以悬挂硫填料形式供应底物的生物沥滤方法

摘要

本发明公开了以悬挂硫填料形式提供底物，通过硫氧化菌的生物沥滤去除污泥中重金属的方法。生物沥滤是一种通过硫细菌产酸作用溶出污泥中重金属而实现其无害化的技术。污泥中硫细菌生存适应能力强，繁殖快，能快速启动沥滤重金属，沥滤效率高、时间短。以悬挂硫填料形式供应污泥中硫细菌所需的底物，能够充分实现硫的高效利用而且剩余硫的便捷回收，大大降低经济成本，而且污泥pH降低较为迅速，实现了污泥重金属大量溶出的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以悬挂硫填料形式供应底物的生物沥滤方法。

背景技术

城市污水处理厂的剩余污泥产量巨大，如何合理处理与处置剩余污泥成为一个非常严峻的问题。根据我国国情，最为经济可行的污泥资源化途径为土地利用，然而，城市污水处理过程中大量的重金属积累在污泥中而限制了污泥的土地利用。城市污水处理厂的生污泥性质很复杂，徐颖对其主要性状进行了总结描述^[1]。生物沥滤是近几年污泥重金属无害化的研究热点，它利用污泥中的土著微生物产酸作用将污泥中重金属溶出而达到污泥脱毒的目的。其操作简单、经济成本较低，且重金属去除效率高，运行过程中无需特殊控制，系统在10-37℃范围内均能沥滤金属，而且任何类型污泥都能用此法沥滤金属，具有很好的开发应用前景。而生物沥滤主体微生物是硫细菌，不同种类的硫细菌所利用的底物不尽相同。其中以单质硫为底物的硫细菌，增值条件要求较低，生物沥滤效率高，而且所需的底物硫容易保存和运输，并可和已有的好氧污泥消化法相结合，能充分利用已有运行设施，降低操作成本和基建费，所以日益受到关注。

生物沥滤反应器有多种形式，一般为圆柱形，总的来说按充氧方式不同分两类，一类为反应器进行连续搅拌充氧，这类反应器的高径比值不大^[2]；而另一类的高径比值较大，通常为底部设有连接空压机的曝气头以进行充氧^[3]。

硫细菌所需底物为单质硫，即通常所称的硫磺，该原料来源广泛，成本较低。然而，如果生物沥滤过程种硫使用量过高，势必影响该工艺的工程应用，因此如何更经济高效的利用硫成为一个重要的限制因素。传统的单质硫投加方法是以粉状形式加入到反应器中，虽然生物沥滤的效果好，但是却造成多余硫的浪费和剩余硫对污泥后继处理的不利影响。将单质硫制作成固体形式且以悬挂方式置于反应器中，是一种为污泥中硫细菌供应底物的新思路，可以更为经济高效的利用单质硫，从而进一步提高生物沥滤工艺的经济可行性。

参考文献：

[1]徐颖.污泥用作农肥处置及其环境影响.环境污染与防治，1993，15(8)：23-27

[2]Filali-Meknassi Y，Tyagi R D，Narasiah K S.Simultaneous sewage sludgedigestion and metal leaching：effect of aeration.Process Biochemistry，2000，36：263-273

[3]Benmoussa H，Tyagi R D，Campbell P G C.Simultaneous sewage sludgedigestion and metal leaching using an internal loop reactor.Water Research，1997，31(10)：2638-2654

发明内容

本发明目的是为了克服粉状硫投加方式的不足，提供一种以悬挂硫填料形式供应底物的生物沥滤方法。该方法不仅可以有效降低硫的消耗量，而且避免生物沥滤后过多的剩余硫混杂在处理污泥中而对污泥后继处理产生不利影响。

它是将硫填料悬挂固定于生物沥滤反应器中，然后注入生物沥滤反应器有效容积的1/2-3/5的城市污水处理厂生污泥，生物沥滤反应器底部曝气充氧，按生污泥的2-5％体积比接种入硫细菌液，污泥中的硫氧化菌利用悬挂硫为底物，即可进行污泥中重金属生物沥滤。

硫填料的制作方法为：将单质硫在高温120-150℃熔化，然后将其浇注于模具中，在模具中设有纵向轴线的绳索，冷却即可。

硫细菌液的制备方法为：取150-200mL生污泥于500mL锥形瓶中，加入硫粉重量/污泥体积等于5-10g/L的硫粉，在100-200r/min，25-28℃下振荡培养，直至污泥pH降至2.0以下，获得第一轮混合菌液；取已培养好的5-10％体积比的第一轮混合菌液，加到150-200mL生污泥中，加入硫粉重量/污泥体积等于5-10g/L的硫粉，振荡培养，pH降到2.0以下，获得第二轮混合菌液；取已培养好的5-10％体积比的第二轮混合菌液，加到150-200mL生污泥中，加入硫粉重量/污泥体积等于5-10g/L的硫粉，振荡培养，pH降到2.0以下，获得硫细菌液。

本发明的有益效果是，硫填料以悬挂形式置于反应器中，可以较好的利用硫，传统底物形式(即硫粉投加)因重力沉降以及搅拌强度不足而沉积于反应器底部，从而影响污泥中重金属的溶解，并且造成单质硫的严重浪费。而根据此方法可以大大节约单质硫的用量并且不会造成硫沉积的问题。

具体实施方式

本发明提出，单质硫以悬挂形式置于生物沥滤反应器中，可以实现污泥中硫氧化菌对其的利用，从而产生硫酸降低污泥pH而将污泥中重金属溶出达到无害化的目的。并可有效回收单质硫。

本发明采用上述方法处理城市污水剩余生污泥操作方法如下：

1)硫细菌接种液的培养和硫填料的制作：

取150-200mL生污泥于500mL锥形瓶中，加入硫粉重量/污泥体积等于5-10g/L的硫粉，在100-200r/min，25-28℃下振荡培养，直至污泥pH降至2.0以下，获得第一轮混合菌液；取已培养好的5-10％体积比的第一轮混合菌液，加到150-200mL生污泥中，加入硫粉重量/污泥体积等于5-10g/L的硫粉，振荡培养，pH降到2.0以下，获得第二轮混合菌液；取已培养好的5-10％体积比的第二轮混合菌液，加到150-200mL生污泥中，加入硫粉重量/污泥体积等于5-10g/L的硫粉，振荡培养，pH降到2.0以下，获得硫细菌液。将单质硫在150℃下熔化，使其固定成硫填料。

2)悬挂硫填料的生物沥滤反应器运作：

所采用的生物沥滤反应器为圆柱形，高为47cm，底部半径为4.5cm，总容积为3L，沿生物沥滤反应器高度顺次设置4个取样口，间距为10cm。按照硫填料与生物沥滤反应器内生污泥体积比为1∶20进行。将硫填料悬挂于生物沥滤反应器中，装入生污泥，并按接种液与生污泥体积比2-5％将硫细菌接种液加入生物沥滤反应器中。生物沥滤反应器底部设有曝气头，连接空压机进行曝气充氧。生物沥滤反应器采用的曝气量为每分钟空气体积与生污泥体积比值0.05-0.15。污泥取样后通过离心进行固液分离，测定污泥pH、氧化还原电位(ORP)、SO₄^2-以及上清液中溶解的重金属含量。

实施例1

本试验是小试规模的污泥重金属生物沥滤。所采用剩余生污泥的初始性质如下：pH值6.86，SS 9.2g/L，SO₄^2-456.7mg/L，Cu 243.8mg/kg干污泥，Zn 2935.5mg/kg干污泥。

(1)生物沥滤反应器配置以及硫填料安装：将硫粉在150℃烘箱内加热45min，熔融后快速倒入模具(塑料轴线纵向穿出)，待其冷却凝固后，即成硫填料。然后取5个硫填料连接成串状，顶端固定于反应器的上部，悬挂于反应器中。将2.5L生污泥装于反应器中，同时按体积比2％接种量加入培养的混合硫细菌液。生物沥滤反应器由有机玻璃制成，通过微孔曝气头在底部进行充氧，空气流量为每分钟空气体积与生污泥体积比值0.15。

(2)悬挂硫填料反应器对重金属生物沥滤情况：运行温度为常温，变动范围在11-19℃，经过19天运行达到较好的重金属溶出效果。反应器内污泥pH值由起始的6.86逐渐降低，第11天和15天分别为4、2.5，19天pH值最终降至2.3；污泥中的SO₄^2-浓度则从最初的几百mg/L升至最终的6598.5mg/L，这可以较好反映出污泥中硫氧化菌对悬挂于反应器中硫填料的利用情况。污泥中Cu和Zn从污泥中溶出效率，即Cu和Zn的去除率可分别达到72.6％和81.3％。为考察硫填料在污泥中受曝气冲刷的坚固情况，即是否会在运行过程中出现脱落而造成硫在反应器底部的沉积，运行结束后，将悬挂的硫填料取出，从反应器取样口缓慢放出反应器内污泥，结果底部没有出现硫沉积现象，说明该硫填料具有较好耐冲刷能力。

通过该小试试验证明，这种悬挂供硫方式能较好保证污泥中重金属的去除效果并能有效利用硫，降低硫消耗量，是一种生物沥滤反应器底物供应的可行途径。

实施例2

本试验利用容积为3L的生物沥滤反应器进行。所采用剩余生污泥的初始性质如下：pH值7.52，SS 20.2g/L，SO₄^2-348.1mg/L，ORP：-45mV，Cu290.4mg/kg干污泥，Zn 3687.4mg/kg干污泥。

(1)生物沥滤反应器配置以及硫填料安装：将硫粉在150℃烘箱内加热45min，熔融后快速倒入模具(塑料轴线纵向穿出)，待其冷却凝固后，即成硫填料。然后取5个硫填料连接成串状，顶端固定于反应器的上部，悬挂于反应器中。将2.5L生污泥装于反应器中，同时按体积比5％接种量加入培养的混合硫细菌液。生物沥滤反应器由有机玻璃制成，通过微孔曝气头在底部进行充氧，空气流量为每分钟空气体积与生污泥体积比值0.05。

(2)悬挂硫填料反应器对重金属生物沥滤情况：运行温度变动范围在16-23℃，经过16天运行达到较好的重金属溶出效果。反应器内污泥pH值由起始的7.52逐渐降低，生物沥滤结束后污泥的pH值降至2.17；污泥的ORP从开始的-45mV线性上升，16天时为511mV；污泥上清液中SO₄^2-浓度从最初的348.1mg/L升至最终的7430.3mg/L；污泥中Cu和Zn从污泥中溶出效率，即Cu和Zn的去除率可分别达到76.2％和75.1％。