城市污泥富含有机质、氮、磷、钾等多种养分(张增强等，2004；李瑞等，2011)，具有明显的肥效和改良土壤的作用(马建军等，2004；李艳霞等，2003).污泥农用是近年来公认的最具发展潜力的一种城市污泥处置方式(丘锦荣等，2010).但污泥中含有的重金属、病原微生物、寄生虫卵和PBDE、PPCP、POPs等有机污染物均在一定程度上限制了污泥的农用，且由于重金属的累积性和持久性成为城市污泥农用的主要障碍因素(曹占平等，2009).因此，城市污泥中重金属的去除对实现污泥安全农用具有重要的现实意义.目前，国内外学者对城市污泥重金属去除技术开展了较为广泛的研究(周顺桂等，2002；Xu et al., 2004).生物沥浸技术(Bioleaching)是一种近年来兴起的污泥微生物处理技术(Lombardi et al., 1999；陈桂秋等，2008)，具有重金属去除效率高、时间短、成本低、耗能低、操作简单等优点，从而受到广泛的关注(周顺桂等，2003；2005;刘奋武等，2011；2012).

目前，污泥生物沥浸研究所处理的污泥均为含水率97%~99%的液态浓缩污泥，在生物沥浸过程中，由于污泥含水率高，所需生物沥浸反应器容积较大，这大大增加了生物沥浸反应器中单位干污泥的处理成本.鉴于此，本研究对自然干化污泥进行生物沥浸处理，探究污泥重金属去除效果及其影响因素，以期在生物沥浸过程中，降低污泥重金属去除成本，提高城市污泥农用效益和安全性.

供试污泥样品在2014年3—5月采集于山西省潞城污水处理厂、太谷县县城污水处理厂、高平市市区污水处理厂、大同市东郊污水处理厂、大同市西郊污水处理厂、泽州市兰花污水处理厂、朔州市市区污水处理厂、忻州市市区污水处理厂、平鲁区污水处理厂、晋城市市区污水处理厂、忻州代县污水处理厂等11个污水厂，其基本特性见表 1.所有污泥样品均为污水厂脱水污泥传送带上的当日新鲜样，每5 min采集1 次，多次混合，样品总计约2 kg，每个采样点重复采集样品3 次.采集的污泥样品平铺于塑料薄膜、遮荫、自然风干，研钵磨细后分别过30目及100目尼龙筛，用于原始污泥基本性质测定和后续的生物沥浸试验.

表1(Table 1)

表1 供试原始污泥基本特性(以干重计) Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental sewage sludge

表1 供试原始污泥基本特性(以干重计) Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental sewage sludge 采样点 pH 有机质 N+P2O5+K2O Cu/(mg · kg-1) Zn/(mg · kg-1) As/(mg · kg-1) Cd/(mg · kg-1) Cr/(mg · kg-1) 潞城 7.78±0.01 54.1%±0.44% 12.54%±0.13% 79.49±0.68 314.20±8.4 15.67±0.48 0.67±0.05 101.0±3.70 太谷 6.86±0.01 69.0%±0.56% 13.64%±0.14% 93.13±0.08 564.43±10.28 39.40±0.54 1.37±0.06 148.5±18.46 高平 7.05±0.00 18.5%±0.53% 13.87%±0.19% 77.79±0.10 116.29±6.59 10.65±013 0.25±0.03 120.6±7.18 大同东郊 7.01±0.01 55.3%±0.36% 12.56%±0.18% 86.87±0.06 415.97±13.37 11.96±0.06 0.41±0.02 155.3±6.25 大同西郊 7.24±0.00 50.5%±0.36% 16.88%±0.15% 85.00±0.03 326.84±10.75 12.86±0.06 0.36±0.02 160.8±1.45 泽州兰花 6.76±0.01 62.2%±0.46% 14.93%±0.19% 86.87±0.02 415.97±18.92 11.96±0.06 0.41±0.03 196.2±2.63 朔州市区 7.32±0.01 28.1%±0.52% 7.42%±0.04% 66.09±0.08 203.42±8.95 15.8±0.44 0.33±0.04 207.8±6.49 忻州市区 7.06±0.01 47.0%±0.26% 13.77%±0.19% 67.22±0.16 224.20±16.90 12.51±005 0.29±0.08 139.3±9.89 平鲁区 7.07±0.01 38.5%±0.36% 10.74%±0.17% 68.63±0.55 231.40±7.30 23.90±0.91 0.45±0.04 219.3±11.00 晋城市区 7.49±0.00 63.3%±0.53% 11.28%±0.22% 94.39±0.01 312.82±12.69 13.69±0.07 0.46±0.05 306.8±4.46 代县 7.02±0.01 60.3%±0.75% 6.85%±0.07% 190.52±0.06 571.19±8.02 12.54±0.11 0.41±0.03 351.3±5.04

本研究生物沥浸过程中所采用的微生物菌株为嗜酸性氧化硫硫杆菌，由南京工业大学生物与制药工程学院提供.供微生物生长的基础盐培养基(MS)组成配方为：(NH₄)₂SO₄ 0.4 g，KH₂PO₄ 3.0 g，MgSO₄·7H₂O 0.5 g，CaCl₂·2H₂O 0.25 g，溶解于1 L蒸馏水中，121 ℃湿热灭菌.

分别称取过100目筛5 g不同供试污泥于250 mL三角瓶中，加入150 mL蒸馏水，5 mL氧化硫硫杆菌菌液(菌密度约为10⁸ cells · mL^-1)，并添加1 g S⁰作为微生物能源物质.三角瓶用8层砂布封口置于恒温摇床中于28 ℃和180 r · min^-1条件下振荡培养，3次重复.以去离子水补充沥浸过程中蒸发损失的水分，每隔24 h吸取反应体系1 mL上清液，用去离子水定容到25 mL后测定溶液中SO₄^2-含量，每隔12 h测定体系pH，待反应体系pH值降到约为2.0时结束试验，沥浸后的培养液固液分离后的固体在55 ℃烘箱中烘干，过100目筛后进行重金属含量及养分含量的测定.

pH值测定采用pH计(pHS-3C，上海)，原始污泥pH值测定步骤为：称取通过30目筛的风干污泥10.0 g于50 mL高型烧杯中，加25 mL去离子水，用玻璃棒搅拌1 min，使污泥充分分散，放置30 min后，把pH计电极插入待测液中，轻轻摇动烧杯以除去电极上的水膜，促使其快速平衡，静置片刻，按下读数开关，待读数稳定(在5 s内pH变化不超过0.02)时记下pH.放开读数开关取出电极，以蒸馏水洗涤，用滤纸吸干水分后进行第2个样品的测定，每测5~6个样品后用标准缓冲溶液检查定位.淋浸体系pH值测定步骤为：直接将pH计电极插入培养液中，后续操作同上.

SO₄^2-采用分光光度计测定(480 nm)，供试污泥中有机质、全氮、全磷、全钾均采用常规方法测定，重金属均采用国标法进行测定，其中，Cd、Cu、Zn、Cr均采用HNO₃-HCl-HF消煮，原子吸收分光光度法测定(GB/T17141—1997，GB/T 17138—1997，HJ491—2009)；As采用HNO₃-HCl消煮，原子荧光光度法测定(GB/T22105.2—2008).根据沥浸前后污泥中重金属含量差值，计算污泥重金属去除率.根据沥浸前后污泥中有机质、全氮、全磷、全钾等养分含量的差值，计算污泥养分损失率.

本实验所有数据均采用Excel 2003和SPSS 19.1软件进行处理，本文图中数据均用平均值与标准偏差表示.

pH是衡量污泥生物沥浸过程中微生物生长性能的关键指标，在生物沥浸反应体系中，pH的变化被认为是衡量体系微生物活性和生物沥浸效果好坏的重要指标，对污泥重金属的去除具有良好的指示作用(刘奋武等，2009).一般而言，污泥生物沥浸体系pH越低，表明体系微生物活性越强(宋兴伟等，2008；Fang et al., 2006).

本研究供试污泥生物沥浸体系pH变化趋势如图 1所示.在前12 h，由于初始酸性氧化硫硫杆菌接种液的加入，体系pH有一小幅降低趋势，后在36 h 呈现小幅回升.整体而言，前108 h污泥生物沥浸过程中，各处理体系pH基本稳定在6.67~7.90之间.李音等(2006)研究表明，在以S⁰为底物的处理中，反应初期pH值略有回升，与本研究基本一致.本试验在淋浸过程前期未观察到明显的pH值变化趋势，表明原始污泥直接进行生物沥浸过程较为缓慢.在114 h时，不同污泥生物沥浸体系中均加入5 mL的盐酸对其进行酸化，体系pH值急剧下降后又呈不同程度上升，而后趋于稳定的下降趋势.除了泽州兰花供试污泥降到4.47外，其余供试城市污泥均降到了2附近.生物沥浸中起产酸作用的优势微生物为化能自养菌，鲁顺保等(2012)研究表明，小分子有机物对沥浸过程中的化能自养菌有明显的抑制作用，对于泽州兰花供试污泥最终pH值均高于其它污泥的现象，可能是由于泽州兰花污泥在沥浸过程中产生的小分子物质影响沥浸过程中pH的变化.经过360 h生物沥浸过程，朔州市、大同市东郊、 平鲁区、忻州市、高平市、代县、大同市东郊等污水厂污泥pH降低至1.20~1.50之间，晋城市和潞城市污水厂污泥pH降低至1.50~2.00之间，而太谷县和泽州兰花污水厂污泥pH均大于2.0.同时，由图 1还可以看出，除了太谷县与泽州兰花的供试污泥，其它地区供试污泥初始pH值越大，沥浸过程结束后pH值也相对越大.其中，潞城市、晋城市、朔州市、大同市西郊、平鲁区、忻州市、高平市、代县和大同市东郊等污水厂污泥生物沥浸过程中pH分别降低了76.22%、79.04%、81.40%、81.49%、81.18%、82.01%、82.8%、82.90%和82.88%，而太谷县和泽州兰花污水厂污泥生物沥浸过程中pH分别降低了66.76%和32.84%.

图1(Fig.1)

图1 生物沥浸过程中pH的变化 Fig.1 Change of pH during natural dried sludge bioleaching

反应初期体系S⁰的生物氧化率几乎为零，无机酸酸化后，氧化硫硫杆菌活性被提高，具体表现在156 h后各处理体系S⁰氧化率迅速增加(图 2)，相应各处理体系pH逐渐降低(图 1)，S⁰的氧化率不但可用来评价S⁰在该生物沥浸系统中作为能源物质被微生物利用的效率，而且也是评价沥浸后去除重金属污泥质量的重要指标(周立祥等，2004).

图2(Fig.2)

图2 自然干化污泥生物沥浸过程中S0氧化率的变化 Fig.2 Change of S0 oxidation efficiency during natural dried sludge bioleaching

S⁰的氧化率的增加和pH的下降呈现明显的对应的关系，S⁰氧化的加速可以表征氧化硫硫杆菌的大量繁殖(周顺桂等，2005).本试验所有供试污泥生物沥浸初期体系pH基本不变，并未检测到SO₄^2-浓度的增加，可见能源物质S⁰的生物氧化尚未启动，S⁰的氧化率均为0.生物沥浸至132 h，S⁰转化率开始升高，污泥体系 pH开始降低，大部分处理体系S⁰氧化率在276 h均达到最高值，分别为潞城市64%，太谷县69%，大同市东郊68%，泽州兰花65%，朔州市71%，忻州市65%，平鲁区72%，晋城市70%，代县65%，而在348 h高平市污泥S⁰氧化率达到最大值为67%，300 h大同市西郊S⁰氧化率达到最大值为73%.所有污泥沥浸体系中S⁰的转化率均呈现开始缓慢增长，中期迅速增加，后期维持稳定趋势，且不同体系S⁰的氧化率均在60%以上，表明氧化硫硫杆菌生命活动较为活跃.

生物沥浸过程对供试污泥的有机质、全氮、全磷和全钾的影响见图 3和图 4，供试污泥在生物沥浸中经过长时间和高强度的酸化后，有机质、全氮和全钾损失较小，而全磷损失较为严重.在15 d的沥浸时间内供试污泥中的有机质、全氮、全磷和全钾的含量平均损失分别为3%、1%、44%和8%，与文献(李超等，2008；和苗苗等，2006；甘莉等，2014)报道的全氮、全磷和全钾的变化趋势一致.由图 3中还可以看出，山西省不同地区污水处理厂供试污泥中氮、磷养分含量较高，而全钾含量相对较低.全氮含量的变化范围在1.81%~6.23%之间，平均为3.94%，全磷含量在1.47%~4.47%之间，平均为2.90%，全钾含量在0.56%~1.11%之间，平均为0.87%，与马学文等(2011)等报道的全国111个城市共193个污水处理厂污泥氮、磷、钾含量(N 3.02%、P 1.57%、K 0.69%)相比较，山西省城市污水处理厂污泥全氮、全磷和全钾含量均高于马学文等报道的全国平均水平，特别是全磷约为全国平均水平的1.46倍.因此，山西省城市污泥农用的作物营养价值更高一些.本研究沥浸后污泥的有机质、全氮、全磷和全钾的含量分别为18.0%~67.5%、1.78%~6.21%、0.95%~2.31%、0.52%~1.03%之间，分别平均为48.18%、3.89%、1.61%、0.80%，总养分(N+P₂O₅+K₂O)含量在5.68%~10.84%之间，平均为8.87%，全部供试污水厂污泥有机质和总养分含量均满足农用泥质标准(CJ/T309-2009)的限定值(≥20%和≥3%)，综上所述，沥浸后的供试污泥养分含量虽有所降低，但不影响其农用价值.

图3(Fig.3)

图3 生物沥浸前后污泥有机质含量的变化 Fig.3 Change of organic matter in sludge before and after bioleaching

图4(Fig.4)

图4 生物沥浸前后污泥全氮、全磷、全钾含量的变化 Fig.4 Changes of total N，total P， and total K contents in sludge before and after bioleaching

污泥重金属Cu、Zn、As、Cd、Cr的去除率见图 5.除太谷县污泥外，其余供试污泥均是Zn的去除率最高，在89.67%~97.80%之间，平均为94.41%.相对而言，Cu、As、Cd、Cr较难去除，且以Cu的去除率最低，在23.69%~77.62%之间，平均为46.70%.其次是Cd，在18.18%~97.05%之间，平均为54.54%，Cr在28.55%~67.11%之间，平均为53.80%、As在30.24%~84.31%之间，平均为47.01%.重金属去除率由高到低的顺序为Zn>Cd>Cr>As>Cu.周顺桂等(2004)研究表明，Zn的去除率主要受控于污泥的pH，随着pH降低去除率逐渐升高，达90%左右.而Cu的溶出却大不相同，除pH外，体系生物氧化能源物质，致使氧化还原电位(ORP)升高是促进其溶出的另一关键原因(李超等，2008；Chen et al., 2005).例如，曹占平等(2009)研究发现，利用硫粉为单一能源物质时，生物沥浸后污泥重金属Cu的去除率约为55%，与本研究结果相似.而李超等(2008)利用氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌复合菌株，采用Fe²⁺与S⁰作为能源物质，随着体系Fe²⁺与S⁰大量氧化，污泥体系氧化还原电位明显提高，导致污泥体系中Cu的去除率达到90%以上.Chan等(2003)研究也表明，利用氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌复合菌株，采用Fe²⁺与S⁰作为能源物质对含水率98.75%污泥进行生物沥浸时，体系最终ORP约为600 mV，污泥中Cu的溶出率几乎达到100%，而只采用氧化硫硫杆菌作为沥浸微生物，体系最终ORP约为100 mV，污泥中Cu的溶出率仅为60%.可见，氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌复合菌株对污泥重金属Cu的去除效果要明显优于单一微生物氧化硫硫杆菌.然而，由于氧化硫硫杆菌利用S⁰作为能源物质对污泥中毒性较大的As的去除率高于氧化亚铁硫杆菌利用硫酸亚铁作为能源物质(曹占平等，2009).本研究针对山西省供试污泥含As量相对较高这一实际情况，故采用氧化硫硫杆菌，以S⁰为能源物质进行污泥生物淋浸研究.

图5(Fig.5)

图5 生物沥浸后干化污泥重金属Cu、Zn、As、Cd、Cr的去除率 Fig.5 Removal efficiencies of Cu，Zn，As，Cd， and Cr in natural dried sludge after bioleaching

由图 5同时可见，高平市污泥Zn、Cu、Cr和As的去除率均为最大，分别为98%、78%、67%和84%，而太谷县污泥Cd的去除率最大为97%.可见不同污水厂污泥利用生物淋浸技术去除重金属的效果也不同.然而，本试验的研究结果与张再利等(2008)利用氧化硫硫杆菌处理含固率为10%污泥的研究结果相比，本研究利用干化污泥Zn、Cd、Cr的去除率均远高于含固率10%的污泥(Zn、Cd和Cr的去除率分别为55%、45%、34%)，而本研究Cu的去除率低于含固率10%的污泥(Cu的去除率为65%).表明氧化硫硫杆菌对风干污泥重金属去除效果要好于含固率为10%的污泥.

由表 2可见，沥浸后供试污泥有机质、S⁰的转化率和重金属去除率之间存在着一定相关性.污泥有机质含量与Cu、Zn、As和Cr去除率呈极显著负相关关系，而与Cd去除率呈显著负相关关系，相关系数分别为0.935、0.895、0.932、0.847、0.516(n=11).可能是因污泥有机质含量越高，自然干化过程中污泥粘结性能越强，污泥重金属在生物沥浸过程中越不易溶出.而S⁰的氧化率与污泥Cu、Zn、As、和Cr的去除率呈极显著正相关关系，而与Cd去除率相关性不显著.

表2(Table 2)

表2 有机质、S0的氧化率与Cu、Zn、As、Cd、Cr去除率的关系 Table 2 Relationship between organic matter，S0 oxidation efficiency and the removal efficiencies of Cu，Zn，As，Cd， and Cr

表2 有机质、S0的氧化率与Cu、Zn、As、Cd、Cr去除率的关系 Table 2 Relationship between organic matter，S0 oxidation efficiency and the removal efficiencies of Cu，Zn，As，Cd， and Cr 有机质含量 S0氧化率 Cu去除率 Zn去除率 As去除率 Cd去除率 Cr去除率 有机质含量 1 S0氧化率 -0.949* * 1 Cu去除率 -0.935* * 0.954* * 1 Zn去除率 -0.895* * 0.972* * 0.959* * 1 As去除率 -0.932* * 0.835* * 0.868* * 0.805* * 1 Cd去除率 -0.516* 0.388 0.541* 0.360 0.445 1 Cr去除率 -0.847* * 0.949* * 0.926* * 0.981* * 0.762* * 0.212 1 注： **表示样本t检测(双侧)为p<0.01，*表示样本t检测(双侧)为p<0.05.

本研究以氧化硫硫杆菌为功能微生物，以S⁰为能源物质开展了自然干化污泥重金属生物沥浸相关研究.自然干化污泥样品Cu、Zn、As、Cd和Cr的去除率分别达到23.69%~77.62%、89.67%~97.80%、30.24%~84.31%、18.18%~97.05%和28.55%~67.11%，而污泥有机质、全氮、全磷和全钾的损失率分别为3%、1%、44%和8%.因此，从保证城市污泥重金属大幅度去除，同时维持污泥有机质，氮、磷、钾养分水平符合国家《农用泥质》标准(CJ/T309—2009)两方面考虑，以氧化硫硫杆菌为功能微生物、以硫粉做为能源物质、且添加无机酸进行酸化对干化污泥进行生物淋浸是有效去除污泥重金属的一种良好方法.与目前大多研究采用湿污泥(含水率90%以上)进行生物淋浸相比，本方法利用干化污泥进行生物淋浸可提高污泥重金属去除的效率和降低处理成本，从而在确保城市污泥农用的安全性和有效性的同时，降低农用成本.