張 弛，蘇冰琴，李 超，楊志宏，張海怡，彭婭婭

(1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，太原 030024；3.山西正陽污水凈化有限公司，山西 晉中 030600)

污水廠產(chǎn)生的污泥是一種典型的環(huán)境污染物，其綜合利用經(jīng)常受到脫水難、重金屬含量高等因素的困擾[1-3]。生物瀝濾法能同時實(shí)現(xiàn)去除污泥重金屬污染物與提高污泥脫水性能兩方面目標(biāo)，是一種具有良好應(yīng)用前景的污泥處理方法[4-6]。污泥生物瀝濾技術(shù)是在S0，S2-，F(xiàn)e2+等電子供體或能源物質(zhì)存在的條件下，利用弱嗜酸菌硫桿菌、嗜酸硫桿菌以及部分異養(yǎng)菌的生物化學(xué)代謝過程，促使反應(yīng)體系形成酸性、氧化性環(huán)境，使污泥中的重金屬形態(tài)從難溶態(tài)轉(zhuǎn)化成易溶態(tài)的過程[7-8]。瀝濾營養(yǎng)基質(zhì)、pH值、接種液、EPS水平、EPS中蛋白質(zhì)含量等因素對污泥脫水性能都有較大的影響[9-11]。

污泥生物瀝濾菌群能獲得的營養(yǎng)基質(zhì)及其轉(zhuǎn)化效率是影響污泥瀝濾效果的關(guān)鍵因素。在不同的基質(zhì)環(huán)境中，本實(shí)驗(yàn)所依賴的核心菌群氧化亞鐵硫桿菌(T.f)與氧化硫硫桿菌(T.t)所發(fā)揮的作用不同，其附著型、游離型菌群所占的優(yōu)勢比例也不同，所能實(shí)現(xiàn)的瀝濾效果也不同[12]。硫桿菌的世代時間、瀝濾進(jìn)程中pH值和ORP值的變化情況，也會隨著底物種類差異而變化，進(jìn)而影響瀝濾效果。對于T.f或T.t菌群而言，單質(zhì)S、多聚硫酸鹽、S2-，F(xiàn)eSO4·7H2O，F(xiàn)e2(SO4)3，F(xiàn)eCl2都是可能的營養(yǎng)基質(zhì)。其中S及其化合物在污泥生物瀝濾菌群代謝中發(fā)揮著重要的控制作用。

近年來，S作為環(huán)保科研領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要營養(yǎng)基質(zhì)得到了深入研究，生物S氧化技術(shù)在污水處理領(lǐng)域已逐漸引起重視[13]。氣態(tài)S基質(zhì)能夠通過化學(xué)以及生物作用轉(zhuǎn)化為液態(tài)S基質(zhì)。H2S進(jìn)入污泥混合液后，可轉(zhuǎn)化為S2-，S0或生物態(tài)S，同時參與Fe2+與Fe3+之間的轉(zhuǎn)化過程，共同構(gòu)成T.t、T.f菌群所需的S-Fe營養(yǎng)基質(zhì)。但在污泥生物瀝濾領(lǐng)域，將純H2S或污水廠臭氣用作硫桿菌生長的營養(yǎng)基質(zhì)尚未見報道。

本文的研究目的是探索純H2S氣體以及污水處理廠臭氣中的H2S等氣態(tài)硫基質(zhì)對污泥生物瀝濾的促進(jìn)效應(yīng)。主要研究了氣態(tài)S基質(zhì)參與條件下，接種污泥中瀝濾菌群的馴化過程中pH值的變化特征、污泥瀝濾菌群的群落多樣性，瀝濾過程中ORP值以及Cr去除率的變化情況，以及S基質(zhì)對瀝濾污泥脫水性能的影響情況。本文是對污泥生物瀝濾S基質(zhì)的改良創(chuàng)新，同時也是對污水廠臭氣H2S污染物提出的一種新的綜合利用途徑，具有廣泛的應(yīng)用價值。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)污泥原料

實(shí)驗(yàn)所用的污泥取自晉中市生活污水廠的污泥濃縮池，實(shí)驗(yàn)優(yōu)先采用生鮮污泥，過夜污泥儲存于4 ℃冰箱中。污泥使用前先用磁力攪拌器混合均勻。污泥樣品的理化性質(zhì)見表1.

1.2 污泥生物瀝濾實(shí)驗(yàn)

污泥生物瀝濾實(shí)驗(yàn)包括：瀝濾菌群馴化階段與污泥重金屬瀝濾階段。

在污泥生物瀝濾之前，為了獲得高效優(yōu)勢的菌群，用于后續(xù)的污泥生物瀝濾實(shí)驗(yàn)，需對污泥中的菌液進(jìn)行瀝濾馴化。重復(fù)3次馴化過程，馴化時間分別為11 d，7 d，6 d，且均以污泥混合液的pH值降至2.0以下作為馴化終點(diǎn)。經(jīng)過馴化，得到實(shí)驗(yàn)用氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌(T.f&T.t)加富菌液，以此處獲得的加富菌液作為下一步污泥瀝濾實(shí)驗(yàn)的接種污泥。

污泥生物瀝濾實(shí)驗(yàn)在500 mL的錐形瓶中進(jìn)行，經(jīng)過前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)對接種量的優(yōu)化可知，取30%的菌液接種比例可以獲得較穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)效果。因此向每個錐形瓶內(nèi)同時投加原始污泥180 mL和接種污泥54 mL，然后在恒溫振蕩器內(nèi)進(jìn)行瀝濾實(shí)驗(yàn)。瀝濾前用質(zhì)量比為1∶5的硫酸溶液預(yù)調(diào)節(jié)污泥的初始pH值為2.0.隨后，將錐形瓶置于(28±1) ℃、165 r/min條件下振蕩反應(yīng)。每組實(shí)驗(yàn)同時設(shè)置3個平行樣，每天對反應(yīng)體系混合液進(jìn)行稱重，生物瀝濾過程中損耗的水分用蒸餾水每12 h補(bǔ)充一次。

1.3 營養(yǎng)基質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)主要是研究以H2S替代傳統(tǒng)單質(zhì)S作為硫基質(zhì)的可能性，因此設(shè)置不同的營養(yǎng)基質(zhì)作為對照實(shí)驗(yàn)組，并以硫粉作為單質(zhì)S營養(yǎng)物質(zhì)，另外添加FeSO4·7H2O作為T.t、T.f菌群的協(xié)同營養(yǎng)。

本實(shí)驗(yàn)所用的純H2S氣體采用硫化亞鐵固體(FeS)和稀鹽酸(HCl)在啟普發(fā)生器中反應(yīng)制得。所用的臭氣取自污水廠格柵間進(jìn)水渠內(nèi)，經(jīng)過集氣罩收集、風(fēng)機(jī)抽出輸送至集氣袋。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)由集氣袋向反應(yīng)器輸入臭氣。由檢測得知，本文所采集的臭氣主要成分是H2S，其他雜質(zhì)成分較少，對H2S在本實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)無影響。3種不同硫基質(zhì)反應(yīng)組的營養(yǎng)基質(zhì)組成見表2.

其中，實(shí)驗(yàn)室純H2S氣體的流量設(shè)置為120 mL/h，含H2S臭氣的流量設(shè)置為300 mL/h.實(shí)驗(yàn)過程中，采用高精度小流量氣體流量控制器，配合間歇進(jìn)氣方式，實(shí)現(xiàn)對小流量H2S氣體輸入的精確控制。

1.4 檢測分析方法

實(shí)驗(yàn)期間，在設(shè)定的時間取污泥或混合液樣品進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)測定。污泥菌群馴化過程中，菌群的群落多樣性分析是通過在設(shè)定的時間對污泥進(jìn)行取樣檢測實(shí)現(xiàn)的。采用CTAB方法對樣本的基因組DNA進(jìn)行提取，之后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，以稀釋后的基因組DNA為模板，經(jīng)過PCR擴(kuò)增、建庫、電泳檢測等操作，建庫并檢測合格后使用Ion S5TMXL進(jìn)行上機(jī)測序。采用獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行菌群多樣性分析。

污泥進(jìn)行EPS紅外光譜分析之前，先將瀝濾后的污泥經(jīng)過水洗、加熱提取、離心(6 000 r/min、15 min)處理后，棄沉淀物，所得上清液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾，用冷凍干燥機(jī)干燥，再采用傅立葉紅外光譜儀(Nexus 670)進(jìn)行測定。

測定污泥Cr去除率時，先將污泥離心后的沉淀物進(jìn)行干燥，采用H2O2-HNO3-HCl-HF輔助微波消解，然后采用火焰原子吸收儀(TAS-986)測定鉻的含量。通過公式(1)計算Cr的去除率：

Cr的去除率=[(1-w1)/w0]×100 .

(1)

式中：w1為干燥的瀝濾污泥中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；w0為干燥的原污泥中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg.

pH值與ORP值采用PHS-3C pH/ORP計進(jìn)行測量。測定污泥的離心脫水率(centrifugal dehydration rate，簡稱CDR)時，先將污泥混合液以4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min，所得上清液體積與總體積的比值定義為離心脫水率。污泥比阻(specific resistance to filtration，SRF)采用布氏漏斗法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫基質(zhì)差異對瀝濾菌群馴化過程的影響

不同硫基質(zhì)條件下，接種污泥中瀝濾菌群馴化過程的pH值動態(tài)變化情況，如圖1所示。

圖1 污泥瀝濾馴化過程中pH值變化情況Fig.1 pH change during sludge bioleaching and domestication

由圖1可知，3種基質(zhì)條件下的馴化過程均可以在預(yù)定的時間段內(nèi)完成，表明污泥中的硫桿菌微生物通過連續(xù)重復(fù)的馴化過程適應(yīng)了污泥瀝濾環(huán)境，構(gòu)成優(yōu)勢菌群。但對照3組數(shù)據(jù)可知，第一階段的11 d，為微生物適應(yīng)階段，此時S+純H2S基質(zhì)反應(yīng)組的pH值下降速率比其他兩組更快，在第9 d時pH值已小于2.該階段還產(chǎn)生了S+臭氣H2S基質(zhì)反應(yīng)組的表現(xiàn)略優(yōu)于單質(zhì)S反應(yīng)組的現(xiàn)象，尤其是在最初的2 d時其pH值下降效果接近于S+純H2S基質(zhì)反應(yīng)組，但在第3～11 d，其效果接近單質(zhì)S反應(yīng)組。第二階段的7 d為優(yōu)勢菌群的預(yù)富集階段，第三階段的6 d為優(yōu)勢菌群的增長富集階段。在這兩個階段內(nèi)，S+純H2S基質(zhì)反應(yīng)組均對污泥生物瀝濾體系pH值的快速下降發(fā)揮了積極作用。

上述現(xiàn)象表明，H2S氣體作為污泥生物瀝濾傳統(tǒng)單質(zhì)S基質(zhì)的替代品是有意義的。臭氣中的H2S氣體能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)純H2S的作用，但由于臭氣成分復(fù)雜，存在不確定因素，其效果略差于純H2S.

基因組高通量測序技術(shù)能使我們對環(huán)境微生物進(jìn)行深度了解，能夠靈敏地探測出環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)隨外界環(huán)境的改變而發(fā)生的變化，可以反映出微生物群落的豐度和多樣性[14]。以抽取的測序數(shù)據(jù)量與對應(yīng)的物種數(shù)構(gòu)建稀釋曲線，見圖2.稀釋曲線可直接反映測序數(shù)據(jù)量的合理性，并間接反映樣本中物種的豐富程度。當(dāng)曲線趨向平坦時，說明測序數(shù)據(jù)量漸進(jìn)合理，更多的數(shù)據(jù)只會產(chǎn)生少量新的物種(OTUs).為了更好地研究S+純H2S基質(zhì)反應(yīng)組在馴化前后對菌群物種結(jié)構(gòu)的促進(jìn)作用，根據(jù)物種注釋結(jié)果，將樣本在種水平上豐度排名前十位的物種，繪制成為種水平Top10相對豐度圖，見圖3.

圖2 物種多樣性稀釋曲線Fig.2 Dilution curve of species diversity

圖3 種水平Top10物種相對豐度圖Fig.3 Relative abundance of top 10 at species level

由圖2可知，在最初的測序數(shù)據(jù)量10位置處，各個曲線的差距微弱；在測序數(shù)據(jù)量12 000位置處，馴化1 d時的稀釋曲線與馴化結(jié)束時的曲線差距為391～412，存在較明顯的高度差距。對于3種S基質(zhì)體系而言，不論是在馴化1 d時或是馴化結(jié)束時，單質(zhì)S反應(yīng)體系樣本的稀釋曲線位置都處于最高，S+純H2S反應(yīng)體系樣本的稀釋曲線位置都處于最低，S+臭氣H2S的反應(yīng)樣本曲線居中。當(dāng)隨機(jī)抽取的測序數(shù)據(jù)量小于15 000時，曲線呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢；當(dāng)隨機(jī)抽取的測序數(shù)據(jù)量大于50 000時，各條曲線均趨于平坦。這表明隨著污泥馴化過程的進(jìn)行，生物酸化作用下污泥體系的酸性越來越強(qiáng)，原始污泥中的異養(yǎng)微生物因無法耐受酸性環(huán)境而逐漸衰亡，間接表現(xiàn)為菌屬種類不斷減少。馴化結(jié)束時，S+純H2S樣本的稀釋曲線位置最低，曲線平坦度最好，表明此時菌群物種豐富度最小。

圖3結(jié)果表明，馴化結(jié)束時的菌群結(jié)構(gòu)與馴化1 d時出現(xiàn)較明顯的差異。馴化結(jié)束時，與污泥瀝濾密切相關(guān)的優(yōu)勢菌種氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus_thiooxidans)、氧化硫硫單胞菌(Thiomonas_arsenitoxydans)等菌種的相對豐度較高，馴化1 d時相對豐度較高的硝化菌(Nitrospira_sp)等菌種明顯減少。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于污泥馴化過程引起了菌群微生物生長環(huán)境的變化，嗜酸性微生物更適應(yīng)環(huán)境，能夠在苛刻的環(huán)境條件下繼續(xù)利用營養(yǎng)物質(zhì)大量繁殖，嗜中性微生物則趨于衰亡。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污泥馴化結(jié)束時，硫桿菌成為污泥混合液中的優(yōu)勢菌群。此時的S+純H2S基質(zhì)條件為T.t和T.f菌的形成提供了較好的反應(yīng)環(huán)境。H2S的介入有利于污泥混合液pH值的加速降低，同時促進(jìn)Fe3+還原為Fe2+，H2S逐步被氧化為單質(zhì)S，增加了硫桿菌可利用的營養(yǎng)基質(zhì)量。這一方面能夠縮短菌群培養(yǎng)所需的時間歷程，T.t、T.f菌群能更好地適應(yīng)污泥混合液化學(xué)環(huán)境；另一方面能夠抑制無效菌群，使污泥生物瀝濾所依賴的嗜酸性微生物在擴(kuò)大繁殖過程中占據(jù)優(yōu)勢。

2.2 硫基質(zhì)差異對污泥生物瀝濾過程的影響

圖4為3種不同的硫基質(zhì)條件下，污泥生物瀝濾過程中氧化還原電位(Oxidation-Reduction Potential,ORP)值的變化情況。

圖4 污泥生物瀝濾過程中ORP值的變化情況Fig.4 Changes of ORP during bioleaching of sludge

由圖4可知，不同的硫基質(zhì)對瀝濾過程中的ORP值有影響。隨著瀝濾反應(yīng)的進(jìn)行，3種反應(yīng)體系的ORP值都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。最初1 d，ORP值出現(xiàn)較快速的上升，3種硫基質(zhì)條件的ORP值普遍升至185～246 mV之間；1～2 d時，ORP值上升速率變慢；到第2 d結(jié)束時，S+純H2S反應(yīng)組的ORP值比單質(zhì)S反應(yīng)組高出68 mV.第2～4 d，各組的ORP值均出現(xiàn)第二次大幅度升高，S+純H2S反應(yīng)組升高幅度最大，其余兩組的升高幅度接近。到第4 d結(jié)束時，S+純H2S反應(yīng)組的ORP值比單質(zhì)S反應(yīng)組高出172 mV，這顯示出S+純H2S的硫基質(zhì)體系對瀝濾過程中ORP值的提高發(fā)揮了積極意義。之后的瀝濾過程中，ORP值雖然略有波動，但基本維持不變。

通入H2S后，能夠促進(jìn)Fe3+還原為Fe2+，H2S在此傾向于轉(zhuǎn)化為S2-，同時一定量的H2S被氧化為S單質(zhì)，為T.t和T.f菌提供營養(yǎng)基質(zhì)。通入H2S有利于快速形成酸性環(huán)境，易于形成自由的Fe3+，使Fe3+更易于發(fā)揮出其自身的氧化性。ORP值既是生物瀝濾過程中的表現(xiàn)參數(shù)，更是瀝濾過程的制約參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中各種反應(yīng)的綜合效果使得瀝濾過程中的ORP值呈現(xiàn)升高的趨勢，H2S的加入有利于ORP值的快速升高，這間接表明了嗜酸性微生物的優(yōu)勢增殖，反映出H2S對瀝濾過程的促進(jìn)效果。

使用傅立葉紅外光譜儀對各種硫基質(zhì)中生物瀝濾過程的污泥EPS進(jìn)行表征，其FT-IR光譜見圖5。

對照圖5(a)與圖5(b)可知，污泥生物瀝濾1 d時的譜峰強(qiáng)度普遍大于瀝濾結(jié)束時的譜峰，且部分譜峰產(chǎn)生了漂移現(xiàn)象。尤其是在860 cm-1處，S+純H2S反應(yīng)體系的譜峰明顯減弱，其原因主要是含硫基團(tuán)參與了重金屬硫化物以及Fe3+的反應(yīng)，基團(tuán)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，并吸附了重金屬離子，吸附后的含硫基團(tuán)鍵的力常數(shù)發(fā)生了變化。在1 070～1 110 cm-1區(qū)域內(nèi)C—O—C的伸縮振動在瀝濾結(jié)束時發(fā)生了漂移，表明污泥EPS中的C—O—C基團(tuán)受到重金屬吸附的影響；1 411 cm-1、1 664 cm-1、2 935 cm-1處的譜峰在瀝濾結(jié)束時強(qiáng)度減弱，3 410 cm-1處的譜峰發(fā)生了漂移。

圖5 各種硫基質(zhì)情況下生物瀝濾過程的污泥FT-IR光譜Fig.5 FT-IR spectra of sludge in bioleaching process with various sulfur substrates

對比3種S基質(zhì)體系的譜峰差異可知，不論在污泥生物瀝濾1 d時還是在瀝濾結(jié)束時，以S+純H2S為基質(zhì)的反應(yīng)體系中1 070～1 110 cm-1區(qū)域內(nèi)的基團(tuán)，其伸縮振動強(qiáng)度的減弱程度都是最明顯的，這表明S+純H2S基質(zhì)更加有利于C—O—C基團(tuán)對重金屬的吸附。在1 664～3 410 cm-1區(qū)域，以S+臭氣H2S為基質(zhì)的反應(yīng)體系，C—H、O—H、N—H等化學(xué)基團(tuán)伸縮振動的減弱幅度最大，也就是說此時的負(fù)電荷基團(tuán)含量下降相對較多，污泥EPS表面負(fù)電荷強(qiáng)度降低較明顯，污泥顆粒間的排斥力減弱迅速。這種現(xiàn)象表明，S+純H2S、S+臭氣H2S都能夠一定程度地促進(jìn)污泥生物瀝濾過程中核心化學(xué)基團(tuán)對重金屬的吸附，并提高其化學(xué)轉(zhuǎn)化速率。單質(zhì)S基質(zhì)在污泥瀝濾過程中的反應(yīng)效果不及另外兩種基質(zhì)。因此，S+臭氣H2S可以較好地替代S+純H2S基質(zhì)。

瀝濾過程中Cr去除率的變化情況如圖6所示。

圖6 瀝濾過程中Cr去除率變化情況Fig.6 Change of Cr removal rate during bioleaching

由圖6可知，不同的硫基質(zhì)對污泥生物瀝濾過程中的Cr去除率有較大的影響，H2S的加入對改善Cr去除率有積極意義。在瀝濾第1 d結(jié)束時，S+純H2S反應(yīng)組的Cr去除率比單質(zhì)S反應(yīng)組提高了9.3%。在瀝濾2～4 d期間，各組的去除率都有上升，但S+純H2S反應(yīng)組提高速度依然較大。S+臭氣H2S反應(yīng)組的提高效果從第2 d之后就逐漸變?nèi)酰cS+純H2S反應(yīng)組的差距逐漸加大。最終瀝濾進(jìn)行至第10 d時，S+純H2S反應(yīng)組的Cr去除率分別比另外兩組高出22.8%和16.2%.Cr屬于難以瀝濾去除的重金屬元素，污泥中Cr的生物瀝濾過程屬于混合瀝濾機(jī)制，即同時受直接機(jī)制與間接機(jī)制制約。直接機(jī)制生物瀝濾以氧化條件的形成為瀝濾動力，表現(xiàn)為與反應(yīng)體系的ORP值聯(lián)系緊密；間接機(jī)制生物瀝濾受pH值下降速率影響較大。總體而言，H2S的加入同時可以促進(jìn)反應(yīng)體系ORP值的快速提高與pH值的下降，能夠同時發(fā)揮生物瀝濾的直接機(jī)制與間接機(jī)制，最終促進(jìn)嗜酸性微生物的大量繁殖，提高Cr的去除率。

2.3 硫基質(zhì)差異對瀝濾污泥脫水性能的影響

壓濾脫水性與離心脫水性是污泥脫水性能的兩個重要指標(biāo)，本文分別用污泥比阻和污泥離心脫水率來衡量。通過測定污泥生物瀝濾過程中污泥比阻和離心脫水率的動態(tài)變化情況，研究不同硫基質(zhì)對生物瀝濾污泥脫水性能的影響。不同硫基質(zhì)條件下瀝濾過程中污泥比阻的測定結(jié)果見圖7.

圖7 不同硫基質(zhì)條件下瀝濾過程中污泥比阻Fig.7 SRF of sludge in leaching process under different sulfur substrate conditions

由圖7可知，生物瀝濾后的污泥比阻普遍減小，而且S+純H2S反應(yīng)組對污泥比阻的減小效果更明顯。在瀝濾0.5～1 d內(nèi)，比阻的降低速率較大；2 d后基本維持在較低值。S+純H2S作為基質(zhì)時的反應(yīng)效果優(yōu)于其他兩組。瀝濾1 d時，S+純H2S、S+臭氣H2S、單質(zhì)S組的污泥比阻相對于原始比阻值分別降低了87.6%，84.5%，78.4%。S+臭氣H2S組在0～0.25 d內(nèi)表現(xiàn)出與S+純H2S組類似的速率降低效果，在0.25 d之后的比阻數(shù)據(jù)曲線向單質(zhì)S反應(yīng)組靠攏。這說明S+臭氣H2S難于像S+純H2S那樣在起始的0.5～1 d區(qū)間持續(xù)快速促進(jìn)比阻的降低。單質(zhì)S為基質(zhì)的瀝濾過程中，污泥比阻降低的速率與幅度均小于其他兩種基質(zhì)體系。

不同硫基質(zhì)條件下瀝濾過程中污泥離心脫水率的測定結(jié)果見圖8.

圖8 污泥瀝濾過程中離心脫水率的變化情況Fig.8 Change of centrifugal dehydration rate during sludge leaching

由圖8可知，經(jīng)過生物瀝濾，污泥離心脫水率明顯增大。在污泥生物瀝濾過程中，存在如下機(jī)理促進(jìn)污泥脫水：

1) 生物瀝濾過程促使污泥混合液呈現(xiàn)出強(qiáng)酸性以及偏高的氧化還原電位，這使得嗜酸性自養(yǎng)微生物大量增殖，原微生物細(xì)胞解體釋放出胞內(nèi)物質(zhì)和水分子，污泥細(xì)胞間隙水增多，改善了污泥比阻與離心脫水率。

2) 前述過程強(qiáng)化了污泥混合液的氧化環(huán)境，能夠降低污泥表面菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改善污泥脫水性能。

3) 隨著污泥酸化作用的增強(qiáng)，大量的H+能夠中和污泥顆粒表面的負(fù)電荷，尤其是污泥EPS表面負(fù)電荷明顯降低，使污泥顆粒表面達(dá)到電中性，顆粒之間的排斥力減弱，有利于污泥聚沉和脫水性能的改善[10]。

圖8表明，S+純H2S與S+臭氣H2S基質(zhì)對污泥離心脫水率的增加有促進(jìn)作用。在瀝濾開始的1～2 d，離心脫水率升高速率較大；尤其是S+純H2S作為基質(zhì)的條件下，瀝濾1 d時的離心脫水率就由起始的69.1%增加至83.6%.各種反應(yīng)體系的離心脫水率在2 d以后趨于平穩(wěn)，普遍增加至83.7%～88.2%.單質(zhì)S為基質(zhì)的瀝濾過程中，離心脫水率增加速率與提升幅度均小于其他兩種基質(zhì)體系。

綜合污泥比阻和離心脫水率兩種指標(biāo)，表明污泥生物瀝濾能夠提升污泥脫水性能，而且H2S作為替代單質(zhì)S的營養(yǎng)基質(zhì)有利于增強(qiáng)污泥生物瀝濾的這種優(yōu)勢。比阻越小，或離心脫水率越大，污泥越易于脫水。二者反映了不同的污泥水分子結(jié)合狀態(tài)。比阻側(cè)重于泥水膠體顆粒的分子粒度差異，離心率側(cè)重于分子質(zhì)量差異。由此可知，比阻更易于反映出污泥內(nèi)部吸附水和毛細(xì)水結(jié)合的緊密程度。

3 結(jié)論

本文以純H2S以及污水廠臭氣H2S替代傳統(tǒng)的單質(zhì)S基質(zhì)，對污泥生物瀝濾過程進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：

1) 在污泥瀝濾馴化過程中，S+純H2S基質(zhì)反應(yīng)組的pH值下降速率比其他兩組更快，瀝濾菌群的馴化過程更易于完成。群落多樣性分析顯示，S+純H2S樣本的稀釋曲線位置最低，表明此時更利于瀝濾反應(yīng)所需的硫桿菌形成優(yōu)勢菌群。

2) 不同的硫基質(zhì)條件對瀝濾過程ORP值有影響，H2S的加入有利于ORP值的快速升高。瀝濾4 d時，S+純H2S反應(yīng)組的ORP值比單質(zhì)S反應(yīng)組高出172 mV，表明H2S對瀝濾過程ORP值的提高發(fā)揮了積極意義。H2S能夠促進(jìn)污泥生物瀝濾過程中核心化學(xué)基團(tuán)對重金屬的吸附，并提高其化學(xué)轉(zhuǎn)化速率。不同硫基質(zhì)對污泥生物瀝濾過程中的Cr去除率有較大的影響，H2S的加入對提高Cr去除率有積極意義。瀝濾進(jìn)行至第10 d時，S+純H2S反應(yīng)組的Cr去除率分別比另外兩組高出22.8%和16.2%.

3) 經(jīng)過生物瀝濾，各個反應(yīng)組的污泥脫水性能都有較大改善。在瀝濾0.5～1 d內(nèi)，比阻的降低速率較大。S+純H2S基質(zhì)對降低污泥比阻的效果更明顯，臭氣H2S反應(yīng)組的效果差于純H2S反應(yīng)組。各種反應(yīng)體系的離心脫水率在2 d以后普遍增加至83.7%～88.2%.S+純H2S與S+臭氣H2S基質(zhì)對污泥離心脫水率的增加有改善作用。尤其是S+純H2S作為基質(zhì)的條件下，瀝濾1 d時的離心脫水率就由起始的69.1%增加至83.6%.

4) 在以純H2S、臭氣H2S為替代S基質(zhì)的反應(yīng)體系中，可以使單質(zhì)S的投加量降低約50%，并可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)基質(zhì)的反應(yīng)效果。氣態(tài)S基質(zhì)能夠部分替代傳統(tǒng)的單質(zhì)S基質(zhì)，污水廠臭氣中的H2S成分可以在一定程度上替代純H2S.

本文提出的技術(shù)方案能夠同時實(shí)現(xiàn)污染物治理與廢物的資源化利用，具有良好的應(yīng)用價值。