生物沥浸对城市污泥中重金属去除研究

王 京， 冉 全， 范百龄， 张明赞， 王 初

(1.贵州工业职业技术学院，贵州贵阳 550008； 2.贵州民族大学，贵州贵阳 550025； 3.上海师范大学，上海 200234)

截至2015年，我国污水处理厂产生了超过2 300万t污泥，城市污泥属于污水处理的产物，若处理不当将会造成环境的二次污染，污泥含有丰富的有机质和氮、磷、钾等微量营养元素，可以作为化学肥使用[1]，但其中含有的难降解盐类、重金属和致病菌，尤其是重金属物质因其毒性、持久性和生物富集性而引起了人们的广泛关注，已成为污泥农用最关键的问题之一[2]。微生物沥浸法作为一种环保、高效、低成本、工程应用性强、 发展潜力大的城市污泥重金属处理方法，受到越来越广泛的青睐[3]。微生物沥浸作为一种低成本，绿色环保的重金属处理技术，能够有效去除城市污泥中的重金属物质。Barakat通过对意大利安科纳港采集的沉积物作重金属淋滤试验发现，Cd、Zn、Cu的去除率在90%以上[4]；邹塞等发现，微生物沥浸完成后N、P的养分保持率分别为85%、31%，污泥中含有的肥效适合土地利用[5]。本研究对污泥进行生物沥浸处理，分析污泥中重金属物质的去除效果和相关营养物质的损失情况，以期提高生活污泥农用的安全性、可靠性。

1 测试方法

1.1 样品采集与处理

污泥样品于2016年2—5月采集于贵州省金阳污水处理厂、新庄污水处理厂、小河污水处理厂、金百污水处理厂、白云区污水处理厂、青山污水处理厂、花溪污水处理厂等7个污水处理厂。按照CJ/T 221—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测定污泥基本性质，所有样品为污泥传输带上的新鲜样品，每隔5 min采集1次，多次混合，每个采样点重复采样3次，样品置于样品袋内密闭，带回实验室自然风干，研钵磨细后分别过30目、100目尼龙筛，用于后续试验(表1)。

1.2 菌种和培养

笔者在生物沥浸试验中所使用的菌种为嗜酸氧化硫硫杆菌，购于上海复祥生物科技有限公司。微生物培养所用培养基为牛肉膏蛋白胨培养基。所有试验于2016年5月至2017年3月在贵州工业职业技术学院环境监测实验室进行。

1.3 试验测试

将已过100目筛的5 g污泥粉末置于250 mL三角瓶中以及150 mL去离子水以及5 mL氧化硫硫杆菌液体(菌密度为108个/mL)，并加入1 g S0作为能源物质，将7层纱布置于瓶口处闭封后，置于25 ℃恒温摇床中振荡培养，每隔20 h吸取1 mL上层清液，用去离子水定容到25 mL后测定溶液中的SO42-含量，每隔20 h测定1次pH值，沥浸后进行固液分离，固体物质在50 ℃干燥箱中烘干，用100目尼龙筛后进行重金属、营养物质的含量测试。

1.4 分析与测试方法

pH值的测定采用pH计，沥浸后体系中SO42-含量采用分光光度计法测定；样品污泥中的磷含量采用钼酸铵分光光度法测定；总氮含量采用紫外分光光度法测定；钾含量使用HF-HClO4法测定；Pb 、Cd、Cr、Zn、Cu含量均采用HNO3+HCl+HF消煮，原子吸收光光度法测定。

本研究所有数据均采用Excle 2010和SPSS 18软件进行处理，图表中数据均用平均值表示。

2 结果与分析

2.1 污泥生物沥浸后体系中pH值的变化

李桃等认为，pH值是污泥生物沥浸中生物生长的重要影响因素，pH值的变化是生物活性和生物沥浸效果的重要指标，通常情况下，体系的pH值越低微生物的活性越好[6]。

表1 各污水厂原始污泥基本性质(以干质量计)

由图1可知，在初始的20 h内，由于氧化硫硫杆菌接种液的加入，体系pH值开始逐步下降，而从20 h起逐步回升，在前160 h内各体系pH值基本保持在6.53～7.73之间，这与李桃等的研究结果相似，说明在沥浸初期，微生物活性不强，过程缓慢[7]。从160～280 h体系pH值下降趋势明显，之后变化趋缓。经过340 h的沥浸，7种样品中6个污泥样品pH值均较低在1.13～2.38之间，pH值较低，只有金阳污水处理厂污泥经沥浸后pH值为2.98，该污泥pH值较高主要是由于小分子有机物对沥浸过程中产生的小分子物质的影响[8]。新庄、白云、青山、花溪等4个污水处理厂的污泥pH值降低到1.13～1.87，而金阳污水处理厂由于初始污泥的pH值较高，沥浸结束后pH值偏高。

微生物沥浸过程中，pH值最终会降到2.00以上，这能起到杀菌的作用，因为在该条件下大部分病原体都无法生存。

2.2 污泥沥浸后各营养物质变化

污泥经生物沥浸340 h后，污泥中的各营养物质变化情况见图2、图3，经长时间沥浸后，污泥中各营养物质中全磷的含量平均损失率较高，达40.14%，而有机质、全氮、全钾的含量平均损失率分别为8.63%、7.02%、12.78%。各污水处理厂污泥中全氮、全磷含量在沥浸前普遍较高，而全钾含量较低，全氮含量变化范围为4.54%～6.85%，平均为5.41%；全磷含量变化范围为2.87%～3.97%，平均为3.23%；全钾含量变化范围为1.09%～1.85%，平均为1.45%。贵阳市相关污水厂污泥营养价值相对较高，有利用的潜在价值。沥浸后污泥的有机质、全氮、全磷、全钾的含量分别为33.21%～62.34%、4.21%～6.42%、1.54%～2.78%、0.93%～1.63%，养分总量(N+P2O5+K2O)含量在7.29%～10.83%，平均为8.23%，全部污泥有机质和总养分含量都满足农用泥质标准(CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》)的限定值(有机质含量>20%，氮、磷、钾含量之和>3%)，因此，沥浸后的污泥养分含量虽然略有降低，但仍然具有较高农用价值。

2.3 S0氧化率在污泥沥浸过程中的变化

李超等认为，S0的氧化率不但可以用于评价S0在沥浸过程中作为能源物质被微生物利用的效率，也是评价沥浸后去除污泥中重金属物质的重要指标[9]。由图4可知，在沥浸初期，S0的生物转化率较低，沥浸到140 h，S0转化率开始缓慢升高，体系S0的转化率整体在280 h达到最高值。全部污泥沥浸体系中S0的转化率均呈现初期缓慢增长、中期增长加快、后期维持稳定的趋势，且最终S0的转化率均在60%以上，说明氧化硫硫化杆菌的生命活动较活跃。

2.4 污泥中Pb 、Cd、Cr、Zn、Cu的去除效果

由图5可知，生物沥浸过程中Zn的去除率最高，在 85.78%～91.64%之间，平均为89.06%，而其他重金属物质去除率相对较低；其中Cu的去除率整体最低，在21.20%～61.78%之间，平均为43.17%；Cd的去除率为58.57%～78.67%，平均为70.39%；Cr的去除率为64.28%～84.41%，平均为75.22%；Pb的去除率为45.31%～65.11%，平均为55.35%。重金属平均去除率由高到低依次为Zn>Cr>Cd>Pb>Cu。谢琴等认为，污泥中Zn的主要存在形态是不稳定的可交换态和碳酸盐结合态，在酸性条件下Zn2+很容易浸提到液相中去[10]；康得军等的试验结果也说明，污泥中Cr和Cu主要是以有机结合态存在，Pb主要以还原态存在，而Zn主要以不稳定状态存在[11]。与其他重金属相比，Zn在可交换态中所占的比例最高，所以去除率高于其他重金属。

李超等采用Fe2+与S0作为能源物质，随着体系系统中Fe2+与S0的氧化，污泥中氧化还原电位快速升高，导致Cu的去除率下降[9]。李艳霞等采用氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌复合菌株对污泥中重金属进行溶出试验，混合菌种对重金属的淋滤效果要高10%[12]，可见复合菌株对Cu的去除效果明显高于单一微生物氧化硫硫杆菌[13-14]。

由图5可知，小河污水处理厂污泥中Pb、Zn去除率最高，分别为65.11%、91.64%，金阳污水处理厂污泥中Cr、Cd去除率最高，分别达到84.41%、78.67%，青山污水处理厂污泥中Cu的去除率最高，达61.78%。可见，不同污水处理厂的污泥采用生物沥浸技术去除重金属的效果也各不一样。

3 结束语

本研究以贵州省贵阳市7个污水处理厂污泥为试样，用氧化硫硫杆菌作功能微生物，以S0为能源物质进行污泥重金属去除的沥浸分析，污泥样品中Pb 、Cd、Cr、Zn、Cu的去除率分别为45.31%～65.11%、58.57%～78.67%、64.28%～84.41%、85.78%～91.64%、21.20%～61.78%；而污泥有机质、全氮、全磷、全钾等含量平均损失率分别为8.63%、7.02%、40.74%、 12.78%。因此，生物沥浸法可去除污泥中的大部分重金属物质，而污泥剩余养分含量满足CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》，从而确保城市污泥在农用过程中的安全性和有效性。