气态硫基质对污泥生物沥滤的促进效应研究

张 弛，苏冰琴，李 超，杨志宏，张海怡，彭娅娅

(1.太原理工大学 环境科学与工程学院，太原 030024；2.山西省生态环境研究中心，太原 030024；3.山西正阳污水净化有限公司，山西 晋中 030600)

污水厂产生的污泥是一种典型的环境污染物，其综合利用经常受到脱水难、重金属含量高等因素的困扰[1-3]。生物沥滤法能同时实现去除污泥重金属污染物与提高污泥脱水性能两方面目标，是一种具有良好应用前景的污泥处理方法[4-6]。污泥生物沥滤技术是在S0，S2-，Fe2+等电子供体或能源物质存在的条件下，利用弱嗜酸菌硫杆菌、嗜酸硫杆菌以及部分异养菌的生物化学代谢过程，促使反应体系形成酸性、氧化性环境，使污泥中的重金属形态从难溶态转化成易溶态的过程[7-8]。沥滤营养基质、pH值、接种液、EPS水平、EPS中蛋白质含量等因素对污泥脱水性能都有较大的影响[9-11]。

污泥生物沥滤菌群能获得的营养基质及其转化效率是影响污泥沥滤效果的关键因素。在不同的基质环境中，本实验所依赖的核心菌群氧化亚铁硫杆菌(T.f)与氧化硫硫杆菌(T.t)所发挥的作用不同，其附着型、游离型菌群所占的优势比例也不同，所能实现的沥滤效果也不同[12]。硫杆菌的世代时间、沥滤进程中pH值和ORP值的变化情况，也会随着底物种类差异而变化，进而影响沥滤效果。对于T.f或T.t菌群而言，单质S、多聚硫酸盐、S2-，FeSO4·7H2O，Fe2(SO4)3，FeCl2都是可能的营养基质。其中S及其化合物在污泥生物沥滤菌群代谢中发挥着重要的控制作用。

近年来，S作为环保科研领域广泛应用的重要营养基质得到了深入研究，生物S氧化技术在污水处理领域已逐渐引起重视[13]。气态S基质能够通过化学以及生物作用转化为液态S基质。H2S进入污泥混合液后，可转化为S2-，S0或生物态S，同时参与Fe2+与Fe3+之间的转化过程，共同构成T.t、T.f菌群所需的S-Fe营养基质。但在污泥生物沥滤领域，将纯H2S或污水厂臭气用作硫杆菌生长的营养基质尚未见报道。

本文的研究目的是探索纯H2S气体以及污水处理厂臭气中的H2S等气态硫基质对污泥生物沥滤的促进效应。主要研究了气态S基质参与条件下，接种污泥中沥滤菌群的驯化过程中pH值的变化特征、污泥沥滤菌群的群落多样性，沥滤过程中ORP值以及Cr去除率的变化情况，以及S基质对沥滤污泥脱水性能的影响情况。本文是对污泥生物沥滤S基质的改良创新，同时也是对污水厂臭气H2S污染物提出的一种新的综合利用途径，具有广泛的应用价值。

1 材料和方法

1.1 实验污泥原料

实验所用的污泥取自晋中市生活污水厂的污泥浓缩池，实验优先采用生鲜污泥，过夜污泥储存于4 ℃冰箱中。污泥使用前先用磁力搅拌器混合均匀。污泥样品的理化性质见表1.

1.2 污泥生物沥滤实验

污泥生物沥滤实验包括：沥滤菌群驯化阶段与污泥重金属沥滤阶段。

在污泥生物沥滤之前，为了获得高效优势的菌群，用于后续的污泥生物沥滤实验，需对污泥中的菌液进行沥滤驯化。重复3次驯化过程，驯化时间分别为11 d，7 d，6 d，且均以污泥混合液的pH值降至2.0以下作为驯化终点。经过驯化，得到实验用氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌(T.f&T.t)加富菌液，以此处获得的加富菌液作为下一步污泥沥滤实验的接种污泥。

污泥生物沥滤实验在500 mL的锥形瓶中进行，经过前期预备实验对接种量的优化可知，取30%的菌液接种比例可以获得较稳定的实验效果。因此向每个锥形瓶内同时投加原始污泥180 mL和接种污泥54 mL，然后在恒温振荡器内进行沥滤实验。沥滤前用质量比为1∶5的硫酸溶液预调节污泥的初始pH值为2.0.随后，将锥形瓶置于(28±1) ℃、165 r/min条件下振荡反应。每组实验同时设置3个平行样，每天对反应体系混合液进行称重，生物沥滤过程中损耗的水分用蒸馏水每12 h补充一次。

1.3 营养基质

本实验主要是研究以H2S替代传统单质S作为硫基质的可能性，因此设置不同的营养基质作为对照实验组，并以硫粉作为单质S营养物质，另外添加FeSO4·7H2O作为T.t、T.f菌群的协同营养。

本实验所用的纯H2S气体采用硫化亚铁固体(FeS)和稀盐酸(HCl)在启普发生器中反应制得。所用的臭气取自污水厂格栅间进水渠内，经过集气罩收集、风机抽出输送至集气袋。在实验室内由集气袋向反应器输入臭气。由检测得知，本文所采集的臭气主要成分是H2S，其他杂质成分较少，对H2S在本实验中的反应无影响。3种不同硫基质反应组的营养基质组成见表2.

其中，实验室纯H2S气体的流量设置为120 mL/h，含H2S臭气的流量设置为300 mL/h.实验过程中，采用高精度小流量气体流量控制器，配合间歇进气方式，实现对小流量H2S气体输入的精确控制。

1.4 检测分析方法

实验期间，在设定的时间取污泥或混合液样品进行相应的数据测定。污泥菌群驯化过程中，菌群的群落多样性分析是通过在设定的时间对污泥进行取样检测实现的。采用CTAB方法对样本的基因组DNA进行提取，之后利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度，以稀释后的基因组DNA为模板，经过PCR扩增、建库、电泳检测等操作，建库并检测合格后使用Ion S5TMXL进行上机测序。采用获得的数据，进行菌群多样性分析。

污泥进行EPS红外光谱分析之前，先将沥滤后的污泥经过水洗、加热提取、离心(6 000 r/min、15 min)处理后，弃沉淀物，所得上清液经0.22 μm滤膜过滤，用冷冻干燥机干燥，再采用傅立叶红外光谱仪(Nexus 670)进行测定。

测定污泥Cr去除率时，先将污泥离心后的沉淀物进行干燥，采用H2O2-HNO3-HCl-HF辅助微波消解，然后采用火焰原子吸收仪(TAS-986)测定铬的含量。通过公式(1)计算Cr的去除率：

Cr的去除率=[(1-w1)/w0]×100 .

(1)

式中：w1为干燥的沥滤污泥中Cr的质量分数，mg/kg；w0为干燥的原污泥中Cr的质量分数，mg/kg.

pH值与ORP值采用PHS-3C pH/ORP计进行测量。测定污泥的离心脱水率(centrifugal dehydration rate，简称CDR)时，先将污泥混合液以4 000 r/min转速离心10 min，所得上清液体积与总体积的比值定义为离心脱水率。污泥比阻(specific resistance to filtration，SRF)采用布氏漏斗法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 硫基质差异对沥滤菌群驯化过程的影响

不同硫基质条件下，接种污泥中沥滤菌群驯化过程的pH值动态变化情况，如图1所示。

图1 污泥沥滤驯化过程中pH值变化情况Fig.1 pH change during sludge bioleaching and domestication

由图1可知，3种基质条件下的驯化过程均可以在预定的时间段内完成，表明污泥中的硫杆菌微生物通过连续重复的驯化过程适应了污泥沥滤环境，构成优势菌群。但对照3组数据可知，第一阶段的11 d，为微生物适应阶段，此时S+纯H2S基质反应组的pH值下降速率比其他两组更快，在第9 d时pH值已小于2.该阶段还产生了S+臭气H2S基质反应组的表现略优于单质S反应组的现象，尤其是在最初的2 d时其pH值下降效果接近于S+纯H2S基质反应组，但在第3～11 d，其效果接近单质S反应组。第二阶段的7 d为优势菌群的预富集阶段，第三阶段的6 d为优势菌群的增长富集阶段。在这两个阶段内，S+纯H2S基质反应组均对污泥生物沥滤体系pH值的快速下降发挥了积极作用。

上述现象表明，H2S气体作为污泥生物沥滤传统单质S基质的替代品是有意义的。臭气中的H2S气体能够在一定程度上实现纯H2S的作用，但由于臭气成分复杂，存在不确定因素，其效果略差于纯H2S.

基因组高通量测序技术能使我们对环境微生物进行深度了解，能够灵敏地探测出环境微生物群落结构随外界环境的改变而发生的变化，可以反映出微生物群落的丰度和多样性[14]。以抽取的测序数据量与对应的物种数构建稀释曲线，见图2.稀释曲线可直接反映测序数据量的合理性，并间接反映样本中物种的丰富程度。当曲线趋向平坦时，说明测序数据量渐进合理，更多的数据只会产生少量新的物种(OTUs).为了更好地研究S+纯H2S基质反应组在驯化前后对菌群物种结构的促进作用，根据物种注释结果，将样本在种水平上丰度排名前十位的物种，绘制成为种水平Top10相对丰度图，见图3.

图2 物种多样性稀释曲线Fig.2 Dilution curve of species diversity

图3 种水平Top10物种相对丰度图Fig.3 Relative abundance of top 10 at species level

由图2可知，在最初的测序数据量10位置处，各个曲线的差距微弱；在测序数据量12 000位置处，驯化1 d时的稀释曲线与驯化结束时的曲线差距为391～412，存在较明显的高度差距。对于3种S基质体系而言，不论是在驯化1 d时或是驯化结束时，单质S反应体系样本的稀释曲线位置都处于最高，S+纯H2S反应体系样本的稀释曲线位置都处于最低，S+臭气H2S的反应样本曲线居中。当随机抽取的测序数据量小于15 000时，曲线呈现出显著的上升趋势；当随机抽取的测序数据量大于50 000时，各条曲线均趋于平坦。这表明随着污泥驯化过程的进行，生物酸化作用下污泥体系的酸性越来越强，原始污泥中的异养微生物因无法耐受酸性环境而逐渐衰亡，间接表现为菌属种类不断减少。驯化结束时，S+纯H2S样本的稀释曲线位置最低，曲线平坦度最好，表明此时菌群物种丰富度最小。

图3结果表明，驯化结束时的菌群结构与驯化1 d时出现较明显的差异。驯化结束时，与污泥沥滤密切相关的优势菌种氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus_thiooxidans)、氧化硫硫单胞菌(Thiomonas_arsenitoxydans)等菌种的相对丰度较高，驯化1 d时相对丰度较高的硝化菌(Nitrospira_sp)等菌种明显减少。出现上述现象主要是由于污泥驯化过程引起了菌群微生物生长环境的变化，嗜酸性微生物更适应环境，能够在苛刻的环境条件下继续利用营养物质大量繁殖，嗜中性微生物则趋于衰亡。

上述实验结果表明，污泥驯化结束时，硫杆菌成为污泥混合液中的优势菌群。此时的S+纯H2S基质条件为T.t和T.f菌的形成提供了较好的反应环境。H2S的介入有利于污泥混合液pH值的加速降低，同时促进Fe3+还原为Fe2+，H2S逐步被氧化为单质S，增加了硫杆菌可利用的营养基质量。这一方面能够缩短菌群培养所需的时间历程，T.t、T.f菌群能更好地适应污泥混合液化学环境；另一方面能够抑制无效菌群，使污泥生物沥滤所依赖的嗜酸性微生物在扩大繁殖过程中占据优势。

2.2 硫基质差异对污泥生物沥滤过程的影响

图4为3种不同的硫基质条件下，污泥生物沥滤过程中氧化还原电位(Oxidation-Reduction Potential,ORP)值的变化情况。

图4 污泥生物沥滤过程中ORP值的变化情况Fig.4 Changes of ORP during bioleaching of sludge

由图4可知，不同的硫基质对沥滤过程中的ORP值有影响。随着沥滤反应的进行，3种反应体系的ORP值都呈现逐渐上升的趋势。最初1 d，ORP值出现较快速的上升，3种硫基质条件的ORP值普遍升至185～246 mV之间；1～2 d时，ORP值上升速率变慢；到第2 d结束时，S+纯H2S反应组的ORP值比单质S反应组高出68 mV.第2～4 d，各组的ORP值均出现第二次大幅度升高，S+纯H2S反应组升高幅度最大，其余两组的升高幅度接近。到第4 d结束时，S+纯H2S反应组的ORP值比单质S反应组高出172 mV，这显示出S+纯H2S的硫基质体系对沥滤过程中ORP值的提高发挥了积极意义。之后的沥滤过程中，ORP值虽然略有波动，但基本维持不变。

通入H2S后，能够促进Fe3+还原为Fe2+，H2S在此倾向于转化为S2-，同时一定量的H2S被氧化为S单质，为T.t和T.f菌提供营养基质。通入H2S有利于快速形成酸性环境，易于形成自由的Fe3+，使Fe3+更易于发挥出其自身的氧化性。ORP值既是生物沥滤过程中的表现参数，更是沥滤过程的制约参数。本实验中各种反应的综合效果使得沥滤过程中的ORP值呈现升高的趋势，H2S的加入有利于ORP值的快速升高，这间接表明了嗜酸性微生物的优势增殖，反映出H2S对沥滤过程的促进效果。

使用傅立叶红外光谱仪对各种硫基质中生物沥滤过程的污泥EPS进行表征，其FT-IR光谱见图5。

对照图5(a)与图5(b)可知，污泥生物沥滤1 d时的谱峰强度普遍大于沥滤结束时的谱峰，且部分谱峰产生了漂移现象。尤其是在860 cm-1处，S+纯H2S反应体系的谱峰明显减弱，其原因主要是含硫基团参与了重金属硫化物以及Fe3+的反应，基团结构发生了变化，并吸附了重金属离子，吸附后的含硫基团键的力常数发生了变化。在1 070～1 110 cm-1区域内C—O—C的伸缩振动在沥滤结束时发生了漂移，表明污泥EPS中的C—O—C基团受到重金属吸附的影响；1 411 cm-1、1 664 cm-1、2 935 cm-1处的谱峰在沥滤结束时强度减弱，3 410 cm-1处的谱峰发生了漂移。

图5 各种硫基质情况下生物沥滤过程的污泥FT-IR光谱Fig.5 FT-IR spectra of sludge in bioleaching process with various sulfur substrates

对比3种S基质体系的谱峰差异可知，不论在污泥生物沥滤1 d时还是在沥滤结束时，以S+纯H2S为基质的反应体系中1 070～1 110 cm-1区域内的基团，其伸缩振动强度的减弱程度都是最明显的，这表明S+纯H2S基质更加有利于C—O—C基团对重金属的吸附。在1 664～3 410 cm-1区域，以S+臭气H2S为基质的反应体系，C—H、O—H、N—H等化学基团伸缩振动的减弱幅度最大，也就是说此时的负电荷基团含量下降相对较多，污泥EPS表面负电荷强度降低较明显，污泥颗粒间的排斥力减弱迅速。这种现象表明，S+纯H2S、S+臭气H2S都能够一定程度地促进污泥生物沥滤过程中核心化学基团对重金属的吸附，并提高其化学转化速率。单质S基质在污泥沥滤过程中的反应效果不及另外两种基质。因此，S+臭气H2S可以较好地替代S+纯H2S基质。

沥滤过程中Cr去除率的变化情况如图6所示。

图6 沥滤过程中Cr去除率变化情况Fig.6 Change of Cr removal rate during bioleaching

由图6可知，不同的硫基质对污泥生物沥滤过程中的Cr去除率有较大的影响，H2S的加入对改善Cr去除率有积极意义。在沥滤第1 d结束时，S+纯H2S反应组的Cr去除率比单质S反应组提高了9.3%。在沥滤2～4 d期间，各组的去除率都有上升，但S+纯H2S反应组提高速度依然较大。S+臭气H2S反应组的提高效果从第2 d之后就逐渐变弱，与S+纯H2S反应组的差距逐渐加大。最终沥滤进行至第10 d时，S+纯H2S反应组的Cr去除率分别比另外两组高出22.8%和16.2%.Cr属于难以沥滤去除的重金属元素，污泥中Cr的生物沥滤过程属于混合沥滤机制，即同时受直接机制与间接机制制约。直接机制生物沥滤以氧化条件的形成为沥滤动力，表现为与反应体系的ORP值联系紧密；间接机制生物沥滤受pH值下降速率影响较大。总体而言，H2S的加入同时可以促进反应体系ORP值的快速提高与pH值的下降，能够同时发挥生物沥滤的直接机制与间接机制，最终促进嗜酸性微生物的大量繁殖，提高Cr的去除率。

2.3 硫基质差异对沥滤污泥脱水性能的影响

压滤脱水性与离心脱水性是污泥脱水性能的两个重要指标，本文分别用污泥比阻和污泥离心脱水率来衡量。通过测定污泥生物沥滤过程中污泥比阻和离心脱水率的动态变化情况，研究不同硫基质对生物沥滤污泥脱水性能的影响。不同硫基质条件下沥滤过程中污泥比阻的测定结果见图7.

图7 不同硫基质条件下沥滤过程中污泥比阻Fig.7 SRF of sludge in leaching process under different sulfur substrate conditions

由图7可知，生物沥滤后的污泥比阻普遍减小，而且S+纯H2S反应组对污泥比阻的减小效果更明显。在沥滤0.5～1 d内，比阻的降低速率较大；2 d后基本维持在较低值。S+纯H2S作为基质时的反应效果优于其他两组。沥滤1 d时，S+纯H2S、S+臭气H2S、单质S组的污泥比阻相对于原始比阻值分别降低了87.6%，84.5%，78.4%。S+臭气H2S组在0～0.25 d内表现出与S+纯H2S组类似的速率降低效果，在0.25 d之后的比阻数据曲线向单质S反应组靠拢。这说明S+臭气H2S难于像S+纯H2S那样在起始的0.5～1 d区间持续快速促进比阻的降低。单质S为基质的沥滤过程中，污泥比阻降低的速率与幅度均小于其他两种基质体系。

不同硫基质条件下沥滤过程中污泥离心脱水率的测定结果见图8.

图8 污泥沥滤过程中离心脱水率的变化情况Fig.8 Change of centrifugal dehydration rate during sludge leaching

由图8可知，经过生物沥滤，污泥离心脱水率明显增大。在污泥生物沥滤过程中，存在如下机理促进污泥脱水：

1) 生物沥滤过程促使污泥混合液呈现出强酸性以及偏高的氧化还原电位，这使得嗜酸性自养微生物大量增殖，原微生物细胞解体释放出胞内物质和水分子，污泥细胞间隙水增多，改善了污泥比阻与离心脱水率。

2) 前述过程强化了污泥混合液的氧化环境，能够降低污泥表面菌胶团结构的稳定性，改善污泥脱水性能。

3) 随着污泥酸化作用的增强，大量的H+能够中和污泥颗粒表面的负电荷，尤其是污泥EPS表面负电荷明显降低，使污泥颗粒表面达到电中性，颗粒之间的排斥力减弱，有利于污泥聚沉和脱水性能的改善[10]。

图8表明，S+纯H2S与S+臭气H2S基质对污泥离心脱水率的增加有促进作用。在沥滤开始的1～2 d，离心脱水率升高速率较大；尤其是S+纯H2S作为基质的条件下，沥滤1 d时的离心脱水率就由起始的69.1%增加至83.6%.各种反应体系的离心脱水率在2 d以后趋于平稳，普遍增加至83.7%～88.2%.单质S为基质的沥滤过程中，离心脱水率增加速率与提升幅度均小于其他两种基质体系。

综合污泥比阻和离心脱水率两种指标，表明污泥生物沥滤能够提升污泥脱水性能，而且H2S作为替代单质S的营养基质有利于增强污泥生物沥滤的这种优势。比阻越小，或离心脱水率越大，污泥越易于脱水。二者反映了不同的污泥水分子结合状态。比阻侧重于泥水胶体颗粒的分子粒度差异，离心率侧重于分子质量差异。由此可知，比阻更易于反映出污泥内部吸附水和毛细水结合的紧密程度。

3 结论

本文以纯H2S以及污水厂臭气H2S替代传统的单质S基质，对污泥生物沥滤过程进行了研究。研究结果表明：

1) 在污泥沥滤驯化过程中，S+纯H2S基质反应组的pH值下降速率比其他两组更快，沥滤菌群的驯化过程更易于完成。群落多样性分析显示，S+纯H2S样本的稀释曲线位置最低，表明此时更利于沥滤反应所需的硫杆菌形成优势菌群。

2) 不同的硫基质条件对沥滤过程ORP值有影响，H2S的加入有利于ORP值的快速升高。沥滤4 d时，S+纯H2S反应组的ORP值比单质S反应组高出172 mV，表明H2S对沥滤过程ORP值的提高发挥了积极意义。H2S能够促进污泥生物沥滤过程中核心化学基团对重金属的吸附，并提高其化学转化速率。不同硫基质对污泥生物沥滤过程中的Cr去除率有较大的影响，H2S的加入对提高Cr去除率有积极意义。沥滤进行至第10 d时，S+纯H2S反应组的Cr去除率分别比另外两组高出22.8%和16.2%.

3) 经过生物沥滤，各个反应组的污泥脱水性能都有较大改善。在沥滤0.5～1 d内，比阻的降低速率较大。S+纯H2S基质对降低污泥比阻的效果更明显，臭气H2S反应组的效果差于纯H2S反应组。各种反应体系的离心脱水率在2 d以后普遍增加至83.7%～88.2%.S+纯H2S与S+臭气H2S基质对污泥离心脱水率的增加有改善作用。尤其是S+纯H2S作为基质的条件下，沥滤1 d时的离心脱水率就由起始的69.1%增加至83.6%.

4) 在以纯H2S、臭气H2S为替代S基质的反应体系中，可以使单质S的投加量降低约50%，并可以实现优于传统基质的反应效果。气态S基质能够部分替代传统的单质S基质，污水厂臭气中的H2S成分可以在一定程度上替代纯H2S.

本文提出的技术方案能够同时实现污染物治理与废物的资源化利用，具有良好的应用价值。