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:采用微生生物方法去除除污泥中重金金属(生物淋滤法)是近年来发发展的新技术术,摸索工程化化的条件使研研究不再停留留在室内摇瓶瓶阶段上有其其重要的应用用价值.本文研究设设计了一套1m3容积的放大大规模生物淋淋滤反应器,它由生物淋淋滤池、搅拌拌器、曝气器器、空气压缩缩机以及空气气加热器、和和相关测试与与调控探头等等构成.其中搅拌器器中的搅拌叶叶片是把平叶叶桨和斜叶桨桨结合起来,设计成的复复合型搅拌叶叶轮,具有良好的的混合效果.在该套反应应器里利用制制革污泥进行行了半连续的的生物淋滤试试验,共持续运行行了5个批次.结果表明,在该反应器器中污泥与菌菌体和营养物物质能实现充充分混匀，氧氧传递效果好好，污泥中溶溶解氧能保证证达到2.0mgg/L以上.经过2－5天的处理,污泥的pH持续下降到2.0以下,污泥中的铬铬的溶出率在在90%～99.5%%,初步实现了了生物淋滤技技术的工程化化应用,使困扰某些些工业企业如如制革企业和和城市污水处处理厂的污泥泥无害化问题题有望得到妥妥善解决.关键词:污泥；；生物淋滤；；反应器；设设计；效果Thedesiignoffthebioleeachinngbiooreacttorfoortheeremoovaloofsluudgehheavymetallanditappplicaation..Abstracct:BBioleaachinggisaacostt-effeectiveeapprroachtoreemoveheavyymetaalsinnsewaageslludge..Theaimoofthiisstuudyisstoeestabllishaandopperateeaprracticcalammplifiicatorryscaalebiioreacctorfforbiioleacching..Thedesiggnedbbioreaactorwith1M3ofccapaciitycoonsisttsofbioleeachinngpoool,bllenderr,agiitatorr,airrcomppressoor,aiirheaateraandottheraaccesssorialldeviices.Theshhapeooftheevaneesatttacheddtotthebllenderrisddesignnedassatwwo-douublevvaneccombinnedbyyafllatanndincclineddarmoorplaate.FFivessequenntbattchbiioleacchingtriallswitthtannnerysludggewerreperrformeedinthebbioreaactor..Theresulltsshhowedthatsludgge,baacteriial,aandaddditivvesinnthebioreeactorrcoulldbemixeddevennlyanndtheeO2conduuctiviitymeettheerequuiremeentfoorbiooleachhingssincewhichhexhiibiteddmoreethann2mgg/Loffdisssolveddoxygeninnthematriixofbioreeactorr.Inaddittion,pHofsludggeinthebbioreaactorcoulddbeeexpecttedtoodecllineccontinnuousllydowwnto2.0oorlesss.Coonsequuentlyy,90%%-99.55%ofCrdiissolvvedraateinnsluddgecoouldbbeachhievedd.Theereforre,ittishhopefuultoadopttthebioleeachinngmoddelinntheenginneerinngpraacticeetorremoveethetoxiccmetaalsinnsluudgedderiveedfroommunnicipaalanddenteerprissewasstewattertrreatmeentpllants..KeyWorrds:ssludgee;biooleachhing;bioreeactorr;dessign;enginneerinngpraacticee1前言我国每年产生大大量的、亟待待安全处置的的各类含重金金属的工业污污泥和城市市市政污泥.虽然污泥土土地利用多年年来一直被认认为是处置费费用低廉,并能实现污污泥资源化利利用的途径[[1],但由于污泥泥中有毒重金金属的存在,污泥土地利利用中重金属属的潜在污染染始终是人们们担忧的问题题,污泥农用的的阻力和争议议也一直很大大.从污泥中去去除重金属,使污泥“洁净”化,便于污泥安安全农用,成为人们十十分感兴趣的的研究课题.上世纪90年代代初开始,采用微生物物方法从污泥泥中去除或回回收重金属（也也称“生物淋滤技技术”）的研究开开始兴起,并取得良好好进展.例如,Tyagi等[2]((1993))对19个来自于城市市污水处理厂厂中的活性污污泥,一沉污泥,好氧消化污污泥,厌氧消化污污泥,氧化池污泥泥等不同类型型污泥进行生生物淋滤处理理,10天后Cu的去除率达34-844%,Cd,,55-998%;CCr,0--32%;Mn,771-98%%;Ni,,39-889%;PPb,0--31%;Zn,666-98%,,但其中以厌厌氧消化污泥泥中重金属去去除效果最好好.在随后的10年间,国外的研究究者,主要是加拿拿大的研究者者,对影响污泥泥生物淋滤效效果的各种因因素进行了细细致的研究[[2-4]].本课题组作作为国内最早早展开污泥中中重金属生物物淋滤处理的的研究单位[[5,6],,已先后在污污泥中分离到到2株可用于该该处理的嗜酸酸性硫杆菌菌菌株[7,88]（T.ferrrooxiidansLX5和T.thiiooxiddansTTS6）和1株特异的耐耐酸性的异养养菌菌株（红红酵母R30）[9],并采用序批批式试验法研研究了江苏和和浙江等地的的污泥生物脱脱毒效果,结果发现污污泥中重金属属（Cu、Zn、Cd、Ni等）最高去去除率可高达达95%以上[9-111].而且我们还还发现,采用生物方方法去除污泥泥中重金属后后,完全可不加加絮凝剂而可可直接脱水[[11],获得较满意意的效果,Cr的溶出率高高达95%.然而,迄今几乎乎所有的研究究结果或运行行参数均来自自于恒温条件件下的摇瓶试试验[1-44,9,100],显然,这远远不能能用于工程实实际.因此,尽快设计和和构筑较大规规模的反应装装置,以获得有用用的运行参数数并建立使本本技术真正从从实验室走向向实际工程的的模式就显得得十分迫切.本文就是在在我们前期进进行的一系列列摇瓶试验、批批次70L的小试规模模试验的基础础上,设计并制作了1m3的放大规模模生物反应器器,以探索把生物物淋虑技术应应用于实际工工程的可能性性.2污泥生物物淋滤反应器器设计与构建建2.1污泥泥生物淋滤反反应器整体设设计污泥生物淋滤系系统包括贮泥泥和调理池、生生物淋滤反应应器、处理后后的酸化污泥泥沉淀池、重重金属回收池池、脱水机械械以及附属设设施等.其中生物淋淋滤反应器是是整个系统的的核心部件,利用微生物物去除污泥中中重金属的反反应主要在该该反应器中完完成.摇瓶试验表表明,为使接种的的微生物充分分发挥作用,提高污泥中中重金属的去去除效率,必须同时满满足如下条件件:（1）污泥生物物淋滤的适宜宜的温度为25℃-37℃,最低温度不不能低于10℃；（2）供试污泥泥必须与接种种的菌株充分分接触；（3）需要好氧氧条件,溶氧达到2mg/L即可.据此,设计的生物物反应器如图图1所示.采用小型空空气压缩机（V—0.08//0.7）供气,微孔曝气器器曝气的供氧氧方式,用便携式溶溶氧仪测定反反应池中污泥泥的溶解氧DO的水平,通过监控DOO来控制供气气量的大小.利用搅拌叶叶轮的搅拌作作用,使污泥与菌菌株混合均匀匀,实验温度控控制在25℃以上,夏季为环境境自然温度,冬季用空气气加热器进行行保温.图1生物淋淋滤反应器Fig.1thebbioleaachinggbiorreactoor1.2生物物淋滤反应器器各部件2.2.1生物淋滤器器的土建结构构及防腐生物淋滤器器为砖混结构构,构筑在地面面上,为直径1m,高1.3m的圆柱形反反应池,池壁与池底底的直角改为为圆弧形,以消除污泥泥搅拌过程中中可能形成的的“死角”.池容1m3,实验的有效效容积为800L,预埋管道接接口,池内外壁用用水泥砂桨抹抹光,待干透后,进行防腐处处理,共涂装3遍[12]].2.2.2搅拌系统搅拌效果与与搅拌器的转转速以及搅拌拌叶轮的形状状有关,为便于探索索研究污泥生生物淋滤过程程中搅拌叶轮轮的转速与搅搅拌效果的关关系,将搅拌器的的转速设计成成可调式,由电磁调速速电机,摆线针轮减减速机,联轴器,搅拌轴,叶轮等组成.电磁调速电电机的选择[[13]],按照桨板转转动时消耗的的功率No(KKw)公式:No＝Cρρω3Zb（R4—r4）/408gg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/ss,Z——桨板数；；R——垂直轴中心心至桨板外缘缘的距离（m）；r——垂直轴中心心至桨板内缘缘的距离（m）；g——重力加速度,9.811m/s2,以及桨板转转动时的机械械总效率（ηη1=0.75）和传动效效率（η2=0.6－0.95）,可得转动桨桨板所需电动动机的功率N=Noo/η1η2.设计时Z=6,,R＝0.3m,,r＝0.15mm,ρ＝1100kg/m33,b的有效尺寸寸为0.35mm,并取C＝0.5,η2＝0.95,,叶轮最高转转速设计为70r/mmin（即7.33raad/s）.经计算得N＝1.2Kww,最终选择择的电磁调速速电机的型号号为:YCTLL132-44B(1.55Kw)；与之相配配套的摆线针针轮减速机的的型号为:BLY111A-9--1.5..这样,通过机电联联合调速,以及叶轮最最高设计转速速的限定,搅拌器的转转速可以在13－70r//min之间进行调调节.2.2.3搅拌叶轮搅搅拌叶轮的设设计主要是搅搅拌桨型的选选择与设计.盘式透平桨桨是一种径向向流叶桨,其桨端径向向切向分速率率大致相等,特点是切向向分速度沿径径向的减速变变化速率比径径向分速度的的变化速率快快,使透平桨能能产生很强的的液体湍流.而轴流型的的斜叶桨,径向和切向向分速度大致致相等,但是垂直方方向上的分速速度是径向分分速度的几倍倍,能为体系提提供较高的环环流量,缺点是桨叶叶的剪切力过过弱,桨叶粉碎气气泡的能力不不强[144].由于待处理理的污泥含固固率常在3%以上,其中的固相相物质易下沉沉,故搅拌污泥泥时需要较高高的轴相提升升力,以增加体系系的混匀程度度,将平叶桨和和轴流型的斜斜叶桨两种型型式结合在一一起,设计出用于于污泥搅拌的的叶轮,如图2所示,平叶桨部分分有利于气泡泡的粉碎以及及防止污泥在在淋滤池池底底产生沉积,斜叶桨部分分有利于搅拌拌时污泥的提提升,使生物淋滤滤反应充分.搅拌叶轮的的材质为A3钢,叶轮表面进进行防腐处理理,方法同1.2.11.图2组组合叶片的外外形示意图Fig.2Thesshapeofthhecommbineddblenndervvanes2.2.4曝气系统根据我们70L小试的经验,用与电磁式式空气压缩机机(ACOO-003)配套的微孔孔曝气头,制作曝气器,整个曝气系系统由空气压压缩机,调压阀,流量计,曝气器,供气管道等等组成.考虑到寒冷冷季节的试验验环境,配套设计了了一空气加热热器系统,加热器由电电阻丝、外壳壳、温度传感感器以及自动动控制器等组组成,在设定的温温度范围内（25℃-35℃）,自动控制加加热器的工作作.2.2.5挡板挡板的主要要作用是为了了当搅拌器搅搅拌时,减少污泥的的圆周运动,加强径向、轴轴向运动,提高紊流程程度,改善体系的的气液分散与与混合程度.挡板是气液液分散体系中中不可缺少的的设备构件[[14].在本反应器器中挡板设计计成长×宽×厚为600mmm×150mmm×3mmm长条形钢板,焊接安装脚,制作好后进进行表面防腐腐处理.在生物淋滤滤反应器壁安安装时,将挡板上端端沿着搅拌叶叶轮的搅拌方方向倾斜约30度,以增加液体体的紊流效果果.3实验部分分3.1材料料与方法3.1.1供试污泥据据我们先前的的研究,城市市政污污泥中的重金金属用生物淋淋滤处理较制制革污泥容易易得多.因此,本研究选择择危害更大,处理难度也也更大的制革革污泥作为供供试污泥进行行研究.供试污泥采采自浙江某制制革企业浓缩缩池污泥,其基本性质质如表1所示.污泥中重金金属主要为Cr(IIII).表1供试制革革污泥基本特特性(干物质计)Table11.TheeprimmarypphysiccochemmicalpropeertiessofttheseelecteedtannnerysludggepH含固率全N全P全K总Fe总S有机质Cr3+Cr6+Pb--------------------------------------%------------------------------------------------------mg//kg----------7.863.73.031.020.493.151.9044.656500ND105ND:未检测测到3.1.2生物淋滤处处理方法将600L原始污泥倒倒入已构建的的1m3反应器中.按参考文献献[7,8]]的试验方法,制备50L含硫杆菌（AAciditthiobaacilluusthiiooxiddansTTS6)和异养菌R30的混合接种种物.将接种物倒倒入上述反应应器中,同时加入一一定比例的高高效添加剂作作为微生物的的营养物质.开动搅拌器器进行搅拌,搅拌速度调调整在50r/mmin,同时进行曝曝气,当试验趋于于稳定时,曝气量控制在0.25－0.55mm3/h,溶解氧DO在2mg/L以上,经4天的连续运运行直至体系系的pH下降到1.9左右结束第1批污泥的处处理.随后放出1/3的经反应后后的酸化污泥泥（生物淋滤滤完成pH在1.9左右的污泥泥）,这部分污泥泥经固液分离离、淘洗处理理（当污泥中中重金属含量量过高时采用用）和进一步步脱水后,获得“洁净”污泥,留存的2/3污泥供第2批处理接种种用,然后补充原原处理总量1/3的新鲜原始始污泥,同上法,进行第2批生物淋滤滤处理,采用同样方方法,连续进行第3批、第4批、第5批的处理.从第2批开始每次次处理完成时时间为2-3天就能使污污泥中重金属属溶出率达到到90%以上.为充分了解解利用该反应应器进行生物物淋滤过程中中重金属Cr的溶出动态,在第5批时让其反反应时间延长长直至重金属属能溶出接近近100%为止（大约5天）,本文报告的的即为第5批的结果.3.1.3测定方法每12h采用pH-ORRP计(型号为pH2－TC)测定反应器器中污泥pH和氧化还原原电位（ORP）,用溶氧仪(型号为JPB－607)测定DO.并取出20mL污泥,在12,0000×g下离心15mmin,00.45m膜过滤,采用原子吸吸收分光光度度计法测定滤滤液中总Cr.滤液中Cr与原污泥中中总含Cr量的比率即即为Cr溶出率.3.2结果果与讨论3.2.1生生物淋滤池中中污泥的流态态由于本方法涉及及的重金属溶溶出反应是微微生物作用的的结果,因此,要获得高的的溶出效率必必须要求菌株株能充分接触触污泥颗粒组组分.在本反应器器的设计中,搅拌叶轮的的叶片下边缘缘距离池底10cm,在搅拌叶轮50r/mmin的匀速搅拌拌下,池中污泥剧剧烈翻滚,在挡板的配配合下,污泥在液面面上翻腾的的的高度大约在在5cm左右,呈明显的紊紊流状态,保证了污泥泥与微生物菌菌株的充分接接触.在搅拌器开开动0.5h,分别在生物物淋滤池取样样口、放空阀阀以及淋滤池池的上端直接接采样,测得生物淋淋滤池中污泥泥上、中、下下三层的含固固率一致,可认为搅拌拌器在很短的的时间内就能能够使池中污污泥充分混匀匀.3.2.2生物淋滤池池中污泥pH和ORP的动态变化化重金属溶出反应应与介质pH和ORP有密切关系.我们以前的的研究表明,当污泥中pH下降到2以下,重金属才能能大幅度溶出出[10],同时伴随着ORP的上升.因此,动态监测pH和ORP变化,可以了解污污泥中重金属属溶出的反应应进程.图3显示了在实实际运行的第第5批,在该放大规规模的反应器器中,污泥生物淋淋滤介质pH和ORP的变化.结果表明,污泥pH在第5批投料时（反反应0.5h）,pH为2.91,,在24h内pH有明显的下下降,此时pH下降到2.31,,此后逐渐下下降,至第5天（120h）下降到1.95..ORP则从投料刚刚开始时的410mmV,24h内较快地上上升到510mmV,此后,几乎没有变变化,基本维持在510mmV—520mmV之间.在投料后的24h内,pH和ORP变化最大,说明连续运运行至第5批时,起主要作用用的微生物仍仍然十分活跃跃.图3污泥生生物淋滤处理理过程中pH,OORP的变化（第5批）Fig.3DynammicsoofpHandOORPinnbiorreactoordurringssludgeebiolleachiing3.2.3污泥中Cr溶出率的动动态变化从投料开始后的的头2天,污泥中Cr的溶出率就就能从起始的的75％上升到90%以上,随后,Cr的溶出率仍仍稳步上升,直到第5天（120h）达到99.5%%.在本反应器器中污泥Cr的溶出与pH呈现极显著著的负相关关关系（r=-0..987***）.我们以前的的研究发现,在pH>2..2时,污泥中铬的的去除率不会会超过50%[99-11]..本试验在起起始pH为2.9时,Cr的溶出率就就为75％,是由于本次次试验为半连连续试验,主要受留存存的上批处理理污泥的影响响.为进一步直直接了解起主主要作用的微微生物在反应应进程中的数数量变化,我们采用平平板菌落计数数法[15]检测了活活菌株的数量量.结果发现,在整个反应应进程中,反应器中微微生物总量始始终保持在在在1.61～3.26××108个/ml之间,与最先接种种时的密度处处于同一数量量级.这暗示着,在本反应器器中,采用该方法法对污泥进行行微生物脱出出重金属的处处理由于微生生物保持高活活性,故而可以长长期连续运行行.图4污泥生生物淋滤处理理过程中Cr的溶出率变变化（第5批）Fig.4DynammicchhangeofCrrremoovaleefficiiencyinbiioreacctordduringgsluddgebiioleacching显然,在容积为为1m3的反应器中,用生物淋滤滤技术可以去去除污泥中重重金属,去除率可高高达90%～99.5％,时间只需要2-5天.该结果具有有重大意义,它表明10年来,一直处于实实验室摇瓶阶阶段的生物淋淋滤法去除污污泥中重金属属的新技术已已经向工程化化应用迈出了了可喜的一大大步,对困扰某些些工业企业如如制革企业和和城市污水处处理厂的污泥泥无害化问题题有望得到妥妥善解决.4结论4.1采用用自行设计制制造的1m3生物淋滤反反应器,在机械搅拌拌的同时,进行一定的的曝气充氧,可以初步实实现生物淋滤滤技术的工程程化应用.在机械搅拌拌装置的设计计中将平叶桨桨和斜叶桨结结合起来,设计成的复复合型搅拌叶叶轮,有十分好的的混合效果.4.2利用用该生物淋滤滤反应器通过过污泥留存接接种的方法,可连续处理理污泥,处理时间2-5天,制革污泥中中铬的溶出率率能达到90%～99.5%%.参考文献:周立祥,胡霭堂堂,戈乃玢,等.城市污泥土土地利用研究究[J].生态学报,19999,19（2）:185～193.TyagiRRD,TrranFT.Baacteriialleeachinngofmetallfrommdigeestedsewaggesluudgebbyinddigenoousirron-oxxidiziing[J]].Envviron..Polllut.,11993,882:9~112.SreekriishnannJN,,TyagiiRD,,Blai