城市污水污泥中重金属的生物沥滤技术试验研究

摘要

随着我国城市化进程的加快，各城市(城镇)污水处理厂相继建成，大大减轻了城市生活污水和工业废水对水环境的污染。但是，城市污水处理率的提高也带来了新的问题，即城市污水污泥如何安全处理和处置。一方面，城市污泥中含有丰富的氮、磷、钾和有机质等植物性营养元素，是很好的肥源和良好的土壤改良剂，具有广阔的资源化农用前景。而另一方面，城市污泥中存在的高浓度有毒有害重金属元素，则严重制约了城市污泥资源化农用。在我国由于城市污水处理工艺、城市污水性质和城市经济类型的差异，使得我国多数城市污水厂的剩余污泥中的Cu、Zn等重金属元素普遍超过《农用污泥污染物控制标准》GB4248-84的相关标准，因此，采取有效的措施对城市污泥中高浓度重金属的生物毒性和含量加以控制显得十分迫切和必要。
　　 针对这一课题，不少学者提出一些新颖的城市污泥中重金剔除技术和方法，其中生物沥滤技术被众多学者誉为城市污泥的绿色洁净化技术，其处理成本较低、处理效果好、易于大规模推广等特点，成为当前污泥(沉积物)中重金属污染治理的热点。目前，对于生物沥滤法去除污泥中重金属的研究仍以纯菌种的玻皿实验为主，而对该技术的工程应用时的实际情况缺乏系统研究。因此，从生物沥滤的工程应用角度出发，按工程化运行特点对这一技术进行全面研究显得十分重要。
　　 本文以桂林城市污水处理厂的剩余污泥为研究对象，以有效去除和降低城市污泥中高浓度重金属含量和生物毒性为目标，在研究氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)和氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)两类沥滤微生物的生长特征基础上，从生物沥滤装置的选择、工艺流程的设计、沥滤运行参数优选、沥后污泥潜在生物毒性评价等几个方面对工程中应用生物沥滤技术这一课题进行了系统地研究。
　　 本文对桂林城市污水污泥成分进行详细分析，得出桂林城市污泥有机质和总养分分别为426g/kg和99.1g/kg，具有较高的农用价值。污泥中Cu、Zn、Cd含量超过我国污泥农用的相关标准，是研究生物沥滤去除的主要对象。采用Tessier连续提取法对污泥中重金属化学形态进行了分析，污泥中Cu、Pb、Ni、Cr主要以稳定性较好的硫化物及有机结合态(Organ)和残渣态(Resd)形式存在，Zn和Cd以不稳定态形式存在为主，污泥中各重金属的潜在生物有效性强弱为：Cd＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞Cr。
　　 为提高生物沥滤技术去除城市污泥重金属的工程应用价值，本研究在分析我国中小城镇污水处理厂现有污水污泥处理设施完善程度的基础上首次提出了采用序批式生物反应器为沥滤主体构筑物的生物沥滤除污泥重金属工艺。
　　 文中对分别采用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌进行生物沥滤的各主要影响因素进行了研究，确定了以二沉池出泥(剩余污泥)为沥滤对象时的生物沥滤各运行参数。其中氧化亚铁硫杆菌沥滤体系的最佳运行条件为：底物投加量10g/L、温度25℃、曝气强度0.4L/(min·L)、接种量为30％。氧化硫硫杆菌沥滤体系的最佳运行条件为：底物投加量3g/L、硫颗粒平均粒径165um、温度20～30℃、曝气强度1.0 L/(min·L)、接种量10％。并对两嗜酸菌沥滤在最佳运行条件下的工程运行周期进行了分析，确定氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌沥滤体系的适宜运行周期和多批次运行的稳定性进行了分析，表明此两沥滤体系的最佳运行周期为2天和3天，经多批次运行时污泥的酸化和重金属去除效果较好且运行稳定。
　　 为了解嗜酸微生物的微观生长特征，研究以桂林城市污泥为培养介质，经多次富集纯化得到污泥土著氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌，并根据嗜酸菌生长及代谢底物特点，引入Michaelis-Menten方程，推导出嗜酸菌的生长动力学方程。得到氧化亚铁硫杆菌生长动力学参数Ks=13.763g/L，μm=0.169 h-1；氧化硫硫杆菌的生长动力学参数Ks=1.836 g/L，μm=0.075 h-1。
　　 为研究沥滤过程中污泥中重金属迁移及各化学形态释放特征，对沥滤过程中污泥中重金属的含量和化学形态进行了分析，结果表明经过生物沥滤处理后，污泥中主要高浓度重金属Cu、Zn和Cd的残余浓度均符合《农用污泥污染物控制标准》GB4248-84的相关标准，沥滤后污泥中Cu，Zn和Cd均能以化学性质较稳定的硫化物及有机物结合态(Organ态)和残渣态(Resd态)形式存在，并对Cu、Zn、Cd的各化学形态在沥滤体系中的释放能力进行分析研究。
　　 采用了当前较为先进的沉积物质量基准法(SQGs)和Hakanson指数法对沥滤前后污泥中重金属的潜在生物毒性进行了定性和定量的评价，结果表明A.ferrooxidans菌对Cu、Cd的脱毒作用强于A.thiooxidans菌；沥滤前、后污泥中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni的潜在生态危害性强弱表现为：Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb＞Cr和Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Ni＞Cr。沥滤后污泥的综合潜在生态危害指数下降91.0％以上，且A.ferrooxidans菌沥后污泥的潜在生物毒性最弱，其综合潜在生态危害指数为84.75，是生物沥滤去除城市污泥重金属工程应用的适合菌种。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1我国城市污泥处置现状

1.2污泥的最终处置技术

1.2.1传统的污泥处置技术

1.2.2污泥的综合利用新技术

1.3我国污泥处置适用技术

1.3.1我国污泥处置使用技术分析

1.3.2污泥的土地资源利用技术概况

1.4城市污泥重金属控制技术现状

1.4.1污泥中重金属的稳定化技术

1.4.2污泥中重金属的去除技术

1.5微生物沥滤技术概述

1.5.1微生物沥滤中的主要微生物及生物学特性

1.5.2生物沥滤机理

1.5.3影响生物沥滤的因素

1.5.4微生物沥滤技术的应用研究

1.6课题研究背景和意义

1.7课题来源、研究目的与内容

2城市污水污泥性质分析

2.1概述

2.2城市污泥种类及组分

2.2.1城市污泥分类及性质

2.2.2城市污泥营养组分及污染物质

2.3桂林城市污泥性质分析

2.3.1材料及方法

2.3.2结果与讨论

2.4本章小结

3氧化亚铁硫杆菌沥滤城市污泥重金属的试验研究

3.1概述

3.2氧化亚铁硫杆菌生物学特征和沥滤机理分析

3.3试验材料和方法

3 3.1污泥样品

3.3.2试验工艺和装置

3.3.3试验方案设计

3.3.4分析方法及仪器设备

3.4试验结果与分析

3.4.1污泥浓度对A.ferrooxidans菌沥滤过程的影响

3.4.2底物投加量对A.ferrooxidans菌沥滤过程的影响

3.4.3温度对A.ferrooxidans菌沥滤过程的影响

3.4.4曝气强度对A.ferrooxidans菌沥滤过程的影响

3.4.5接种量对A.ferrooxidans菌沥滤过程的影响

3.4.6优化运行条件下周期及稳定性分析

3.5本章小结

4氧化硫硫杆菌沥滤城市污泥重金属的试验研究

4.1概述

4.2氧化硫硫杆菌生物学特征和沥滤机理分析

4.3试验材料和方法

4.3.1污泥样品

4.3.2试验工艺和装置

4.3.3试验方案设计

4.3.4分析方法及仪器设备

4.4试验结果与分析

4.4.1污泥浓度对A.thiooxidans茵生物沥滤过程影响

4.4.2底物投加量对A.thiooxidans菌生物沥滤过程影响

4.4.3硫颗粒粒径对A.thiooxidans菌生物沥滤过程的影响

4.4.4温度对A thiooxidans菌生物沥滤过程的影响

4.4.5曝气强度对A.thiooxidans菌生物沥滤过程的影响

4.4.6接种量对A.thiooxidans菌生物沥滤过程的影响

4.4.7优化运行条件下运行周期及稳定性分析

4.5本章小结

5生物沥滤嗜酸微生物的生长动力学研究

5.1概述

5.2微生物的生长特征

5.2.1单一细胞生长特征

5.2.2生长速率

5.2.3世代时间

5.3实验材料和方法

5.3.1培养基

5.3.2菌种

5.3.3分析方法及仪器设备

5.4实验结果

5.4.1氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)培养实验

5.4.2氧化硫硫杆菌(A.thiooxidans)培养实验

5.5沥滤微生物生长动力学模型建立

5.5.1 Michaelis-Menten方程的引入

5.5.2沥滤微生物生长动力学方程推导

5.5.3 A.frrooxidans菌生长动力学方程参数求解

5.5.4 A.thiooxidans菌生长动力学方程参数求解

5.6本章小结

6沥滤污泥中重金属形态分析及生态危害评价

6.1概述

6.2材料及方法

6.2.1试验污泥

6.2.2污泥样品处理

6.2.3分析方法和仪器

6.3结果与讨论

6.3.1重金属化学形态变化分析

6.3.2重金属化学形态沥滤能力分析

6.3.3沥滤微生物胞外聚合物内重金属累积特征分析

6.3.4生物沥滤污泥中重金属潜在生物毒性风险评价

6.4本章小结

7结论与建议

7.1主要结论

7.2后续研究工作的建议

致 谢

参考文献

附 录