微生物法去除污泥中重金屬的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用摘要:采用微生物方法去除污泥中重金屬(生物淋濾法)是近年來發(fā)展的新技術(shù),摸索工程化的條件使研究不再停留在室內(nèi)搖瓶階段上有其重要的應(yīng)用價(jià)值.本文研究設(shè)計(jì)了一套1m3容積的放大規(guī)模生物淋濾反應(yīng)器,它由生物淋濾池、攪拌器、曝氣器、空氣壓縮機(jī)以及空氣加熱器、和相關(guān)測(cè)試與調(diào)控探頭等構(gòu)成.其中攪拌器中的攪拌葉片是把平葉槳和斜葉槳結(jié)合起來,設(shè)計(jì)成的復(fù)合型攪拌葉輪,具有良好的混合效果.在該套反應(yīng)器里利用制革污泥進(jìn)行了半連續(xù)的生物淋濾試驗(yàn),共持續(xù)運(yùn)行了5個(gè)批次.結(jié)果表明,在該反應(yīng)器中污泥與菌體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)充分混勻，氧傳遞效果好，污泥中溶解氧能保證達(dá)到2.0mg/L以上.經(jīng)過2－5天的處理,污泥的pH持續(xù)下降到2.0以下,污泥中的鉻的溶出率在90%～99.5%,初步實(shí)現(xiàn)了生物淋濾技術(shù)的工程化應(yīng)用,使困擾某些工業(yè)企業(yè)如制革企業(yè)和城市污水處理廠的污泥無(wú)害化問題有望得到妥善解決.關(guān)鍵詞:污泥；生物淋濾；反應(yīng)器；設(shè)計(jì)；效果Thedesignofthebioleachingbioreactorfortheremovalofsludgeheavymetalanditapplication.Abstract:Bioleachingisacost-effectiveapproachtoremoveheavymetalsinsewagesludge.Theaimofthisstudyistoestablishandoperateapracticalamplificatoryscalebioreactorforbioleaching.Thedesignedbioreactorwith1M3ofcapacityconsistsofbioleachingpool,blender,agitator,aircompressor,airheaterandotheraccessorialdevices.Theshapeofthevanesattachedtotheblenderisdesignedasatwo-doublevanecombinedbyaflatandinclinedarmorplate.Fivesequentbatchbioleachingtrialswithtannerysludgewereperformedinthebioreactor.Theresultsshowedthatsludge,bacterial,andadditivesinthebioreactorcouldbemixedevenlyandtheO2conductivitymettherequirementforbioleachingsincewhichexhibitedmorethan2mg/Lofdissolvedoxygeninthematrixofbioreactor.Inaddition,pHofsludgeinthebioreactorcouldbeexpectedtodeclinecontinuouslydownto2.0orless.Consequently,90%-99.5%ofCrdissolvedrateinsludgecouldbeachieved.Therefore,itishopefultoadoptthebioleachingmodelintheengineeringpracticetoremovethetoxicmetalsinsludgederivedfrommunicipalandenterprisewastewatertreatmentplants.KeyWords:sludge;bioleaching;bioreactor;design;engineeringpractice1前言我國(guó)每年產(chǎn)生大量的、亟待安全處置的各類含重金屬的工業(yè)污泥和城市市政污泥.雖然污泥土地利用多年來一直被認(rèn)為是處置費(fèi)用低廉,并能實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用的途徑[1],但由于污泥中有毒重金屬的存在,污泥土地利用中重金屬的潛在污染始終是人們擔(dān)憂的問題,污泥農(nóng)用的阻力和爭(zhēng)議也一直很大.從污泥中去除重金屬,使污泥“潔凈”化,便于污泥安全農(nóng)用,成為人們十分感興趣的研究課題.上世紀(jì)90年代初開始,采用微生物方法從污泥中去除或回收重金屬（也稱“生物淋濾技術(shù)”）的研究開始興起,并取得良好進(jìn)展.例如,Tyagi等[2](1993)對(duì)19個(gè)來自于城市污水處理廠中的活性污泥,一沉污泥,好氧消化污泥,厭氧消化污泥,氧化池污泥等不同類型污泥進(jìn)行生物淋濾處理,10天后Cu的去除率達(dá)34-84%,Cd,55-98%;Cr,0-32%;Mn,71-98%;Ni,39-89%;Pb,0-31%;Zn,66-98%,但其中以厭氧消化污泥中重金屬去除效果最好.在隨后的10年間,國(guó)外的研究者,主要是加拿大的研究者,對(duì)影響污泥生物淋濾效果的各種因素進(jìn)行了細(xì)致的研究[2-4].本課題組作為國(guó)內(nèi)最早展開污泥中重金屬生物淋濾處理的研究單位[5,6],已先后在污泥中分離到2株可用于該處理的嗜酸性硫桿菌菌株[7,8]（T.ferrooxidansLX5和T.thiooxidansTS6）和1株特異的耐酸性的異養(yǎng)菌菌株（紅酵母R30）[9],并采用序批式試驗(yàn)法研究了江蘇和浙江等地的污泥生物脫毒效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥中重金屬（Cu、Zn、Cd、Ni等）最高去除率可高達(dá)95%以上[9-11].而且我們還發(fā)現(xiàn),采用生物方法去除污泥中重金屬后,完全可不加絮凝劑而可直接脫水[11],獲得較滿意的效果,Cr的溶出率高達(dá)95%.然而,迄今幾乎所有的研究結(jié)果或運(yùn)行參數(shù)均來自于恒溫條件下的搖瓶試驗(yàn)[1-4,9,10],顯然,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用于工程實(shí)際.因此,盡快設(shè)計(jì)和構(gòu)筑較大規(guī)模的反應(yīng)裝置,以獲得有用的運(yùn)行參數(shù)并建立使本技術(shù)真正從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工程的模式就顯得十分迫切.本文就是在我們前期進(jìn)行的一系列搖瓶試驗(yàn)、批次70L的小試規(guī)模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作了1m3的放大規(guī)模生物反應(yīng)器,以探索把生物淋慮技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程的可能性.2污泥生物淋濾反應(yīng)器設(shè)計(jì)與構(gòu)建2.1污泥生物淋濾反應(yīng)器整體設(shè)計(jì)污泥生物淋濾系統(tǒng)包括貯泥和調(diào)理池、生物淋濾反應(yīng)器、處理后的酸化污泥沉淀池、重金屬回收池、脫水機(jī)械以及附屬設(shè)施等.其中生物淋濾反應(yīng)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,利用微生物去除污泥中重金屬的反應(yīng)主要在該反應(yīng)器中完成.搖瓶試驗(yàn)表明,為使接種的微生物充分發(fā)揮作用,提高污泥中重金屬的去除效率,必須同時(shí)滿足如下條件:（1）污泥生物淋濾的適宜的溫度為25℃-37℃,最低溫度不能低于10℃；（2）供試污泥必須與接種的菌株充分接觸；（3）需要好氧條件,溶氧達(dá)到2mg/L即可.據(jù)此,設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器如圖1所示.采用小型空氣壓縮機(jī)（V—0.08/0.7）供氣,微孔曝氣器曝氣的供氧方式,用便攜式溶氧儀測(cè)定反應(yīng)池中污泥的溶解氧DO的水平,通過監(jiān)控DO來控制供氣量的大小.利用攪拌葉輪的攪拌作用,使污泥與菌株混合均勻,實(shí)驗(yàn)溫度控制在25℃以上,夏季為環(huán)境自然溫度,冬季用空氣加熱器進(jìn)行保溫.圖1生物淋濾反應(yīng)器Fig.1thebioleachingbioreactor1.2生物淋濾反應(yīng)器各部件2.2.1生物淋濾器的土建結(jié)構(gòu)及防腐生物淋濾器為磚混結(jié)構(gòu),構(gòu)筑在地面上,為直徑1m,高1.3m的圓柱形反應(yīng)池,池壁與池底的直角改為圓弧形,以消除污泥攪拌過程中可能形成的“死角”.池容1m3,實(shí)驗(yàn)的有效容積為800L,預(yù)埋管道接口,池內(nèi)外壁用水泥砂槳抹光,待干透后,進(jìn)行防腐處理,共涂裝3遍[12].2.2.2攪拌系統(tǒng)攪拌效果與攪拌器的轉(zhuǎn)速以及攪拌葉輪的形狀有關(guān),為便于探索研究污泥生物淋濾過程中攪拌葉輪的轉(zhuǎn)速與攪拌效果的關(guān)系,將攪拌器的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)成可調(diào)式,由電磁調(diào)速電機(jī),擺線針輪減速機(jī),聯(lián)軸器,攪拌軸,葉輪等組成.電磁調(diào)速電機(jī)的選擇[13],按照槳板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)消耗的功率No(Kw)公式:No＝Cρω3Zb（R4—r4）/408g進(jìn)行估算.上式中:C——阻力系數(shù),0.2－0.5；ρ——介質(zhì)的密度kg/m3；ω——葉輪角速度rad/s,Z——槳板數(shù)；R——垂直軸中心至槳板外緣的距離（m）；r——垂直軸中心至槳板內(nèi)緣的距離（m）；g——重力加速度,9.81m/s2,以及槳板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械總效率（η1=0.75）和傳動(dòng)效率（η2=0.6－0.95）,可得轉(zhuǎn)動(dòng)槳板所需電動(dòng)機(jī)的功率N=No/η1η2.設(shè)計(jì)時(shí)Z=6,R＝0.3m,r＝0.15m,ρ＝1100kg/m3,b的有效尺寸為0.35m,并取C＝0.5,η2＝0.95,葉輪最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為70r/min（即7.33rad/s）.經(jīng)計(jì)算得N＝1.2Kw,最終選擇的電磁調(diào)速電機(jī)的型號(hào)為:YCTL132-4B(1.5Kw)；與之相配套的擺線針輪減速機(jī)的型號(hào)為:BLY11A-9-1.5.這樣,通過機(jī)電聯(lián)合調(diào)速,以及葉輪最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的限定,攪拌器的轉(zhuǎn)速可以在13－70r/min之間進(jìn)行調(diào)節(jié).2.2.3攪拌葉輪攪拌葉輪的設(shè)計(jì)主要是攪拌槳型的選擇與設(shè)計(jì).盤式透平槳是一種徑向流葉槳,其槳端徑向切向分速率大致相等,特點(diǎn)是切向分速度沿徑向的減速變化速率比徑向分速度的變化速率快,使透平槳能產(chǎn)生很強(qiáng)的液體湍流.而軸流型的斜葉槳,徑向和切向分速度大致相等,但是垂直方向上的分速度是徑向分速度的幾倍,能為體系提供較高的環(huán)流量,缺點(diǎn)是槳葉的剪切力過弱,槳葉粉碎氣泡的能力不強(qiáng)[14].由于待處理的污泥含固率常在3%以上,其中的固相物質(zhì)易下沉,故攪拌污泥時(shí)需要較高的軸相提升力,以增加體系的混勻程度,將平葉槳和軸流型的斜葉槳兩種型式結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)出用于污泥攪拌的葉輪,如圖2所示,平葉槳部分有利于氣泡的粉碎以及防止污泥在淋濾池池底產(chǎn)生沉積,斜葉槳部分有利于攪拌時(shí)污泥的提升,使生物淋濾反應(yīng)充分.攪拌葉輪的材質(zhì)為A3鋼,葉輪表面進(jìn)行防腐處理,方法同1.2.1.圖2組合葉片的外形示意圖Fig.2Theshapeofthecombinedblendervanes2.2.4曝氣系統(tǒng)根據(jù)我們70L小試的經(jīng)驗(yàn),用與電磁式空氣壓縮機(jī)(ACO-003)配套的微孔曝氣頭,制作曝氣器,整個(gè)曝氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī),調(diào)壓閥,流量計(jì),曝氣器,供氣管道等組成.考慮到寒冷季節(jié)的試驗(yàn)環(huán)境,配套設(shè)計(jì)了一空氣加熱器系統(tǒng),加熱器由電阻絲、外殼、溫度傳感器以及自動(dòng)控制器等組成,在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)（25℃-35℃）,自動(dòng)控制加熱器的工作.2.2.5擋板擋板的主要作用是為了當(dāng)攪拌器攪拌時(shí),減少污泥的圓周運(yùn)動(dòng),加強(qiáng)徑向、軸向運(yùn)動(dòng),提高紊流程度,改善體系的氣液分散與混合程度.擋板是氣液分散體系中不可缺少的設(shè)備構(gòu)件[14].在本反應(yīng)器中擋板設(shè)計(jì)成長(zhǎng)×寬×厚為600mm×150mm×3mm長(zhǎng)條形鋼板,焊接安裝腳,制作好后進(jìn)行表面防腐處理.在生物淋濾反應(yīng)器壁安裝時(shí),將擋板上端沿著攪拌葉輪的攪拌方向傾斜約30度,以增加液體的紊流效果.3實(shí)驗(yàn)部分3.1材料與方法3.1.1供試污泥據(jù)我們先前的研究,城市市政污泥中的重金屬用生物淋濾處理較制革污泥容易得多.因此,本研究選擇危害更大,處理難度也更大的制革污泥作為供試污泥進(jìn)行研究.供試污泥采自浙江某制革企業(yè)濃縮池污泥,其基本性質(zhì)如表1所示.污泥中重金屬主要為Cr(III).表1供試制革污泥基本特性(干物質(zhì)計(jì))Table1.TheprimaryphysicochemicalpropertiesoftheselectedtannerysludgepH含固率全N全P全K總Fe總S有機(jī)質(zhì)Cr3+Cr6+Pb-------------------------------------%------------------------------------------------------mg/kkg---------7.863.73.031.020.493.151.9044.656500ND105ND:未檢測(cè)到3.1.2生物淋濾處理方法將600L原始污泥倒入已構(gòu)建的1m3反應(yīng)器中.按參考文獻(xiàn)[7,8]的試驗(yàn)方法,制備50L含硫桿菌（AcidithiobacillusthiooxidansTS6)和異養(yǎng)菌R30的混合接種物.將接種物倒入上述反應(yīng)器中,同時(shí)加入一定比例的高效添加劑作為微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).開動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌,攪拌速度調(diào)整在50r/min,同時(shí)進(jìn)行曝氣,當(dāng)試驗(yàn)趨于穩(wěn)定時(shí),曝氣量控制在0.25－0.55m3/h,溶解氧DO在2mg/L以上,經(jīng)4天的連續(xù)運(yùn)行直至體系的pH下降到1.9左右結(jié)束第1批污泥的處理.隨后放出1/3的經(jīng)反應(yīng)后的酸化污泥（生物淋濾完成pH在1.9左右的污泥）,這部分污泥經(jīng)固液分離、淘洗處理（當(dāng)污泥中重金屬含量過高時(shí)采用）和進(jìn)一步脫水后,獲得“潔凈”污泥,留存的2/3污泥供第2批處理接種用,然后補(bǔ)充原處理總量1/3的新鮮原始污泥,同上法,進(jìn)行第2批生物淋濾處理,采用同樣方法,連續(xù)進(jìn)行第3批、第4批、第5批的處理.從第2批開始每次處理完成時(shí)間為2-3天就能使污泥中重金屬溶出率達(dá)到90%以上.為充分了解利用該反應(yīng)器進(jìn)行生物淋濾過程中重金屬Cr的溶出動(dòng)態(tài),在第5批時(shí)讓其反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)直至重金屬能溶出接近100%為止（大約5天）,本文報(bào)告的即為第5批的結(jié)果.3.1.3測(cè)定方法每12h采用pH-ORP計(jì)(型號(hào)為pH2－TC)測(cè)定反應(yīng)器中污泥pH和氧化還原電位（ORP）,用溶氧儀(型號(hào)為JPB－607)測(cè)定DO.并取出20mL污泥,在12,000×g下離心15min,0.45m膜過濾,采用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定濾液中總Cr.濾液中Cr與原污泥中總含Cr量的比率即為Cr溶出率.3.2結(jié)果與討論3.2.1生物淋濾池中污泥的流態(tài)由于本方法涉及的重金屬溶出反應(yīng)是微生物作用的結(jié)果,因此,要獲得高的溶出效率必須要求菌株能充分接觸污泥顆粒組分.在本反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中,攪拌葉輪的葉片下邊緣距離池底10cm,在攪拌葉輪50r/min的勻速攪拌下,池中污泥劇烈翻滾,在擋板的配合下,污泥在液面上翻騰的的高度大約在5cm左右,呈明顯的紊流狀態(tài),保證了污泥與微生物菌株的充分接觸.在攪拌器開動(dòng)0.5h,分別在生物淋濾池取樣口、放空閥以及淋濾池的上端直接采樣,測(cè)得生物淋濾池中污泥上、中、下三層的含固率一致,可認(rèn)為攪拌器在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠使池中污泥充分混勻.3.2.2生物淋濾池中污泥pH和ORP的動(dòng)態(tài)變化重金屬溶出反應(yīng)與介質(zhì)pH和ORP有密切關(guān)系.我們以前的研究表明,當(dāng)污泥中pH下降到2以下,重金屬才能大幅度溶出[10],同時(shí)伴隨著ORP的上升.因此,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)pH和ORP變化,可以了解污泥中重金屬溶出的反應(yīng)進(jìn)程.圖3顯示了在實(shí)際運(yùn)行的第5批,在該放大規(guī)模的反應(yīng)器中,污泥生物淋濾介質(zhì)pH和ORP的變化.結(jié)果表明,污泥pH在第5批投料時(shí)（反應(yīng)0.5h）,pH為2.91,在24h內(nèi)pH有明顯的下降,此時(shí)pH下降到2.31,此后逐漸下降,至第5天（120h）下降到1.95.ORP則從投料剛開始時(shí)的410mV,24h內(nèi)較快地上升到510mV,此后,幾乎沒有變化,基本維持在510mV—520mV之間.在投料后的24h內(nèi),pH和ORP變化最大,說明連續(xù)運(yùn)行至第5批時(shí),起主要作用的微生物仍然十分活躍.圖3污泥生物淋濾處理過程中pH,ORP的變化（第5批）Fig.3DynamicsofpHandORPinbioreactorduringsludgebioleaching3.2.3污泥中Cr溶出率的動(dòng)態(tài)變化從投料開始后的頭2天,污泥中Cr的溶出率就能從起始的75％上升到90%以上,隨后,Cr的溶出率仍穩(wěn)步上升,直到第5天（120h）達(dá)到99.5%.在本反應(yīng)器中污泥Cr的溶出與pH呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.987**）.我們以前的研究發(fā)現(xiàn),在pH>2.2時(shí),污泥中鉻的去除率不會(huì)超過50%[9-11].本試驗(yàn)在起始pH為2.9時(shí),Cr的溶出率就為75％,是由于本次試驗(yàn)為半連續(xù)試驗(yàn),主要受留存的上批處理污泥的影響.為進(jìn)一步直接了解起主要作用的微生物在反應(yīng)進(jìn)程中的數(shù)量變化,我們采用平板菌落計(jì)數(shù)法[15]檢測(cè)了活菌株的數(shù)量.結(jié)果發(fā)現(xiàn),在整個(gè)反應(yīng)進(jìn)程中,反應(yīng)器中微生物總量始終保持在在1.61～3.26×108個(gè)/ml之間,與最先接種時(shí)的密度處于同一數(shù)量級(jí).這暗示著,在本反應(yīng)器中,采用該方法對(duì)污泥進(jìn)行微生物脫出重金屬的處理由于微生物保持高活性,故而可以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行.圖4污泥生物淋濾處理過程中Cr的溶出率變化（第5批）Fig.4DynamicchangeofCrremovalefficiencyinbioreactorduringsludgebioleaching顯然,在容積為1m3的反應(yīng)器中,用生物淋濾技術(shù)可以去除污泥中重金屬,去除率可高達(dá)90%～99.5％,時(shí)間只需要2-5天.該結(jié)果具有重大意義,它表明10年來,一直處于實(shí)驗(yàn)室搖瓶階段的生物淋濾法去除污泥中重金屬的新技術(shù)已經(jīng)向工程化應(yīng)用邁出了可喜的一大步,對(duì)困擾某些工業(yè)企業(yè)如制革企業(yè)和城市污水處理廠的污泥無(wú)害化問題有望得到妥善解決.4結(jié)論4.1采用自行設(shè)計(jì)制造的1m3生物淋濾反應(yīng)器,在機(jī)械攪拌的同時(shí),進(jìn)行一定的曝氣充氧,可以初步實(shí)現(xiàn)生物淋濾技術(shù)的工程化應(yīng)用.在機(jī)械攪拌裝置的設(shè)計(jì)中將平葉槳和斜葉槳結(jié)合起來,設(shè)計(jì)成的復(fù)合型攪拌葉輪,有十分好的混合效果.4.2利用該生物淋濾反應(yīng)器通過污泥留存接種的方法,可連續(xù)處理污泥,處理時(shí)間2-5天,制革污泥中鉻的溶出率能達(dá)到90%～99.5%.參考文獻(xiàn):周立祥,胡靄堂,戈乃玢,等.城市污泥土地利用研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1999,19（2）:185～193.TyagiRD,TranFT.Bacterialleachingofmetalfromdigestedsewagesludgebyindigenousiron-oxidizing[J].Environ.Pollut.,1993,82:9~12.SreekrishnanJN,TyagiRD,Bl