氧化亚铁硫杆菌与硫酸改善城市污泥的脱水性能

谢武明, 邢 瑜, 张 宁, 马峡珍， 顾 舸， 刘敬勇， 区国才， 陈新杰

(1. 广东工业大学环境科学与工程学院， 广州 510006； 2. 广东工业大学轻工化工学院， 广州 510006)

氧化亚铁硫杆菌与硫酸改善城市污泥的脱水性能

谢武明1*, 邢 瑜1, 张 宁1, 马峡珍1， 顾 舸2， 刘敬勇1， 区国才1， 陈新杰1

(1. 广东工业大学环境科学与工程学院， 广州 510006； 2. 广东工业大学轻工化工学院， 广州 510006)

研究生物酸化和化学酸化调理法对污泥脱水性能的影响，以污泥比阻作为污泥脱水性能的评价指标. 结果表明，生物酸化调理污泥的脱水效果和稳定性均优于化学酸化. 在接种氧化亚铁硫杆菌菌液为10%时，可使原泥脱水效率提高49.7%；而酸处理的最佳条件为初始pH 3.2，此时污泥脱水性能较原泥提高30.8%. 比较调理过程中污泥体系pH的变化发现，当接种量一定，生物调理法可较长时间维持利于脱水的酸性环境. 经电镜扫描可见，生物法调理的污泥含硫杆菌，其团形均匀、孔隙度大、泥质松软. 红外光谱分析表明，氧化亚铁硫杆菌通过酶作用把胞外聚合物中的蛋白质分解，从而改善污泥脱水性能.

城市污泥； 氧化亚铁硫杆菌； 生物酸化； 酸处理； 脱水性能

Keywords： municipal sludge；Acidithiobacillusferrooxidans; biological acidification; acid treatment; dewaterability

城市污水处理厂产生大量生化污泥，经常规的浓缩、消化和脱水后，其含水率仍达80%[1]，高含水率限制其资源化利用[2-3]. 实现污泥高效、低耗和充分的脱水对解决其资源化利用显得尤为重要. 制约生化污泥脱水的主要因素是：固体胶态物质较低的沉降性能；污泥颗粒的高弹性和压缩性能；胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,简称EPS)的高亲水性锁住水分子[4]. 因此，为提高污泥脱水效率，可采取破坏高亲水性EPS锁住水分子的环境，改进污泥颗粒物的沉降性能等污泥调理措施.

污泥调理中的物理法和化学法主要是改变污泥形态结构，从而提高固体颗粒的沉降性能、滤饼的孔隙度和渗透性[4-5]. 化学酸化处理是利用外加无机酸创造酸性环境，使活性污泥胞外聚合物水解、微生物细胞瓦解，絮体、细胞内部间隙水释放变成自由水，改变水分分布，改善污泥脱水性能，提高脱水效果[5].

生物调理法是通过污泥中EPS的水解作用破坏絮凝物质的凝胶结构，通常细胞趋于聚集形成絮体，生物膜或颗粒[6]. 氧化亚铁硫杆菌是铁细菌的一种，以亚铁硫化物为能源物质，好氧条件和酶的催化作用下产生电子和铁化物，前者可提供能量和提高电化学活性，铁化物水解产生亚铁化合物和H+，既提供能源物质又降低体系pH. 按此路线构建的氧化-还原系统，希望有效改善污泥脱水性能. 为此，相关专家着手研究氧化亚铁硫杆菌的生物产酸和生物活动产生衍生矿物质对改善城市污泥脱水性能的影响[7-9].

生物法和化学法调理均提供酸性环境，本文对比研究不同调理方法改善污泥脱水性能的机制. 从城市污泥中筛选氧化亚铁硫杆菌菌株，富集分离纯化后经送检，菌种鉴定为氧化亚铁硫杆菌ATCC232-70 (AcidithiobacillusferrooxidansATCC23270，简称A.fATCC23270). 采用摇瓶试验，并结合电镜扫描观察和红外表征，较全面地分析生物酸化与化学酸化对污泥脱水性能和污泥结构的影响，为生物法调理市政污泥的工程化应用提供必要的理论基础.

1 实验部分

1.1 供试污泥和菌种

实验所用污泥取自广州某污水处理厂A/O工艺的新鲜污泥，现场测定污泥的pH、含固率和污泥比阻，其基本理化性质如表1所示. 采集的污泥保存于4 ℃冰箱中，待用.

表1 原始污泥部分基本理化性质Table 1 Portion of basic physical and chemical properties of raw sludge

筛选菌株污泥取自沉砂池上层，吸取15 mL污泥于135 mL已灭菌的9K培养基[10]中，于28～30 ℃摇床中培养(160 r/min). 直至培养液的氧化还原电位(ORP)上升至500 mV以上，此时菌液细胞浓度约为1×106cells/mL. 至瓶中溶液变成红棕色，取15 mL第一次接种的菌液于135 mL已灭菌的9K培养液中，连续5个周期进行富集培养，直至接入菌液的9K培养液能够在1～2 d变成红棕色，此时细菌生长旺盛.

将氧化亚铁硫杆菌ATCC23270的16S rRNA测序结果在NCBI上进行比对分析，构建系统进化树.

1.2 生物调理试验

取含氧化亚铁硫杆菌的培养液于装有新鲜污泥的锥形瓶中，在温度28～30 ℃、转速160 r/min的恒温振荡器(THZ-98C, 上海)中培养，在6 d的培养周期中，分别于0、24、48、72、96、120、144 h取样，测定污泥比阻.

1.3 化学调理试验

取250 mL新鲜污泥于250 mL三角瓶中，用14.08 mol/L H2SO4调节污泥pH至2.7、3.2、3.5、4.4、5.3、5.9，在搅拌下维持pH稳定5 min，然后与原泥一起置于摇床完成调理过程，1 h后取出测定其污泥比阻.

1.4 分析方法

pH采用精密pH计(PHS-25，上海雷磁)测定；污泥比阻用布氏漏斗抽滤法测定[11].

电镜扫描观察：污泥样品用2.5%戊二醛固定4 h，用磷酸缓冲液洗涤3次，然后进行乙醇梯度脱水，30%、50%、70%、80%、90%各1次，100%乙醇2次，每次处理15 min，接着用乙酸异戊酯置换乙醇2次，每次20 min，再用乙醇/乙酸异戊酯比例为1∶1的溶液以及纯乙酸异戊酯各置换1次，每次15 min，以上每一步完成后于高速离心机离心5 min(8 000 r/min)，最后将样品置于-80 ℃的冷冻干燥器(LGJ-12, 北京)中12 h，喷金后进行电镜扫描(S-3400N, Hitachi)观察.

红外光谱表征：取45 mL样品，3 000 r/min离心30 min，得到上清液，倒出上清液加入0.9%生理盐水，摇匀，超声2 min，水浴加热30 min，然后6 000 r/min离心20 min，得到EPS，将其置于冷冻干燥器(LGJ-12, 北京松源华兴科技发展有限公司)冷冻干燥约48 h，可得白色或米黄色粉末，即为固体EPS粉末，保存于-20 ℃冰箱中，用于红外光谱(Nicolet6700, 美国Thermofisher)表征.

2 结果和讨论

2.1 生物调理污泥比阻的变化

污泥比阻(Specific Resistance to Filtration，简称SRF)是指泥饼对水流通产生的内部阻力[12]. 生物调理试验中，以菌株培养液作为接种物，设置体积比20%、15%、10%、5%、1%、和0(原泥)共6个梯度的接种物比例，污泥比阻随时间的变化如图1所示. 生物调理中，比阻值呈下降的趋势，可能是好氧条件下污泥中微生物胞外聚合物发生降解，导致污泥脱水性能的改善，此结果与其他学者的研究结果一致[13]. 1%接种量试验由于自身的酸化作用，比阻值不降反升. 接种菌剂量为10%时脱水性能最好，脱水性能较原泥提高49.8%.

图1 接种量对污泥比阻的影响

原泥和接种量影响调理过程中pH的变化如图2所示，原泥和接种菌剂量为1%的试验pH呈下降趋势，因为接种量过低，氧化亚铁硫杆菌未能成为优势菌群，且污泥自身的酸化效应，降低pH. 其它试验的pH先略有上升再下降，这是因为氧化亚铁硫杆菌进入污泥系统需要经过一定时间的适应，当污泥体系中氧化亚铁硫杆菌的细胞浓度足够时，pH维持在相对稳定的范围. 处理过程中氧化亚铁硫杆菌利用能源物质而产生H+，降低pH，即生物酸化[7]. 在氧化亚铁硫杆菌的作用下，亚铁和铁化合物相互转化，构成氧化-还原体系，维持并稳定细菌生长需要的酸性环境.

2.2 不同初始pH下化学调理污泥比阻的变化

原始污泥加入硫酸溶液的化学酸化过程中，不同初始pH处理下污泥比阻如图3所示，污泥经过调理后其脱水性能得到改善，SRF减少的百分比表示脱水性能的提高效率. 酸处理实验中，初始pH 3～4试验的污泥比阻较低，初始pH为3.2最低，脱水性能较原泥提高30.8%.

图2 不同接种量对污泥pH的影响

图3 不同初始pH处理对化学酸化污泥比阻的影响

Figure 3 Effect of different initial pH on SRF of chemical acidified sludge

污泥是类似土壤的缓冲体系，由于污泥EPS含有较多的负电荷基团及少量正电荷基团，几乎所有的污泥表面电位都呈负电性[14]. 而酸处理是通过H+与污泥颗粒结合，改变污泥的理化特性[15]. 因此酸处理会中和污泥表面的负电荷，改变污泥电化学和胶体性质. 化学酸处理中，酸的投加量有个阈值，此时H+与污泥表面的负电荷基团发生中和反应，加酸量超过这个值，对污泥脱水效果不明显，趋近于零甚至恶化脱水性能.

生物调理与酸处理都有一个共同点，即酸性条件. 低pH环境下，污泥絮凝能力得到提高，此时静电斥力减小，污泥絮体离解常数达到最小值[16]，利于污泥颗粒沉降. 当pH过低，由于EPS过多地释放到水中而影响水透过滤纸孔隙，污泥的脱水性能并不随着酸度的增加而提高[17]. 如图3所示，初始pH为2.7的试验脱水性能不如原泥(原泥的pH为5.9)，其原因可能是长期过酸的外界环境促使存活的部分微生物分泌EPS，导致被EPS束缚的结合水含量显著上升，从而恶化污泥脱水性能[18-19].

此外，在生物调理后污泥比阻测定过程中，并无闻到臭味，可能因为污泥中的恶臭物质(如H2S)在氧化条件下被分解. 郑冠宇等[20-21]研究指出，大部分细菌种属只能生活在偏中性的pH环境，而氧化亚铁硫杆菌的代谢活动可营造酸性环境，随着pH的降低，一些对低pH敏感的种属开始受到抵制，甚至消亡.

氧化亚铁硫杆菌的调理中的酸性环境会影响污泥脱水性能，此外还有以下原因：第一，亚铁、铁离子及其衍生物对污泥颗粒的絮凝作用能有效降低污泥比阻[22-23]；第二，EPS结合水、有机质离解结合水的释放，生物细胞的破坏，有利于污泥脱水[24]. 相比于化学酸处理，生物法的调理效果更佳，更为稳定.

2.3 污泥经调理后污泥EPS的红外表征

用红外表征调理前后污泥EPS的结构，可推测调理过程对污泥的作用机理. 从3个红外光谱图可看出，酸处理与原泥重叠程度很高，官能团出峰位置基本一致. 经过生物调理的污泥，在1 409 cm-1出现了羧酸官能团对称伸缩振动引起的特征波数，表明EPS成分的酸性性质[25]. 该官能团是蛋白质在酶的作用下分解的产物之一，说明氧化亚铁硫杆菌在调理过程中有效破坏污泥中胞外聚合物结构，改善脱水性能. 1 637～1 660 cm-1与蛋白质酰胺的振动有关，即与α-螺旋与β-折叠的CO伸缩振动有关[26-27]，该官能团可促进生物絮凝，提高污泥沉降性能[25, 28]. 3 402～3 418 cm-1是细胞表面蛋白质N—H键的伸缩振动和碳水化合物结合水的O—H键的伸缩振动. 图4中上述2个波段峰位的红移，说明蛋白质上官能团对污泥脱水性能的调理中起重要作用. 相关研究表明，1 200～1 000 cm-1与O—H和C—O伸缩振动有关，这2种最常见的官能团存在于糖类[29]. 900～600 cm-1属于指纹区，出现在指纹区的官能团难以预测，但可作为识别细菌种类的依据，出峰位置的偏移，是2种处理方法导致细菌种类的差异[30].比较得出，氧化亚铁硫杆菌通过生物酶的作用分解蛋白质，破坏蛋白质结构，从而使调理后污泥的脱水性能优于酸处理.

(a)原始污泥的EPS;(b)化学酸处理后污泥的EPS;(c)生物处理后的污泥EPS

图4 3种污泥EPS的红外光谱图

Figure 4 The infrared spectra of three kinds of sludge’s EPS

2.4 生物调理法与酸处理对污泥形态影响的比较

图5C是原始污泥，可看出污泥结构密实，颗粒与颗粒之间连结紧密. 图5A是经过嗜酸硫杆菌处理过的电镜图像，可看到污泥团形松软，孔隙度大，其中能看到杆菌，与结构密实的原始污泥图像对比，污泥结构得到改善，从而提高脱水性能.

图5B是化学酸处理的污泥，可看出表面粗糙破碎，颗粒分布规律. 酸性条件下，污泥的疏水性较强，易于沉降[31-32]. 肖本益等[33]研究表明，酸、碱预处理会破碎污泥，使大颗粒污泥减小，从而提高污泥粒径的均匀性. 此外，污泥微生物的胞外聚合物中含有一些两性物质，这些两性物质在酸性条件下会溶解，从絮体结构中分离出来，转化为溶解性物质，对污泥絮体结构有一定的破坏作用[21, 34].

图5 3种污泥的电镜图

生物调理和化学酸处理都能营造酸性环境. 生物酸化要比化学酸反应复杂得多，显然氧化亚铁硫杆菌的代谢活动，使调理中的污泥持续处于酸性环境中. 经生物好氧酸化调理的污泥无臭无味，泥饼泥质松软. 酸处理的污泥有明显气味，测定比阻过程中有气泡产生. 从所测定比阻的结果中，生物调理效果佳更稳定，且生物法不产生二次污染，这是其突出的优势.

3 结论

(1)当接种菌剂量适中时，氧化亚铁硫杆菌可较长时间地营造pH低于3的酸性环境以促进污泥脱水，其稳定性及持续性优于酸处理. 酸处理在最佳pH3.2条件下最高为30.8%. 生物调理在接种菌剂比例为10%效果最佳，脱水性能可提高49.8%.

(2)红外光谱表明，蛋白质对污泥的调理起重要作用，经生物法调理的污泥EPS红外光谱在1 409 cm-1处出现羧酸官能团的特征峰，是氧化亚铁硫杆菌通过酶作用分解蛋白质的产物. 电镜扫描图表明，经氧化亚铁硫杆菌处理过的污泥团形松软，孔隙度大，其中包含杆菌.

(3) 2种调理方法比较可得，氧化亚铁硫杆菌通过持续维持酸性环境和破坏EPS蛋白质结构，改善污泥脱水性能，从而使调理后污泥的脱水效果和稳定性优于酸处理.

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Study on Municipal Sewage Sludge Dewaterability Improved by Acidithiobacillus Ferrooxidans and Sulfuric Acid

XIE Wuming1*， XING Yu1， ZHANG Ning1， MA Xiazhen1， GU Ge2， LIU Jingyong1， OU Guocai1， CHEN Xinjie1

(1. School of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;(2. School of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The study was performed on effects of biological acidification and acid treatment on the sludge’s dewaterability. Specific resistance to filtration(SRF)was used to evaluate the dewatering properties. Experimental results showed that the dewaterability and stability of sludge treated by biological acidification were better than chemical acidification. With 10% inoculation ofAcidithiobacillusferrooxidansbacteria liquid，the dewaterability of original sludge had been impoved by 49.7%，compared with the 30.8% of acid treatment of initial pH 3.2. The sludge systems’ pH varaiation were compared during conditioning process, it was found that biological conditioning method at a certain inoculation can maintain longer acidic environment in favor of dehydration. By electron microscope scanning (SEM), the sludge shape of bioleaching treatment was uniform, large porosity, soft texture, and the bacteria strains were observed. Infrared spectrum results showed that,Acidithiobacillusferrooxidansdecomposed protein of extracellular polymeric substances (EPS) through enzyme action, improving sludge dewatering performance.

2016-11-08 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

广东省重大科技专项项目(2015B010110004)；广东省大学生创新创业训练计划项目(201411845213、201411845147)

*通讯作者:谢武明，副教授，Email:xiewuming@163.com.

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1000-5463(2017)05-0048-06

【中文责编：成文 编辑助理：冷佳奕 英文审校：李海航】