城市污泥生物沥浸法和化学法调理的效果比较——对污泥理化性质及其深度脱水性能的影响研究

何足道,王电站,颜 成,2,方 迪,郑冠宇,张卫华,周立祥*



城市污泥生物沥浸法和化学法调理的效果比较——对污泥理化性质及其深度脱水性能的影响研究

何足道1,王电站1,颜 成1,2,方 迪1,郑冠宇1,张卫华3,周立祥1*

(1.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095；2.南京贝克特环保科技有限公司,江苏 南京 211505；3.北京中科国通环保工程技术股份有限公司,北京 100081)

分别用生物沥浸法(BC)、Fenton法和石灰/三氯化铁/PAM法(石灰法)对同一批城市污泥进行调理,并以常规PAM法(CC)为对照,探究不同调理后污泥的理化性质及其脱水性能的变化差异,并用流式细胞仪测定污泥中细胞裂解情况,以分析其机理.结果表明,BC法、Fenton法和石灰法均能大幅提高城市污泥脱水性能,表现在污泥过滤比阻(SRF)值仅为常规处理的0.43%~6.12%,尤其以石灰法处理脱水性能最佳.但BC法脱水泥饼中的有机质和养分能得到最大程度的保留,有机质(56.9%)、总氮(4.66%)、速效氮(0.47%)、矿化氮(1.80%)和总磷(1.60%)含量均远高于石灰法处理,而且污泥中重金属能被部分去除(Cr、Mn、Ni、Zn溶出率分别为18.7%、50.0%、48.7%和72.9%),该处理的污泥最具资源化潜力.而石灰法脱水泥饼由于大量脱水剂添加导致有机质(49.5%)、总氮(3.55%)和总磷(1.20%)含量明显下降,且泥饼呈强碱性(pH值接近11).脱水滤液中的sCOD(645mg/L)和TP(4.62mg/L)也显著高于其他处理.流式细胞仪测定结果显示,BC法、Fenton法和石灰法均能导致污泥微生物凋亡,活细胞数量由原始的86%降至75%左右,特别是石灰法对污泥中细胞的破解效果最为彻底,从而释放出更多内部水和胞内物质,这可能是引起其有机质和养分大量损失至脱水滤液中的原因之一.与Fenton法和石灰法调理相比,生物沥浸法既具有能大幅提高污泥脱水性能,脱水滤液水质相对较好的优点,又具有泥饼有机质和氮磷养分高,重金属含量低的优点.

污泥；调理；脱水性能；生物沥浸；化学调理剂；理化性质

常规脱水污泥含水率(80%~85%)高,后续处置或资源化(如填埋、焚烧、高温堆肥等)难度大,因此,污泥深度脱水成为最紧迫的任务和行业共识[1].化学法和生物法调理均能显著提高污泥机械脱水性能,将脱水泥饼含水率降低至60%以下:前者以石灰/三氯化铁/PAM调理(以下简称石灰法)和Fenton调理为代表,而后者则以生物沥浸为代表[2-3].其中,石灰法是现阶段国内应用最多的污泥深度脱水调理工艺[4],但研究发现石灰的大量添加会大幅降低泥饼有机质和热值而提高pH值,若采用高温堆肥进行资源化处置时会因氨气大量挥发而引发恶臭和氮素损失[5].Fenton法在污水处理方面应用较多,也有大量关于其用于污泥深度脱水调理的理论研究,但其工程化应用起步较晚[6, 7].而生物沥浸法经过多年系统研究[3],其反应温度、反应时间等参数对城市污泥调理效果的影响已基本了解.该工艺目前已在北至哈尔滨、南至汕头的全国各地十余个大中型污水处理厂投产运行,日处理污泥量超过3300t,脱水泥饼含水率低(<60%)、有机质和热值高、养分损失少,便于后续资源化处置.

目前,对于上述污泥深度脱水调理工艺的研究重点多在污泥脱水性能提升效果上[8],缺乏对其脱水滤液、特别是泥饼性质的系统研究,导致后续考虑泥饼资源化处置时缺少理论依据;与此同时,采用同一批污泥比较不同调理方法的效果及其差异,包括产生其差异的机理的报道较少.为此,本实验采用污泥深度脱水中最为常见的生物沥浸法、Fenton法和石灰法对同一批浓缩污泥进行调理,并以常规调理(即用PAM调理)污泥作为对照,比较不同调理污泥脱水性能、脱水泥饼及滤液性质的差异;同时采用细胞染色-流式细胞仪方法对调理前后污泥中细胞裂解情况进行测定,更好地解释污泥调理前后性质变化的原因或机理.该方法能够快速、准确地分析成分复杂样品中的细胞活性,已广泛应用于污水污泥体系[9-10].

1 材料与方法

1.1 供试污泥基本性质

表1 供试污泥基本理化性质Table 1 Preliminary physical-chemical properties of the selected sewage sludge

供试污泥取自江苏无锡芦村污水处理厂浓缩池.该厂采用A2O二级处理工艺,承担无锡主城区大部分生活污水处理任务.其中,1、2、3期污水日处理规模为25万t,该部分污泥采用生物沥浸法进行深度脱水,每天产生污泥饼约90t.4期污水日处理量为15万t,污泥采用石灰法化学调理后深度脱水,每天产生污泥饼70t[3,5].供试污泥基本性质见表1.

1.2 污泥调理方法

不同调理方法的工艺参数均参考无锡芦村污水处理厂生产实际,并根据实验室实际情况微调添加比例,具体如下:

生物沥浸法调理:利用本课题组从污泥中分离的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌LX5,按照文献方法[11]扩培并制得生物沥浸酸化污泥.将酸化污泥:新鲜污泥按照体积比1:1充分混匀,按新鲜污泥干物质量20%添加微生物营养剂(含N、P、K、Ca、Fe、S等成分,详见专利ZL201010221264[12]),振荡反应(28℃,180r/min,下同)24h.反应完成的污泥立即测定毛细吸水时间(CST)、比阻等指标,抽滤得到的脱水滤液置于4℃冰箱保存并于24h内测定pH值、水溶性有机碳(WSOC)、总氮(TN)、总磷(TP)等指标,脱水泥饼冷冻干燥后磨细过100目筛,用于测定有机质、TN、TP、速效氮(WSN)等指标,共设3个重复.

Fenton法调理:取一定量新鲜污泥,分别按干物质量20%和10%添加FeSO4·7H2O和30% H2O2,充分混匀后振荡反应30min,其余步骤同生物沥浸法.

石灰法:取一定量新鲜污泥,先按干物质量8%加入FeCl3·6H2O并振荡反应20min,再按干物质量30%加入石灰并振荡反应20min,最后加入阳离子型聚丙烯酰胺CPAM(使其在污泥中浓度为100mg/L)并振荡反应2min,其余操作同生物沥浸法.

常规调理(CC):取一定量新鲜污泥,加入一定量CPAM(使其在污泥中浓度为150mg/L),先在270r/ min转速下振荡1min,再在30r/min转速下振荡9min,其余操作同生物沥浸法.

1.3 分析方法

污泥pH值采用pH计(pHS-3C,上海雷磁)测定,比阻SRF采用布氏漏斗-真空抽滤法测定, CST采用CST分析仪(Model 304M,Triton)测定, WSOC)采用TOC仪(TOC-L,Shimadzu)测定,脱水滤液性质的测定参考《水和废水监测分析方法》(第四版)[13].脱水泥饼性质测定参考《土壤农化分析》(第三版)[14]进行测定.

细胞裂解情况测定方法:细胞膜中的磷脂酰丝氨酸会在细胞裂解早期翻转到细胞膜外,使用Annexin V能够与其高亲和力特异结合,并在蓝色光激发下发出绿色荧光,从而检测出裂解早期细胞.碘化丙啶(Propidium iodide,PI)则可以穿透破损的细胞膜并将细胞核染红.基于以上原理,可用Annexin V-FITC/PI对细胞膜进行染色,利用流式细胞仪测定不同染色情况的细胞数量,从而判断细胞活性[15].

污泥中细胞裂解情况根据参考文献[16]和试剂盒说明书进行测定,步骤如下:稀释:取适量反应完毕的污泥,用超纯水稀释一定倍数,得到细胞密度为105~106个/mL;洗涤:吸取一定量稀释液,分别用冷的磷酸缓冲盐溶液和上样缓冲液洗涤,离心弃上清;染色:用1mL上述缓冲液重悬细胞,分别用Annexin V- FITC和PI进行染色,并于1h内用流式细胞仪检测.

2 结果与讨论

2.1 不同调理对污泥脱水性能的影响

表2 不同方法调理后的污泥的SRF和CST Table 2 SRF and CST of sludge conditioned by different methods

SRF、CST是表征污泥脱水性能最常见的两大指标[8,17],由表2可知,CC法仅使SRF和CST较原始污泥分别降低了14.2%和36.1%,在少量程度上提高了其脱水性能,而生物沥浸法、Fenton法和石灰法却均能大幅度提升污泥的脱水性.如生物沥浸法调理污泥SRF和CST相比调理前分别降低了95.3%和77.6%,其原因包括生物沥浸微生物的替代效应、生物酸化效应和污泥中Fe3+的絮凝作用[3].Fenton法对脱水性能的改善效果与生物沥浸法相当,其SRF和CST分别降低了97.9%和87.3%,其原因主要是Fenton反应产生的具有强氧化性的·OH能够有效破解污泥中的EPS和细胞,同时改变污泥絮体的表面结构和凝胶状态[18-19].而石灰法对污泥脱水性能提升效果最佳,其调理后污泥的SRF和CST分别下降了99.7%和81.7%,其原因包括:Fe3+水解产生H+能够酸溶部分EPS,同时生成的氢氧化铁絮体能够包括细小絮体成团;石灰的添加显著提高了体系的pH值,致使大量不耐受强碱环境的微生物死亡并释放细胞内的水分,并在颗粒表面形成具有一定刚性的多孔网格状骨架,在高压下仍能保持透水通道;最后添加的PAM能够捕集游离的细小颗粒并絮凝沉淀,减少细小颗粒对透水通道的堵塞[20-21].尽管生物沥浸法,Fenton法和石灰法调理后污泥脱水性能提高幅度有一定差异,但基本上在相同数量级上.

2.2 不同调理对脱水泥饼性质的影响

为了解不同调理工艺产生的脱水泥饼资源化处置的潜质,对各脱水泥饼的相关性质进行了测定,结果如表3所示.

表3 不同方法调理后的脱水泥饼的理化性质 Table 3 Physicochemical properties of dewatered sludge after conditioning by different methods

丰富的有机质和氮磷养分是污泥被视为潜在有机肥资源的重要原因[22].实验结果表明,CC,生物沥浸法,Fenton法脱水泥饼中有机质、TN和TP含量基本接近,其范围分别为57.0%~58.6%、42.5~ 46.6mg/g和14.2~16.0mg/g.其中生物沥浸法脱水泥饼有机质、TN和TP分别达到了石灰法泥饼的1.15, 1.31和1.33倍.

WSOC和WSN反映了泥饼中能够被微生物直接利用的有机质和N素的含量[23],而矿化氮则表征了泥饼的持续供氮能力[24],以上三者决定了污泥作为原料堆肥启动所需时间和维持高温期的能力[5],继而影响堆肥效率和产品品质.结果显示,CC脱水泥饼中WSOC含量显著高于其余3种深度脱水泥饼.生物沥浸法脱水泥饼中WSN和矿化氮含量分别为石灰法的2.96和2.42倍.其他处理的WSN和矿化氮含量也都明显高于石灰法.由此可以看出,生物沥浸法脱水泥饼更适于作为堆肥的原料,其堆肥效率和潜在肥力均高于其他处理.

污泥中除含有丰富的有机质和养分外,还含有重金属等污染物,这些污染物会在污泥填埋或土地利用时进入环境,造成二次污染.本实验中,生物沥浸法对于Mn、Ni和Zn的浸出效果最好(表4),溶出率分别为50.0%、48.7%和72.9%,而Cr的溶出率则为18.7%.值得一提的是,本实验以促进污泥脱水为目的,反应时间较短,调理后污泥pH值仍在3.5以上,因此浸出率低于本课题组以往的研究结果(80%~90%)[25];而对于Cr来说,生物沥浸法脱水泥饼中的含量是对照的81.3%,这是因为Cr的浸出需要极低的pH值(<2[26]),而本实验中生物沥浸完成时污泥混合液的pH值仍达3.74,远高于Cr大量浸出的阈值. Fenton法对污泥重金属浸出的原理与生物沥浸类似,主要依靠Fe3+的氧化和酸化效应,但反应时间更短,终点的pH值更高,因此其效果要略差于生物沥浸法.石灰法对Mn、Ni和Zn的浸出效果明显逊于上述3种处理,溶出率分别仅为26.6%、19.3%和31.5%,原因是高pH值体系(12.43)不利于重金属溶出,其相对浓度降低仅是因为大量调理剂添加导致的稀释效应.CC脱水污泥中的4种重金属含量均为最高,原因是PAM添加仅起到了一定絮凝作用,对于污泥其他理化性质的改变极为有限.在后续资源化处置的过程中,需要着重注意CC和Fenton法脱水污泥中重金属的去除和稳定.

表4 不同方法调理后的脱水泥饼pH值和重金属含量 Table 4 pH and the content of heavy metals in dewatered sludge conditioned by different methods

对脱水泥饼的pH值测定结果显示,CC脱水泥饼pH值相比调理前基本没有变化;生物沥浸法和Fenton法脱水泥饼pH值均有大幅下降至5以下.相反的,石灰法脱水污泥则大幅升高至10.84.虽然以上3种深度脱水泥饼pH值均不在适宜微生物繁殖的范围内(一般为6~8.5[27]),但用于堆肥时可通过添加辅料使其混合物料的pH值趋于中性,且最终堆肥产品的pH值也能达到中性或弱碱性的合理范围[5].

2.3 不同调理对脱水滤液性质的影响

不同调理污泥脱水滤液中的sCOD、TN、NH4+-N、TP测定结果如表5所示.生物沥浸法脱水滤液中sCOD和TP最低,分别为CC脱水滤液的90.0%和23.1%,而TN、NH4+-N则达到了CC脱水滤液的2.58,4.72倍.生物沥浸微生物对污泥中异养菌具有替代效应,且其EPS分泌量仅为后者的十分之一[28-29],表现为生物沥浸法滤液sCOD含量比石灰法脱水滤液更低.而TP降低的原因则归结于生物沥浸过程中微生物对P的利用和液相中大量的Fe3+和磷酸盐形成沉淀而进入到污泥固相中[30].生物沥浸过程中异养菌的死亡裂解会释放蛋白质、多糖、DNA等含N有机物,并部分溶解在液相中,同时微生物的氨化作用也会导致滤液中NH4+-N的增加,故而其脱水滤液中的TN和NH4+-N均高于石灰法脱水滤液[31].

表5 不同方法调理后污泥脱水滤液中sCOD、TN、TP和NH4+-N含量 Table 5 sCOD, total nitrogen, total phosphorus, and NH4+-N of the filtrates from different conditioned sludge through vacuum filtration

Fenton法脱水滤液的TP含量是CC脱水滤液的28.4%,而其sCOD、TN、NH4+-N分别是CC脱水滤液的1.34,1.28,2.26倍.Fenton反应产生的HO·能够有效降解污泥中的大分子有机物,并将污泥颗粒表面紧密结合的EPS(TB-EPS)破解为松散结合的EPS(LB-EPS)和溶解态的EPS(Slime-EPS),提高了污泥液相中的小分子有机物种类和浓度[32-33];与此同时,部分污泥微生物也被氧化裂解,释放出大量含N有机物,因此其脱水滤液中的sCOD、TN和NH4+-N均高于CC脱水滤液.

值得注意的是,石灰法脱水滤液中sCOD、TN、NH4+-N、TP均高于CC脱水滤液.其中sCOD显著高于其他处理,为CC脱水滤液的2.14倍,其原因包括:污泥的碱溶效应;不耐受细胞死亡释放出胞内物质;石灰和PAM共同作用破坏了EPS的结构,使包裹在EPS内的溶解性有机物(如蛋白质、多糖等)释放到液相中[19-20].后两者也是造成TN、NH4+-N浓度高于CC滤液的原因.其TP含量亦为所有处理中最高,达到了4.62mg/L,说明在脱水的过程中会损失较多的磷元素,导致泥饼中养分减少的同时也增加了其滤液二次处理的成本.

值得指出的是,虽然石灰法处理对污泥中细胞的破解效果最为彻底,从而释放出更多内部水和胞内物质),但脱水滤液中NH4+-N和TN浓度却明显低于破解程度相对较低的生物沥浸法处理.分析其原因在于石灰法处理污泥呈强碱性,pH值极高(10.84),而生物沥浸法处理污泥呈酸性,pH值最低(4.72),前者有机物氨化和后续氨挥发特别明显,造成N的损失所致.事实上,无论是在实验室还是工程现场,石灰法处理压滤水周围空气中弥漫着浓烈氨味.

2.4 不同调理对污泥中细胞裂解的影响

前文讨论中提到污泥中的微生物细胞在调理过程中会因不同原因发生裂解并释放胞内物质,是导致污泥性质发生变化的重要原因.为此,本研究采用荧光染色-流式细胞仪检测的方法对调理前后污泥中细胞裂解情况进行了分析(图1).

CC污泥中活细胞数量仅下降了0.19个百分点.与之相比,生物沥浸法,Fenton法和石灰法调理后污泥中活细胞数量明显下降.其中,生物沥浸法和Fenton法结果较为相似,污泥中裂解晚期细胞和死细胞总和所占的比例分别增加至原始污泥的1.92和1.95倍.强酸环境是引起细胞膜结构破坏的主要原因[34-35],而由此引发的胞内蛋白质释放-水解作用可能是生物沥浸法、Fenton法脱水滤液中TN和NH4+-N含量较高的原因.对污泥细胞杀灭效果最强的为石灰法处理,调理后污泥中裂解晚期细胞和死细胞总数为原始污泥的2.19倍,特别是死细胞所占比例达到了16.3%,为原始污泥的3.24倍,说明相比其他处理,石灰法能够更彻底地破解细胞,因而能促使更多内部水的释放,更有利于污泥脱水.

3 结论

3.1 生物沥浸法,Fenton法和石灰法均能大幅提高城市污泥脱水性能, 表现在污泥过滤比阻(SRF)SRF值仅为常规处理的0.43%~6.12% ,尤其以石灰法处理脱水性能最佳.

3.2 生物沥浸法脱水泥饼中的有机质和养分能得到最大程度的保留,有机质(56.9%)、TN(4.66%)、WSN(0.47%)、矿化N(1.80%)和TP(1.60%)均远高于石灰法处理,且污泥中重金属能被部分去除(Cr、Mn、Ni、Zn溶出率分别18.7%、50.0%、48.7%和72.9%),该处理的污泥最具资源化潜力.而石灰法脱水泥饼由于大量脱水剂添加导致有机质、TP和TP含量明显下降,且泥饼呈强碱性(pH值接近11).且石灰法滤液中sCOD(645mg/L)和TP(4.62mg/L)也显著高于其他处理.

3.3 生物沥浸法,Fenton法和石灰法均能导致污泥微生物裂解,活细胞数量由原始的86%降至75%左右,特别是石灰法对污泥中细胞的破解效果最为彻底,从而释放出更多内部水和胞内物质,这可能是引起其有机质和养分大量损失到脱水滤液中的原因之一.

[1] 朱南文.土地填埋、干化焚烧、资源利用——我国城镇污水厂污泥处理处置技术应用的路线思考[J]. 净水技术, 2016,(5):1-5.Zhu N. Landfill, drying and incineration, resource utilization - consideration on application of municipal sewage sludge treatment & disposal technologies. [J]. Water Purification Technology, 2016,(5): 1-5.

[2] 王 硕,陈晓光,陈 宇,等.城市污水处理厂污泥深度脱水技术研究进展[J]. 环境科学与技术, 2015,(S2):186-190. Wang S, Chen X, Chen Y, et al. Recent advances on deep dewatering of sludge in wastewater treatment plant. [J]. Environmental Science & Technology, 2015,(S2):186-190.

[3] 周立祥.污泥生物沥浸处理技术及其工程应用[J]. 南京农业大学学报, 2012,(5):154-166.Zhou L. Bioleaching role in improving sludge in-deep dewatering and removal of sludge-borne metals and its engineering application. [J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2012,(5):154-166.

[4] 程 文,耿 震,张新彦.污水厂污泥深度脱水工程的优化探讨[J]. 中国给水排水, 2015,(16):62-64.Cheng W, Geng Z, Zhang X. Discussion on optimization of advanced sludge dewatering system in wastewater treatment plant. [J]. China Water & Wastewater, 2015,(16):62-64.

[5] 何足道,周立祥,李 喆.采用生物沥浸法和化学法调理深度脱水污泥的堆肥效果:生产性试验[J]. 环境科学学报, 2018,(1):275-282.He Z, Zhou L, Li Z. The composting of two kinds of advanced dewatered sludge cakes treated with bioleaching and chemical conditioning methods: A full-scale study. [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018,(1):275-282.

[6] 俞 勇.工业园区污水处理厂的深度处理试验研究[J]. 环境科学与管理, 2017,(9):128-131.Yu Y. Study on advanced treatment of industrial park wastewater treatment plant. [J]. Environmental Science and Management, 2017,(9):128-131.

[7] 邢 奕,王志强,洪 晨,等.芬顿试剂与DDBAC联合调理污泥的工艺优化[J]. 中国环境科学, 2015,35(4):1164-1172.Xing Y, Wang Z, Hong C, et al. Technological optimization of sludge conditioned by Fenton's reagent combined with surfactant. [J]. China Environmental Science, 2015,35(4):1164-1172.

[8] Liu F, Zhou J, Wang D. Enhancing sewage sludge dewaterability by bioleaching approach with comparison to other physical and chemical conditioning methods. [J]. Journal of Environmental Sciences, 2012, 24(8):1403- 1410.

[9] Czekalski N, Imminger S, Salhi E, et al. Inactivation of antibiotic resistant bacteria and resistance genes by ozone: from laboratory experiments to full-scale wastewater treatment. [J]. Environmental Science & Technology, 2016,50(21):11862.

[10] Xiao B, Liu C, Liu J, et al. Evaluation of the microbial cell structure damages in alkaline pretreatment of waste activated sludge. [J]. Bioresource Technology, 2015,196:109-115.

[11] 周 俊,刘奋武,崔春红,等.生物沥浸对城市污泥脱水及其重金属去除的影响[J]. 中国给水排水, 2014,(1):86-89.Zhou J, Liu F, Cui C, et al. Effect of bioleaching on dewaterability of sewage sludge and removal of heavy metals. [J]. China Water & Wastewater, 2014,(1):86-89.

[12] 周立祥.一种用于城市污泥生物沥浸处理的专用药剂及其生产工艺:中国. [P]. 201010221264, 2010-12-15.Zhou L. Agent special for municipal sludge bioleaching and its production process: [P]. 201010221264, 2010-12-15.

[13] 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法(第四版) [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2002.State Environmental Protection Administration of China. Determination methods for water and wastewater. [M]. China Environmental Science Press, 2002.

[14] 鲍士旦.土壤农化分析(第三版) [M]. 北京:中国农业出版社, 2000.Bao S. Soil agrochemical analysis. [M]. China Agricultural Press, 2000.

[15] Davey H M, Hexley P. Red but not dead? Membranes of stressed Saccharomyces cerevisiae are permeable to propidium iodide. [J]. Environmental Microbiology, 2011,13(1):163-171.

[16] Guo X, Liu J, Xiao B. Evaluation of the damage of cell wall and cell membrane for various extracellular polymeric substance extractions of activated sludge [J]. Journal of Biotechnology, 2014,188(1):130.

[17] Liu F, Zhou L, Zhou J, et al. Improvement of sludge dewaterability and removal of sludge-borne metals by bioleaching at optimum pH [J]. Journal of Hazardous Materials, 2012,s221–222(4):170-177.

[18] Sheng G P, Yu H Q, Li X Y. Extracellular polymeric substances (EPS) of microbial aggregates in biological wastewater treatment systems: a review [J]. Biotechnology Advances, 2010,28(6):882-894.

[19] Raynaud M, Vaxelaire J, Olivier J, et al. Compression dewatering of municipal activated sludge: effects of salt and pH. [J]. Water Research, 2012,46(14):4448-4456.

[20] 黄绍松,梁嘉林,张斯玮,等.Fenton氧化联合氧化钙调理对污泥脱水的机理研究[J]. 环境科学学报, 2017:1-22.Huang S, Liang J, Zhang S, et al. A comprehensive mechanism for deeply dewatering sludge using Fenton' s reagent with lime. [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017:1-22.

[21] 丁绍兰,曹 凯,董凌霄.石灰调理对污泥脱水性能的影响[J]. 陕西科技大学学报(自然科学版), 2015,(4):23-27.Ding S, Cao K, Dong L. The influence of lime regulate on the dewaterability of sewage sludge. [J]. Journal of Shanxi University of Science & Technology (Natural Science Edition), 2015,(4):23-27.

[22] Roca-Pérez L, Martínez C, Marcilla P, et al. Composting rice straw with sewage sludge and compost effects on the soil–plant system [J]. Chemosphere, 2009,75(6):781-787.

[23] Bernai M P, Paredes C, Sánchez-Monedero M A, et al. Maturity and stability parameters of composts prepared with a wide range of organic wastes [J]. Bioresource Technology, 1998,63(1):91-99.

[24] 周立祥,胡霭堂,胡忠明.城市污泥有机氮矿化动态及其影响因素的研究[J]. 环境科学学报, 1997,(3):103-108.Zhou L, Hu A, Hu Z. Mineralization of organic nitrogen in anaerobically digested sludge. [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 1997,(3):103-108.

[25] 李 超,周立祥,王世梅.复合硫杆菌生物浸出污泥中重金属的效果及与pH和ORP的关系[J]. 环境科学学报, 2008,(6):1155-1160.Li C, Zhou L, Wang S. Bioleaching of heavy metals from municipal sludge by the co- inoculation of two acidophilic Thiobacillus. [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2008,(6):1155-1160.

[26] 周立祥,方 迪,周顺桂,等.利用嗜酸性硫杆菌去除制革污泥中铬的研究[J]. 环境科学, 2004,(1):62-66.Zhou L, Fang D, Zhou S, et al. Removal of Cr from Tannery Sludge by Acidophilic Thiobacilli. [J]. Environmental Science, 2004,(1):62- 66.

[27] 周立祥.固体废物处理处置与资源化[M]. 北京:中国农业出版社, 2007.Zhou L. Treatment, disposal, and reutilization of solid waste. [M]. China Agricultural Press, 2007.

[28] Neyens E, Baeyens J, Dewil R, et al. Advanced sludge treatment affects extracellular polymeric substances to improve activated sludge dewatering [J]. Journal of Hazardous Materials, 2004,106(2/3):83-92.

[29] 霍敏波,郑冠宇,梁剑茹,等.生物沥浸处理中微生物菌群和胞外聚合物对城市污泥脱水性能的影响[J]. 环境科学学报, 2014,34(9): 2199-2204.Huo M, Zheng G, Liang J, et al. Influence of microbial flora and extracellular plyometric substances on municipal sewage sludge dewaterability enhanced by bioleaching process. [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014,34(9): 2199-2204.

[30] 刘奋武.生物沥浸法促进城市污泥脱水的效果与优化运行研究[D]. 南京农业大学, 2012.Liu F. Effect and optimal operation of bioleaching improving sewage sludge dewaterability. [D]. Nanjing Agricultural University, 2012.

[31] 李 超.嗜酸性复合硫杆菌对城市污泥的生物沥浸效果及机理研究[D]. 南京农业大学, 2007.Li C. Bioleaehing of heavy metals from municipal sludge by the coinoculation of two acidophilic Thiobacillus. [D]. Nanjing Agricultural University, 2007.

[32] 洪 晨,邢 奕,司艳晓,等.芬顿试剂氧化对污泥脱水性能的影响[J]. 环境科学研究, 2014(6):615-622.Hong C, Xing Y, Si Y, et al. Influence of Fenton's Reagent Oxidation on Sludge Dewaterability. [J]. Research of Environmental Sciences, 2014(6):615-622.

[33] Yu W, Wen Q, Yang J, et al. Unraveling oxidation behaviors for intracellular and extracellular from different oxidants (HOCl vs. H2O2) catalyzed by ferrous iron in waste activated sludge dewatering [J]. Water Research, 2019,148:60-69.

[34] Virto R, Mañas P, Álvarez I, et al. Membrane damage and microbial inactivation by chlorine in the absence and presence of a chlorine- demanding substrate [J]. Applied & Environmental Microbiology, 2005,71(9):5022-5028.

[35] Cai M, Hu J, Wells G, et al. Understanding mechanisms of synergy between acidification and ultrasound treatments for activated sludge dewatering: from bench to pilot–scale investigation [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(7):4313-4323.

Effects of bioleaching and chemical conditioning on sludge dewaterability and physicochemical properties.

HE Zu-dao1, WANG Dian-zhan1, YAN Cheng1,2, FANG Di1, ZHENG Guan-yu1, ZHANG Wei-hua3, ZHOU Li-xiang1*

(1.College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；2.Nanjing BACT Environmental Solutions Co. Ltd, Nanjing 211505, China；3.Beijing Genetre Treatment Co., Ltd, Beijing 100081, China)., 2019,39(3)：1019~1025

Three widely used conditioning methods, including bioleaching (BC), Fenton oxidation (FC), and chemical addition of lime/FeCl3/PAM (LC), were investigated to determine their effects on sludge dewaterability and physicochemical properties. The results showed that the BC, FC, and LC conditioning methods significantly improved sludge dewatering performance, as exhibiting that specific resistance to filtration (SRF) of already-conditioned sludge by BC, FC and LC only were 0.43%~6.12% of that by conventional PAM addition treatment (CC). Furthermore, compared to chemical treatments (FC and LC), relatively high quantities of plant nutrients (56.9% of organic matter, 4.66% of total nitrogen, 0.47% of water soluble nitrogen, 1.80% of mineralized nitrogen, and 1.60% of total phosphorus) were retained in the dewatered sludge of bioleaching treatment. Meanwhile, after bioleaching treatment, 18.7% of Cr, 50.0% of Mn, 48.7% of Ni and 72.9% of Zn were removed from sludge, respectively. Flow cytometry was further used to examine the variation of sludge cell apoptosis before and after the three conditioning methods. It was found that dosing chemical conditioners (FC and LC) lead to the obvious lysis of the sludge cells and accordingly a large amount of internal water and intracellular substances within the sludge flocs were released, which may be responsible for their increased plant nutrients release and improved sludge dewaterability. The results suggested that bioleaching treatment exhibited excellent performance in improving sludge dewatering and heavy metal removal and maintaining sludge nutrients, therefore it’s promising conditioning approach for sludge disposal.

sewage sludge；conditioning；dewaterability；bioleaching；chemical conditioners；physicochemical properties

X703

A

1000-6923(2019)03-1019-07

何足道(1992-),男,浙江温州人,南京农业大学硕士研究生,主要从事固体废物资源化利用.

2018-08-02

国家自然科学基金资助项目(21477055,21677077,21637003)

* 责任作者, 教授, lxzhou@njau.edu.cn