1 引言
截至2014年3月底，全國累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠3622座，污水處理能力達到1.53億m3 · d-1，其中，含水率80%污泥的年產(chǎn)生量近4000萬t.與傳統(tǒng)污泥調(diào)理方式相比，生物瀝浸不僅能去除污泥中的重金屬、病原菌和惡臭、而且不需額外添加絮凝劑就能使污泥機械脫水后的含水量降至60%以下.2010年以來，生物瀝浸技術逐漸走向工程化應用，但目前關于生物瀝浸提高污泥脫水性能的機制尚不十分清楚.近年來，人們對生物瀝浸提高污泥脫水性能的研究主要集中在pH下降導致的酸化效應、Fe3+的絮凝作用上，但其仍不足以完全闡明生物瀝浸提高污泥脫水性能的機理.因為在沒有生物瀝浸微生物參與時，通過化學方法調(diào)節(jié)相同的酸度和Fe3+濃度，且其他條件完全一致的情況下，污泥脫水性能遠沒有生物瀝浸處理的效果好.
污泥中結合水含量是表征污泥可脫水程度的重要指標，其相對自由水而言需要消耗較多的能量才能去除，因此，結合水是限制污泥脫水的直接因素.但污泥中的結合水主要來源于胞外聚合物(EPS)束縛的結合水和微生物細胞束縛的細胞內(nèi)結合水，因此，我們推測微生物菌群和EPS對污泥的脫水起著關鍵作用.雖然有不少學者對EPS在污泥脫水和絮凝沉降方面做了大量研究，但這些研究結果往往是矛盾的.例如，Chen和Neyens研究發(fā)現(xiàn)，污泥中過多的EPS是不利于污泥脫水的，但和Jin卻都發(fā)現(xiàn)EPS有利于污泥脫水.同時，在污泥生物瀝浸過程中，化能自養(yǎng)的硫桿菌和異養(yǎng)微生物菌群的數(shù)量變化，以及EPS的變化及其與污泥脫水性能的相互關系至今仍鮮見報道.為此，本研究試圖從微生物菌群數(shù)量變化及胞外聚合物(EPS)角度揭示生物瀝浸提高污泥脫水性能的深層機理，同時，通過考察剝離EPS后對污泥脫水性能的影響來進一步驗證EPS在生物瀝浸促進污泥脫水中的作用.
2 材料與方法
2.1 供試污泥
供試污泥為取自無錫太湖新城污水處理廠的濃縮池污泥，采集后立刻測定污泥pH、含固率、有機質(zhì)含量和污泥比阻，其基本理化性質(zhì)如下：pH=7.36，含固率為3.42%，有機質(zhì)含量為51.87%，污泥比阻為9.67×1012 m · kg-1.采集的污泥保存于4 ℃冰箱中，待用.
2.2 污泥生物瀝浸酸化接種液的制備
接種物的制備：按參考文獻方法進行，將本研究組以前分離的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌Acidithiobacillus ferrooxidans LX5(A. ferrooxidans LX5)和氧化硫硫桿菌Acidithobacillus thiooxidans TS6(A. thiooxidans TS6)純菌株分別接種到150 mL的SM液體培養(yǎng)基和改進型9K液體培養(yǎng)基中，置于28 ℃往復式搖床(180 r · min-1)中擴大培養(yǎng)，直至菌體細胞數(shù)量達約108 cells · mL-1，保存?zhèn)溆?然后在500 mL的三角瓶中加入75 mL A. ferrooxidans LX5、75 mL A. thiooxidans TS6和150 mL原始污泥，置于28 ℃往復式搖床(180 r · min-1)中馴化培養(yǎng)，直至pH降到2.00，重復2次，得到的酸化污泥即為經(jīng)過馴化后的用于生物瀝浸試驗的接種液.
2.3 城市污泥生物瀝浸試驗
在一系列含有270 mL原始污泥的500 mL三角瓶中，根據(jù)供試污泥體積量按10 g · L-1添加微生物復合營養(yǎng)劑(主要含N、P、Ca、Mg、S、Fe、Si、有機酸、維生素等)，并接種30 mL上述酸化接種液作為生物瀝浸處理，微生物復合營養(yǎng)劑的配置參考文獻;以只加入30 mL與酸化接種液同pH的污泥作為對照處理.每種處理均設置3個重復，置于28 ℃、180 r · min-1往復式搖床中培養(yǎng)，分別在第0、1、2、3、4、5、6 d時取樣測定污泥pH、異養(yǎng)菌數(shù)量、A. ferrooxidans LX5數(shù)量、A. thiooxidans TS6數(shù)量、胞外聚合物(EPS)、結合水和比阻(SRF)的變化.
2.4 剝離污泥EPS后對污泥脫水性能的影響
取原始污泥采用高速離心法剝離其中的EPS后，離心泥餅采用去離子水重新懸浮至原體積，混合均勻后測定去除EPS污泥的脫水性能(T4).同時，為了評估高速離心本身對污泥脫水性能的影響，使經(jīng)過離心后的污泥餅和含有EPS的離心上清液重新混合均勻后測定污泥的脫水性能(T3).最后同原始污泥(T1)和生物瀝浸2 d后的污泥(T2)進行脫水性能比較，以此來驗證EPS含量減少是否為生物瀝浸提高脫水性能的一個重要因素.
2.5 測定方法
采用pHS-3C型精密pH計測定溶液pH值;污泥EPS采用高速離心法(14000 g，4 ℃，20 min)提取與剝離，離心上清液采用3500 Pa的半透膜透析3 d(換5次去離子水)以去掉雜質(zhì)和小分子物質(zhì)，采用TOC測定儀(TOC-5000)測定EPS的含量;污泥結合水采用膨脹計法測定，膨脹指示劑為二甲苯，膨脹溫度為-20 ℃;污泥比阻采用布氏漏斗法測定;菌密度采用平板培養(yǎng)法測定，其中，污泥中異養(yǎng)菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基平板在28 ℃培養(yǎng)2 d后計數(shù)，A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6數(shù)量采用雙層平板法計數(shù).
2.6 統(tǒng)計分析
采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理，并用SAS 9.2軟件對整理的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.在方差分析后采用Student-Newman-Keuls(SNK)方法進行多重比較，標有相同字母的表示在0.05水平下沒有顯著性差異.
3 結果與討論
3.1 生物瀝浸中硫桿菌的大量生長對污泥中異養(yǎng)菌和EPS的影響
生物瀝浸中使用的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(A. ferrooxidans LX5)和嗜酸性氧化硫硫桿菌(A. thiooxidans TS6)均是化能自養(yǎng)微生物，其在生物瀝浸污泥中的變化如圖 1a所示.A. ferrooxidans LX5數(shù)量在生物瀝浸處理的前2 d由初始的2.21×106 CFU · mL-1顯著增加到4.78×108 CFU · mL-1，其后基本保持穩(wěn)定;而A. thiooxidans TS6數(shù)量在生物瀝浸處理1 d后開始顯著增加，由第1 d的2.56×106 CFU · mL-1顯著增加到第6 d的7.22×108 CFU · mL-1.這可能是由于A. thiooxidans TS6在氧化營養(yǎng)劑中的硫單質(zhì)前先要降低硫單質(zhì)的疏水性，這就導致了其數(shù)量的增長滯后于A. ferrooxidans LX5數(shù)量的增長.A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6通過利用介質(zhì)營養(yǎng)物大量增殖使污泥的pH顯著下降，生物瀝浸污泥pH從第0 d的4.62顯著下降至第4 d的1.97，其后基本穩(wěn)定在2左右，而原始污泥pH下降較為緩慢，僅由第0 d的6.61下降至第2 d的5.02，其后基本穩(wěn)定在5左右(圖 1b).外界pH的變化會導致污泥中固有異養(yǎng)微生物數(shù)量的變化，如圖 1c所示，原始污泥中的異養(yǎng)菌數(shù)量由初始的2.87×108 CFU · mL-1顯著下降至第2 d的7.06×107 CFU · mL-1，其后基本保持穩(wěn)定. 而生物瀝浸處理中，異養(yǎng)菌數(shù)量的下降尤為劇烈，從初始的2.65×108 CFU · mL-1顯著下降至第2 d的8.20×106 CFU · mL-1，其后基本保持穩(wěn)定.可見，生物瀝浸處理后污泥中的微生物菌群數(shù)量發(fā)生了顯著的變化，具體表現(xiàn)為A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6數(shù)量顯著增加和異養(yǎng)微生物數(shù)量顯著減少.
圖 1 生物瀝浸處理中污泥中氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌數(shù)量(a)、污泥pH(b)及污泥中異養(yǎng)菌數(shù)量(c)隨反應時間的變化
污泥中胞外聚合物(EPS)主要來源于微生物細胞的分泌和破裂釋放的內(nèi)含物.而在生物瀝浸過程中由于pH的劇烈變化，導致了生物瀝浸污泥中微生物菌群的劇烈變化，這就使得生物瀝浸污泥中的EPS含量從初始的28.18 mg · g-1(以VSS計，下同)顯著下降至第2 d的13.53 mg · g-1，然而過長時間的生物瀝浸處理使得污泥EPS的含量隨后顯著增加至第6 d的51.22 mg · g-1;原始污泥中EPS含量變化較為平緩，僅由初始的30.40 mg · g-1下降至第2 d的25.05 mg · g-1，隨后基本保持穩(wěn)定(圖 2).在生物瀝浸的前2 d內(nèi)，污泥中EPS含量顯著下降可能是由于在酸化作用下大量的EPS從污泥顆粒表面脫落和分解.再者，自養(yǎng)型硫桿菌本身分泌的EPS就比污泥中異養(yǎng)菌少得多，當硫桿菌逐漸占優(yōu)勢時，表現(xiàn)出污泥EPS就會明顯減少.但過長時間的生物瀝浸處理會使得污泥pH值長期處于2以下，此時會導致污泥中存活的微生物(主要為硫桿菌)分泌大量的EPS以保護自身細胞免受傷害，導致生物瀝浸后期污泥EPS含量的顯著增加.
圖 2 污泥中EPS含量隨反應時間的變化
3.2 污泥中微生物菌群數(shù)量和EPS的變化對污泥脫水性能的影響
污泥中的水分分布對污泥脫水性能具有直接的影響，而其中結合水含量是影響污泥脫水性能的決定性因素，這主要是由于相對自由水而言結合水的去除需要消耗較多的能.因此，測定污泥中結合水含量可以直接反映污泥的脫水性能.如圖 3所示，在生物瀝浸處理中，污泥結合水含量從初始的37.28%顯著下降至第2 d的21.20%，然而長時間的生物瀝浸反而使污泥結合水含量增加至第6 d的33.57%;而對照原始污泥在5 d的處理時間內(nèi)其結合水含量均是顯著高于生物瀝浸污泥中的結合水含量.
圖 3 污泥中結合水含量隨反應時間的變化
污泥比阻可以較好地反映污泥的脫水性能.如圖 4所示，原始污泥的比阻從初始的9.62×1012 m · kg-1下降至第2 d的2.33×1012 m · kg-1，其后基本保持穩(wěn)定;而生物瀝浸污泥的比阻從初始的5.14×1012 m · kg-1顯著下降至第2 d的6.92×1011 m · kg-1，隨后卻顯著上升至第6 d的6.65×1012 m · kg-1.可見污泥經(jīng)過2 d生物瀝浸后其脫水性能達到最佳，而過長時間的生物瀝浸卻是不利于再次提高污泥的脫水性能的.
圖 4 污泥比阻隨反應時間的變化
這可能是由于污泥中的EPS具有高度的親水性，且污泥中的結合水主要來源于EPS束縛的結合水和微生物細胞束縛的細胞內(nèi)結合水，而生物瀝浸污泥中異養(yǎng)微生物細胞數(shù)量和EPS含量在生物瀝浸的前2 d內(nèi)是顯著下降的(圖 1c、圖 2)，這就導致原本被EPS束縛的一部分結合水變成自由水;同時，EPS含量下降使得污泥顆粒表面的負電荷減少，并使污泥顆粒間的排斥力減弱，進而導致污泥顆粒易于成團聚沉;此外，由于生物瀝浸前期pH的劇烈下降使得大量的異養(yǎng)微生物細胞死亡破裂，進而釋放出細胞內(nèi)束縛的結合水，而以兩類硫桿菌為主的自養(yǎng)菌的大量生長可能會進一步破壞污泥原有的異養(yǎng)菌菌膠團結構，使其中的一部分結合水釋放出來，最終使得生物瀝浸污泥的脫水性能顯著提高.而過長時間的生物瀝浸處理使得污泥的pH低于2，長期過酸的外界環(huán)境使得污泥中存活的一部分微生物大量分泌EPS，這就導致了被EPS束縛的結合水含量顯著上升，最終導致污泥脫水性能惡化.因此，污泥中A. ferrooxidans LX5、A. thiooxidans TS6和異養(yǎng)微生物菌群數(shù)量的改變及EPS含量的減少是生物瀝浸提高污泥脫水性能的兩個重要因素.
3.3 剝離污泥中EPS后對污泥脫水性能的影響
為了進一步驗證EPS在生物瀝浸過程中的關鍵作用，分別對比了原始污泥(T1)、生物瀝浸2 d后污泥(T2)、剝離EPS的原始污泥(T4)的脫水性能;同時，為了評估高速離心剝離EPS時對污泥脫水性能的影響，將污泥經(jīng)過高速離心后的污泥餅與含有EPS的上清液重新混合均勻，其污泥(T3)比阻為9.25×1012 m · kg-1，與原始污泥(9.62×1012 m · kg-1)相比，兩者在統(tǒng)計學上是沒有顯著性差異.因此，高速離心本身對污泥脫水性能的影響是可以忽略的;而原始污泥去除EPS后的比阻為1.08×1012 m · kg-1，僅為原始污泥比阻的11.23%;無EPS污泥的比阻是生物瀝浸2 d后污泥的1.56倍，但兩者在統(tǒng)計學上沒有顯著性差異.這進一步驗證了EPS含量的減少是生物瀝浸提高污泥脫水性能的一個重要因素.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
圖 5 不同處理下污泥比阻的變化
4 結論
1)在污泥生物瀝浸過程中，由于A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6的大量生長，導致生物瀝浸污泥pH在處理的第2 d下降至2.47，使得污泥中異養(yǎng)微生物數(shù)量下降了兩個數(shù)量級.污泥中A. ferrooxidans LX5、A. thiooxidans TS6和異養(yǎng)微生物菌群數(shù)量的改變及pH的下降共同使得生物瀝浸污泥的胞外聚合物(EPS)含量在此時達到最低的13.53 mg · g-1.
2)污泥經(jīng)過生物瀝浸處理2 d后，污泥中微生物菌群數(shù)量的改變和EPS含量的減少均有助于污泥中結合水含量減少至最低的21.20%，此時污泥的比阻達到最低的6.92×1011 m · kg-1.因此，污泥中A. ferrooxidans LX5、A. thiooxidans TS6和異養(yǎng)微生物菌群數(shù)量的改變及EPS含量的減少是生物瀝浸提高污泥脫水性能的兩個重要因素.
