污泥生物沥浸中次生矿物形成及其对重金属吸持的影响研究

Sludge bioleching, a novel pre-treatment technology in improving sludge dewaterability and the removal of sludge-borne metals,is successfully being applied to environmental engineering. In the light of the phenomonen that the removal efficiency of sludge-borne metals declined with the increase of bioleaching time,this proposal will investigate secondary iron mineral formation facilitated by Acidithiobacillus ferrooxidans and its effect on heavy metal sorption. Firstly,newly-formed secondary iron hydroxysulfate in sludge bioleaching system is identified. Then, the effect of dissolved organic matter (DOM) and monovalent cations in bioleached sludge soultion on the formation of secondary iron minerals is explored in simulated bioleaching system with sludge DOM and/or pure H20 as medium. Futhermore,co-precipitation and adsorption of already-solubilized sludge-borne heavy metals by pure iron hydroxysulfate minerals including shwertmannite and jarosite are assessed. In addition, bioloeaching operation parameter influence on types and quantities of secondary iron hydroxysulfate are also investigated.The outcome of the proposed project is helpful in controlling the formation of these secondary iron minerals and enhancing the removal efficiencies of sludge-borne metals by bioleaching.

生物沥浸技术以其在污泥脱水和重金属脱除方面的高效环保优势，成为污泥减量和资源化极有应用前景的先进处理技术，并逐步走上了产业化道路。本项目针对污泥生物沥浸后期重金属脱除率下降的现象，紧紧抓住嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）氧化Fe(II)生物成矿的主线，对沥浸中形成的次生矿物进行鉴定。结合污泥DOM和H2O体系的模拟实验，重点考察沥浸过程中污泥水溶性有机质和一价阳离子对矿物形成的影响。在此基础上，进一步以沥浸中存在的纯矿物（包括已发现的施威特曼石和黄铁矾等）为代表对污泥中已溶出的可溶性重金属进行吸附和共沉淀实验，同时采用正交试验方法研究污泥生物沥浸主要运行参数对次生矿物类型和质量影响。揭示污泥生物沥浸中次生矿物的形成及其对重金属脱除的影响机制，为调控次生矿物的生成和提高重金属脱除效率提供科学依据。

针对污泥生物沥浸后期重金属去除率难于上升，甚至有下降的现象，分析生物沥浸中次生矿物的形成是否是其重要原因。重点考察沥浸过程中污泥水溶性有机质（DOM）、起始亚铁、一价阳离子及菌密度等对次生矿物形成的影响。通过对污泥沥浸A.ferrooxidans菌氧化Fe(II)后成矿过程研究，矿物对污泥重金属的吸附共沉淀实验等，揭示次生矿物的形成及其对重金属脱除的影响机制。通过四年的研究，结果表明：（1）在重金属含量相对较高的工业污泥中清楚地发现污泥生物沥浸后期虽然pH继续降低但重金属溶出并不升高的现象。（2）观察到污泥生物沥浸过程中的确有羟基硫酸铁次生矿物的形成，而且主要以结晶度较差的施氏矿物(Schwertmannite)为主。（3）发现生物沥浸的酸性硫酸盐环境中菌密度和温度对生物成因次生铁矿物形成有明显影响，低温明显降低菌活性和菌密度，但也更易于施氏矿物的形成。（4）污泥中起始亚铁浓度、DOM和一价阳离子浓度与种类对沥浸体系中次生铁矿物的形成有重要影响。起始亚铁浓度越高，一价阳离子特别是K+浓度高，会促进黄铁矾的形成，而DOM的存在却会抑制晶型矿物黄铁矾形成。而一价阳离子中，K+成矾能力远高于NH4+和Na+。污泥生物沥浸体系中由于一价阳离子和起始亚铁浓度低，而DOM高，因此只能形成施氏矿物。（5）这些矿物在生物沥浸环境中对重金属的吸持现象虽然存在但作用总体上较弱，仅是对Cu2+, As(III)和Cr(VI)影响较大些。对Cu2+主要是通过共沉淀作用，而对As(III)和Cr(VI)则存在吸附作用。生物沥浸体系中矿物的生成对重金属再吸持的贡献可能并不大。本项目还发现，污泥生物沥浸中这些矿物的生成对污泥脱水却有较好的促进作用，也能作为环境材料用于光催化Cr(VI)还原以及作为异相Fenton材料与UV联用用于处理垃圾渗滤液。这些结果对推动污泥生物沥浸技术的优化和推广应用较好帮助。