值降低速率比“傳統基質”反應體系有顯著提高。在8d至15d的曲線可知，“投加營養填料” 反應體系的pH值波動更小，表明填料的加入使污泥瀝濾反應更加穩定。pH值一方面是污泥生物淋濾過程中的表現參數，另一方面又是淋濾過程的影響制約參數。

2.3 投加營養填料對重金屬去除效果的促進

通過對污泥中Cu、Cr進行生物淋濾實驗，并對照“投加營養填料”與“傳統基質”兩種方式條件下的處理結果，得到污泥中Cu、Cr在瀝濾之后的去除率隨時間的變化曲線，見圖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（農林利用酸性土壤標準（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“投加營養填料”體系的去除率與“傳統基質”體系效果類似。

3 結語

在污泥生物瀝濾反應器中，投加負載Fe、S營養基質的立體球狀懸浮填料，能夠替代傳統的硫粉、FeSO4投加方式，并發揮優于傳統基質的污泥瀝濾效果。懸浮球填料可為復合硫桿菌提供所需營養底物，其生長情況優于傳統的硫粉投加方式，以及一次性的FeSO4·7H2O投加方式。

在硫桿菌馴化適應過程中，投加營養填料能促進菌群快速適應反應環境，促進T.t與T.f菌群的代謝與增殖。馴化過程中的pH值降低速率優于傳統基質體系，pH值的最大改善比率為21.91%。

在污泥瀝濾過程中，投加營養填料對能夠提高瀝濾過程中pH值的降低速率。復合菌群在小球內進行生物富集的同時，可以對污泥實施生物瀝濾，去除污泥中的重金屬。本文的污泥瀝濾過程對Cu、Cr都獲得了較好的治理效果。