宋文婷,郭靜,楊倩倩,程剛
(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西西安710600)
2019年6月1日實施的《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》明確了多環(huán)芳烴、苯并(a)芘和礦物油三類限制污泥農(nóng)用的有機(jī)污染物及其濃度限值。目前,有關(guān)污泥中多環(huán)芳烴的污染現(xiàn)狀及降解特性研究較多[5-7],而對于礦物油和苯并(a)芘的研究主要集中在含油污泥和污染土壤方面[8-10],城市污泥相關(guān)研究鮮見。有機(jī)污染物的降解方法中,物化法降解有機(jī)污染物速度快、效率高,但超聲芬頓法[11-12]處理效果略低,且在處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物可能會帶來二次污染;高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)[13-14]能耗高、成本大,處理不當(dāng)會產(chǎn)生二英帶來二次污染;高級氧化法[15-16]會破壞污泥中其他有機(jī)質(zhì),影響污泥中的營養(yǎng)成分,故均不適宜農(nóng)用污泥有機(jī)污染物的處理。而生物法是利用微生物將有機(jī)污染物分解轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì),或徹底礦化為CO2和H2O,因其具有經(jīng)濟(jì)合理、綠色環(huán)保等特點而備受關(guān)注[17]。
本文介紹了城市污泥有機(jī)污染物的來源、性質(zhì)及危害,歸納分析了污泥生物處理技術(shù)及其物化協(xié)同作用下的去除效果,并對今后的研究方向與工程化應(yīng)用做出展望。
城市污泥有機(jī)污染物含量與污水處理廠污水來源、處理工藝及污泥處置方式等因素有關(guān)。生活污水中有機(jī)污染物含量一般較低,而石油化工、焦化、印染、農(nóng)藥等工業(yè)廢水中有機(jī)污染物含量較高,為生活污水的2~3倍[18]。污水處理過程研究表明[19],一級處理階段,有機(jī)污染物易吸附在顆粒物表面并隨之沉淀去除,去除率不足10%;二級處理階段,少量低分子有機(jī)污染物作為微生物碳源被降解,而高分子量有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易降解,易被污泥吸附,隨剩余污泥排出。不同處理工藝對有機(jī)污染物去除效果也存在差異,文獻(xiàn)報道:A2/O工藝和周期循環(huán)活性污泥(CASS)工藝均可去除80%的多環(huán)芳烴(PAHs),氧化溝工藝可去除70%的PAHs,膜生物反應(yīng)器可去除76%的PAHs[20]。歸納4 種工藝的去除作用,有機(jī)污染物的揮發(fā)量極少,微生物降解量僅占0.1%~13.7%,大多都被污泥吸附[21-22]。這是由于污水處理廠有機(jī)污染物的疏水性和對顆粒物的高親和力,使污泥吸附成為污水有機(jī)污染物去除的主要作用。
了解污泥有機(jī)污染物的性質(zhì)及危害對有機(jī)污染物的處理有重要作用。多環(huán)芳烴與苯并芘均是通過芳香環(huán)稠構(gòu)成的有機(jī)化合物,礦物油中除具有芳香烴外還有部分烷烴和環(huán)烷烴[23]。這類污染物具有芳烴類化合物的特性,不僅熔沸點較高、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難溶于水、難降解,而且易于在環(huán)境中遠(yuǎn)距離傳輸、遷移和轉(zhuǎn)化,形成的衍生物種類多[24]。據(jù)調(diào)查,我國部分城市污泥中多環(huán)芳烴含量為0~11.9mg/kg,苯并(a)芘含量為0~4.12mg/kg,礦物油含量為2~14300mg/kg[25],有機(jī)污染物總量變化大,地域差別明顯。
隨污水處理遷移到污泥中的有機(jī)污染物,具有極強(qiáng)的致癌性、致突變性和致畸性,高穩(wěn)定性和強(qiáng)疏水性使其易在污泥土壤等環(huán)境介質(zhì)中累積,進(jìn)而遷移到農(nóng)作物體內(nèi),影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,隨后還會通過食物鏈進(jìn)入生物體并逐漸富集,引起生物體消化系統(tǒng)紊亂,破壞體內(nèi)細(xì)胞,對生物體細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的改變,不僅存在較高的生態(tài)風(fēng)險,還會威脅到人類自身健康[26]。
在污泥生物處理技術(shù)中,消化和堆肥過程可以使污泥有機(jī)污染物得到不同程度的降解,降解途徑有揮發(fā)、固定和微生物作用[27]。揮發(fā)僅對極少數(shù)低分子量芳烴有效,一般忽略不計。固定是污泥在消化或堆肥過程中有機(jī)污染物與少量有機(jī)質(zhì)(如腐殖酸)結(jié)合使其不易被微生物降解利用。而在污泥消化或堆肥過程中,微生物是降解有機(jī)污染物的主體[28],一方面低分子量有機(jī)污染物為微生物提供碳源,供其生長繁殖;另一方面微生物通過易降解有機(jī)質(zhì)獲取營養(yǎng)物質(zhì),增強(qiáng)酶活性進(jìn)一步促進(jìn)高分子量芳烴降解[29]。
污泥厭氧消化主要分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸與產(chǎn)甲烷4 個階段[29]。前3 個階段又稱為酸性發(fā)酵階段,在這個階段,兼性或厭氧微生物分泌的水解酶將不溶性大分子有機(jī)物分解成可溶性小分子物質(zhì),然后酸化菌將水解產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸、CO2等物質(zhì),最后這些產(chǎn)物在產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌作用下生成乙酸和。曹海軍[31]研究了PAHs 在污泥酶法水解中的變化,結(jié)果表明,水解3h 后,泥相中PAHs 由4.5mg/kg 降低至2.0mg/kg,之后趨于穩(wěn)定,其中2~3 環(huán)PAHs 轉(zhuǎn)化率約為61.0%,只有25.1%被生物降解為小分子;4~6 環(huán)轉(zhuǎn)化率約為49.9%,但大部分遷移到液相中,生物降解不到8.0%。這可能就是因為污泥厭氧消化的酸性發(fā)酵階段產(chǎn)生的水溶性有機(jī)物和小分子有機(jī)酸促進(jìn)PAHs 從固相中解吸出來,轉(zhuǎn)移到液相中,從而促進(jìn)了有機(jī)污染物的微生物利用度,而對于高分子芳烴的生物降解還需加強(qiáng)條件控制,如升溫、添加降解菌等。
產(chǎn)甲烷階段,產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用易降解有機(jī)物為共代謝底物來降解有機(jī)污染物,同時促進(jìn)了其他厭氧微生物在厭氧還原體系中降解有機(jī)污染物的能力[32]。Christensen等[33]在污泥處理系統(tǒng)中,篩選到3組產(chǎn)甲烷菌群,發(fā)現(xiàn)其對PAHs具有良好的降解效果,其中萘的最大降解率能達(dá)到60.0%。Barret等[34]在35℃的中溫厭氧消化實驗中發(fā)現(xiàn),20 天后PAHs 的總?cè)コ蕿?9.9%,其中苯并(a)芘的去除率為31.2%,并證實了PAHs 的生物降解是由生物利用度和共生代謝組合而成的。厭氧反應(yīng)的溫度控制也是影響降解效率的重要因素。El-Hadj 等[35]在中溫(35℃)厭氧消化實驗中發(fā)現(xiàn)萘和芘的去除率分別為33.6%和31.3%,而在高溫(55℃)厭氧消化中去除率分別為50.2%和55.9%。李帥[36]在含油污泥處理的研究中發(fā)現(xiàn),厭氧發(fā)酵過程可以分解一些復(fù)雜難降解的物質(zhì),在產(chǎn)甲烷階段以甲烷的形式將流失的石油烴進(jìn)行回收。
單一管線是尾水導(dǎo)流工程中污水處理回用過程中的極大障礙[3]。尾水導(dǎo)流工程建設(shè)過程中分質(zhì)分管道供水系統(tǒng)沒有形成,因此導(dǎo)致分質(zhì)用水難以落實。尾水導(dǎo)流工程若能實現(xiàn)分質(zhì)用水以及水的重復(fù)利用將會較大程度地節(jié)省優(yōu)質(zhì)水源,優(yōu)化工程沿線水資源配置,促進(jìn)工程發(fā)揮更大的效益。
污泥厭氧消化降解有機(jī)污染物受污泥自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、微生物種群和厭氧環(huán)境條件等多種因素影響,不同分子結(jié)構(gòu)的污染物降解機(jī)理仍需進(jìn)一步研究,特別是高分子量復(fù)雜的有毒污染物。
堆肥按照氧氣需求程度的不同一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥,因厭氧堆肥存在堆制溫度較低、堆肥周期較長、產(chǎn)生臭味嚴(yán)重等問題,目前污泥堆肥多采用好氧堆肥。在污泥好氧堆肥過程中,微生物一方面利用污泥有機(jī)物生存和繁殖,另一方面將污泥中復(fù)雜的碳?xì)浠衔?、蛋白質(zhì)和脂類等有機(jī)物分解成單糖和氨基酸,釋放熱量使污泥堆溫升高,從而促進(jìn)微生物進(jìn)一步氧化分解有機(jī)物,同時殺死堆體中的病原菌和寄生蟲[37]。
國外關(guān)于污泥好氧堆肥去除有機(jī)污染物的研究較早。在1993 年Lewis[38]將污泥與被雜酚油污染的土壤混合(體積比3∶7),進(jìn)行12 周的好氧堆肥實驗,結(jié)果表明PAHs 的平均降解率可達(dá)90.2%~96.6%,其 中,萘 等2~3 環(huán) 的PAHs 降 解 率 為97.4%,苯 并(a)芘 等4~6 環(huán) 的PAHs 降 解 率 為90.0%。同時研究發(fā)現(xiàn),芳烴類有機(jī)污染物的生物降解先進(jìn)行開環(huán)反應(yīng),將單環(huán)二羥基化,再進(jìn)一步降解為丙酮酸和二氧化碳,接著以同樣的方式進(jìn)行第二個環(huán)的分解。Poluszyńsk 等[39]研究了農(nóng)村污泥與木屑混合堆肥和城市污泥與蚯蚓堆肥的情況下PAHs 的降解效果。結(jié)果表明兩種堆肥方法均對低環(huán)芳烴降解效果較高,2 環(huán)甚至達(dá)到100%,而對苯并(a)芘等高環(huán)芳烴的降解,蚯蚓堆肥高達(dá)83.2%,木屑堆肥僅為60.0%。這可能是因為蚯蚓具有特殊的生態(tài)學(xué)功能,其消化道分泌的多種酶促進(jìn)了有機(jī)污染物的降解,也可能是蚯蚓與其他微生物的協(xié)同作用。J?rgensen等[40]將受柴油污染的土壤添加樹皮進(jìn)行堆肥處置,5 個月后,礦物油從700mg/kg降為200mg/kg,降解率為71%。
國內(nèi)對于污泥好氧堆肥降解有機(jī)污染物的研究2000 年后才起步[41]。Hua 等[42]研究了油菜籽與污泥混合堆肥中PAHs 濃度的變化,結(jié)果表明,超過79.0%的PAHs 在堆肥50 天后被去除,其原因可能是嗜熱或中溫種群的生物降解作用和部分揮發(fā)作用的結(jié)合。王杰[43]研究不同堆肥條件下PAHs 變化特征時發(fā)現(xiàn)芳烴的降解率與調(diào)理劑、污泥含水量、堆肥溫度和通風(fēng)量等因素有關(guān),不同處理條件下苯并(a)芘的降解率為40%~60%,PAHs 的降解率為40%~80%。Wang 等[44]研究發(fā)現(xiàn),在老化含油污泥與膨脹劑堆肥過程中,石油烴的降解受微生物代謝活性和多樣性的影響,220天后在生物堆中觀察到石油烴去除率為49.6%。
污泥好氧堆肥作為降解有機(jī)污染物的主要方法,不僅有機(jī)污染物去除效率高,堆肥后的污泥無臭、易脫水、肥效高且易被植物吸收,可作肥料也可作良好的土壤改良劑。但堆肥時間長,堆肥條件控制不合理仍會產(chǎn)生臭氣,堆肥過程氮素的流失等是目前好氧堆肥有待解決和優(yōu)化的問題。
厭氧微生物具有脫毒和利用難降解有機(jī)污染物的性能,還可進(jìn)行某些芳香烴和雜環(huán)化合物開環(huán)裂解的生化反應(yīng),而這些正是好氧條件反應(yīng)時的限速步驟,考慮兩者結(jié)合起來將為有機(jī)污染物的降解提供更大的可能性[45]。Aemig 等[46]將厭氧消化污泥與枯草和樹枝進(jìn)行好氧堆肥,66 天后腐熟,熒蒽、苯并熒蒽和苯并(a)芘的降解率分別為34.8%、31.2%、38.1%,而只進(jìn)行厭氧消化的降解率僅為22.1%、6.5%、18.9%。Gao 等[47]研究了污泥厭氧消化后進(jìn)行好氧堆肥過程中PAHs的濃度變化,結(jié)果表明聯(lián)合處理提高了PAHs 生物利用性,使PAHs從7.846mg/kg 降到1.890mg/kg。污泥經(jīng)厭氧消化后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),低分子量有機(jī)污染物在厭氧階段大量降解,隨后在好氧階段,污泥中細(xì)菌和真菌分泌的加氧酶促進(jìn)氧分子與芳烴環(huán)結(jié)合,形成芳烴氧化物,最終徹底降解成無毒無害的小分子物質(zhì)[48],從而提高有機(jī)污染物的降解效率。
三種物質(zhì)均為復(fù)雜的烴類(環(huán)烴和烷烴)有機(jī)化合物,其在厭氧條件下的還原體系中開環(huán)斷鍵,在好氧條件下是通過分泌的酶進(jìn)行氧化斷鍵,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,最終均能被降解為低分子無毒無害物質(zhì)或徹底礦化為CO2和H2O。生物法因降解效果較好,不會破壞污泥結(jié)構(gòu),且不會帶來二次污染而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。單獨的厭氧消化和好氧堆肥均可以一定程度地降解污泥有機(jī)污染物,而考慮兩者聯(lián)合,利用厭氧酸化改變有機(jī)污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu),可以更大程度增加好氧發(fā)酵的生物利用度,提高降解效率,充分發(fā)揮生物法的作用。但是生物處理耗時久一直是制約其快速和普遍發(fā)展的關(guān)鍵問題。
污泥有機(jī)污染物的生物降解過程漫長,一方面由于污泥中大分子有機(jī)物被微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜阻擋,不能直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被分解利用;另一方面由于有機(jī)污染物化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,且隨著分子量和芳烴環(huán)數(shù)的增加降解難度增大,導(dǎo)致生物處理效率低[49]。因此,如何提高厭氧好氧反應(yīng)速率和有機(jī)污染物的生物可利用性,將是改善污泥有機(jī)污染物生物降解的關(guān)鍵步驟?,F(xiàn)研究中常用的預(yù)處理技術(shù)有熱處理、超聲處理、臭氧處理和添加外源物等。
熱處理技術(shù)是通過提高反應(yīng)溫度,使污泥受熱膨脹破裂,污泥細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和膠質(zhì)等釋放,促進(jìn)污泥水解或厭氧消化進(jìn)行。研究表明,熱預(yù)處理能夠加快水解污泥中的有機(jī)質(zhì),并且水解程度與溫度密切相關(guān)。溫度升高水解速率加快[50]。徐為中等[51]對城市污泥進(jìn)行低溫預(yù)處理(75℃,60min),研究厭氧消化對城市污泥有機(jī)污染物的降解效果,結(jié)果顯示,熱預(yù)處理前后,厭氧消化對菲的降解率分別為19.2%、25.2%,對苯并(a)芘的降解率分別為16.1%、23.9%。Zhou等[52]對130℃熱預(yù)處理后的石化污泥進(jìn)行厭氧消化實驗,結(jié)果表明,在熱預(yù)處理系統(tǒng)中,菲、蒽、熒蒽、苯并熒蒽和苯并(a)芘的去除率分別達(dá)到43.3%、55.5%、30.6%、42.9%和41.7%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對照系統(tǒng)(24.2%、25.5%、6.6%、15.4%和16.4%),此外熱預(yù)處理系統(tǒng)的沼氣總產(chǎn)量也比對照系統(tǒng)高了4倍。
研究表明,低強(qiáng)度超聲波可提高微生物對有機(jī)物的分解和吸收能力,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞以及細(xì)胞中代謝產(chǎn)物的排出,這種促進(jìn)效果在超聲波停止后仍可持續(xù)數(shù)小時[53]。在厭氧消化前加超聲預(yù)處理,既能加速污泥微生物代謝,又能改善細(xì)胞膜的通透性,從而縮短了反應(yīng)所需的時間。楊潔[54]利用超聲波和堿的組合方式對污泥的破解效果進(jìn)行研究,結(jié)果表明該過程可以提高污泥的水解速率,將厭氧消化從20天縮短至8天,還提升了處理效率。Zhou等[52]研究超聲預(yù)處理對污泥厭氧消化過程中污泥脫水性能和PAHs 降解的影響,結(jié)果表明,加超聲處理后厭氧消化的脫水性能大大提高,對于高環(huán)的熒蒽、苯并熒蒽、苯并(a)芘對照組去除率為6.6%、15.4%、16.4%,超聲預(yù)處理后去除率提高為16.0%、22.0%、18.5%。Lorenzen 等[55]研究超聲對柴油污染土壤的作用時發(fā)現(xiàn),在超聲強(qiáng)度為460W/cm2時,長鏈?zhǔn)蜔N的濃度隨超聲作用時間的延長而下降,同時提高柴油的去除效果。
臭氧的強(qiáng)氧化性可以加速破壞污泥微生物的細(xì)胞壁,使胞內(nèi)物質(zhì)充分釋放,促進(jìn)污泥水解酸化進(jìn)行[56]。臭氧投量越多,污泥水解酸化速度越快。但臭氧投量過多,費用也會相應(yīng)增加,故臭氧投量在細(xì)胞壁剛破裂時最佳[57]。Bernal-Martinez 等[58]通過厭氧消化和臭氧化結(jié)合的方式優(yōu)化多環(huán)芳烴的去除,臭氧可以氧化特定的污泥物質(zhì),提高厭氧微生物的活性,經(jīng)臭氧氧化再進(jìn)行中溫厭氧消化,污泥中多環(huán)芳烴的去除率提高到61%,且臭氧的最佳投量為0.12gO3/gTS。他們[59]又對比了污泥只進(jìn)行厭氧消化和臭氧預(yù)處理后再厭氧消化的實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)臭氧氧化再厭氧消化后,PAHs 的去除率提高到68%,其中高環(huán)苯并(a)芘的降解率從18%提高到30%,原因在于氧化增加了PAHs 的溶解性,提高其與微生物的接觸范圍。
除了增加預(yù)處理外,研究表明污泥中營養(yǎng)物是影響微生物生長和種群繁殖的關(guān)鍵,也是限制有機(jī)污染物降解率的因素之一[49]。在厭氧消化時添加苯酚、纖維素、乙酸鹽和淀粉等營養(yǎng)源,為微生物提供充足的碳源和能源,從而提高微生物降解芳烴類化合物的效率。Quantin 等[60]研究發(fā)現(xiàn),纖維素作為PAHs生物降解的補(bǔ)充碳源,可增加污泥中溶解性有機(jī)質(zhì)的含量,強(qiáng)化微生物的活性,加快3環(huán)和4環(huán)芳烴的厭氧降解。王鳴等[61]發(fā)現(xiàn)在20天的厭氧消化過程中添加一定量的共基質(zhì)(苯酚、葡萄糖、乙酸鈉、曲拉通)可以不同程度地促進(jìn)萘、菲、蒽、熒蒽、芘和苯并(a)芘的降解程度和降解效率。鄒德勛等[62]發(fā)現(xiàn)在PAHs 污染的土壤中添加適量淀粉處理后,可以降解13%的苯并(a)芘。
好氧堆肥時亦可添加生物質(zhì)炭、生物表面活性劑和化學(xué)表面活性劑等作調(diào)理劑,增加有機(jī)污染物的表觀溶解度,促進(jìn)污染物從固相轉(zhuǎn)移到水相,增加與微生物的接觸機(jī)會,達(dá)到難降解物質(zhì)最終被微生物降解利用的目的?;ɡ騕63]將生物質(zhì)炭作為堆肥調(diào)理劑,研究其在污泥堆肥過程中對于氮素保留作用及對PAHs去除的影響,堆肥50天后,沒有添加生物質(zhì)炭的污泥堆肥中PAHs 從53.4mg/kg 降到了11.5mg/kg,降解率為79%,添加生物質(zhì)炭堆肥后,氮素?fù)p失下降了64.1%,PAHs 的降解率提高了15%。Selvam 等[64]研究鼠李糖脂對PAHs 降解菌的影響,結(jié)果表明鼠李糖脂可以促進(jìn)銅綠假單胞菌的表面活性和親水性,使菲的生物降解率提高到92.7%。Bautista 等[65]研究了Tween-80、Triton X-100和Tergitol NP-10這3種非離子型表面活性劑對PAHs降解效果的影響,結(jié)果表明,Tween-80的作用效果最好、且生物毒性小,可作為細(xì)菌底物被降解,不產(chǎn)生二次污染。加入Tween-80 15 天后PAHs 的降解率高達(dá)90%,而且與對照組相比,試驗組的生物量增長率顯著提高,PAHs 的溶解度和生物利用度均增大。Liu 等[66]研究了在油泥污染土壤中添加有機(jī)肥對土壤微生物的生物刺激作用。經(jīng)過360 天的生物修復(fù)后,處理區(qū)總石油烴(TPH)含量降低了58.2%,而對照區(qū)僅降低了15.6%。
熱、超聲、臭氧及添加外源物等預(yù)處理技術(shù)均能加速污泥生物處理過程,提高有機(jī)污染物生物利用度及降解率,且綠色環(huán)保,不會帶來二次污染,但存在一些耗能高、設(shè)備操作復(fù)雜、條件控制苛刻等問題,有待進(jìn)一步完善。
厭氧水解與好氧堆肥聯(lián)合降解污泥有機(jī)污染物是實現(xiàn)污泥土地利用的關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合超聲、臭氧或熱等預(yù)處理手段,不僅可提高有機(jī)污染物降解效率,加快反應(yīng)速率,縮短降解時間,而且還不會給污泥農(nóng)用土地帶來生態(tài)風(fēng)險。圍繞多環(huán)芳烴、苯并(a)芘和礦物油三類限制污泥農(nóng)用的有機(jī)污染物,開展厭氧水解與好氧堆肥過程中污泥有機(jī)污染物的降解機(jī)理、降解途徑、降解中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和毒害性的研究,深入降解條件優(yōu)化與影響因素控制的探索,都將成為推進(jìn)污泥土地利用技術(shù)快速發(fā)展的主要研究方向。