CN107352767B - 一种生物淋滤强化剂及去除污泥重金属的方法 - Google Patents

一种生物淋滤强化剂及去除污泥重金属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物淋滤强化剂及去除污泥重金属的方法。本发明去除污泥中重金属的方法是在生物淋滤反应的基础上，通过添加亚硝酸盐形成游离亚硝酸，明显提高了污泥中重金属特别是有机结合态重金属的溶出效率，克服了传统生物淋滤过程周期长(通常为10～15d)、处理效率低的问题；本发明方法通过对土著污泥的培养驯化，获得生物淋滤培养物，无需添加纯种硫细菌或进行复杂的土著硫细菌筛选和纯培养，大大的减少了处理成本，降低了操作难度；本发明方法在污泥处理过程中，还具有提高污泥沉降性能、杀灭污泥病原菌等功能，为污泥后续处理处置与利用提供了有利条件；本发明的生物淋滤强化剂含有的亚硝酸盐价格便宜，易工业获得，应用前景广阔。

Description

一种生物淋滤强化剂及去除污泥重金属的方法
技术领域
本发明属于重金属污染治理领域，更具体地，涉及一种生物淋滤强化剂及去除污泥重金属的方法。
背景技术
截止2016年9月，全国建成污水处理厂3976座，处理能力为1.7亿m3/d，其处理工艺大多以活性污泥法为主，城市污泥是污水处理厂的必然产物。城市污泥含有大量的有机物和丰富的N、P、K等营养元素，可作为肥料或土壤添加剂利用，但污泥富集了污水处理过程中50～80％的重金属，从而严重制约了污泥的资源化利用。
城市污泥中的重金属主要以难溶的硫化物、有机物结合态等形式存在于污泥固相中。目前，污泥中重金属常见的去除方法有吸附法和化学法等。吸附法利用具有特殊结构或化学成分的物质来分离去除污泥中重金属，对重金属去除效果较好，但特异性较强，处理成本较高，难以大规模工程应用；化学法通常是用硫酸、盐酸或硝酸将污泥的酸度降低，通过溶解作用，使难溶态的金属化合物形成可溶解的金属离子，或者用EDTA、柠檬酸等络合剂通过氯化作用、离子交换作用、酸化作用、鳌合剂和表面活性剂的络合作用，将其中的重金属分离出来，达到减少污泥重金属总量的目的，但具有耗酸量大、处理成本高、存在二次污染风险等问题。
生物淋滤是一种利用嗜酸性硫杆菌等特定微生物或其代谢产物的生物氧化和产酸作用，将固相中的重金属分离浸出到液相中，通过固液分离达到去除污泥中重金属的技术，是近年兴起的一项非常有应用前景的金属分离技术。专利CN 1375553A介绍了一种氧化亚铁硫杆菌及其去除污泥重金属的方法，此方法需要接种纯菌种，然而菌种培养成本较高，操作较复杂，处理周期较长。为了进一步提高污泥中重金属溶出效率，专利CN 101891358 A公开了一种生物淋滤‐类Fenton氧化耦合去除剩余污泥中重金属的方法，该方法缩短了污泥处理周期，但Fenton反应中H2O2浓度高，显著增加了污泥的处理成本。
发明内容
为了克服上述传统污泥生物淋滤处理的困境，本发明的目的在于提供一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法及一种生物淋滤强化剂。
本发明所采取的技术方案是：
一种去除污泥重金属的方法，所述方法是利用游离亚硝酸强化生物淋滤法去除污泥重金属，具体是在污泥进行生物淋滤反应的体系中添加亚硝酸盐。
作为上述方法的优选，在污泥进行生物淋滤反应1～4d后，添加亚硝酸盐，继续反应6～12h。
作为上述方法的优选，亚硝酸盐的添加量按生物淋滤反应的体系中游离亚硝酸态氮浓度达到10～60mg/L为准。
作为上述方法的优选，生物淋滤反应的温度为25～35℃。
作为上述方法的优选，生物淋滤反应是将生物淋滤培养物接种于污泥中，添加含硫底物，振荡培养。
作为上述方法的优选，生物淋滤培养物的制备方法是：在污泥中添加含硫底物，振荡培养至pH为1.5～2，将培养液接种到新的污泥中，重复上述培养过程3～5次，获得生物淋滤培养物。
作为上述方法的优选，振荡的转速为150～250r/min。
作为上述方法的优选，含硫底物为单质硫或硫酸亚铁。
作为上述方法的优选，还包括后处理步骤：生物淋滤反应结束后，对污泥进行脱水，沉淀，回收重金属。
一种生物淋滤强化剂，含有亚硝酸盐。
本发明的有益效果是：
(1)本发明去除污泥中重金属的方法是在生物淋滤反应的基础上，通过添加亚硝酸盐形成游离亚硝酸，明显提高了污泥中重金属特别是有机结合态重金属的溶出效率，克服了传统生物淋滤过程周期长(通常为10～15d)、处理效率低的问题；
(2)本发明方法在添加极少量亚硝酸盐的条件下，即可明显促进污泥中重金属溶出，与生物淋滤‐类Fenton氧化耦合去除重金属的技术相比，无需消耗过多的H2O2，处理成本更低；
(3)本发明方法通过对土著污泥的培养驯化，获得生物淋滤培养物，无需添加纯种硫细菌或进行复杂的土著硫细菌筛选和纯培养，大大的减少了处理成本，降低了操作难度；
(4)本发明方法在污泥处理过程中，还具有提高污泥沉降性能、杀灭污泥病原菌等功能，为污泥后续处理处置与利用提供了有利条件；
(5)本发明的生物淋滤强化剂主要含有亚硝酸盐，亚硝酸盐价格便宜，易工业获得，应用前景广阔。
具体实施方式
本发明的去除污泥重金属的方法，是利用游离亚硝酸强化生物淋滤法去除污泥重金属；本发明术语“游离亚硝酸”，即Free Nitrous Acid(FNA)，是亚硝酸盐在酸性环境下与H+结合形成的亚硝酸分子，本发明利用游离亚硝酸在浓度很低的条件就能快速破坏污泥中胞外聚合物(EPS)和溶解微生物细胞，从而加速污泥中有机结合态的重金属溶出。
本发明的去除污泥重金属的方法，具体是在污泥进行生物淋滤反应的体系中添加亚硝酸盐，优选的方法是，在污泥进行生物淋滤反应1～4d后，添加亚硝酸盐，继续反应6～12h；亚硝酸盐的添加量按生物淋滤反应的体系中游离亚硝酸态氮浓度达到10～60mg/L为准；本发明中，FNA-N(游离亚硝酸态氮)浓度的是按照如下公式换算：
Figure BDA0001329527940000031
式中，Ka＝e-2300(270+t)；
Figure BDA0001329527940000032
是指反应体系中NO2--N的浓度(mg/L)；SFNA-N是指反应体系中FNA的浓度(mg/L)，t是指反应体系温度(℃)。
生物淋滤反应的温度优选为25～35℃，反应中生物淋滤培养物的接种量与生物淋滤培养物的功效相关，因此不作具体限制，本发明优选为10～20％。
本发明方法中，污泥的类型不受限制，可以是城市生活污水生物除氮脱磷活性污泥法所产生的浓缩污泥，也可以是城市生活污水序批式活性污泥法所产生的污泥，还可以是其他类型的受重金属污染的污泥；污泥的浓度优选为固形物含量为15～35g/L。
本发明方法中，生物淋滤反应是将生物淋滤培养物接种于污泥中，添加含硫底物，进行振荡培养。
本发明方法中，术语“生物淋滤培养物”是指含有能催化氧化和降低污泥体系pH的硫细菌的培养物，生物淋滤常用的硫细菌有嗜酸性硫杆菌；生物淋滤培养物中的微生物可以使难溶态的重金属从固相溶出进入液相，再通过污泥脱水，实现去除和回收。生物淋滤培养物的形式不受限制，可以是纯种嗜酸性硫杆菌，还可以是土著污泥中筛选的具有生物淋滤功能的硫细菌；本发明方法优选的是，将土著污泥进行驯化培养，获得具有生物淋滤功能的培养物。
本发明方法中，生物淋滤培养物的制备方法是：在污泥中添加含硫底物，振荡培养至pH为1.5～2，将培养液接种到污泥中，重复上述培养过程3～5次，获得生物淋滤培养物。所述制备方法中，培养液的接种量按照驯化难度设置，一般优选是10～20％，生物淋滤培养物的驯化条件可以在室温下进行，无需严格恒温，在20～37℃下均可进行。
本发明方法中，振荡的目的是使反应液均匀，并提供一定的氧气量，振荡的转速优选为150～250r/min。
本发明方法中，含硫底物的作用是为生物淋滤培养物中的硫氧化细菌提供营养底物，使污泥中的单质硫或还原性硫化物氧化为硫酸，降低污泥体系中的pH，进而促使固态的重金属化合物变成溶解态的重金属离子。优选的，含硫底物为单质硫或硫酸亚铁，含硫底物添加量充足即可，不作限定。
本发明的去除污泥重金属的方法，还可以包括后处理步骤：将污泥进行游离亚硝酸强化生物淋滤处理后，进行脱水，沉淀，回收重金属，最终实现重金属与滤液的固液分离；其中，脱水的方法包括但不仅限于离心、过滤；沉淀的方法包括但不仅限于采用石灰、硫化钠。
一种生物淋滤强化剂，其含有亚硝酸盐；所述亚硝酸盐可以是亚硝酸钠，但不仅限于此。
以下通过实施例进一步解释本发明，但本发明不仅限于这些实施例。
供试污泥1为城市生活污水生物除氮脱磷活性污泥法所产生的浓缩污泥，该污泥主要理化性质检测如下：pH为6.42±0.08，氧化还原电位(ORP)为(37.6±0.3)mV，含水率为(97.12±0.21)％，总固体含量(TS)为(28.89±0.18)g/L，挥发性固体含量(VSS)为(13.25±0.12)g/L，重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co含量分别为(197.25±4.32)、(1280.63±2.68)、(72.15±0.04)、(1.31±0.04)、(452.65±4.36)、(3.44±0.23)mg/kg干污泥。
生物淋滤培养物1的制备：将供试污泥1稀释至固形物含量20g/L；在500mL锥形瓶中加入200mL稀释的污泥和1g的单质硫，室温200r/min振荡培养至pH降至2.0，用前一次培养液为接种物，按10％的接种量接种到新的稀释污泥中，重复该过程3次，收获培养液即为生物淋滤培养物1。
实施例1
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入270mL固形物含量为20g/L的供试污泥1，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物1，再加入1g的单质硫，室温200r/min振荡培养2d，污泥pH值降至2.53；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加63.80mgNaNO2(相当于20mgFNA-N/L)，30℃，200r/min振荡培养8h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为55.48％、93.69％、5.26％、64.38％、50.69％、47.96％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水；处理后污泥含水率在74.8％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
实施例2
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入270mL固形物含量为20g/L的供试污泥1，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物1，再加入1g的单质硫，室温200r/min振荡培养2d，污泥pH值降至2.53；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加127.60mgNaNO2(相当于40mgFNA-N/L)，30℃，200r/min振荡培养8h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为56.13％、94.28％、6.31％、65.89％、54.37％、49.45％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水；处理后污泥含水率在73.5％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
实施例3
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入255mL固形物含量为20g/L的供试污泥1，接种45mL驯化好的生物淋滤培养物1，再加入1.5g的单质硫，室温150r/min振荡培养3d，污泥pH值降至2.08；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加60.78mgNaNO2(相当于20mgFNA-N/L)，30℃，150r/min振荡培养6h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为58.36％、95.52％、5.98％、67.79％、52.49％、50.32％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水，处理后污泥含水率在72.3％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
实施例4
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入255mL固形物含量为20g/L的供试污泥1，接种45mL驯化好的生物淋滤培养物1，再加入1.5g的单质硫，室温150r/min振荡培养3d，污泥pH值降至2.08；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加121.55mgNaNO2(相当于40mgFNA-N/L)，30℃，150r/min振荡培养6h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为59.13％、95.88％、6.328％、68.15％、55.36％、53.47％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水，处理后污泥含水率在72.7％；
(5)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
对比例1
一种生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入270mL固形物含量为20g/L的供试污泥1，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物1，再加入1g的单质硫，室温200r/min振荡培养2d，污泥pH值降至2.53；重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为25.33％、82.36％、4.16％、56.39％、42.53％、39.80％；
(2)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水；处理后污泥含水率在72％；
(3)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
对比例2
一种H2SO4酸化去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥H2SO4酸化：在500mL锥形瓶中加入270mL固形物含量为20g/L的供试污泥1，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物1，再加入1.5g的单质硫，用H2SO4酸化污泥pH值降至2.5；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为7.81％、75.20％、2.98％、50.39％、38.16％、30.58％；
(2)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水；处理后污泥含水率在73.2％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
供试污泥2为城市生活污水序批式活性污泥法所产生的污泥,该污泥主要理化性质检测如下：pH为6.67±0.12，氧化还原电位(ORP)为(30.89±0.6)mV，含水率为(96.97±0.28)％，总固体含量(TS)为(30.15±0.23)g/L，挥发性固体含量(VSS)为(14.41±0.18)g/L，重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co含量分别为(128.9±3.15)、(1450.58±4.59)、(68.96±0.18)、(1.02±0.09)、(398.86±3.38)、(4.89±0.18)mg/kg干污泥。
生物淋滤培养物2的制备：取200mL供试污泥2，加入到500mL锥形瓶中，加入1g的单质硫，室温200r/min振荡培养至pH降至2.0，用前一次培养液为接种物，按10％的接种量接种到新的供试污泥2中，重复该过程3次，收获培养液即为生物淋滤培养物2。
实施例5
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入270mL供试污泥2，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物2，再加入1.5g的单质硫，室温150r/min振荡培养2d，污泥pH值降至2.51；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加63.04mgNaNO2(相当于20mgFNA-N/L)，25℃，150r/min振荡培养12h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为60.12％、94.68％、6.32％、50.31％、64.31％、37.58％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水，处理后污泥含水率在72.1％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
实施例6
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入270mL供试污泥2，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物2，再加入1.5g的单质硫，室温150r/min振荡培养2d，污泥pH值降至2.51；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加126.09mgNaNO2(相当于40mgFNA-N/L)，25℃，150r/min振荡培养12h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为66.45％、96.78％、7.13％、51.49％、67.21％、39.42％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水，处理后污泥含水率在74.5％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
实施例7
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入255mL供试污泥2，接种45mL驯化好的生物淋滤培养物2，再加入2g的单质硫，室温250r/min振荡培养3d，污泥pH值降至2.04；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加60.44mgNaNO2(相当于20mgFNA-N/L)，25℃，250r/min振荡培养10h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为58.36％、97.12％、7.53％、56.41％、68.12％、40.31％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水，处理后污泥含水率在71.8％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
实施例8
一种利用游离亚硝酸强化生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入255mL供试污泥2，接种45mL驯化好的生物淋滤培养物2，再加入2g的单质硫，室温250r/min振荡培养3d，污泥pH值降至2.04；
(2)游离亚硝酸反应：向生物淋滤处理的污泥中添加120.89mgNaNO2(相当于40mgFNA-N/L)，25℃，250r/min振荡培养10h；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为72.21％、98.42％、8.04％、57.42％、69.32％、41.54％；
(3)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水，处理后污泥含水率在73.7％；
(4)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
对比例3
一种生物淋滤去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥生物淋滤：在500mL锥形瓶中加入270mL供试污泥2，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物2，再加入1.5g的单质硫，室温200r/min振荡培养2d，污泥pH值降至2.51；重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为40.14％、74.36％、5.12％、41.92％、38.91％、30.78％；
(2)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水；处理后污泥含水率在68.6％；
(3)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。
对比例4
一种H2SO4酸化去除污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
(1)污泥H2SO4酸化：在500mL锥形瓶中加入270mL供试污泥2，接种30mL驯化好的生物淋滤培养物2，再加入1.5g的单质硫，用H2SO4酸化污泥pH值降至2.5；污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和Co的溶出率分别为25.96％、68.20％、3.14％、40.93％、37.49％、28.48％；
(2)污泥脱水：采用离心脱水的方法对处理后的污泥脱水；处理后污泥含水率在70.5％；
(3)滤液中重金属的去除：往滤液中加入适当量的石灰用来沉淀，回收重金属，实现固液分离。

Claims (7)

1.一种去除污泥重金属的方法，其特征在于：所述方法是利用游离亚硝酸强化生物淋滤法去除污泥重金属，具体是在污泥进行生物淋滤反应1～4d后，添加亚硝酸盐，继续反应6～12h；亚硝酸盐的添加量按生物淋滤反应的体系中游离亚硝酸态氮浓度达到10～60 mg /L为准；利用游离亚硝酸破坏污泥中胞外聚合物和微生物细胞，从而加速污泥中有机结合态的重金属溶出。
2.根据权利要求1所述的去除污泥重金属的方法，其特征在于：生物淋滤反应的温度为25～35℃。
3.根据权利要求1所述的去除污泥重金属的方法，其特征在于：生物淋滤反应是将生物淋滤培养物接种于污泥中，添加含硫底物，振荡培养。
4.根据权利要求3所述的去除污泥重金属的方法，其特征在于：生物淋滤培养物的制备方法是：在污泥中添加含硫底物，振荡培养至pH为1.5～2，将培养液接种到新的污泥中，重复上述培养过程3～5次，收获培养液获得生物淋滤培养物。
5.根据权利要求3或4所述的去除污泥重金属的方法，其特征在于：振荡的转速为150～250r/min。
6.根据权利要求3或4所述的去除污泥重金属的方法，其特征在于：含硫底物为单质硫或硫酸亚铁。
7.根据权利要求1所述的去除污泥重金属的方法，其特征在于：还包括后处理步骤：生物淋滤反应结束后，对污泥进行脱水，沉淀，回收重金属。
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