CN109970299B - 一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺。针对具有特定性质的底泥，通过添加硫基质、改变Eh等条件来激活其中的土著菌，该生物淋滤工艺无需外加淋滤功能菌剂，且可使用含硫单质的各类土壤改良剂作为硫基质。本发明较为有效地解决了传统方法中微生物接种驯化时间长、底泥营养流失严重等问题，并简化了工艺步骤，降低了操作难度，提高了处理量，节省了基建投资，进一步推动了底泥生物淋滤技术的工程应用。

Description

一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺
技术领域
本发明属于重金属污染治理领域，特别是涉及一种用于底泥重金属生物淋滤的方法。
技术背景
生物淋滤技术是指利用淋滤功能菌的直接作用或其代谢产物的间接作用，通过产生氧化、还原、络合、吸附或溶解等途径，将固相中难溶性重金属分离浸提去除的一种技术。该技术起源于微生物湿法冶金，随后其研究与应用逐步扩展至环境污染修复治理的领域，例如电子废弃物中重金属的回收利用、垃圾焚烧飞灰中重金属的去除，以及超标土壤、污泥和底泥中重金属的去除等。在这些应用过程中，该技术得到了长足的发展。其中，由于我国底泥疏浚量大、重金属含量较高、亟待有效处理的紧迫性，以及现有物理化学方法脱毒和脱水不可兼得的局限性，生物淋滤技术被认为是颇具前景的重金属污染底泥的处理技术之一。
目前，关于底泥生物淋滤工艺研究多处于小试或中试阶段，实际工程的报道少之又少。目前已有的淋滤工艺多采用污泥回流法或多次接种法处理，人为加入氧化硫杆菌等淋滤功能菌和相应的生长基质，到达淋滤终点后脱水干化进行下一步的资源化利用，主要采用的硫基质为硫单质或生物硫，工艺存在淋滤功能菌接种驯化时间长、处理量较低、处理工艺占地面积大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺，能够节省工艺的操作成本、技术成本和基建成本，并方便快速地处理底泥。
申请人经过研究发现，底泥自带淋滤功能菌，而微生物高通量分析结果表明，底泥中有酸杆菌、硫杆菌、盐硫杆菌、硫单胞菌、不动杆菌、假单胞菌等(图1)，这些菌淋滤机制不尽相同，但均具有淋滤功能。本技术的研发，可以提高生物淋滤技术的处理效率，推动该技术的工程应用。因此，针对具有特定性质的底泥，本发明提出一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺。
本发明具体采用的技术方案是：
一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺，其包括以下步骤：
1)对受重金属污染的初始底泥的含水率进行调节，使底泥成为含水率95％-98％的泥水混合物；
2)向1)处理后的泥水混合物中添加3-10g/L硫基质；
3)对2)处理后的泥水混合物不断进行充氧操作，从而改变底泥Eh以形成利于淋滤进行的环境条件，至pH<3.0时，视为达到淋滤终点；
4)达到淋滤终点后，将泥水混合物进行静置，待泥水分离后，将上清液排出，将下层泥浆进行脱水处理。
作为优选，所述的初始底泥满足如下条件：
1)底泥的pH<7.5；
2)底泥中重金属含量超出土壤污染风险筛选值；
3)耗酸能力(acid consumption capacity,ACC)小于2mol/kg。
本发明中，底泥的pH参考国家标准HJ 962-2018测定，土壤污染风险筛选值参照国家标准GB15618-2018确定。
作为优选，所述的硫基质为除工业商用的单质硫粉之外，还可以为含硫单质的各类农用硫基质。
作为优选，所述的农用硫基质为土壤改良剂膨润土硫磺、农用肥料包衣尿素硫，不仅无毒无害，还可以拓宽底泥后续的资源化利用。
作为优选，所述的充氧操作为曝气、振荡、或搅拌，任何能够对泥水混合物进行充氧的操作均可。
作为优选，步骤1)～4)可以在同一个池体中进行操作。
与背景技术相比，本发明的优点与效果是：
一、针对具有特定性质的底泥，利用其中的土著淋滤功能菌，通过添加硫基质、充氧等外界条件的改变来激活土著菌，进行生物淋滤。无需外加淋滤功能菌剂，也因此无需富集、培养、保存淋滤功能菌剂，大大简化了工艺步骤，降低了操作难度，节省了回流管道、调节池、微生物的富集培养与强化等传统工艺设备，所需基建投资少、占地面积小，能够方便快速地处理底泥。
二、可根据实际操作及预算情况，选择膨润土硫磺或包衣尿素硫作为生物淋滤的硫基质。膨润土硫磺原为土壤改良剂，包衣尿素硫原为农用肥料，采用这两种硫基质不仅无毒无害，且可以拓宽底泥后续的资源化利用。
附图说明
图1底泥中微生物群落结构分布；
图2去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺流程图；
图3以硫粉为生长基质的底泥生物淋滤pH变化趋势图；
图4以硫粉为生长基质的底泥生物淋滤重金属去除率；
图5以包衣尿素硫为生长基质的底泥生物淋滤pH变化趋势图；
图6以包衣尿素硫为生长基质的底泥生物淋滤重金属去除率。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
对于满足特定条件的底泥，均可按照本发明的序批式生物自淋滤工艺进行重金属去除。能够用本发明的工艺进行处理的底泥需要满足以下条件：
1)其按照国家标准(HJ 962-2018)测定的pH<7.5。
2)已受重金属污染底泥，参考国家标准(GB15618-2018)，重金属含量超出土壤污染风险筛选值。
3)耗酸能力(acid consumption capacity,ACC)小于2mol/kg。
由于本发明主要依靠土著淋滤功能菌利用硫粉后产酸，然后将重金属溶出，所以pH和耗酸能力太高的话会影响甚至抑制这个过程。另外这种菌最适宜的生存条件是pH较低的情况，因此也需要保证初始底泥的pH不能太高，否则初始底泥中的土著淋滤功能菌含量较低，无法适用本发明的工艺。
对于满足这三个条件的底泥，如图2所示，按照下述步骤进行处理：
1)调节含水率：对受重金属污染的初始底泥的含水率进行调节，使底泥成为含水率95％-98％的泥水混合物；
2)添加能源基质：向1)处理后的泥水混合物中添加3-10g/L硫基质；
3)充氧：对2)处理后的泥水混合物不断进行充氧操作，从而改变底泥Eh以形成利于淋滤进行的环境条件，至pH<2.5～3.0时，视为达到淋滤终点；
4)泥水分离：达到淋滤终点后，将泥水混合物进行静置，待泥水分离后，将上清液排出，将下层泥浆进行脱水处理。
下面基于该方法，通过实施例展示本发明的技术效果。
实施例1
在某河流采得重金属污染底泥，测得其重金属含量为Cu 284.48mg/kg，Zn394.00mg/kg，耗酸能力为1.28mol/kg，pH为7.29。在反应器中加入总体积为6L的底泥和水使得其含水率为97％，再加入18g硫粉，在室温下对泥水混合物进行曝气，曝气量为160L/h，曝气过程中实现对重金属的淋滤反应。
同时，针对本实施例设置三个单因素对照组，其中第一组对照与本实施例的区别在于另外添加淋滤功能菌，第二组对照与本实施例的区别在于不添加硫粉，第三组对照与本实施例的区别在于对初始底泥进行灭菌处理且不添加硫粉。
本实施例与各对照组的泥水混合物体系中pH随时间变化结果如图3所示，本工艺中泥水混合物起始pH为6.95，pH在8天内即可降至2.5，而另外两组对照的pH趋势与本发明及传统工艺(即第一组对照)存在较大不同。而从图4展示的Cu、Zn的淋出量来看，本发明工艺与传统工艺的Cu、Zn淋出量也艺基本一致。这说明在改变Eh和添加硫基质的条件下，底泥中土著淋滤功能菌可以被激活，从而发挥生物淋滤的作用。本发明工艺对Cu、Zn的去除效果较好，与外加菌剂的传统工艺不相上下，说明序批式生物自淋滤工艺具有良好的重金属去除效果。同时，以上述淋滤时长计算可得，除了可节省外加菌剂的驯化培养时间，采用本发明的工艺同样的时间内可比回流量为30％的传统工艺多处理22.5％的底泥。
实施例2
本实施例所用底泥同实施例1，在250ml玻璃锥形瓶中加入150ml含水率为97％的泥水混合物和4.5g包衣尿素硫，置于28℃，180rpm的恒温振荡培养箱中反应。泥水混合物起始pH为7.24。
同时针对本实施例设置单因素对照组，对照与本实施例的区别在于另外添加淋滤功能菌，其余做法均相同。
本实施例与对照组的泥水混合物体系中pH随时间变化结果如图5所示，图中可见pH在第9天可降至3以下，且是否外加菌剂的pH下降情况基本一致，说明包衣尿素硫可作为硫基质用于生物自淋滤。底泥中重金属的去除效果如图6所示，同样地，该工艺对Cu、Zn的去除效果较好，其中Cu、Zn的淋出量与外加菌剂的传统工艺不相上下，说明序批式生物自淋滤工艺具有良好的重金属去除效果。此外，采用包衣尿素硫和硫粉进行生物自淋滤后底泥的总氮分别为15.60mg/g和3.27mg/kg，说明采用包衣尿素硫作为硫基质一定程度上可以解决营养流失的问题，拓宽了淋滤后底泥用于农用的资源利用途径。
由上述两个实施例可以看出，淋滤过程中泥水混合物的pH<3.0时，可以视为达到淋滤终点。实际应用过程中，达到淋滤终点后，将泥水混合物进行静置，待泥水分离后，将上清液排出，将下层泥浆进行脱水处理，即可达到底泥中重金属去除的目的。
本发明较为有效地解决了传统方法中微生物接种驯化时间长、底泥营养流失严重等问题，并简化了工艺步骤，降低了操作难度，提高了处理量，节省了基建投资，进一步推动了底泥生物淋滤技术的工程应用。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）对受重金属污染的初始底泥的含水率进行调节，使底泥成为含水率95%-98%的泥水混合物；
2）向1）处理后的泥水混合物中添加3-10 g/L硫基质；
3）对2）处理后的泥水混合物不断进行充氧操作，从而改变底泥Eh以形成利于淋滤进行的环境条件，至pH<3.0时，视为达到淋滤终点；
4）达到淋滤终点后，将泥水混合物进行静置，待泥水分离后，将上清液排出，将下层泥浆进行脱水处理；
所述的初始底泥满足如下条件：
1）底泥的pH<7.5；
2）底泥中重金属含量超出土壤污染风险筛选值；
3）耗酸能力小于2 mol/kg，耗酸能力指的是acid consumption capacity，简写为ACC。
2.根据权利1所述的一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺，其特征在于，所述的硫基质为单质硫粉或农用硫基质。
3.根据权利2所述的一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺，其特征在于，所述的农用硫基质为土壤改良剂膨润土硫磺或农用肥料包衣尿素硫。
4.根据权利1所述的一种去除底泥中重金属的序批式生物自淋滤工艺，其特征在于，所述的充氧操作为曝气、振荡、或搅拌。
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