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城市污泥是采用活性污泥法處理污水過程中的副產物。據估算，目前我國城市污水處理廠每年排放的污泥量（干質量）大約為130萬t，而且年增長率大于10％[1]。污泥是由多種微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體，除含有大量的水分(可高達99%以上)外，還含有氮、磷等營養物質，以及難降解的有機物、重金屬、鹽類、少量的病原微生物和寄生蟲卵等，因此，國內外的相關機構越來越重視污泥治理問題。城市污泥的處置方法通常有投海、填埋、焚燒、土地利用等。在這些方法中，投海已被棄用（1998年底國際公約已禁止污泥投海）；由于占用大面積的土地，填埋方法也相應的在減少；焚燒可以降低污泥的體積，但是焚燒灰仍需填埋處理，并且污泥通常需要增加助燃物才能進行燃燒，這增加了污泥處理的經濟成本[2]；污泥土地利用實現了有機物的土壤→植物→城市→污水→污泥→土壤的良性大循環，被認為是最具吸引力的處置方式。但是，由于污泥中重金屬含量較高，易引發嚴重的環境問題，成為制約污泥土地利用的關鍵因素[3-5]。因此，針對如何有效去除污泥中重金屬這一問題，國內外眾多學者展開了廣泛的研究。結果表明，傳統的化學方法去除效果明顯，但處理費用較高，難以在實踐中應用[6]。近年來，利用微生物技術去除污泥中重金屬的研究取得了較大進展，尤其是生物淋濾技術，該技術是利用氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌等嗜酸性硫桿菌的生物氧化作用，將污泥中難溶性重金屬從固相中溶出進入水相，再通過固液分離法加以去除。因其去除污泥中重金屬的效果明顯且處理成本低而受到廣泛關注[7-11]。這其中很多研究都是先進行菌種的分離純化，然后再淋濾去除重金屬，在實際應用中這勢必增加操作的復雜性。因此，本研究直接以需要處理的污泥作為培養介質，利用污泥中原有的具有淋濾作用的微生物來去除污泥中的重金屬。
1材料與方法
1.1供試污泥
供試污泥來源于廣州市獵德污水處理廠，為取自二沉池的剩余污泥。污泥質量濃度為10～15g?L-1，pH＝6.88，干污泥中有機質含量為38.42％～41.65％，總氮含量2.85％～3.06％，總磷含量1.1％～2.28％。污泥中重金屬元素含量見表1。從表1中可以看出，污泥中Cu、Zn、Cd、Ni均超過了我國酸性土壤施用污泥的農用標準。因此，在淋濾過程中主要對超標重金屬進行檢測。
表1供試污泥中重金屬質量分數mg?kg-1 
1.2污泥的馴化和接種培養
取1L供試污泥于培養容器中，以不同投配比(5、7、10、13g?L-1)向污泥中投加培養基質Na2S2O3，置于30℃恒溫水浴鍋中進行曝氣培養，并用pH計對污泥的酸化情況進行監測。當所測定pH值連續兩天的變化幅度小于5%時，認定此時達到培養終點。取上述馴化污泥作為接種污泥，在室溫25℃及連續曝氣條件下，向原污泥中按不同接種量(5%、10%、25%)投加接種污泥來研究其對污泥馴化周期和重金屬的去除效果的影響。接種量的計算式為：接種量(%)＝接種污泥量/(處理污泥量＋接種污泥量)×100%。
1.3分析項目及方法
試驗過程中的分析項目包括：污泥中六種重金屬的測定（Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni），污泥中有機質含量、全氮含量和全磷含量測定。試驗檢測分析方法采用中國土壤學會編制的土壤農業化學分析方法[12]。淋濾過程中污泥的pH值采用WTW-82362 pH計(WTW，Germany)進行測定。
2結果與討論
2.1不同投配比時污泥酸化速度和重金屬的去除效果 從圖1中可以看出，當投配比為5g?L-1時，污泥的酸化速度緩慢，在馴化期結束時，污泥的pH值由6.88僅下降至3.9左右。投配比為7g?L-1時，酸化速度較5g?L-1的快，但馴化期結束時的pH值也僅降至3.2左右。而按投配比為10g?L-1和13g?L-1L投加培養基質進行馴化時，污泥的pH值下降較明顯，在8～9d的時間內，pH值均降為2.3左右。根據以上檢測結果，可以看出，當投配比從5g?L-1增加至10g?L-1時，污泥的酸化速度隨著投配比的增加而增加，說明增加投加量有助于縮短污泥的酸化周期；當投配比再行增加時，酸化速度和周期與10g?L-1時的幾乎相當，說明以硫代硫酸鈉作為培養基質進行污泥馴化時，投配比達到10g?L-1之后，很難通過增加投加量來縮短酸化周期。不同投加量時污泥中重金屬的去除效果見圖2。
圖2硫代硫酸鈉不同投加量時污泥中重金屬的去除效果
從圖中可見，經過微生物處理后污泥中的主要超標元素Cu、Zn、Cd、Ni的含量都有不同程度的降低。當投配比為5g?L-1時，經淋濾之后污泥中的Cu、Zn、Cd的含量依然高于污泥施用于酸性土壤的標準值。這主要是由于在低投配比時，污泥酸化速度慢，酸化程度不徹底造成的。當投配比從5g?L-1增加到10g?L-1時，這四種重金屬的去除率相應提高，投配比為10g?L-1時，Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分別為58.6％、83.7％、76.2％和59.2％，相比于投配比為7g?L-1時的去除率（41.3％、71.8％、65.1％和49.4％），都有很大的提高。投配比為13g?L-1時，Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分別為61.6%、86.9％、79.1％和61.09％，較10g?L-1的去除率略有提高，但效果增加不明顯，這和污泥馴化周期中投配比為10g?L-1和13g?L-1時最終酸化程度相當相對應。從以上分析可以看出，盡管重金屬的去除率隨投配比的增加而增加，但在去除率達到一定程度后，單純依靠增加投配比所獲得的去除效果是有限的。根據以上結果，以硫代硫酸鈉為培養基質時，最合適的投配率為10g?L-1。
圖3不同接種量時的污泥馴化周期
2.2接種培養對淋濾效果的影響
根據上述分析結果，選用投配比為10g?L-1的馴化污泥作為接種污泥，按不同接種量(5％，10％和25％)進行淋濾試驗，在投配比為10g?L-1時，淋濾過程pH值變化結果見圖3。待處理污泥按接種量為5％，10％和25％加入馴化污泥后，原污泥pH值由原來的6.88分別下降至5.38、3.47和2.29。經曝氣培養后，其各自的酸化周期分別為8～9d、5～6d和6～7d。從圖3中pH的變化過程來看，各接種條件下的污泥pH值均經歷了一個先升高、然后降低并趨于穩定的過程，pH值的升高一方面由于污泥的緩沖作用，另一方面還由于硫代硫酸鈉作為基質時，在氧化亞鐵硫桿菌Thiobacillus ferrooxidans（T.f）作用下，發生反應生成NaOH造成的[13]。反應過程如式（1）所示。 
接種量為5％時，污泥預酸化不足，培養周期和不接種時基本沒有變化，并且由于接種量較少，在pH值升高后，后期的降低過程是逐漸進行的，所以接種量低時，由于接入的菌群無法成為優勢菌群，起不到太大的作用。接種量為10％和25％時，pH在經歷升高之后，都出現了從4左右降低到2.4左右的突降過程，這個現象和文獻[13]中的變化過程一致，主要是由于T.f細菌的大量繁殖和硫代硫酸鈉的氧化使硫酸大量生成，導致pH值的迅速降低，反應式見式（2）。兩種接種量下的最終pH值在2.2左右，和不接種條件下的最終酸化程度基本相同。
從各重金屬的去除效果來看，接種量為5％時的去除率均低于其他兩種接種量下的去除率，和不接種情況下的去除率基本相當。10％接種量下各元素的去除率分別為：Cu 68.06％，Zn 89.31％，Cd 84.59％，Ni 69.68％。25％接種量下各元素的去除率分別為：Cu 67.75％，Zn 89.37％，Cd 84.77％，Ni 68.13％。從以上數據可以看出，兩者的去除效果基本相當，這也和前面分析的兩者pH值變化相似相對應。從以上分析可以看出，馴化污泥接種量為10％時，能縮短酸化周期，提高去除效果，低于此值，接種帶來的效果不明顯；高于此值，運行成本升高，但處理效果難進一步提高。試驗過程中還對10％接種量條件下，投配比分別為5g?L-1和7g?L-1時的馴化周期和去除效果進行測定，結果見圖5和圖6。
圖6 10%接種量下不同投配率的重金屬去除效果
從圖5可見，此兩種投配率下的污泥馴化周期均為5～6d，比同條件下不接種時的馴化周期縮短5d左右，并且最終的pH值也降低至2.5左右。從圖6的去除效果也可以看出，在10％接種的條件下，各重金屬的去除率比不接種時均有所提高。圖6和圖4的結果進行對比，不難發現，7g?L-1投配比下的去除率和10g?L-1投配比下的去除率基本相當。這再次表明10％的接種量能明顯縮短污泥馴化周期并提高去除效果，在此接種量條件下，最佳投配比也可以降至7g?L-1。
2.3機理分析
活性污泥中普遍存在氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans，T.f)和氧化硫硫桿菌(Thiobacillus thiooxidans，T.t)，它們是2種化能自養微生物，能通過氧化硫酸亞鐵或還原性硫化合物獲得能量。若在污水及污泥中投加此類物質會導致這些細菌大量繁殖。
硫代硫酸鈉作為硫和許多還原性硫化合物的氧化過程最主要的中間產物之一，硫代硫酸鈉可被T.f和T.t作為能源物質加以利用[14]。在代謝過程中，能產生硫酸，使pH值降低，使污泥中的重金屬元素瀝出，再通過固液分離去除重金屬。污泥酸化過程中T.f和T.t對硫代硫酸根的可能代謝途徑[13]如圖7所示。 
圖7 T.f和T.t對硫代硫酸根離子的代謝過程示意
3結論（1）廣州市獵德污水處理廠污泥中Cu、Zn、Cd和Ni的含量均超過我國酸性土壤條件下污泥農用標準，需經處理后才能農用。
（2）以硫代硫酸鈉作為培養基質進行污泥淋濾時，淋濾效果隨投配率的增加而增加，但當投配率超過10g?L-1以后，去除效果難再行提高，根據試驗結果，建議最合適的投配率為10g?L-1。
（3）接種培養時，馴化污泥的接種量從5％提高到10％時，污泥的酸化周期縮短，并且去除效果相應提高，接種量超過10％之后，去除效果基本保持不變，但成本增加，因此最佳接種量為10％左右。
（4）接種培養時污泥的酸化周期為5~6d，較不接種培養時縮短5d左右；接種培養和不接種培養對污泥的最終酸化程度沒有太大影響，利用獵德污水廠污泥作介質進行試驗時的最低pH值在2.2左右；在相同投配比條件下，接種培養較不接種培養的去除效果明顯提高；接種條件下，投配率降低至7g?L-1時，主要超標元素Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分別達到67.2％，88.9％，82.4％和68.4％，污泥中的殘余重金屬含量均符合我國污泥農用標準。
參考文獻：略
