接种物投量对生物沥浸调理航道底泥脱水性能的影响

孙琪，石明岩，刘恒甫，简国丹，黄凤丹，黄丽凤

(广州大学 土木工程学院,广东 广州 510006)

接种物投量对生物沥浸调理航道底泥脱水性能的影响

孙琪，石明岩*，刘恒甫，简国丹，黄凤丹，黄丽凤

(广州大学 土木工程学院,广东 广州 510006)

接种物投量;生物沥浸;航道底泥;比阻;TB-EPS

为避免航道污染,需清淤或疏浚。由此产生的底泥是不同来源的营养物质和污染物经过一系列的物理、化学和生化作用,形成的疏松状、高含水率的灰黑色淤泥[1],需妥善处理，其中脱水减量化处理是关键。生物沥浸技术,最早应用于矿山浸矿[2]。后经研究发现,该技术还可通过铁氧化钩端螺旋菌、硫化杆菌属、嗜酸菌属以及其他与硫杆菌联合生长的兼性嗜酸异养菌的生物作用对污泥脱水性能进行调理[3]。接种物投量的大小直接影响沥浸体系中微生物生长环境的维持和良性循环[4],进而影响处理效果。为此,本研究以黄铁矿粉和硫粉为能量底物,采用摇瓶培养试验对航道底泥进行不同接种物投量下的生物沥浸处理,目的是考察接种物投量对底泥脱水性能的变化及相应的作用机理,为航道底泥减量化处理提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 接种物制备

试验所用底泥取自某航道,泥质见表 1。

将150 mL原始底泥装入250 mL锥形瓶中,分别加入5.0 g·L-1的FeS2和2.0 g·L-1的S0,置于恒温水浴振荡器中,保持28 ℃、180 r/min的条件进行摇瓶培养。定时监测底泥pH,当pH值低于2.5时,结束第1次培养。之后取20 mL酸化底泥加入130 mL新鲜底泥中,采用相同方法重复培养2次,获得的酸化物可达到接种要求。

表1 试验泥质

1.2 摇瓶试验

1.3 分析项目与测试方法

1.4 数据分析

用SPSS13.0 软件进行相关性分析[10]，相关性分析用皮尔森相关系数表示。

2 结果与讨论

生物沥浸过程中Fe2+和S0的氧化率被认为是微生物活性和生物沥浸效果的重要评判指标,氧化率越高,说明沥浸效果越好[9,11]。

图1显示了不同接种物投量下处理过程的Fe3+浓度变化。

由图1可知,沥浸前期Fe3+浓度呈现上升趋势,可能是Fe2+氧化生成Fe3+所致[12-13]。当接种物投量分别为5%、10%、15%、20%时,Fe3+浓度分别由0时刻的0.71 mg·L-1、0.98 mg·L-1、0.63 mg·L-1、0.66 mg·L-1增至2.24 mg·L-1、3.86 mg·L-1、2.59 mg·L-1、2.15 mg·L-1。其中,10%接种物投量下的Fe3+浓度变化最为显著,增长率为293.38%。沥浸后期能源物质被大量消耗,沥浸微生物逐步进入内源呼吸期,氧化能力减弱,Fe3+浓度因此出现下降。

Fig.1 Changes of Fe3+ concentrations in the process of bioleaching under different amounts inoculum图1 不同接种物投量下生物沥浸过程中Fe3+浓度的变化

Fig.2 Changes of concentrations in the process of bio-leaching under different amounts inoculum图2 不同接种物投量下生物沥浸过程中浓度的变化

Fig.3 Changes of the value of ORP in the process of bio-leaching under different amounts inoculum图3 不同接种物投量下生物沥浸过程中ORP的变化

(1)

(2)

(3)

(4)

Fig.4 Changes of the value of pH in the process of bio-leaching under different amounts inoculum图4 不同接种物投量下生物沥浸过程中pH的变化

Fig.5 Changes of the value of SRF in the process of bioleaching under different amounts inoculum图5 不同接种物投量下生物沥浸过程中比阻的变化

2.2 接种物投量对底泥比阻的影响

比阻SRF是衡量污泥脱水性能的主要指标。当SRF>4.00×1012m·kg-1时为难脱水污泥,当1.00×1012m·kg-1

由图5可以看出,沥浸前期,不同处理下的底泥比阻呈现不同程度地下降。当接种物投量分别为5%、10%、15%、20%时,比阻分别由初始时刻的5.63×1012m·kg-1、5.06×1012m·kg-1、5.63×1012m·kg-1、5.91×1012m·kg-1降至最低值的1.10×1012m·kg-1、0.92×1012m·kg-1、1.06×1012m·kg-1、1.21×1012m·kg-1,接种物投量为10%时的比阻下降率最高(81.82%)。说明接种物投量不足,会影响沥浸体系中微生物活性[4],脱水性能变差,但并非越高越好。同时，在空白对照组中,未经接种的底泥比阻呈直线下降,在72 h时,比阻为1.84×1012m·kg-1。相比其他组而言,可以看出沥浸最佳时刻延迟,验证了前述接种物投量对沥浸效果的影响。

Fig.6 Changes of the content of S-EPS,LB-EPS and TB-EPS in the process of bioleaching under different amounts inoculum图6 不同接种物投量下生物沥浸过程中S-EPS、LB-EPS、TB-EPS含量的变化

2.3 胞外聚合物(EPS)的变化

按底泥有机物与细胞相的结合程度,EPS 可分为黏液层 EPS(S-EPS)、松散结合的 EPS(LB-EPS)和紧密结合的EPS(TB-EPS) 3个层组[19],其中EPS为TB-EPS与LB-EPS之和。不同接种物投量下EPS各层组含量的变化如图6所示。

Fig.7 Changes of the number of heterotrophic bacteria in the process of bioleaching under different amounts inoculum图7 不同接种物投量下生物沥浸过程中异养菌数量变化

由图6可知,S-EPS含量表现出先上升后下降的变化规律,而LB-EPS、TB-EPS的变化则与之相反。对照图4可以发现,pH与LB-EPS、TB-EPS的变化同步,表明生物酸化与EPS变化直接相关。进一步分析推测,沥浸前期pH降低,酸化作用增强,附着在LB-EPS、TB-EPS上的不溶态蛋白和多糖大量转移到最外层的Slime层[20],导致LB-EPS、TB-EPS含量减少,S-EPS含量增加。图7显示,沥浸过程中异养菌数量急剧下降,由4.30×1012～11.40×1012个·mL-1降至2.61×1010～7.40×1010个·mL-1。表明此阶段自养型硫杆菌为优势菌群,由于其分泌的LB-EPS和TB-EPS极少[18],同时部分TB-EPS、LB-EPS转化为S-EPS[21],因此也导致了上述现象的出现。然而过长时间的生物沥浸处理会造成底泥pH值过低,底泥中存活的微生物分泌大量的EPS以保护自身细胞免受伤害[22],从而出现沥浸后期TB-EPS、LB-EPS含量回升,S-EPS含量下降。

结合SRF变化发现,SRF与LB-EPS、TB-EPS变化同步，进一步分析LB-EPS、TB-EPS与SRF下降的相关性,结果见表2。

表2 LB-EPS、TB-EPS与比阻的相关性分析

由表2可知,当接种物投量在0～20%范围内时，LB-EPS 、TB-EPS与SRF的相关系数分别在0.82～0.96和0.84～0.96之间变化，与SRF呈正相关,且对比阻的影响接近。

3 结论

研究了0%～20%范围内的接种物投量对生物沥浸法调理航道底泥脱水性能的影响,结果表明:

(2)经生物沥浸,底泥比阻由5.06×1012m·kg-1～5.91×1012m·kg-1降至0.92×1012m·kg-1～1.21×1012m·kg-1,下降率为79.53%～81.82%。其中当接种物投量为10%、沥浸48 h时,底泥比阻由5.06×1012m·kg-1降至0.92×1012m·kg-1,取得最大下降率81.82%。

(3)LB-EPS、TB-EPS与比阻呈正相关,其含量越少,比阻越低,越有利于脱水。其中,TB-EPS对降低比阻的贡献略高于LB-EPS。

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Influence of Bioleaching in the Amounts of Inoculum on Dewaterability of the Channel Sediment

SUN Qi，SHI Mingyan*,LIU Hengfu,JIAN Guodan,HUANG Fengdan,HUANG Lifeng

(DepartmentofMunicipalEngineering,CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

amount of inoculum;bioleaching;channel sediment;SRF;TB-EPS

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.028

2016-08-29；

2016-11-09

国家自然科学基金(51308136);广东省水利科技创新项目(2014-15);国家级大学生创新训练项目(201511078012);广东省大学生创新训练项目(201611078069)

孙琪(1993-)，武汉人，硕士研究生。

*通信作者：石明岩(SHI Mingyan),E-mail:mingyanshi@163.com

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0253-2395(2017)01-0195-06