孫琪，石明巖，劉恒甫，簡國丹，黃鳳丹，黃麗鳳

(廣州大學 土木工程學院,廣東 廣州 510006)

接種物投量對生物瀝浸調理航道底泥脫水性能的影響

孫琪，石明巖*，劉恒甫，簡國丹，黃鳳丹，黃麗鳳

(廣州大學 土木工程學院,廣東 廣州 510006)

接種物投量;生物瀝浸;航道底泥;比阻;TB-EPS

為避免航道污染,需清淤或疏浚。由此產生的底泥是不同來源的營養(yǎng)物質和污染物經過一系列的物理、化學和生化作用,形成的疏松狀、高含水率的灰黑色淤泥[1],需妥善處理，其中脫水減量化處理是關鍵。生物瀝浸技術,最早應用于礦山浸礦[2]。后經研究發(fā)現,該技術還可通過鐵氧化鉤端螺旋菌、硫化桿菌屬、嗜酸菌屬以及其他與硫桿菌聯合生長的兼性嗜酸異養(yǎng)菌的生物作用對污泥脫水性能進行調理[3]。接種物投量的大小直接影響瀝浸體系中微生物生長環(huán)境的維持和良性循環(huán)[4],進而影響處理效果。為此,本研究以黃鐵礦粉和硫粉為能量底物,采用搖瓶培養(yǎng)試驗對航道底泥進行不同接種物投量下的生物瀝浸處理,目的是考察接種物投量對底泥脫水性能的變化及相應的作用機理,為航道底泥減量化處理提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 接種物制備

試驗所用底泥取自某航道,泥質見表 1。

將150 mL原始底泥裝入250 mL錐形瓶中,分別加入5.0 g·L-1的FeS2和2.0 g·L-1的S0,置于恒溫水浴振蕩器中,保持28 ℃、180 r/min的條件進行搖瓶培養(yǎng)。定時監(jiān)測底泥pH,當pH值低于2.5時,結束第1次培養(yǎng)。之后取20 mL酸化底泥加入130 mL新鮮底泥中,采用相同方法重復培養(yǎng)2次,獲得的酸化物可達到接種要求。

表1 試驗泥質

1.2 搖瓶試驗

1.3 分析項目與測試方法

1.4 數據分析

用SPSS13.0 軟件進行相關性分析[10]，相關性分析用皮爾森相關系數表示。

2 結果與討論

生物瀝浸過程中Fe2+和S0的氧化率被認為是微生物活性和生物瀝浸效果的重要評判指標,氧化率越高,說明瀝浸效果越好[9,11]。

圖1顯示了不同接種物投量下處理過程的Fe3+濃度變化。

由圖1可知,瀝浸前期Fe3+濃度呈現上升趨勢,可能是Fe2+氧化生成Fe3+所致[12-13]。當接種物投量分別為5%、10%、15%、20%時,Fe3+濃度分別由0時刻的0.71 mg·L-1、0.98 mg·L-1、0.63 mg·L-1、0.66 mg·L-1增至2.24 mg·L-1、3.86 mg·L-1、2.59 mg·L-1、2.15 mg·L-1。其中,10%接種物投量下的Fe3+濃度變化最為顯著,增長率為293.38%。瀝浸后期能源物質被大量消耗,瀝浸微生物逐步進入內源呼吸期,氧化能力減弱,Fe3+濃度因此出現下降。

Fig.1 Changes of Fe3+ concentrations in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖1 不同接種物投量下生物瀝浸過程中Fe3+濃度的變化

Fig.2 Changes of concentrations in the process of bio-leaching under different amounts inoculum圖2 不同接種物投量下生物瀝浸過程中濃度的變化

Fig.3 Changes of the value of ORP in the process of bio-leaching under different amounts inoculum圖3 不同接種物投量下生物瀝浸過程中ORP的變化

(1)

(2)

(3)

(4)

Fig.4 Changes of the value of pH in the process of bio-leaching under different amounts inoculum圖4 不同接種物投量下生物瀝浸過程中pH的變化

Fig.5 Changes of the value of SRF in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖5 不同接種物投量下生物瀝浸過程中比阻的變化

2.2 接種物投量對底泥比阻的影響

比阻SRF是衡量污泥脫水性能的主要指標。當SRF>4.00×1012m·kg-1時為難脫水污泥,當1.00×1012m·kg-1

由圖5可以看出,瀝浸前期,不同處理下的底泥比阻呈現不同程度地下降。當接種物投量分別為5%、10%、15%、20%時,比阻分別由初始時刻的5.63×1012m·kg-1、5.06×1012m·kg-1、5.63×1012m·kg-1、5.91×1012m·kg-1降至最低值的1.10×1012m·kg-1、0.92×1012m·kg-1、1.06×1012m·kg-1、1.21×1012m·kg-1,接種物投量為10%時的比阻下降率最高(81.82%)。說明接種物投量不足,會影響瀝浸體系中微生物活性[4],脫水性能變差,但并非越高越好。同時，在空白對照組中,未經接種的底泥比阻呈直線下降,在72 h時,比阻為1.84×1012m·kg-1。相比其他組而言,可以看出瀝浸最佳時刻延遲,驗證了前述接種物投量對瀝浸效果的影響。

Fig.6 Changes of the content of S-EPS,LB-EPS and TB-EPS in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖6 不同接種物投量下生物瀝浸過程中S-EPS、LB-EPS、TB-EPS含量的變化

2.3 胞外聚合物(EPS)的變化

按底泥有機物與細胞相的結合程度,EPS 可分為黏液層 EPS(S-EPS)、松散結合的 EPS(LB-EPS)和緊密結合的EPS(TB-EPS) 3個層組[19],其中EPS為TB-EPS與LB-EPS之和。不同接種物投量下EPS各層組含量的變化如圖6所示。

Fig.7 Changes of the number of heterotrophic bacteria in the process of bioleaching under different amounts inoculum圖7 不同接種物投量下生物瀝浸過程中異養(yǎng)菌數量變化

由圖6可知,S-EPS含量表現出先上升后下降的變化規(guī)律,而LB-EPS、TB-EPS的變化則與之相反。對照圖4可以發(fā)現,pH與LB-EPS、TB-EPS的變化同步,表明生物酸化與EPS變化直接相關。進一步分析推測,瀝浸前期pH降低,酸化作用增強,附著在LB-EPS、TB-EPS上的不溶態(tài)蛋白和多糖大量轉移到最外層的Slime層[20],導致LB-EPS、TB-EPS含量減少,S-EPS含量增加。圖7顯示,瀝浸過程中異養(yǎng)菌數量急劇下降,由4.30×1012～11.40×1012個·mL-1降至2.61×1010～7.40×1010個·mL-1。表明此階段自養(yǎng)型硫桿菌為優(yōu)勢菌群,由于其分泌的LB-EPS和TB-EPS極少[18],同時部分TB-EPS、LB-EPS轉化為S-EPS[21],因此也導致了上述現象的出現。然而過長時間的生物瀝浸處理會造成底泥pH值過低,底泥中存活的微生物分泌大量的EPS以保護自身細胞免受傷害[22],從而出現瀝浸后期TB-EPS、LB-EPS含量回升,S-EPS含量下降。

結合SRF變化發(fā)現,SRF與LB-EPS、TB-EPS變化同步，進一步分析LB-EPS、TB-EPS與SRF下降的相關性,結果見表2。

表2 LB-EPS、TB-EPS與比阻的相關性分析

由表2可知,當接種物投量在0～20%范圍內時，LB-EPS 、TB-EPS與SRF的相關系數分別在0.82～0.96和0.84～0.96之間變化，與SRF呈正相關,且對比阻的影響接近。

3 結論

研究了0%～20%范圍內的接種物投量對生物瀝浸法調理航道底泥脫水性能的影響,結果表明:

(2)經生物瀝浸,底泥比阻由5.06×1012m·kg-1～5.91×1012m·kg-1降至0.92×1012m·kg-1～1.21×1012m·kg-1,下降率為79.53%～81.82%。其中當接種物投量為10%、瀝浸48 h時,底泥比阻由5.06×1012m·kg-1降至0.92×1012m·kg-1,取得最大下降率81.82%。

(3)LB-EPS、TB-EPS與比阻呈正相關,其含量越少,比阻越低,越有利于脫水。其中,TB-EPS對降低比阻的貢獻略高于LB-EPS。

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Influence of Bioleaching in the Amounts of Inoculum on Dewaterability of the Channel Sediment

SUN Qi，SHI Mingyan*,LIU Hengfu,JIAN Guodan,HUANG Fengdan,HUANG Lifeng

(DepartmentofMunicipalEngineering,CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

amount of inoculum;bioleaching;channel sediment;SRF;TB-EPS

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.028

2016-08-29；

2016-11-09

國家自然科學基金(51308136);廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2014-15);國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(201511078012);廣東省大學生創(chuàng)新訓練項目(201611078069)

孫琪(1993-)，武漢人，碩士研究生。

*通信作者：石明巖(SHI Mingyan),E-mail:mingyanshi@163.com

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0253-2395(2017)01-0195-06