微生物法去除污泥中重金属的生物反应器设计与应用

微生物法去除污泥中重金属的生物反应器设计与应用摘要:采用微生物方法去除污泥中重金属(生物淋滤法)是近年来发展的新技术,摸索工程化的条件使研究不再停留在室内摇瓶阶段上有其重要的应用价值.本文研究设计了一套1m3容积的放大规模生物淋滤反应器,它由生物淋滤池、搅拌器、曝气器、空气压缩机以及空气加热器、和相关测试与调控探头等构成.其中搅拌器中的搅拌叶片是把平叶桨和斜叶桨结合起来,设计成的复合型搅拌叶轮,具有良好的混合效果.在该套反应器里利用制革污泥进行了半连续的生物淋滤试验,共持续运行了5个批次.结果表明,在该反应器中污泥与菌体和营养物质能实现充分混匀，氧传递效果好，污泥中溶解氧能保证达到2.0mg/L以上.经过2－5天的处理,污泥的pH持续下降到2.0以下,污泥中的铬的溶出率在90%～99.5%,初步实现了生物淋滤技术的工程化应用,使困扰某些工业企业如制革企业和城市污水处理厂的污泥无害化问题有望得到妥善解决.关键词:污泥；生物淋滤；反应器；设计；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前言我国每年产生大量的、亟待安全处置的各类含重金属的工业污泥和城市市政污泥.虽然污泥土地利用多年来一直被认为是处置费用低廉,并能实现污泥资源化利用的途径[1],但由于污泥中有毒重金属的存在,污泥土地利用中重金属的潜在污染始终是人们担忧的问题,污泥农用的阻力和争议也一直很大.从污泥中去除重金属,使污泥“洁净”化,便于污泥安全农用,成为人们十分感兴趣的研究课题.上世纪90年代初开始,采用微生物方法从污泥中去除或回收重金属（也称“生物淋滤技术”）的研究开始兴起,并取得良好进展.例如,Tyagi等[2](1993)对19个来自于城市污水处理厂中的活性污泥,一沉污泥,好氧消化污泥,厌氧消化污泥,氧化池污泥等不同类型污泥进行生物淋滤处理,10天后Cu的去除率达34-84%,Cd,55-98%;Cr,0-32%;Mn,71-98%;Ni,39-89%;Pb,0-31%;Zn,66-98%,但其中以厌氧消化污泥中重金属去除效果最好.在随后的10年间,国外的研究者,主要是加拿大的研究者,对影响污泥生物淋滤效果的各种因素进行了细致的研究[2-4].本课题组作为国内最早展开污泥中重金属生物淋滤处理的研究单位[5,6],已先后在污泥中分离到2株可用于该处理的嗜酸性硫杆菌菌株[7,8]（T.ferrooxidansLX5和T.thiooxidansTS6）和1株特异的耐酸性的异养菌菌株（红酵母R30）[9],并采用序批式试验法研究了江苏和浙江等地的污泥生物脱毒效果,结果发现污泥中重金属（Cu、Zn、Cd、Ni等）最高去除率可高达95%以上[9-11].而且我们还发现,采用生物方法去除污泥中重金属后,完全可不加絮凝剂而可直接脱水[11],获得较满意的效果,Cr的溶出率高达95%.然而,迄今几乎所有的研究结果或运行参数均来自于恒温条件下的摇瓶试验[1-4,9,10],显然,这远远不能用于工程实际.因此,尽快设计和构筑较大规模的反应装置,以获得有用的运行参数并建立使本技术真正从实验室走向实际工程的模式就显得十分迫切.本文就是在我们前期进行的一系列摇瓶试验、批次70L的小试规模试验的基础上,设计并制作了1m3的放大规模生物反应器,以探索把生物淋虑技术应用于实际工程的可能性.2污泥生物淋滤反应器设计与构建2.1污泥生物淋滤反应器整体设计污泥生物淋滤系统包括贮泥和调理池、生物淋滤反应器、处理后的酸化污泥沉淀池、重金属回收池、脱水机械以及附属设施等.其中生物淋滤反应器是整个系统的核心部件,利用微生物去除污泥中重金属的反应主要在该反应器中完成.摇瓶试验表明,为使接种的微生物充分发挥作用,提高污泥中重金属的去除效率,必须同时满足如下条件:（1）污泥生物淋滤的适宜的温度为25℃-37℃,最低温度不能低于10℃；（2）供试污泥必须与接种的菌株充分接触；（3）需要好氧条件,溶氧达到2mg/L即可.据此,设计的生物反应器如图1所示.采用小型空气压缩机（V—0.08/0.7）供气,微孔曝气器曝气的供氧方式,用便携式溶氧仪测定反应池中污泥的溶解氧DO的水平,通过监控DO来控制供气量的大小.利用搅拌叶轮的搅拌作用,使污泥与菌株混合均匀,实验温度控制在25℃以上,夏季为环境自然温度,冬季用空气加热器进行保温.图1生物淋滤反应器Fig.1thebioleachingbioreactor1.2生物淋滤反应器各部件2.2.1生物淋滤器的土建结构及防腐生物淋滤器为砖混结构,构筑在地面上,为直径1m,高1.3m的圆柱形反应池,池壁与池底的直角改为圆弧形,以消除污泥搅拌过程中可能形成的“死角”.池容1m3,实验的有效容积为800L,预埋管道接口,池内外壁用水泥砂桨抹光,待干透后,进行防腐处理,共涂装3遍[12].2.2.2搅拌系统搅拌效果与搅拌器的转速以及搅拌叶轮的形状有关,为便于探索研究污泥生物淋滤过程中搅拌叶轮的转速与搅拌效果的关系,将搅拌器的转速设计成可调式,由电磁调速电机,摆线针轮减速机,联轴器,搅拌轴,叶轮等组成.电磁调速电机的选择[13],按照桨板转动时消耗的功率No(Kw)公式:No＝Cρω3Zb（R4—r4）/408g进行估算.上式中:C——阻力系数,0.2－0.5；ρ——介质的密度kg/m3；ω——叶轮角速度rad/s,Z——桨板数；R——垂直轴中心至桨板外缘的距离（m）；r——垂直轴中心至桨板内缘的距离（m）；g——重力加速度,9.81m/s2,以及桨板转动时的机械总效率（η1=0.75）和传动效率（η2=0.6－0.95）,可得转动桨板所需电动机的功率N=No/η1η2.设计时Z=6,R＝0.3m,r＝0.15m,ρ＝1100kg/m3,b的有效尺寸为0.35m,并取C＝0.5,η2＝0.95,叶轮最高转速设计为70r/min（即7.33rad/s）.经计算得N＝1.2Kw,最终选择的电磁调速电机的型号为:YCTL132-4B(1.5Kw)；与之相配套的摆线针轮减速机的型号为:BLY11A-9-1.5.这样,通过机电联合调速,以及叶轮最高设计转速的限定,搅拌器的转速可以在13－70r/min之间进行调节.2.2.3搅拌叶轮搅拌叶轮的设计主要是搅拌桨型的选择与设计.盘式透平桨是一种径向流叶桨,其桨端径向切向分速率大致相等,特点是切向分速度沿径向的减速变化速率比径向分速度的变化速率快,使透平桨能产生很强的液体湍流.而轴流型的斜叶桨,径向和切向分速度大致相等,但是垂直方向上的分速度是径向分速度的几倍,能为体系提供较高的环流量,缺点是桨叶的剪切力过弱,桨叶粉碎气泡的能力不强[14].由于待处理的污泥含固率常在3%以上,其中的固相物质易下沉,故搅拌污泥时需要较高的轴相提升力,以增加体系的混匀程度,将平叶桨和轴流型的斜叶桨两种型式结合在一起,设计出用于污泥搅拌的叶轮,如图2所示,平叶桨部分有利于气泡的粉碎以及防止污泥在淋滤池池底产生沉积,斜叶桨部分有利于搅拌时污泥的提升,使生物淋滤反应充分.搅拌叶轮的材质为A3钢,叶轮表面进行防腐处理,方法同1.2.1.图2组合叶片的外形示意图Fig.2Theshapeofthecombinedblendervanes2.2.4曝气系统根据我们70L小试的经验,用与电磁式空气压缩机(ACO-003)配套的微孔曝气头,制作曝气器,整个曝气系统由空气压缩机,调压阀,流量计,曝气器,供气管道等组成.考虑到寒冷季节的试验环境,配套设计了一空气加热器系统,加热器由电阻丝、外壳、温度传感器以及自动控制器等组成,在设定的温度范围内（25℃-35℃）,自动控制加热器的工作.2.2.5挡板挡板的主要作用是为了当搅拌器搅拌时,减少污泥的圆周运动,加强径向、轴向运动,提高紊流程度,改善体系的气液分散与混合程度.挡板是气液分散体系中不可缺少的设备构件[14].在本反应器中挡板设计成长×宽×厚为600mm×150mm×3mm长条形钢板,焊接安装脚,制作好后进行表面防腐处理.在生物淋滤反应器壁安装时,将挡板上端沿着搅拌叶轮的搅拌方向倾斜约30度,以增加液体的紊流效果.3实验部分3.1材料与方法3.1.1供试污泥据我们先前的研究,城市市政污泥中的重金属用生物淋滤处理较制革污泥容易得多.因此,本研究选择危害更大,处理难度也更大的制革污泥作为供试污泥进行研究.供试污泥采自浙江某制革企业浓缩池污泥,其基本性质如表1所示.污泥中重金属主要为Cr(III).表1供试制革污泥基本特性(干物质计)Table1.TheprimaryphysicochemicalpropertiesoftheselectedtannerysludgepH含固率全N全P全K总Fe总S有机质Cr3+Cr6+Pb-------------------------------------%------------------------------------------------------mg/kkg---------7.863.73.031.020.493.151.9044.656500ND105ND:未检测到3.1.2生物淋滤处理方法将600L原始污泥倒入已构建的1m3反应器中.按参考文献[7,8]的试验方法,制备50L含硫杆菌（AcidithiobacillusthiooxidansTS6)和异养菌R30的混合接种物.将接种物倒入上述反应器中,同时加入一定比例的高效添加剂作为微生物的营养物质.开动搅拌器进行搅拌,搅拌速度调整在50r/min,同时进行曝气,当试验趋于稳定时,曝气量控制在0.25－0.55m3/h,溶解氧DO在2mg/L以上,经4天的连续运行直至体系的pH下降到1.9左右结束第1批污泥的处理.随后放出1/3的经反应后的酸化污泥（生物淋滤完成pH在1.9左右的污泥）,这部分污泥经固液分离、淘洗处理（当污泥中重金属含量过高时采用）和进一步脱水后,获得“洁净”污泥,留存的2/3污泥供第2批处理接种用,然后补充原处理总量1/3的新鲜原始污泥,同上法,进行第2批生物淋滤处理,采用同样方法,连续进行第3批、第4批、第5批的处理.从第2批开始每次处理完成时间为2-3天就能使污泥中重金属溶出率达到90%以上.为充分了解利用该反应器进行生物淋滤过程中重金属Cr的溶出动态,在第5批时让其反应时间延长直至重金属能溶出接近100%为止（大约5天）,本文报告的即为第5批的结果.3.1.3测定方法每12h采用pH-ORP计(型号为pH2－TC)测定反应器中污泥pH和氧化还原电位（ORP）,用溶氧仪(型号为JPB－607)测定DO.并取出20mL污泥,在12,000×g下离心15min,0.45m膜过滤,采用原子吸收分光光度计法测定滤液中总Cr.滤液中Cr与原污泥中总含Cr量的比率即为Cr溶出率.3.2结果与讨论3.2.1生物淋滤池中污泥的流态由于本方法涉及的重金属溶出反应是微生物作用的结果,因此,要获得高的溶出效率必须要求菌株能充分接触污泥颗粒组分.在本反应器的设计中,搅拌叶轮的叶片下边缘距离池底10cm,在搅拌叶轮50r/min的匀速搅拌下,池中污泥剧烈翻滚,在挡板的配合下,污泥在液面上翻腾的的高度大约在5cm左右,呈明显的紊流状态,保证了污泥与微生物菌株的充分接触.在搅拌器开动0.5h,分别在生物淋滤池取样口、放空阀以及淋滤池的上端直接采样,测得生物淋滤池中污泥上、中、下三层的含固率一致,可认为搅拌器在很短的时间内就能够使池中污泥充分混匀.3.2.2生物淋滤池中污泥pH和ORP的动态变化重金属溶出反应与介质pH和ORP有密切关系.我们以前的研究表明,当污泥中pH下降到2以下,重金属才能大幅度溶出[10],同时伴随着ORP的上升.因此,动态监测pH和ORP变化,可以了解污泥中重金属溶出的反应进程.图3显示了在实际运行的第5批,在该放大规模的反应器中,污泥生物淋滤介质pH和ORP的变化.结果表明,污泥pH在第5批投料时（反应0.5h）,pH为2.91,在24h内pH有明显的下降,此时pH下降到2.31,此后逐渐下降,至第5天（120h）下降到1.95.ORP则从投料刚开始时的410mV,24h内较快地上升到510mV,此后,几乎没有变化,基本维持在510mV—520mV之间.在投料后的24h内,pH和ORP变化最大,说明连续运行至第5批时,起主要作用的微生物仍然十分活跃.图3污泥生物淋滤处理过程中pH,ORP的变化（第5批）Fig.3DynamicsofpHandORPinbioreactorduringsludgebioleaching3.2.3污泥中Cr溶出率的动态变化从投料开始后的头2天,污泥中Cr的溶出率就能从起始的75％上升到90%以上,随后,Cr的溶出率仍稳步上升,直到第5天（120h）达到99.5%.在本反应器中污泥Cr的溶出与pH呈现极显著的负相关关系（r=-0.987**）.我们以前的研究发现,在pH>2.2时,污泥中铬的去除率不会超过50%[9-11].本试验在起始pH为2.9时,Cr的溶出率就为75％,是由于本次试验为半连续试验,主要受留存的上批处理污泥的影响.为进一步直接了解起主要作用的微生物在反应进程中的数量变化,我们采用平板菌落计数法[15]检测了活菌株的数量.结果发现,在整个反应进程中,反应器中微生物总量始终保持在在1.61～3.26×108个/ml之间,与最先接种时的密度处于同一数量级.这暗示着,在本反应器中,采用该方法对污泥进行微生物脱出重金属的处理由于微生物保持高活性,故而可以长期连续运行.图4污泥生物淋滤处理过程中Cr的溶出率变化（第5批）Fig.4DynamicchangeofCrremovalefficiencyinbioreactorduringsludgebioleaching显然,在容积为1m3的反应器中,用生物淋滤技术可以去除污泥中重金属,去除率可高达90%～99.5％,时间只需要2-5天.该结果具有重大意义,它表明10年来,一直处于实验室摇瓶阶段的生物淋滤法去除污泥中重金属的新技术已经向工程化应用迈出了可喜的一大步,对困扰某些工业企业如制革企业和城市污水处理厂的污泥无害化问题有望得到妥善解决.4结论4.1采用自行设计制造的1m3生物淋滤反应器,在机械搅拌的同时,进行一定的曝气充氧,可以初步实现生物淋滤技术的工程化应用.在机械搅拌装置的设计中将平叶桨和斜叶桨结合起来,设计成的复合型搅拌叶轮,有十分好的混合效果.4.2利用该生物淋滤反应器通过污泥留存接种的方法,可连续处理污泥,处理时间2-5天,制革污泥中铬的溶出率能达到90%～99.5%.参考文献:周立祥,胡霭堂,戈乃玢,等.城市污泥土地利用研究[J].生态学报,1999,19（2）:185～193.TyagiRD,TranFT.Bacterialleachingofmetalfromdigestedsewagesludgebyindigenousiron-oxidizing[J].Environ.Pollut.,1993,82:9~12.SreekrishnanJN,TyagiRD,Bl