1 引言
截至2014年3月底，全国累计建成城镇污水处理厂3622座，污水处理能力达到1.53亿m3 · d-1，其中，含水率80%污泥的年产生量近4000万t.与传统污泥调理方式相比，生物沥浸不仅能去除污泥中的重金属、病原菌和恶臭、而且不需额外添加絮凝剂就能使污泥机械脱水后的含水量降至60%以下.2010年以来，生物沥浸技术逐渐走向工程化应用，但目前关于生物沥浸提高污泥脱水性能的机制尚不十分清楚.近年来，人们对生物沥浸提高污泥脱水性能的研究主要集中在pH下降导致的酸化效应、Fe3+的絮凝作用上，但其仍不足以完全阐明生物沥浸提高污泥脱水性能的机理.因为在没有生物沥浸微生物参与时，通过化学方法调节相同的酸度和Fe3+浓度，且其他条件完全一致的情况下，污泥脱水性能远没有生物沥浸处理的效果好.
污泥中结合水含量是表征污泥可脱水程度的重要指标，其相对自由水而言需要消耗较多的能量才能去除，因此，结合水是限制污泥脱水的直接因素.但污泥中的结合水主要来源于胞外聚合物(EPS)束缚的结合水和微生物细胞束缚的细胞内结合水，因此，我们推测微生物菌群和EPS对污泥的脱水起着关键作用.虽然有不少学者对EPS在污泥脱水和絮凝沉降方面做了大量研究，但这些研究结果往往是矛盾的.例如，Chen和Neyens研究发现，污泥中过多的EPS是不利于污泥脱水的，但和Jin却都发现EPS有利于污泥脱水.同时，在污泥生物沥浸过程中，化能自养的硫杆菌和异养微生物菌群的数量变化，以及EPS的变化及其与污泥脱水性能的相互关系至今仍鲜见报道.为此，本研究试图从微生物菌群数量变化及胞外聚合物(EPS)角度揭示生物沥浸提高污泥脱水性能的深层机理，同时，通过考察剥离EPS后对污泥脱水性能的影响来进一步验证EPS在生物沥浸促进污泥脱水中的作用.
2 材料与方法
2.1 供试污泥
供试污泥为取自无锡太湖新城污水处理厂的浓缩池污泥，采集后立刻测定污泥pH、含固率、有机质含量和污泥比阻，其基本理化性质如下：pH=7.36，含固率为3.42%，有机质含量为51.87%，污泥比阻为9.67×1012 m · kg-1.采集的污泥保存于4 ℃冰箱中，待用.
2.2 污泥生物沥浸酸化接种液的制备
接种物的制备：按参考文献方法进行，将本研究组以前分离的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌Acidithiobacillus ferrooxidans LX5(A. ferrooxidans LX5)和氧化硫硫杆菌Acidithobacillus thiooxidans TS6(A. thiooxidans TS6)纯菌株分别接种到150 mL的SM液体培养基和改进型9K液体培养基中，置于28 ℃往复式摇床(180 r · min-1)中扩大培养，直至菌体细胞数量达约108 cells · mL-1，保存备用.然后在500 mL的三角瓶中加入75 mL A. ferrooxidans LX5、75 mL A. thiooxidans TS6和150 mL原始污泥，置于28 ℃往复式摇床(180 r · min-1)中驯化培养，直至pH降到2.00，重复2次，得到的酸化污泥即为经过驯化后的用于生物沥浸试验的接种液.
2.3 城市污泥生物沥浸试验
在一系列含有270 mL原始污泥的500 mL三角瓶中，根据供试污泥体积量按10 g · L-1添加微生物复合营养剂(主要含N、P、Ca、Mg、S、Fe、Si、有机酸、维生素等)，并接种30 mL上述酸化接种液作为生物沥浸处理，微生物复合营养剂的配置参考文献;以只加入30 mL与酸化接种液同pH的污泥作为对照处理.每种处理均设置3个重复，置于28 ℃、180 r · min-1往复式摇床中培养，分别在第0、1、2、3、4、5、6 d时取样测定污泥pH、异养菌数量、A. ferrooxidans LX5数量、A. thiooxidans TS6数量、胞外聚合物(EPS)、结合水和比阻(SRF)的变化.
2.4 剥离污泥EPS后对污泥脱水性能的影响
取原始污泥采用高速离心法剥离其中的EPS后，离心泥饼采用去离子水重新悬浮至原体积，混合均匀后测定去除EPS污泥的脱水性能(T4).同时，为了评估高速离心本身对污泥脱水性能的影响，使经过离心后的污泥饼和含有EPS的离心上清液重新混合均匀后测定污泥的脱水性能(T3).最后同原始污泥(T1)和生物沥浸2 d后的污泥(T2)进行脱水性能比较，以此来验证EPS含量减少是否为生物沥浸提高脱水性能的一个重要因素.
2.5 测定方法
采用pHS-3C型精密pH计测定溶液pH值;污泥EPS采用高速离心法(14000 g，4 ℃，20 min)提取与剥离，离心上清液采用3500 Pa的半透膜透析3 d(换5次去离子水)以去掉杂质和小分子物质，采用TOC测定仪(TOC-5000)测定EPS的含量;污泥结合水采用膨胀计法测定，膨胀指示剂为二甲苯，膨胀温度为-20 ℃;污泥比阻采用布氏漏斗法测定;菌密度采用平板培养法测定，其中，污泥中异养菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基平板在28 ℃培养2 d后计数，A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6数量采用双层平板法计数.
2.6 统计分析
采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，并用SAS 9.2软件对整理的数据进行统计分析.在方差分析后采用Student-Newman-Keuls(SNK)方法进行多重比较，标有相同字母的表示在0.05水平下没有显著性差异.
3 结果与讨论
3.1 生物沥浸中硫杆菌的大量生长对污泥中异养菌和EPS的影响
生物沥浸中使用的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans LX5)和嗜酸性氧化硫硫杆菌(A. thiooxidans TS6)均是化能自养微生物，其在生物沥浸污泥中的变化如图 1a所示.A. ferrooxidans LX5数量在生物沥浸处理的前2 d由初始的2.21×106 CFU · mL-1显著增加到4.78×108 CFU · mL-1，其后基本保持稳定;而A. thiooxidans TS6数量在生物沥浸处理1 d后开始显著增加，由第1 d的2.56×106 CFU · mL-1显著增加到第6 d的7.22×108 CFU · mL-1.这可能是由于A. thiooxidans TS6在氧化营养剂中的硫单质前先要降低硫单质的疏水性，这就导致了其数量的增长滞后于A. ferrooxidans LX5数量的增长.A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6通过利用介质营养物大量增殖使污泥的pH显著下降，生物沥浸污泥pH从第0 d的4.62显著下降至第4 d的1.97，其后基本稳定在2左右，而原始污泥pH下降较为缓慢，仅由第0 d的6.61下降至第2 d的5.02，其后基本稳定在5左右(图 1b).外界pH的变化会导致污泥中固有异养微生物数量的变化，如图 1c所示，原始污泥中的异养菌数量由初始的2.87×108 CFU · mL-1显著下降至第2 d的7.06×107 CFU · mL-1，其后基本保持稳定. 而生物沥浸处理中，异养菌数量的下降尤为剧烈，从初始的2.65×108 CFU · mL-1显著下降至第2 d的8.20×106 CFU · mL-1，其后基本保持稳定.可见，生物沥浸处理后污泥中的微生物菌群数量发生了显著的变化，具体表现为A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6数量显著增加和异养微生物数量显著减少.
图 1 生物沥浸处理中污泥中氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌数量(a)、污泥pH(b)及污泥中异养菌数量(c)随反应时间的变化
污泥中胞外聚合物(EPS)主要来源于微生物细胞的分泌和破裂释放的内含物.而在生物沥浸过程中由于pH的剧烈变化，导致了生物沥浸污泥中微生物菌群的剧烈变化，这就使得生物沥浸污泥中的EPS含量从初始的28.18 mg · g-1(以VSS计，下同)显著下降至第2 d的13.53 mg · g-1，然而过长时间的生物沥浸处理使得污泥EPS的含量随后显著增加至第6 d的51.22 mg · g-1;原始污泥中EPS含量变化较为平缓，仅由初始的30.40 mg · g-1下降至第2 d的25.05 mg · g-1，随后基本保持稳定(图 2).在生物沥浸的前2 d内，污泥中EPS含量显著下降可能是由于在酸化作用下大量的EPS从污泥颗粒表面脱落和分解.再者，自养型硫杆菌本身分泌的EPS就比污泥中异养菌少得多，当硫杆菌逐渐占优势时，表现出污泥EPS就会明显减少.但过长时间的生物沥浸处理会使得污泥pH值长期处于2以下，此时会导致污泥中存活的微生物(主要为硫杆菌)分泌大量的EPS以保护自身细胞免受伤害，导致生物沥浸后期污泥EPS含量的显著增加.
图 2 污泥中EPS含量随反应时间的变化
3.2 污泥中微生物菌群数量和EPS的变化对污泥脱水性能的影响
污泥中的水分分布对污泥脱水性能具有直接的影响，而其中结合水含量是影响污泥脱水性能的决定性因素，这主要是由于相对自由水而言结合水的去除需要消耗较多的能.因此，测定污泥中结合水含量可以直接反映污泥的脱水性能.如图 3所示，在生物沥浸处理中，污泥结合水含量从初始的37.28%显著下降至第2 d的21.20%，然而长时间的生物沥浸反而使污泥结合水含量增加至第6 d的33.57%;而对照原始污泥在5 d的处理时间内其结合水含量均是显著高于生物沥浸污泥中的结合水含量.
图 3 污泥中结合水含量随反应时间的变化
污泥比阻可以较好地反映污泥的脱水性能.如图 4所示，原始污泥的比阻从初始的9.62×1012 m · kg-1下降至第2 d的2.33×1012 m · kg-1，其后基本保持稳定;而生物沥浸污泥的比阻从初始的5.14×1012 m · kg-1显著下降至第2 d的6.92×1011 m · kg-1，随后却显著上升至第6 d的6.65×1012 m · kg-1.可见污泥经过2 d生物沥浸后其脱水性能达到最佳，而过长时间的生物沥浸却是不利于再次提高污泥的脱水性能的.
图 4 污泥比阻随反应时间的变化
这可能是由于污泥中的EPS具有高度的亲水性，且污泥中的结合水主要来源于EPS束缚的结合水和微生物细胞束缚的细胞内结合水，而生物沥浸污泥中异养微生物细胞数量和EPS含量在生物沥浸的前2 d内是显著下降的(图 1c、图 2)，这就导致原本被EPS束缚的一部分结合水变成自由水;同时，EPS含量下降使得污泥颗粒表面的负电荷减少，并使污泥颗粒间的排斥力减弱，进而导致污泥颗粒易于成团聚沉;此外，由于生物沥浸前期pH的剧烈下降使得大量的异养微生物细胞死亡破裂，进而释放出细胞内束缚的结合水，而以两类硫杆菌为主的自养菌的大量生长可能会进一步破坏污泥原有的异养菌菌胶团结构，使其中的一部分结合水释放出来，最终使得生物沥浸污泥的脱水性能显著提高.而过长时间的生物沥浸处理使得污泥的pH低于2，长期过酸的外界环境使得污泥中存活的一部分微生物大量分泌EPS，这就导致了被EPS束缚的结合水含量显著上升，最终导致污泥脱水性能恶化.因此，污泥中A. ferrooxidans LX5、A. thiooxidans TS6和异养微生物菌群数量的改变及EPS含量的减少是生物沥浸提高污泥脱水性能的两个重要因素.
3.3 剥离污泥中EPS后对污泥脱水性能的影响
为了进一步验证EPS在生物沥浸过程中的关键作用，分别对比了原始污泥(T1)、生物沥浸2 d后污泥(T2)、剥离EPS的原始污泥(T4)的脱水性能;同时，为了评估高速离心剥离EPS时对污泥脱水性能的影响，将污泥经过高速离心后的污泥饼与含有EPS的上清液重新混合均匀，其污泥(T3)比阻为9.25×1012 m · kg-1，与原始污泥(9.62×1012 m · kg-1)相比，两者在统计学上是没有显著性差异.因此，高速离心本身对污泥脱水性能的影响是可以忽略的;而原始污泥去除EPS后的比阻为1.08×1012 m · kg-1，仅为原始污泥比阻的11.23%;无EPS污泥的比阻是生物沥浸2 d后污泥的1.56倍，但两者在统计学上没有显著性差异.这进一步验证了EPS含量的减少是生物沥浸提高污泥脱水性能的一个重要因素.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
图 5 不同处理下污泥比阻的变化
4 结论
1)在污泥生物沥浸过程中，由于A. ferrooxidans LX5和A. thiooxidans TS6的大量生长，导致生物沥浸污泥pH在处理的第2 d下降至2.47，使得污泥中异养微生物数量下降了两个数量级.污泥中A. ferrooxidans LX5、A. thiooxidans TS6和异养微生物菌群数量的改变及pH的下降共同使得生物沥浸污泥的胞外聚合物(EPS)含量在此时达到最低的13.53 mg · g-1.
2)污泥经过生物沥浸处理2 d后，污泥中微生物菌群数量的改变和EPS含量的减少均有助于污泥中结合水含量减少至最低的21.20%，此时污泥的比阻达到最低的6.92×1011 m · kg-1.因此，污泥中A. ferrooxidans LX5、A. thiooxidans TS6和异养微生物菌群数量的改变及EPS含量的减少是生物沥浸提高污泥脱水性能的两个重要因素.