不同能源物质配合及化学强化对生物沥浸法提高城市污泥脱水性能的效果

第29卷第5期2009年5月环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiaeVo.l29,No.5May,2009:国家高技术研究发展计划(863)项目(No.2006AA06Z314);国家自然科学基金项目(No.20377023)SupportedbytheNationalHigh2TechResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2006AA06Z314)andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.20377023):刘奋武(1984)),男;*(),E2mai:[e-mail]:LIUFenwu(1984)),male;*Correspondingauthor,E2mai:[e-mail]刘奋武,周立祥.2009.不同能源物质配合及化学强化对生物沥浸法提高城市污泥脱水性能的效果[J].环境科学学报,29(5):974-979LiuFW,ZhouLX.2009.EnhancingdewaterabilityofmunicipalsewagesludgethroughthecombinedapproachesofbioleachingandFentonreaction[J].ActaScientiaeCircumstantiae,29(5):974-979,*南京农业大学资源与环境科学学院环境工程系,南京210095:2008208228:2009203225:采用复合硫杆菌和不同能源物质配比,通过序批式摇瓶实验,研究了城市污泥生物沥浸处理效果特别是对脱水性能的影响.分析了以不同比例添加底物Fe2+与S0条件下,城市污泥沥浸系统中pH、Fe2+、Fe3+,污泥脱水性能(污泥比阻C和毛细吸水时间CST)的变化情况.并在此基础上,研究了对生物沥浸处理后污泥采用Fenton试剂化学强化处理对污泥脱水性能的影响.结果表明,当S0的添加量为2g#L-1,Fe2+的添加量大于1g#L-1时,采用1B1回流比,在2.0~2.5d均可以完成生物沥浸过程.生物沥浸中复合能源物质的加入对城市污泥脱水性有重要的促进作用.在投加2g#L-1S0的同时,投加4~6g#L-1的Fe2+,处理后污泥的脱水性提高8~10倍.对生物沥浸后污泥进行Fenton试剂化学强化处理,可进一步使污泥的脱水性提高50%.生物沥浸和Fenton试剂联合处理方式,可使污泥的脱水性提高18倍.这对污泥高干度脱水和污泥减量化有重要的实用价值.:城市污泥;生物沥浸;Fenton试剂;脱水性能:025322468(2009)052974206:X703:AEnhancingdewaterabilityofmunicipalsewagesludgethroughthecombinedapproachesofbioleachingandFentonreactionLIUFenwu,ZHOULixiang*DepartmentofEnvironmentalEngineering,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095Received28August2008;accepted25March2009Abstract:Theeffectivenessofmunicipalsludgebioleachingonenhancingsludgedewaterabilitywereinvestigatedthroughbatchexperimentswithco2inoculationoftwoacidophilicthiobacilli(AcidithiobacillusthiooxidansTS6andA.ferrooxidansLX5)andtheadditionoftwoenergysubstrates(Fe2+andS0)indifferentratios.Duringsludgebioleaching,dynamicchangesofpH,Fe2+,Fe3+anddewaterability(expressedasspecificresistanceCorCapillarySuctionTimeCST)ofmunicipalsludgeweremonitored.Furthermore,trialsontheFentonreactioncseffectonthedewaterabilityofbioleachedsludgewerealsoconductedinthisstudy.Resultsshowedthatthebioleachingprocesswasfinishedin2.0~2.5days(pH2.00)withtheadditionof2g#L-1S0andmorethan1g#L-1Fe2+anda1B1recyclingratioofrawsludgetobioacidifiedbioleachedsludge.Co2additionofFe2+andS0tothebioleachingsystemmarkedlyenhancedthedewaterabilityofmunicipalsludge.Forexample,sludgedewaterabilityincreased8~10foldafterbioleachingwhen2g#L-1S0and4~6g#L-1Fe2+wereaddedintorawsludge.Thedewaterabilityofbioleachedsludgecouldbeincreasedby50%ifFentoncsagentwasincorporatedintobioleachedsludge.CombiningbioleachingandtheFentonreactioninmunicipalsludgetreatmentledtoan182foldincreaseinsludgedewaterabilityoverrawsludge.Keywords:municipalsludge;bioleaching;Fenton.sreagent;dewaterability1(Introduction)目前普遍采用的城市污泥脱水工艺是在液态污泥中添加聚丙烯酰胺(PAM)等絮凝剂后进行机械脱水,使其成为含水量为80%~85%的脱水污泥,脱水污泥高水分含量不但造成污泥体积庞大,5期刘奋武等:不同能源物质配合及化学强化对生物沥浸法提高城市污泥脱水性能的效果而且严重影响污泥的后续处置或资源化利用(周立祥,2007).加之污泥中还存在有重金属等有害物质.因此,城市污泥减量化和无害化一直是污泥处理处置的重要任务也是亟待解决的难题.近10多年来,人们发现利用嗜酸性硫杆菌的生物氧化作用和酸化作用发展起来的生物沥浸技术(Bioleaching)可有效去除污泥中重金属(Tayg,i1992;周立祥等,2004a)、消除恶臭和杀灭病原菌(郑冠宇等,2007),是一种污泥无害化新技术.不仅如此,我们还发现,在制革污泥生物沥浸处理中,该方法还兼有促进污泥的浓缩和改善脱水性能的明显功效,可不加任何絮凝剂而机械脱水至污泥含水率60%左右(周立祥等,2004;王电站等,2006;陈浩等,2007).由于城市污泥与制革污泥的理化性质差异较大,最近我们发现,生物沥浸处理对城市污泥脱水性能的改善远不如制革污泥,而且在某些情况下,生物沥浸处理后城市污泥的脱水性反而比处理前的污泥差(宋兴伟和周立祥,2008).例如,笔者发现,当利用氧化亚铁硫杆菌A.ferrooxidansLX5单一菌对城市污泥进行生物沥浸处理,虽然沥浸后污泥的脱水性能得到一定程度的改善,但在沥浸后期,污泥体系的pH下降速度缓慢,影响到处理效率.而采用氧化硫硫杆菌A.thiooxdansTS6进行生物沥浸时,虽然污泥体系pH下降速度较快,但是该过程不利于污泥的脱水,甚至沥浸后污泥的脱水性能较原始污泥反而变差(宋兴伟和周立祥,2008).为进一步提高生物沥浸处理法对城市污泥脱水性能改善效果,本研究拟采用A.thiooxidansTS6和A.ferrooxidansLX5复合硫杆菌处理城市污泥,深入研究能源物质的不同组合对脱水性能的影响,并在此基础上,研究Fenton试剂强化措施提高生物沥浸处理后城市污泥的脱水性,以期为城市污泥生物沥浸法处理的工程化应用提供技术支撑.2(Materialsandmethods)2.1供试污泥与接种物的制备供试污泥:采自苏州某污水处理厂的污泥浓缩池,该污水处理厂的污水处理工艺采用氧化沟法处理,污泥未经厌氧或好氧消化处理.液态污泥采回后,保存于聚乙烯塑料桶中,并置于4e冰箱保存备用.该液态污泥基本性质为:pH6.54,有机质5013%,含固率3.29%,密度1.02g#cm-3,污泥比阻(C)3.28@1013m#kg-1,污泥毛细吸水时间(CST)71.1s.接种物的制备按参考文献(周立祥,2004a)进行.主要微生物由氧化硫硫杆菌A.thiooxdansTS6,氧化亚铁硫杆菌A.ferrooxidansLX5组成.2.2生物沥浸试验及配合化学强化处理试验不同能源物质配比的多批次生物沥浸试验:在250mL三角瓶中,将15mL已驯化好接种污泥接入135mL新鲜的城市污泥中,分别按相应的设计比例加入能源物质S0与Fe2+,S0的添加量设置1g#L-1、2g#L-1两个水平,Fe2+的添加量设置0、1g#L-1、2g#L-1、3g#L-1、4g#L-1、6g#L-16个水平,将两种能源物质不同水平进行两两配合,共设置12个处理,每个处理3个重复,三角瓶置于28e往复式摇床(180r#min-1)中振荡培养.待污泥pH下降到2左右时,结束处理.将生物沥浸后的酸化污泥与新鲜原始污泥按1B1比例混合,继续进行第二批次生物沥浸试验,能源物质配比和其他条件均保持不变.按同样的方法继续进行第三批次的生物沥浸试验.每12h采取称重法补充蒸发的水分,同时测定各批次生物沥浸过程中污泥pH.并重点对第三批沥浸后的污泥进行沉降性能,脱水性能(以比阻C和毛细吸水时间CST衡量)测试,以及对部分处理进行相应的Fe2+、Fe3+、总Fe和测定.生物沥浸后的污泥的化学强化处理试验:为进一步提高生物沥浸后污泥的脱水性,在试验结束后的部分沥浸污泥中加入少量Fenton试剂,以观测Fenton试剂对污泥脱水性能的影响.试验设计3个处理:¹原始污泥(对照);º原始污泥+Fenton试剂;»生物沥浸处理后污泥+Fenton试剂.生物沥浸处理污泥选择能源物质配比为2g#L-1的S0+4g#L-1的Fe2+,以及2g#L-1的S0+6g#L-1的Fe2+的两种处理的污泥为材料.Fenton试剂的加入方法为:在50mL原始污泥或生物沥浸污泥中,按6g#L-1加入Fe2+(FeSO4.7H2O形式),和按质量体积比为0.4%的量加入体积浓度为30%的H2O2,在磁力搅拌仪上中速充分搅拌反应3min,测定反应后污泥的比阻C.2.3测定方法采用pHS23C精密pH计(上海雷磁厂)测定污泥的pH值;沥浸体系中的Fe2+、Fe3+、总Fe的测定按参考文献(宋兴伟和周立祥,2008)进行,即首先将待分析的污泥在12000r#min-1下离心15min,0145Lm滤膜过滤进行固液分离,获取沥浸液样,然975环境科学学报29卷后用邻菲罗啉分光光度法测定(鲍士旦,2000).污泥的比阻C采用采用布氏滤斗2真空抽滤法测定(周立祥,2007;宋兴伟和周立祥,2008).污泥毛细吸水时间CST(指污泥中的水分在特制的滤纸上渗透1cm距离所需要的时间,用s表示)采用CST测定仪(TYPE304M,英国Triton公司)测定.污泥沉降性能