【摘 要】
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磷作为一种不可再生资源,在农业生产、食品、工业、国防、医药等行业发挥着重要的作用。我国作为人口大国面临着磷的供给与需求之间的矛盾,据统计我国磷矿资源仅占世界总量的5.5%,有效供给只有20~50年。在水处理行业中,磷元素单向流动的特点导致了污水处理厂产生了大量的富磷污泥。在过去的处理处置过程中,这些宝贵的磷资源随污泥一同被焚烧、填埋处置,造成了磷资源的极大浪费。因此,提高磷资源化程度,打通污泥处理
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磷作为一种不可再生资源,在农业生产、食品、工业、国防、医药等行业发挥着重要的作用。我国作为人口大国面临着磷的供给与需求之间的矛盾,据统计我国磷矿资源仅占世界总量的5.5%,有效供给只有20~50年。在水处理行业中,磷元素单向流动的特点导致了污水处理厂产生了大量的富磷污泥。在过去的处理处置过程中,这些宝贵的磷资源随污泥一同被焚烧、填埋处置,造成了磷资源的极大浪费。因此,提高磷资源化程度,打通污泥处理过程中的磷循环利用系统,对我国磷资源的可持续发展具有重要意义。生物淋滤法是一种通过酸化作用提高污泥重金属溶出和脱水性能的好氧生物处理方法,其具有处理成本低、酸化效果好和运行简单等优点。在目前的研究中,生物淋滤法多应用于污泥脱水和重金属溶出方向,尚未发现用于污泥中磷的释放。因此,本文以剩余污泥中磷为研究对象,探索生物淋滤过程中磷的迁移转化规律,以及能源底物、p H和金属离子对磷迁移转化的影响,以期为剩余污泥中磷的资源化利用提供理论支持。结果表明,在三次接种培养过程中,酸化污泥pH、ORP和DOM的变化速率越来越快、土著嗜酸性硫杆菌富集程度大大增加,已达到生物淋滤的要求。在污泥接种比例为10%时,p H、ORP、DIP、液相总磷(TDP)分别为1.31、579 m V、(165.78±6.78)mg/L、(169.45±7.78)mg/L;硫粉为5 g/L和Fe SO4·7H2O为4 g/L时,p H、ORP、DIP、TDP分别为1.58、559 m V、(167.48±3.43)mg/L、(173.57±12.45)mg/L。在此条件下,生物淋滤法释放污泥磷的效果最佳。生物淋滤法处理120h后,可利用磷占比从29.0%上升至80.5%,TDP含量比对照组提高了(275.47±5.2)mg/L,生物有效磷(BAP)占比从28.6%升高至70.2%,释磷的同时提高了污泥的可生物利用性;正磷酸盐含量显著增加,占比TDP的97.8%,利于后期磷的回收利用。磷的迁移转化分为磷吸收和磷释放两个阶段。磷吸收阶段,磷从液相和EPS中向固相迁移,优势形态从羟基磷灰石磷(AP)转化为有机磷(OP);磷释放阶段,磷从固相向EPS和液相中迁移,其优势形态转化为正磷酸盐。最佳的释磷效果发生在没有调控酸碱度的对照组。Ga、Mg、Fe的测定结果发现,钙磷和铁磷是污泥液相磷的主要磷源。通过对生物淋滤过程中污泥形貌、EPS中DOM成分分析,推断生物淋滤过程中磷的释放机理为:首先能源底物硫粉和硫酸亚铁在好氧环境中经土著嗜酸菌的作用,分解为了硫酸根和Fe,并使得体系p H大幅降低。p H的降低导致了土著嗜酸菌大量繁殖,并使得污泥中的主要磷形态AP分解为了Ca和磷酸盐;其中一部分磷酸盐与Fe生成了NAIP,另一部分磷酸盐被土著嗜酸菌吸收,在细菌体内形成了生命活动物质(RNA、DNA、磷脂层、腐殖质、磷酸盐酯、磷酸糖等),即转化为了SOP。此时由于硫杆菌大幅繁殖,大部分AP都转化为了SOP,生物淋滤过程处于磷吸收阶段。随着p H持续下降,污泥表面形成疏水通道,并且其中的细胞和EPS发生破解。细胞释放出体内的poly-P并转化成了PO43--P,组成了TDP的一部分;EPS释放DOM(TB层中芳香族蛋白质、LB层酪氨酸蛋白质发生分解以及在SB层中生成了腐殖酸、富里酸以及细胞成分);与此同时,环境的变化也导致了EPS的结构也受到影响,原封闭于TB层和LB层中的磷也随之释放到液相中,生物淋滤过程处于磷释放阶段。随着p H降低至最低点,土著嗜酸菌进入减速增殖期或内源呼吸期,同化作用速率加快,细胞在同化和酸化两种作用下发生破解,poly-P和SOP释放到液相中,并在生化作用下转变为正磷酸盐。
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