CN103274575B

CN103274575B - 一种高效净化城市污泥重金属的方法

Info

Publication number: CN103274575B
Application number: CN201310099991.9A
Authority: CN
Inventors: 陈丽璇; 陈菲; 蔡晓东; 陈淳
Original assignee: SUBTROPICAL CROPS INSTITUTE OF FUJIAN PROVINCE
Current assignee: XIAMEN TASMAN BIO-TECH Co.,Ltd.
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN103274575A

Abstract

本发明公开了一种高效净化城市污泥重金属的方法，包括如下步骤：（1）以生污泥为材料，添加10-20g/L的S为底物，富集培养氧化硫杆菌；之后以所得的氧化硫杆菌为菌种，添加到另一以生污泥为材料、10-20g/L的S为底物的培养液，进行二次富集培养氧化硫杆菌；富集培养进行至少三次，使该菌液成为高浓度的氧化硫杆菌接种液；（2）待处理的污泥的浓度调为1-5%，用经至少三次培养的带菌接种液接种，接种量为待处理污泥体积的10-15%，添加10-20g/L的S为底物，pH值调为4，温度25-32℃，淋滤培养2-5天。利用本发明的方法，当污泥中超标重金属的含量在农用标准5.0倍范围内时，4天均可去除所有超标重金属，使肥料达到农用标准。

Description

一种高效净化城市污泥重金属的方法

技术领域

本发明涉及环保领域，具体地涉及一种高效净化城市污泥重金属的方法。

背景技术

随着城市化进程的加快和污水处理率的提高，城市污泥的产量与日俱增。仅厦门市2007年的污泥产量就达到9.5*10⁴M³(含水率76%)。大多数城市污泥都含有丰富的有机质和N、P、K等养分，农田回用是污泥资源化利用的主要途径和最优选择，但其重金属含量问题成为它施用于土壤的最大障碍。

生物淋滤法在现有几种去除城市污泥重金属技术（化学方法、电化学法、植物修复法、超临界流体萃取）中运行成本低、实用性强的一种经济有效、极具有潜力的重金属去除方法。该方法除了具有高效去除污泥中重金属的作用，而且具有同步杀死污泥中病原菌的作用。

其原理是在生污泥中添加适宜的微生物底物，利用氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌等嗜酸性硫杆菌的直接作用或其代谢产物的间接作用，通过氧化、还原、络合、吸附、溶解过程，将污泥中的难溶性重金属分离浸提出来，再通过固液分离技术清除大量的重金属。因此，探讨适宜的淋滤条件是提高重金属淋滤效果的关键。

Wong和Henry用氧化亚铁硫杆菌对加拿大厌氧消化污泥进行序批式生物淋滤试验。结果表明，pH为4时重金属的去除效率最好，而pH值>4或<1.5时，生物淋滤会受到抑制。生物淋滤最适宜的温度为25～35℃，超过40℃时重金属的去除率急剧下降。B1ai S等在序批式反应器实验中，研究了两种硫杆菌对美国23种污泥中重金属的去除效果，经过10天的淋滤后，氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌对重金属的去除率相近，Zn的去除率分别可达85％和82％，Cd的去除率分别为82％和74％，两种菌都可很好地应用于重金属的去除。王丹等（2009）分别以FeSO₄·7H₂O、单质S粉为底物进行研究，结果表明经14d的生物沥滤，以单质S粉为底物时，底物为6g/L的污泥样品Cu、Zn滤出率最高，分别为18.8和34.8；以FeSO₄·7H₂O为底物时，底物为25g/L的污泥样品Cu、Zn滤出率最高，分别为29.1和36.8。此种序批式生物淋滤法需较长时间(6～12天)才能达到高去除率。于是人们开始对连续流反应器进行了更多的研究。

如黄明等（2005）利用氧化硫硫杆菌来去除污泥中重金属，结果表明，在基质投配比为5g／L并附以15％的驯化污泥回流条件下，能将污泥驯化周期缩短为5天，Cu，Zn和Cd的去除率分别达到了7O.8％，8O.4％和78.9％；同时，污泥中剩余的重金属含量可满足污泥农用的国家标准。同年，黄明等（2005）以单质硫为底物的研究表明：在基质投配比为5g/L并附以15％的驯化污泥回流条件下，能将污泥驯化周期缩短为Cd，Cu、Zn和Cd的去除率分别达到了70.8％、80.4％和78.9％。接着，黄明等（2006）以硫酸亚铁为底物，利用简化的SBR工艺进行生物淋滤，表明：在底物投配比为10g／L、污泥接种量为30％、室温为25℃的条件下连续曝气运行2d，对Cu和Zn的去除率达78．3％和77.7％，对Cd的去除率接近99％，沥滤处理后污泥中的残余重金属含量符合污泥农用的国家标准。2009年以硫酸亚铁盐作为底物，进一步研究污泥浓度对重金属的淋滤效果的影响，结果表明：生物沥滤的污泥浓度宜控制在25．6g／L，沥滤3d后，桂林城市污泥中残余重金属含量符合污泥农用的国家标准。2010年研究表明单质硫颗粒在165μm时重金属的淋滤效果最好。但这套连续流反应器法设备复杂抄作繁琐。

由于不同地区不同污水厂超标重金属种类、含量、初始pH值差距甚远，给污泥重金属的去除特别是产业化带来很大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效净化城市污泥重金属的方法，以解决背景技术的以上问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种高效净化城市污泥重金属的方法，包括如下步骤：

（1）以生污泥为材料，添加10-20g/L的S（硫）为底物，富集培养氧化硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans），至底物消耗完全；之后以所得的氧化硫杆菌为菌种，添加到另一以生污泥为材料、10-20g/L的S为底物的培养液，进行二次富集培养氧化硫杆菌；富集培养进行至少三次，使该菌液成为高浓度的氧化硫杆菌接种液。

（2）待处理的污泥的浓度调为1-5%，添加10-20g/L的S为底物，pH值调为4以下，用经至少三次培养的带菌接种液接种，接种量为待处理污泥体积10-15%，温度25-32℃，淋滤培养4天。

本发明所述的生污泥可以来源于污水处理厂等。

在本发明的推荐实施例中，步骤（1）富集培养次数为3次。理论上，培养次数越多浓度越高；实际生产上，只需每天将淋滤后待浓缩的污泥液留下足够的量作菌种即可，操作简便。

在本发明的推荐实施例中，每次富集培养结束的判断为测pH值，如果pH值低于2则判断为底物已基本消耗完全。也可以采用菌数到达一定浓度为标准，但不如测pH值快速，简单、直观。

在本发明的推荐实施例中，步骤（2）的淋滤培养转速为150-250r/min。

在本发明的推荐实施例中，步骤（2）的接种量为10-15%

在本发明的最优实施例中，步骤（1）中以15g/L的S为底物；步骤（2）中以15g/L的S为底物；用三次培养的菌接种，浓度为15%，待处理的污泥的pH值调为4，温度32℃，转速为200r/min。

当污泥中超标重金属含量在农用标准5.0倍范围内，步骤（1）中以15g/L的S为底物；步骤（2）中以15g/L的S为底物；待处理的污泥浓度调为1.0-4.0%，pH值调为4以下，用三次培养的菌接种，接种量为15%，温度32℃；淋滤培养4天。

本发明的原理如下：生污泥中原有极少量的嗜酸性硫杆菌，通过对菌种种类、菌种培养次数、淋滤条件、污泥浓度等的优化，筛选适宜的微生物（氧化硫杆菌）并快速富集培养至足够浓度（每次培养或淋滤以pH<2为止）。利用氧化硫杆菌直接作用或其代谢产物的间接作用，通过氧化、还原、络合、吸附、溶解等过程，将污泥中的难溶性重金属分离浸提出来，再通过固液分离技术清除大量的重金属。之后滤液中的重金属通过碱处理等方式回收。

由上述描述可知，本发明提供了一种高效净化城市污泥重金属的方法，利用本发明的方法，可以将污泥中的重金属，尤其是重金属Zn、Cu、Cr、Ni的4天去除率分别为91.88%、87.34%、84.68%、85.26%。即当污泥中超标重金属Zn、Cu、Cr、Ni的含量在农用标准5.0倍范围内,4天均可去除所有超标重金属，污泥肥料经浓缩调pH后达到农用标准，直接用作农业肥料。并且，本发明无需额外添加菌种，减少了成本。所使用的底物为单一底物S，便于计算用量，以及减少工作量和成本。本发明的方法可以针对由于不同地区不同污水厂，不同超标重金属种类、含量、初始pH值的污泥，实际生产上，首次生产污泥之后，只需每天将淋滤后待浓缩的污泥液留下足够的量作菌种即可，操作简便。便于产业化。

附图说明

图1为本发明实施例中不同底物种类和浓度对Zn、Cu滤出量的影响；

图2为本发明实施例中菌培养次数对Zn、Cu滤出量的影响；

图3a为本发明实施例中温度和pH对Zn滤出量的影响；

图3b为本发明实施例中温度和pH对Cu滤出量的影响；

图4a为本发明实施例中污泥浓度对Zn、Cu滤出率的影响。

图4b为本发明实施例中污泥稀释对Zn、Cu滤出率的影响。

具体实施方式

实施例

一、方法的选择研究：

a)底物种类和浓度选择实验：以厦门市員筜污水厂的生污泥为材料，设置氧化硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)底物单质硫（5、10、20g/L）、硫代硫酸钠（10、20、40g/L）和氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferooxidan)底物FeSO4.7H₂O（10、20、40g/L）共9个处理，进行重金属淋滤培养（常温25℃，转速200r/min），6天后测定滤出液中常见重金属Zn、Cu浓度。

b)菌种培养次数和用量选择实验：氧化硫杆菌培养次数越多浓度越高，实验采用三次培养菌和一次培养菌两菌种，浓度均为0、2%、5%、10%、15%五个等级，共十个处理；以10g/L的S为底物，常温25℃，转速200r/min进行重金属淋滤培养，第四天测定滤出液Zn、Cu浓度。

c)淋滤条件优化实验：以10g/L的S为底物，5%三次培养菌为菌种，设置CK25(常温25℃)、T1(常温25℃,起始pH调为4)、T2（常温25℃）、CK32（高温32℃）、T3(高温32℃,起始pH调为4)、T4（高温32℃）6个处理，转速200r/min进行重金属淋滤培养，第四天测定滤出液Zn、Cu浓度。

d)污泥浓度选择实验：

实验一浓度梯度实验：以10g/L的S为底物、5%三次培养菌为菌种、高温32℃,起始pH调为4为条件，设置污泥浓度0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0%7个浓度，转速200r/min进行重金属淋滤培养，第四天测定滤出液Zn、Cu浓度。

实验二稀释实验：因厦门同安地区污泥浓度达4.9%，同样以10g/L的S为底物、5%三次培养菌为菌种、高温32℃,起始pH调为4为条件，设置原污泥、污泥：水为2:1和污泥：水为1:1三个浓度处理，转速200r/min进行重金属淋滤培养，第四天测定滤出液Zn、Cu浓度。

二、污泥肥料生产与重金属含量鉴定：

a)污泥生产：以厦门同安地区污泥（Zn、Cu、Cr、Ni超标1-4倍,Pb、Cd、As、Hg在农用标准范围内的污泥）为材料，以上述四组淋滤方法选择的研究结果为基础，采用15g/L的S为底物、15%三次培养菌为菌种、调节污泥浓度（如污泥：水为2:1稀释）、起始pH调为4、高温32℃下、转速200r/min，并延长淋滤天数，进行重金属深度淋滤培养，第5天测定滤出液Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg8种重金属的浓度。

b)8种重金属的测定：测定淋滤前后污泥中8种重金属的浓度。Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Ni采用王水消化，VARIAN AA240FS原子吸收分光光度计测定。As、Hg采用国标NY/T1978-2010法测定。计算四种超标重金属（Zn、Cu、Cr、Ni）的去除率。

结果：

一、方法的选择结果：

1、底物种类和浓度选择：

结果表明：三种底物以单质硫的滤出效果最好，其中，Zn的滤出量是浓度10g/L的S处理最高，浓度20g/L位居第二（约为10g/L的98.70%），Cu的滤出量正好与Zn相反（浓度10g/L处理为20g/L的98.05%)。

2、菌种培养次数和用量选择：

结果表明：三次菌各浓度处理Zn、Cu的滤出量均明显高于一次菌。Zn滤出量最高的是三次菌浓度10%处理，15%处理次之；Cu滤出量最高的是三次菌浓度15%处理，10%处理次之。

3、淋滤条件优化：

结果表明：①32℃下Zn、Cu两金属的滤出量和滤出率都大于25℃。②两种温度下，Zn各处理的滤出高峰均出现在第三天；Cu在32℃下滤出量最多的也出现在第3天，但在25℃下滤出量最多的则出现在第4天，说明高温加速Cu滤出。③调pH对32℃下Zn、Cu的滤出量和滤出率影响不大，但在25℃下调pH加速Zn、Cu滤出率，提高滤出量。

4、污泥浓度选择：

实验一结果表明：Zn在浓度2%时滤出率最高，浓度1%次之；Cu在浓度3%时滤出率最高，浓度2%次之。Zn、Cu在浓度大于5%时滤出率迅速下降（见图4a）。

实验二结果表明：当污泥：水为2：1时，Zn、Cu两种重金属滤出率最高，原污泥和1：1稀释两个处理Zn、Cu两种重金属滤出率相对较低（见图4b）。

二、污泥肥料中重金属含量达标鉴定结果：

结果表明：采用以上研究的深度淋滤方法生产的厦门同安区污泥肥料中4种超标重金属Zn、Cu、Cr、Ni的去除率分别为91.88%、87.34%、84.68%、85.26%（表1），此法当污泥中超标重金属Zn、Cu、Cr、Ni的含量在农用标准5.0倍范围内仍可去除所有超标重金属，污泥肥料经浓缩调pH后达到农用标准，直接用作农业肥料。

表1：污泥肥料中重金属含量达标研究

Claims

1.一种高效净化城市污泥重金属的方法，包括如下步骤：

（1）以生污泥为材料，添加10-20g/L的S为底物，富集培养氧化硫杆菌，至底物消耗完全；之后以所得的氧化硫杆菌为菌种，添加到另一以生污泥为材料、10-20g/L的S为底物的培养液，进行二次富集培养氧化硫杆菌；富集培养进行至少三次，使该菌液成为高浓度的氧化硫杆菌接种液；

（2）待处理的污泥的浓度调为1-5%，用经至少三次培养的带菌接种液接种，接种量为待处理污泥体积的10-15%，添加10-20g/L的S为底物，pH值调为4以下，温度25-32℃，淋滤培养4天。

2.如权利要求1所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：还包括步骤（3），处理后的污泥留下足够的量作菌种，直接加入下一次待处理的污泥进行下一次的生产。

3.如权利要求1所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：所述的生污泥来源于污水处理厂。

4.如权利要求1所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：步骤（1）富集培养次数为3次。

5.如权利要求1或2所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：每次富集培养结束的判断为测pH值，如果pH值低于2则判断为底物已基本消耗完全。

6.如权利要求1所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：步骤（2）的淋滤培养转速为150-250r/min。

7.如权利要求1所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：步骤（2）的接种量为10-15%。

8.如权利要求1所述的一种高效净化城市污泥重金属的方法，其特征在于：

当污泥中超标重金属含量在农用标准5.0倍范围内，步骤（1）中以15g/L的S为底物；步骤（2）中带处理的污泥浓度调为1.0-4.0%，以15g/L的S为底物；用三次培养的菌接种，接种量为15%，pH值调为4以下，温度32℃；淋滤培养4天。