微生物淋滤技术在去除城市污泥重金属中的应用

康得军，匡帅，唐虹，谢丹瑜，孙健，江雪

（福州大学 土木工程学院，福州　350108）

微生物淋滤技术在去除城市污泥重金属中的应用

康得军，匡帅，唐虹，谢丹瑜，孙健，江雪

（福州大学 土木工程学院，福州350108）

重金属是目前污泥土地利用的最大障碍，有效去除污泥中的重金属成为污泥再次利用的关键。微生物淋滤法作为一种高效、低成本、绿色的污泥重金属的处理方法，展现出广阔的应用前景。综述了污泥重金属去除技术的优缺点，分析了微生物淋滤技术的优越性及去除效果，展望了微生物淋滤技术的前景与方向。

微生物淋滤；城市污泥；重金属；去除机理；影响因素

近年来，随着我国城市污水处理量的增加，产生的剩余污泥量也越来越多。截止到2012年，我国污水处理厂产生了超过2 000万t的污泥。一方面这些城市污泥属于污水处理的副产物，如果不能妥善的处理将会造成环境的二次污染；另一方面，这些污泥中含有丰富的氮、磷、钾和有机质等，如果能够再次利用，产生的效益将会是巨大的［1］。传统的污泥处置方法是投海、填埋、焚烧、土地利用等。投海对环境的破坏太大，早已被禁止；填埋需要占用大量的土地，同时还会造成渗漏等一系列问题；焚烧需要大量的燃料，还会产生二噁英等有毒气体。目前，土地利用是污泥处置的有效途径，但是在活性污泥系统中，50%～80%的重金属会从污水进入到剩余污泥中，这阻碍了剩余污泥的土地利用。无论是将污泥施入农田，还是将污泥经过堆肥后作为有机肥料，重金属都会进入到环境中，对环境造成二次污染。更严重的是，一旦重金属在植物中大量富集，直接或间接被人体摄入后，会在人体积累，对身体健康带来巨大的伤害［2-3］。

1　城市污泥重金属处理技术

一直以来人们都在探索城市污泥重金属处理的新技术，剩余污泥重金属处理技术包括重金属稳定化技术［4-5］和重金属去除技术。重金属稳定化技术就是改变重金属在污泥中的存在形式，使重金属从有毒、易溶解、迁移能力强的状态转化为无毒、不易溶解、迁移能力弱的状态。在这个过程中，重金属的生物活性会降低，对环境的影响也会减弱。但是该方法并没有真正意义上去除重金属，重金属依旧存在于污泥中，后期仍会存在重金属渗漏、环境二次污染的风险。重金属去除技术包括化学法［6-7］、植被修复法［8-9］、电动修复法［10-11］、活性污泥吸附法［12］、微生物淋滤法［13］等。化学法虽然去除污泥中重金属的效果比较好，但是处理过程中会消耗大量的化学药剂，而且处理后的浸出液需要大量的药剂来中和，处理成本较高，实际操作也比较麻烦。植被修复法的成本比较低，操作相对比较简单，但是超富集的植物只对特定的重金属有作用，难以全面去除重金属，而且植物生长缓慢，富集了重金属的植物还需进一步处理，这些都限制了它的大规模应用。电动修复法耗能比较大，每次处理的污泥量有限，操作比较麻烦，往往需要与其它重金属处理技术联合起来使用，局限性比较大。微生物淋滤法作为一种环保、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，正受到越来越广泛的青睐［14］。

2　微生物淋滤法机理

微生物淋滤法主要是通过嗜酸性的无机化能自养菌（主要是氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌）的直接或间接作用将污泥中的重金属浸提出来。目前，对氧化亚铁硫杆菌的淋滤机理的研究比较多，主要有2种机理。

直接作用是微生物通过胞外聚合物与污泥中的金属硫化物接触，再经微生物体内特有的酶的作用直接将金属硫化物氧化为可溶性的硫酸盐。

间接作用是利用氧化亚铁硫杆菌的代谢产物三价铁离子与金属氧化物发生氧化还原反应，最终金属以离子态的形式出现。还原态的硫被氧化成为硫单质，然后进一步被微生物氧化为硫酸，污泥pH值因此降低。生成的亚铁离子被氧化亚铁硫杆菌氧化为三价铁离子，然后再重复以上过程。

3　微生物淋滤法的效果与优势

微生物淋滤法作为一种低成本、绿色环保的重金属处理技术，能够有效地去除城市污泥中的重金属。Beo1chini等［15］通过在安科纳港采集的沉积物做重金属微生物淋滤试验，结果发现Cu、Cd、Hg和Zn的去除率均在90%以上。邹塞等［16］发现微生物淋滤完成过后N、P的保存率分别为85.0%、31.6%，污泥保持一定的肥效，适合土地利用。微生物淋滤法对重金属的去除是全面的，对主要几种重金属Cu、Zn、Ni、Mn等去除效果极为显著。在污泥中重金属超标严重的情况下，微生物淋滤后的污泥可以达到我国污泥农用质量标准的要求，从而可以进行土地利用。国内外对重金属微生物淋滤效率的研究结果如表1所示。

表1　污泥重金属的微生物淋滤效率Tab.1　Remova1 rates of heavy meta1s in s1udge by bio1eaching

微生物淋滤过程中不仅能去除重金属，还能起到杀菌的作用。因为在微生物淋滤的过程中，污泥的pH值会降低，最终会降到2左右，在这个条件下大部分的病原体都无法生存。在整个处理过程中，无需投加酸化药剂，相对于化学法而言更加经济。另外，污泥经过微生物淋滤后脱水性能得到大大的改善［24-25］。处理过程中利用的是硫细菌，不会像病原菌那样对人体造成巨大的危害。微生物淋滤技术具有其它重金属处理技术不可比拟的优势，被誉为城市污泥的绿色洁净技术。

4　微生物淋滤法的影响因素

为了探究微生物淋滤效果的影响因素，国内外做了大量的研究［26］。

4.1污泥中重金属存在的形态

重金属在污泥中存在形式决定了其被去除的难易程度。豆艳霞等［27］通过序批式试验用氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌淋滤剩余污泥，结果发现2种微生物对重金属的淋出效果的顺序为Zn＞Cu＞Cr＞Pb，据推测重金属微生物淋滤效果的差异可能是由于重金属在污泥中存在形态不同引起的。谢琴等［28］研究表明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，Zn很容易浸提到液相中去。Akinci等［22］分别对氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌单独培养以及两者混合培养，然后接种在来自伊兹密尔内湾受污染的沉积物样品上，观察3种接种情况下重金属的淋滤效率，发现重金属去除率的大小顺序为Zn＞Cu＞Cr＞Pb，这主要是因为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，同时与其它重金属相比，在可交换态中Zn所占的比例是最高的。M.A.Sty1ianou等［29］通过对城市污水处理厂污泥的研究发现，污泥中Zn和Ni主要是可交换态和碳酸盐结合态等不稳定态存在，Cu和Cr主要以有机态存在，Pb主要以有硫化物及有机结合态和残渣态存在。从以上研究可知，重金属的去除率与它在污泥中的存在形态有密切的关系。以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态等不稳定态存在形式为主的重金属更容易被去除，而以有机态、残渣态等稳定态为主存在的重金属则不容易被淋滤出来。

4.2基质的投加量

在微生物淋滤的过程中，需要添加基质来保证硫细菌的生命活动和优势菌种的地位，硫的投加量往往会影响硫细菌产酸的效率。张铮等［30］发现不同的投加量下，污泥的酸化速度不一样。黄明等［18］通过以桂林城市污泥为培养介质、单质硫为基质培养驯化的氧化硫硫杆菌淋滤去除污泥中的重金属，结果表明增加培养基质硫的投加量能提高污泥的酸化效果，提高重金属的去除率。但是他同时还发现随着投加量的增加，硫的利用率会有所降低，过高的投加量不经济。综合重金属的处理效果和经济效益，硫的投加量为5g/L为宜。李淑更等［17］通过在广州市城市污泥中投加培养基质Na2S2O3来培养氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌，也发现了相似的结论，即增加培养基质的投加比例会缩短酸化周期，提高淋滤效率。但是在投加量超过10g/L时，污泥酸化的速度不会再有很明显的提高，通过增加投加量来提高去除效果的代价较大。在实际应用中，投加量并不是越高越好，需要综合考虑各方面的因素。

4.3基质的种类

硫细菌对不同的基质氧化获取能量时，其对污泥的酸化速率是不一样的［31］。刘昌庚等［24］通过在污泥中接种剩余污泥培养驯化的硫细菌，在以单质硫为培养基质的条件下，发现投加FeSO4能加快污泥微生物淋滤过程，FeSO4最佳投加量为8g/L，pH值只需1.5 d就能降到2。张军等［19］通过采用不同的淋滤基质，单一基质（S0、FeSO4、Na2S2O3、FeS和FeS2）、2种基质相配合（S0+FeSO4、S0+ Na2S2O3、S0+FeS、S0+FeS2）进行微生物淋滤试验，来探究不同种类的含硫底物对剩余污泥重金属微生物淋滤效果的影响。发现FeS和FeS2不适合单独做微生物淋滤的基质，因为当它们单独作为基质时，微生物淋滤过程中污泥pH值下降不明显。单一基质的每日最佳酸化速率为0.91，复合基质的每日最佳酸化速率为1.48。含硫浓度越高，pH值下降得越快，污泥酸化速率大小顺序为S0+FeSO4＞FeSO4＞S0+Na2S2O3＞S0+FeS2＞S0+FeS＞Na2S2O3＞S0。复合基质的酸化效果比单一基质要好。这可能是由于复合基质中，S0会促进其它基质的利用。甘莉等［20］通过4组微生物淋滤试验来研究氧化亚铁硫杆菌对污泥中重金属的浸出效果，结果表明加亚铁离子和硫酸后重金属的浸出效果最好，微生物淋滤后pH值的大小顺序为加亚铁离子和硫酸浸出＜加亚铁离子浸出＜直接浸出＜空白。同样可以推测出，复合基质的微生物淋滤效果要好。

4.4接种量

近年来，有关驯化污泥的接种量对微生物淋滤效果影响的研究很多。李淑更等［17］在以Na2S2O3为基质的试验中发现，当污泥接种量为5%时，污泥预酸化效果不明显，污泥的培养周期与未接种时没有明显的差异。这是由于接种量太少，以至于硫细菌无法成为优势菌种，产生的效果不明显。当接种量分别为10%和25%时，污泥pH值均先升高后迅速降低。这是由于硫细菌大量繁殖，产生大量的酸。同时，还发现在3种不同的接种量下，污泥最终的酸化程度均差不多。说明增加接种量可以缩短污泥的酸化周期，但是不会改变污泥最终的酸化效果。研究还表明，增加接种量会提高重金属的去除率，但是当接种量超过10%时，去除率不会有很大的提高。谢琴等［28］也发现了类似的结论，以S0和FeSO4为培养基质，在不同的污泥混合液接种量（5%、10%、20%）条件下，随着接种量的增加，重金属Zn、Cd、Cu、Pb的去除率也随之增加，在接种量为5%时，Zn、Cd、Cu、Pb的去除率分别为46.0%、54.6%、13.9%和30.5%，而在接种量为20%时，相应去除率分别达到了72.0%、79.6%、29.0%和65.4%。从这些研究可以看出，适当提高接种量对提高微生物淋滤的效果具有积极的意义，当培养基质不同时，污泥的最佳接种量也有所不同。

4.5其它

除了上述影响因素外，还有针对其它因素影响微生物淋滤效果的研究［32］。黄峰源等［33］发现嗜酸性氧化硫硫杆菌在28～32℃时发育良好，当温度为28℃，菌体的生长状况最好，pH值的下降速率最大。王电站等［34］采用的是好氧嗜酸性硫杆菌进行微生物淋滤试验，发现必须保证一定的DO浓度，微生物淋滤过程才能顺利地进行。Chen等［35］研究表明pH值是影响微生物淋滤过程中重金属溶解的首要因素；当pH值为一定限值时，各种重金属都会发生有效的增溶；同时，pH值过低会抑制微生物淋滤细菌的生长。S.O.Rastegar等［36］发现Fe3+对Cr和Ni的微生物淋滤具有促进作用。邬思丹等［37］通过用表面活性剂Tween-80来驯化培养硫杆菌，发现Tween-80能促进硫细菌对硫的利用；当投加量为6.0g/L，硫的氧化效率最高。此外，污泥类型和固体浓度［38］、微生物种类［39］、初始pH值［40］等均对微生物淋滤效果有影响。

5　结语与展望

现阶段人们对微生物淋滤技术的研究只限于少数几种条件下的处理效果，然而微生物淋滤的影响因素有很多，想要进一步提高其淋滤效率，还需要综合考虑各方面的因素，进一步优化微生物淋滤的运行条件。同时，如何缩短微生物淋滤的时间、加快微生物增殖的速度、高效环保地处理微生物淋滤后的重金属液等都是未来的研究方向。

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Removal of heavy metals from municipal sludge by bioleaching

KANG De-jun，KUANG Shuai，TANG Hong，XIE Dan-yu，SUN Jian，JIANG Xue
（College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

Heavy meta1s is the biggest obstac1e to s1udge 1and uti1ization，to effective1y remove heavy meta1s from s1udge has become the key point of s1udge reuti1ization.Bio1eaching，as an efficient，1ow-cost，and green method for s1udge heavy meta1s processing，has showing its broad app1ication prospect.Through an overview of the advantages and disadvantages of heavy meta1s remova1 techno1ogy，the superiority of bio1eaching techno1ogy and its performance for heavy meta1s removing were ana1yzed，the foreground and deve1opment direction of bio1eaching techno1ogy were prospected.

bio1eaching；municipa1 s1udge；heavy meta1s；remova1 mechanism；inf1uencing factor

X703.1

A

1009-2455（2016）03-0011-05

康得军（1981-），男，湖北十堰人，讲师，硕士生导师，主要从事水处理理论与技术研究，（电子信箱）djkang@fzu.edu. cn。

2016-01-23（修回稿）