內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法：制革污泥鉻去除的深度試驗(yàn)與解析一、引言1.1研究背景與意義制革工業(yè)作為傳統(tǒng)的污染重點(diǎn)行業(yè)，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量污泥。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1噸牛皮就會(huì)產(chǎn)生大約30至50立方米的污水以及大約150公斤的污泥。這些制革污泥中含有大量的鉻元素，一般鉻含量可達(dá)10-40g/kg（干重），其來源主要與鉻鞣液在廢水處理中未實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)分離有關(guān)。鉻是一種毒性較強(qiáng)的重金屬，在制革污泥中，鉻的存在形態(tài)多樣，其中六價(jià)鉻的化合物毒性尤其大。它能夠透過細(xì)胞膜對(duì)生命組織產(chǎn)生毒性作用，進(jìn)而使人致癌、致畸胎和致突變，對(duì)皮膚、呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生較大的危害。當(dāng)制革含鉻污泥在雨水淋溶等作用下，會(huì)引起土壤、地表水、地下水的次生污染，甚至危及生物鏈，對(duì)環(huán)境的影響極大。在土壤中，它能降低生化需氧量，阻礙氮素的消化過程，使土壤板結(jié)，農(nóng)作物枯死，破壞生物機(jī)體的新陳代謝。目前，我國“三廢”治理的重點(diǎn)主要放在污水治理方面，相對(duì)而言，污水處理技術(shù)也更為成熟，但對(duì)于隨之而來的污泥處理卻起步較晚，且沒有引起足夠的重視。制革行業(yè)產(chǎn)生的大量污泥仍處于無秩序處置狀況，對(duì)于河流、湖泊、地下水等水體的污染存在潛在的威脅，已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問題，國內(nèi)不乏因制革污泥處置不當(dāng)造成的環(huán)境污染事件。例如河北省辛集市錨營制革工業(yè)區(qū)，雖設(shè)有污水處理廠對(duì)園區(qū)內(nèi)的制革工業(yè)廢水進(jìn)行處理，但制革廢水處理后產(chǎn)生的大量污泥卻被隨意填埋在農(nóng)田中，給農(nóng)村環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。在各種制革污泥處理方法中，制革污泥資源化處置備受推崇，其中制革污泥農(nóng)業(yè)利用是最具優(yōu)勢(shì)的途徑之一，因?yàn)槲勰嘀泻幸欢ǖ牡⒘?、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，可作為有機(jī)肥料改良土壤。然而，制革污泥中鉻的污染嚴(yán)重影響了其土地資源化利用。為提高污泥農(nóng)用的安全性，人們對(duì)多種去除污泥中重金屬的方法展開了研究，如氯化、螯合、酸化和生物瀝濾等。生物瀝濾法，作為一種新興的污泥重金屬去除技術(shù)，因其成本低廉、效果好、操作簡(jiǎn)單、工程化可能性大而備受矚目。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法是生物瀝濾技術(shù)中的一種，它利用內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的特殊結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供更有利的條件，從而提高生物瀝濾的效率和穩(wěn)定性。通過研究?jī)?nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法去除制革污泥中鉻的可行性和效率，不僅可以為解決制革工業(yè)污染問題提供技術(shù)支持和參考，探索出一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的制革污泥鉻去除方法，減少制革污泥對(duì)環(huán)境的危害，還能推動(dòng)制革污泥資源化利用的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)資源的回收和再利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，對(duì)于完善生物瀝濾技術(shù)理論體系，促進(jìn)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展也有著積極的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在制革污泥處理方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。早期，國外主要采用填埋、焚燒等傳統(tǒng)方法處理制革污泥。填埋方法簡(jiǎn)單，但占用大量土地資源，且存在重金屬滲漏污染土壤和地下水的風(fēng)險(xiǎn)；焚燒雖然能實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，但能耗高，會(huì)產(chǎn)生二噁英等有毒有害氣體，造成二次污染。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和技術(shù)的發(fā)展，近年來國外逐漸轉(zhuǎn)向資源化利用的研究，如將制革污泥用于建筑材料的生產(chǎn)，通過特殊工藝將污泥中的成分轉(zhuǎn)化為建筑材料的原料，實(shí)現(xiàn)廢物的再利用；也有研究嘗試將污泥中的鉻等重金屬進(jìn)行回收，既減少了污染，又實(shí)現(xiàn)了資源的回收利用。國內(nèi)對(duì)制革污泥處理的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。早期也多采用填埋和簡(jiǎn)易焚燒等方式，隨著對(duì)環(huán)境污染問題的重視，開始探索各種新型處理技術(shù)。目前，國內(nèi)研究主要集中在污泥的無害化和資源化處理，如通過化學(xué)處理方法，利用化學(xué)試劑與污泥中的重金屬發(fā)生反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化合物，降低重金屬的毒性；生物處理方法則利用微生物的代謝活動(dòng)，對(duì)污泥中的有機(jī)物和重金屬進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)污泥的無害化和部分資源化。在生物瀝濾法去除制革污泥中鉻的研究領(lǐng)域，國外起步較早，對(duì)生物瀝濾的機(jī)理研究較為深入。研究發(fā)現(xiàn)，氧化硫硫桿菌等嗜酸微生物在生物瀝濾過程中起著關(guān)鍵作用，它們能夠氧化污泥中的硫和亞鐵等物質(zhì)，產(chǎn)生硫酸，降低污泥體系的pH值，使鉻等重金屬從污泥中溶出。同時(shí)，國外學(xué)者還對(duì)影響生物瀝濾效果的因素，如溫度、能源物質(zhì)、微生物種類等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為生物瀝濾技術(shù)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。國內(nèi)在生物瀝濾法去除制革污泥鉻方面的研究也取得了一定進(jìn)展。有研究人員從污泥中分離篩選出高效的嗜酸微生物菌株，并對(duì)其生長(zhǎng)特性和瀝濾性能進(jìn)行了研究。通過優(yōu)化培養(yǎng)條件，提高了微生物的活性和瀝濾效率。此外，還開展了關(guān)于生物瀝濾工藝參數(shù)的研究，如曝氣強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間等對(duì)鉻去除效果的影響，為生物瀝濾技術(shù)的工程應(yīng)用提供了實(shí)踐依據(jù)。在內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器應(yīng)用于生物瀝濾方面，國外研究相對(duì)較多。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器利用氣體提升原理，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)液體的循環(huán)流動(dòng)，使微生物與底物充分接觸，提高反應(yīng)效率。通過優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，如高徑比、面積比、曝氣強(qiáng)度等，能夠有效改善生物瀝濾系統(tǒng)的性能。國內(nèi)對(duì)內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器在生物瀝濾中的應(yīng)用研究也逐漸增多，一些研究結(jié)合國內(nèi)制革污泥的特點(diǎn)，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，取得了較好的除鉻效果。例如，有研究采用容積為15L，高徑比為3.4:1，面積比（A/A）為1.04:1的內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器對(duì)制革污泥進(jìn)行生物瀝濾，系統(tǒng)啟動(dòng)后，在體系pH值降至1.77時(shí)，鉻的去除率達(dá)到了82.0%。然而，目前內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法在實(shí)際工程應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如反應(yīng)器的放大效應(yīng)、微生物的適應(yīng)性和穩(wěn)定性等問題，需要進(jìn)一步深入研究和解決。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法去除制革污泥中鉻展開，主要研究?jī)?nèi)容和方法如下：制革污泥中鉻的形態(tài)和分布分析：收集不同來源的制革污泥樣本，運(yùn)用化學(xué)分析方法和儀器分析技術(shù)，如原子吸收光譜（AAS）、X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡-能譜分析（SEM-EDS）等，測(cè)定污泥中總鉻含量，明確鉻的不同化學(xué)形態(tài)（如酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)）及其在污泥中的分布情況。通過分析這些數(shù)據(jù)，了解制革污泥中鉻的賦存特性，為后續(xù)生物瀝濾試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與建造：依據(jù)內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的工作原理和生物瀝濾的工藝要求，設(shè)計(jì)并搭建一套實(shí)驗(yàn)規(guī)模的內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器裝置。該裝置主要包括反應(yīng)器主體、曝氣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)等部分。反應(yīng)器主體采用耐腐蝕材料制成，以適應(yīng)生物瀝濾過程中的酸性環(huán)境；曝氣系統(tǒng)通過微孔曝氣器向反應(yīng)器內(nèi)提供充足的氧氣，滿足微生物生長(zhǎng)和代謝的需求；循環(huán)系統(tǒng)利用氣體提升原理，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)液體的循環(huán)流動(dòng)，促進(jìn)微生物與底物的充分接觸；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的pH值、溶解氧（DO）值、溫度等關(guān)鍵參數(shù)；溫度控制系統(tǒng)則確保反應(yīng)在適宜的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在裝置搭建完成后，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，確保各系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。生物瀝濾反應(yīng)條件的優(yōu)化：將經(jīng)過預(yù)處理的制革污泥加入內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中，接入適宜的生物菌群（如氧化硫硫桿菌等嗜酸微生物），并添加適量的養(yǎng)料（如能源物質(zhì)、氮源、磷源等），啟動(dòng)生物瀝濾反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，系統(tǒng)研究溫度、能源物質(zhì)種類和投加量、溶解氧濃度、污泥投配率等因素對(duì)生物瀝濾效果的影響。通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)組，改變單一變量，如分別設(shè)置不同的溫度梯度（如24℃、28℃、32℃等）、不同的能源物質(zhì)（如硫單質(zhì)、硫酸亞鐵等）及其不同的投加比例，監(jiān)測(cè)反應(yīng)器中pH值、DO值、氧化還原電位（ORP）等指標(biāo)的變化情況，以及污泥中鉻的溶出率和形態(tài)變化。采用響應(yīng)面分析法（RSM）等優(yōu)化方法，建立各因素與生物瀝濾效果之間的數(shù)學(xué)模型，確定最佳的反應(yīng)條件組合，以提高鉻的去除效率。生物瀝濾過程中微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的研究：運(yùn)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）、高通量測(cè)序等，分析生物瀝濾過程中反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。研究不同反應(yīng)條件下微生物種群的組成、豐度和多樣性，以及優(yōu)勢(shì)菌群的演替規(guī)律。同時(shí)，通過熒光原位雜交（FISH）等技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵微生物（如氧化硫硫桿菌）在生物瀝濾過程中的分布和活性進(jìn)行可視化分析。結(jié)合生物瀝濾效果和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，探討微生物在鉻去除過程中的作用機(jī)制，明確不同微生物之間的協(xié)同或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，為進(jìn)一步優(yōu)化生物瀝濾工藝提供微生物學(xué)依據(jù)。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究：在確定最佳反應(yīng)條件后，進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，考察內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。定期監(jiān)測(cè)反應(yīng)器中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)（如pH值、DO值、鉻濃度等）、污泥性質(zhì)指標(biāo)（如含固率、沉降性能等）以及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化情況。分析系統(tǒng)在不同運(yùn)行階段的性能變化，研究可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，如污泥負(fù)荷的波動(dòng)、水質(zhì)的變化、微生物的適應(yīng)性等。通過優(yōu)化反應(yīng)器的運(yùn)行管理策略，如合理控制曝氣強(qiáng)度、污泥投配率等，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力，確保生物瀝濾系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)制革污泥中鉻的高效去除。反應(yīng)后污泥的處理與資源化利用評(píng)估：對(duì)生物瀝濾反應(yīng)后的污泥進(jìn)行固液分離處理，采用過濾、離心等方法將沉淀物與液體分離。對(duì)分離后的污泥進(jìn)行進(jìn)一步的分析，測(cè)定其中殘留的鉻含量以及其他重金屬含量，評(píng)估生物瀝濾法對(duì)制革污泥中鉻及其他重金屬的去除效果。同時(shí)，對(duì)處理后的污泥進(jìn)行資源化利用評(píng)估，如分析污泥中氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，探討其作為有機(jī)肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可行性；研究污泥的物理化學(xué)性質(zhì)，評(píng)估其在建筑材料生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。綜合考慮環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，提出制革污泥生物瀝濾處理后的資源化利用方案和建議。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1制革污泥特性及鉻危害制革污泥是制革工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其特性和成分因制革工藝、原料皮種類以及污水處理方法的不同而存在較大差異。從來源上看，制革污泥主要包括初沉池中的原始污泥、化學(xué)處理后污水中的原始污泥、酸化去除硫化物及脫毛廢液在特定pH值（如pH=4）時(shí)得到的污泥，以及在不同處理方法中進(jìn)一步處理得到的二級(jí)處理或生物污泥。制革污泥的成分極為復(fù)雜，其中既含有蛋白質(zhì)、油脂等有機(jī)污染物，又含有鉻化物、硫化物、大量的鈣、鈉的氯化物和硫酸鹽，以及少量的重金屬鹽等礦物質(zhì)污染物。蛋白質(zhì)和油脂主要來源于原料皮在加工過程中的殘留，這些有機(jī)物質(zhì)使得制革污泥具有較高的化學(xué)需氧量（COD），容易在自然環(huán)境中腐化，產(chǎn)生惡臭氣味，并且為病原微生物和寄生蟲卵的滋生提供了溫床。而礦物質(zhì)污染物中的鉻，是制革污泥中最受關(guān)注的成分之一，其含量一般可達(dá)10-40g/kg（干重），在某些情況下，甚至可能更高。此外，污泥中還含有Al、Zn、Fe等元素，這些元素來源于制革工藝各工段加入的各類化學(xué)品。在制革污泥中，鉻的存在形態(tài)多樣，主要包括沉淀態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)、水溶態(tài)和可交換態(tài)等。其中，沉淀態(tài)的鉻含量相對(duì)較高，約在60%-70%之間，這部分鉻主要以氫氧化鉻等沉淀形式存在；有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)各占20%左右，有機(jī)結(jié)合態(tài)的鉻與污泥中的有機(jī)物質(zhì)結(jié)合在一起，而殘?jiān)鼞B(tài)的鉻則存在于污泥的礦物殘?jiān)?；水溶態(tài)和可交換態(tài)的含量較少，兩者總和通常不到0.1%，這部分鉻相對(duì)較為活躍，容易在環(huán)境中發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化。鉻是一種具有潛在危害的重金屬元素，其不同價(jià)態(tài)的毒性差異顯著。三價(jià)鉻是人體必需的微量元素之一，在維持人體正常的生理功能方面發(fā)揮著一定的作用，例如參與糖和脂肪的代謝。然而，當(dāng)三價(jià)鉻的含量過高時(shí)，也可能對(duì)生物體產(chǎn)生不良影響。而六價(jià)鉻的毒性則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三價(jià)鉻，是強(qiáng)致突變物質(zhì)。長(zhǎng)期接觸六價(jià)鉻化合物會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，可導(dǎo)致肺癌、上呼吸道癌和腸胃癌等癌癥的發(fā)生，還會(huì)引發(fā)皮膚炎、過敏與濕疹性皮膚反應(yīng)等皮膚病癥，以及呼吸道病癥、眼部病癥、口腔黏膜病變、胃腸炎、腎功能障礙等多種健康問題。制革含鉻污泥對(duì)環(huán)境的危害也不容忽視。在雨水淋溶等自然作用下，污泥中的鉻等重金屬會(huì)逐漸釋放出來，進(jìn)入土壤、地表水和地下水，從而引發(fā)次生污染。鉻進(jìn)入土壤后，會(huì)降低土壤的生化需氧量，阻礙氮素的消化過程，導(dǎo)致土壤板結(jié)，影響土壤的肥力和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使農(nóng)作物生長(zhǎng)受到抑制甚至枯死。同時(shí)，鉻還可能通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，危及整個(gè)生物鏈的安全。例如，當(dāng)土壤中的鉻被植物吸收后，動(dòng)物食用這些受污染的植物，鉻就會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)積累，最終可能影響到人類的健康。2.2生物瀝濾法原理生物瀝濾法去除重金屬的原理主要基于微生物的代謝活動(dòng)。在生物瀝濾過程中，多種微生物發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其中化能自養(yǎng)型嗜酸微生物是最為重要的一類。這類微生物主要包括氧化硫硫桿菌（Thiobacillusthiooxidans）、氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillusferrooxidans）和排硫硫桿菌（Thiobacillusthioparus）等。氧化硫硫桿菌能夠利用還原態(tài)的硫化合物（如硫單質(zhì)S、硫代硫酸鹽S?O?2?、亞硫酸鹽SO?2?等）作為能源物質(zhì)。在有氧條件下，它通過一系列復(fù)雜的酶促反應(yīng)，將還原態(tài)的硫氧化為硫酸。以硫單質(zhì)的氧化為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：2S+3O_2+2H_2O\xrightarrow{?°§????????????è??}2H_2SO_4這個(gè)反應(yīng)過程不僅為氧化硫硫桿菌的生長(zhǎng)和繁殖提供了能量，同時(shí)產(chǎn)生的硫酸會(huì)使反應(yīng)體系的pH值顯著降低。氧化亞鐵硫桿菌則主要以亞鐵離子（Fe2?）作為能源。在酸性環(huán)境中，它能將亞鐵離子氧化為高鐵離子（Fe3?），并從中獲取能量。其氧化反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4FeSO_4+O_2+2H_2SO_4\xrightarrow{?°§????o?é????????è??}2Fe_2(SO_4)_3+2H_2O產(chǎn)生的Fe3?是一種強(qiáng)氧化劑，在生物瀝濾體系中具有重要作用。一方面，F(xiàn)e3?可以進(jìn)一步氧化污泥中的硫化物等還原性物質(zhì)，促進(jìn)更多硫酸的生成，其反應(yīng)式為：Fe_2(SO_4)_3+S+2H_2O\longrightarrow2FeSO_4+2H_2SO_4另一方面，F(xiàn)e3?可以與污泥中的重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使重金屬從固相溶出進(jìn)入液相。例如，對(duì)于制革污泥中的鉻，可能發(fā)生如下反應(yīng)：Cr(OH)_3+3H^+\longrightarrowCr^{3+}+3H_2OCr_2O_3+6H^+\longrightarrow2Cr^{3+}+3H_2O在低pH值的環(huán)境下，這些反應(yīng)更容易向右進(jìn)行，從而促使鉻從污泥中釋放出來。排硫硫桿菌在生物瀝濾過程中也能利用還原態(tài)硫化合物進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，它參與的化學(xué)反應(yīng)與氧化硫硫桿菌類似，同樣會(huì)產(chǎn)生硫酸，降低體系pH值，進(jìn)而促進(jìn)重金屬的溶出。除了上述主要微生物外，在生物瀝濾體系中還存在一些其他微生物，它們與主要的嗜酸微生物之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系。一些微生物可能為嗜酸微生物提供生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)物質(zhì)或生長(zhǎng)因子，促進(jìn)嗜酸微生物的生長(zhǎng)和活性；而另一些微生物可能與嗜酸微生物競(jìng)爭(zhēng)營養(yǎng)物質(zhì)和生存空間。例如，某些異養(yǎng)微生物可以利用污泥中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)，在這個(gè)過程中可能會(huì)改變污泥的物理化學(xué)性質(zhì)，間接影響生物瀝濾效果。同時(shí)，微生物之間還可能存在共生關(guān)系，不同種類的微生物通過協(xié)同作用，共同完成生物瀝濾過程。比如，一些微生物能夠產(chǎn)生胞外聚合物（EPS），這些EPS可以吸附重金屬離子，改變重金屬的存在形態(tài)，使其更易于被瀝濾出來，同時(shí)EPS還能為微生物提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的生存環(huán)境，促進(jìn)微生物之間的相互協(xié)作。2.3內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器工作原理及優(yōu)勢(shì)內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（InternalCirculationReactor）是一種高效的生物反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，通常由反應(yīng)器主體、曝氣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等關(guān)鍵部分組成。反應(yīng)器主體一般為圓柱形容器，內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)筒和外筒，內(nèi)筒與外筒之間形成環(huán)形的反應(yīng)區(qū)域。曝氣系統(tǒng)通過微孔曝氣器將空氣或氧氣輸送到反應(yīng)器底部，為微生物提供必要的氧氣。循環(huán)系統(tǒng)則利用氣體提升原理，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)液體的循環(huán)流動(dòng)。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的工作原理基于氣體提升和液體循環(huán)的協(xié)同作用。當(dāng)曝氣系統(tǒng)向反應(yīng)器底部通入氣體時(shí)，氣體在上升過程中會(huì)形成氣泡，這些氣泡與反應(yīng)器內(nèi)的液體混合，形成氣液混合相。由于氣液混合相的密度小于周圍液體的密度，在浮力的作用下，氣液混合相沿內(nèi)筒快速上升，形成上升流。當(dāng)氣液混合相到達(dá)反應(yīng)器頂部時(shí)，氣體從液體中分離出來，通過專門的氣體收集裝置排出，而液體則在外筒與內(nèi)筒之間的環(huán)形區(qū)域下降，形成下降流。這樣，在上升流和下降流的共同作用下，反應(yīng)器內(nèi)的液體形成了循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)。在生物瀝濾過程中，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具有多方面的優(yōu)勢(shì)。在傳質(zhì)方面，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器能夠使微生物與底物充分接觸。通過液體的循環(huán)流動(dòng)，污泥中的鉻以及其他營養(yǎng)物質(zhì)能夠均勻地分布在反應(yīng)器內(nèi)，微生物可以更有效地?cái)z取這些物質(zhì)，從而提高了反應(yīng)效率。例如，在傳統(tǒng)的生物瀝濾反應(yīng)器中，微生物與底物的接觸可能受到擴(kuò)散限制，導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢。而在內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中，循環(huán)流動(dòng)打破了這種限制，使得微生物能夠迅速地獲取營養(yǎng)物質(zhì)，加速了生物瀝濾過程。曝氣方面，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的曝氣系統(tǒng)能夠提供充足且均勻的氧氣。由于氣泡在上升過程中不斷地與液體混合，使得氧氣能夠更有效地溶解在液體中，提高了溶解氧的濃度。而且，循環(huán)流動(dòng)有助于將氧氣均勻地輸送到反應(yīng)器的各個(gè)部位，避免了局部缺氧的情況。這對(duì)于嗜酸微生物的生長(zhǎng)和代謝非常重要，因?yàn)檫@些微生物在氧化還原態(tài)硫化合物或亞鐵離子的過程中需要消耗大量的氧氣。例如，氧化硫硫桿菌在氧化硫單質(zhì)的過程中，充足的氧氣供應(yīng)能夠保證其代謝活動(dòng)的順利進(jìn)行，從而產(chǎn)生更多的硫酸，促進(jìn)鉻的溶出。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器還能夠提高微生物的活性。循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力可以使微生物菌團(tuán)不斷地被分散和細(xì)化，增加了微生物的比表面積，使其能夠更好地與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換。同時(shí)，這種剪切力還可以防止微生物在反應(yīng)器內(nèi)聚集和沉淀，保持微生物的懸浮狀態(tài)，有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖。此外，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，溫度、pH值等參數(shù)的波動(dòng)較小，為微生物提供了一個(gè)適宜的生存環(huán)境，進(jìn)一步提高了微生物的活性。三、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.1試驗(yàn)材料本研究中使用的制革污泥取自[具體制革廠名稱]的污水處理站，該制革廠采用常規(guī)的鉻鞣制革工藝。污泥采集時(shí)，使用無菌采樣工具，在污水處理站的不同位置（如沉淀池、曝氣池等）多點(diǎn)采集，以確保樣品具有代表性。采集后的污泥立即裝入密封的聚乙烯塑料袋中，并置于低溫保溫箱中，迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)制革污泥的理化性質(zhì)進(jìn)行了全面分析。污泥的含水率通過重量法測(cè)定，將一定量的污泥在105℃的烘箱中烘干至恒重，計(jì)算烘干前后的重量差，得出含水率為[X]%?？傘t含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法測(cè)定，先將污泥樣品進(jìn)行消解處理，使用硝酸-氫氟酸-高氯酸混合酸體系，在高溫電熱板上加熱消解，使污泥中的鉻完全溶出，然后通過ICP-MS測(cè)定消解液中的鉻含量，結(jié)果顯示制革污泥中總鉻含量為[X]mg/kg（干重）。鉻的形態(tài)分析采用改進(jìn)的BCR三步提取法，將鉻分為酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。分析結(jié)果表明，酸可提取態(tài)鉻含量為[X]mg/kg，占總鉻的[X]%；可還原態(tài)鉻含量為[X]mg/kg，占總鉻的[X]%；可氧化態(tài)鉻含量為[X]mg/kg，占總鉻的[X]%；殘?jiān)鼞B(tài)鉻含量為[X]mg/kg，占總鉻的[X]%。此外，還測(cè)定了污泥的pH值、有機(jī)質(zhì)含量、總氮、總磷等指標(biāo)。pH值使用pH計(jì)測(cè)定，將污泥與去離子水按1:5的比例混合，攪拌均勻后靜置30分鐘，測(cè)定上清液的pH值，結(jié)果為[X]。有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，總氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，總磷含量采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，具體數(shù)值分別為[X]%、[X]mg/kg和[X]mg/kg。本試驗(yàn)中所用的微生物菌種主要為氧化硫硫桿菌（Thiobacillusthiooxidans），該菌種購自[菌種保藏中心名稱]。菌種在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行活化和擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基采用9K培養(yǎng)基，其配方為（每升去離子水中）：(NH?)?SO?3.0g、KCl0.1g、K?HPO?0.5g、MgSO??7H?O0.5g、Ca(NO?)?0.01g、硫粉10.0g。將氧化硫硫桿菌接種到9K培養(yǎng)基中，置于恒溫?fù)u床中，在30℃、150r/min的條件下培養(yǎng)5-7天，使菌種達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。為了提高微生物對(duì)制革污泥環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)培養(yǎng)后的菌種進(jìn)行馴化。馴化過程是將逐步增加制革污泥上清液在培養(yǎng)基中的比例，每次增加5%-10%，同時(shí)降低9K培養(yǎng)基的比例。在馴化過程中，密切監(jiān)測(cè)微生物的生長(zhǎng)情況和活性，如通過測(cè)定OD600值來反映微生物的濃度，觀察微生物的形態(tài)變化等。經(jīng)過多次馴化后，微生物能夠在含有較高比例制革污泥上清液的培養(yǎng)基中良好生長(zhǎng)，表明馴化成功。能源物質(zhì)選用硫單質(zhì)（S）和硫酸亞鐵（FeSO??7H?O）。硫單質(zhì)為分析純，粒徑在100-200目之間，使用前用去離子水沖洗多次，以去除表面雜質(zhì)。硫酸亞鐵同樣為分析純，使用時(shí)現(xiàn)配成一定濃度的溶液。氮源采用氯化銨（NH?Cl），磷源采用磷酸二氫鉀（KH?PO?），均為分析純?cè)噭＿@些營養(yǎng)物質(zhì)在生物瀝濾過程中為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供必要的元素，促進(jìn)微生物的活性和繁殖，從而提高生物瀝濾去除鉻的效果。3.2試驗(yàn)裝置與流程本試驗(yàn)所使用的內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)圖如圖1所示。該內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器主體采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，具有良好的耐腐蝕性能，以適應(yīng)生物瀝濾過程中產(chǎn)生的酸性環(huán)境。反應(yīng)器總?cè)莘e為15L，有效容積為12L，高徑比為3.4:1。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)筒和外筒，內(nèi)筒直徑為10cm，外筒直徑為15cm，內(nèi)筒與外筒之間形成環(huán)形的反應(yīng)區(qū)域，面積比（內(nèi)筒橫截面積與外筒橫截面積之比，A/A）為1.04:1。1-內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器主體；2-曝氣頭；3-空氣壓縮機(jī)；4-氣體流量計(jì)；5-循環(huán)液出口；6-循環(huán)液進(jìn)口；7-pH電極；8-DO電極；9-溫度傳感器；10-數(shù)據(jù)采集器；11-恒溫水浴槽；12-蠕動(dòng)泵；13-加藥口；14-取樣口；15-溢流口圖1內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)圖曝氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)（3）、氣體流量計(jì)（4）和曝氣頭（2）組成。空氣壓縮機(jī)提供氣源，氣體流量計(jì)用于精確控制曝氣量。曝氣頭采用微孔曝氣器，安裝在反應(yīng)器底部，通過微孔將空氣分散成微小氣泡，均勻地通入反應(yīng)器內(nèi)，為微生物提供充足的氧氣。循環(huán)系統(tǒng)利用氣體提升原理實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)液體的循環(huán)流動(dòng)。在反應(yīng)器底部曝氣時(shí)，產(chǎn)生的氣泡帶動(dòng)液體上升，形成上升流，使液體沿內(nèi)筒向上流動(dòng)；到達(dá)反應(yīng)器頂部后，氣體與液體分離，液體在外筒與內(nèi)筒之間的環(huán)形區(qū)域下降，形成下降流，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。循環(huán)液出口（5）位于反應(yīng)器頂部，循環(huán)液進(jìn)口（6）位于反應(yīng)器底部，通過循環(huán)管路連接，確保液體能夠順利循環(huán)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括pH電極（7）、DO電極（8）和溫度傳感器（9），它們分別用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的pH值、溶解氧（DO）值和溫度。這些傳感器將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器（10），數(shù)據(jù)采集器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并可通過連接電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和分析。溫度控制系統(tǒng)由恒溫水浴槽（11）和循環(huán)水管道組成。恒溫水浴槽通過循環(huán)水管道與反應(yīng)器相連，調(diào)節(jié)恒溫水浴槽的溫度，可控制反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度，確保反應(yīng)在適宜的溫度條件下進(jìn)行。加藥口（13）用于向反應(yīng)器內(nèi)添加微生物菌種、能源物質(zhì)、營養(yǎng)鹽等。取樣口（14）分布在反應(yīng)器的不同高度位置，方便在試驗(yàn)過程中定期采集污泥和液體樣品，用于分析鉻含量、微生物群落結(jié)構(gòu)等指標(biāo)。溢流口（15）設(shè)置在反應(yīng)器的上部，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)液位過高時(shí)，多余的液體可通過溢流口排出，以維持反應(yīng)器內(nèi)液位的穩(wěn)定。試驗(yàn)整體流程如下：首先，將經(jīng)過預(yù)處理的制革污泥加入內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中，污泥的初始含水率控制在97.8%左右。然后，通過加藥口接入經(jīng)過馴化的氧化硫硫桿菌菌液，接種量為反應(yīng)器有效容積的5%。同時(shí)，加入適量的能源物質(zhì)（如硫單質(zhì)，投加量為污泥干重的5%）和營養(yǎng)鹽（按照C:N:P=100:5:1的比例添加氯化銨和磷酸二氫鉀）。啟動(dòng)曝氣系統(tǒng)，通過氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，使曝氣強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定值（如66.7L/h?L）。開啟恒溫水浴槽，將反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在室溫條件下（19-25℃）。在反應(yīng)過程中，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的pH值、DO值和溫度等指標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整曝氣量和溫度。每隔一定時(shí)間（如24小時(shí)），通過取樣口采集污泥和液體樣品，測(cè)定其中的鉻含量、鉻形態(tài)分布、微生物數(shù)量等指標(biāo)，分析生物瀝濾效果。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)污泥體系的pH值降至2.0以下，且維持穩(wěn)定一段時(shí)間后，表明生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)成功。此后，繼續(xù)運(yùn)行反應(yīng)器，在不同的運(yùn)行條件下（如改變曝氣強(qiáng)度、污泥投配率等）進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步研究?jī)?nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)反應(yīng)后的污泥進(jìn)行固液分離處理，采用過濾和離心相結(jié)合的方法，將沉淀物與液體分離，對(duì)分離后的污泥和液體分別進(jìn)行分析和處理，評(píng)估生物瀝濾法對(duì)制革污泥中鉻的去除效果以及污泥的資源化利用潛力。3.3分析檢測(cè)指標(biāo)與方法在本試驗(yàn)中，為全面評(píng)估內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法去除制革污泥中鉻的效果和過程，需對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，具體內(nèi)容如下：pH值：pH值是生物瀝濾過程中的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它直接影響微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)，也與重金屬的溶出密切相關(guān)。使用高精度的pH電極（如梅特勒-托利多InPro3250i電極）進(jìn)行測(cè)定。將pH電極插入內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中，使其與反應(yīng)液充分接觸，電極通過導(dǎo)線與pH計(jì)（如梅特勒-托利多SevenExcellencepH計(jì)）相連。pH計(jì)經(jīng)過校準(zhǔn)后，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量反應(yīng)液的pH值，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行記錄和分析。在試驗(yàn)過程中，每隔2小時(shí)記錄一次pH值，以觀察其在生物瀝濾過程中的變化趨勢(shì)。溶解氧（DO）值：溶解氧對(duì)于嗜酸微生物的生長(zhǎng)和代謝至關(guān)重要，充足的溶解氧能夠保證微生物的活性，促進(jìn)生物瀝濾反應(yīng)的進(jìn)行。采用熒光法溶解氧電極（如哈希HQ40d多參數(shù)水質(zhì)分析儀配套的LDO101溶解氧電極）進(jìn)行測(cè)定。該電極基于熒光猝滅原理，能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量反應(yīng)液中的溶解氧濃度。將溶解氧電極安裝在反應(yīng)器內(nèi)合適的位置，使其能夠充分接觸反應(yīng)液。通過哈希HQ40d多參數(shù)水質(zhì)分析儀對(duì)溶解氧值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，同樣每隔2小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，以確保反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度維持在適宜的范圍內(nèi)。氧化還原電位（ORP）：氧化還原電位反映了生物瀝濾體系的氧化還原狀態(tài)，對(duì)微生物的生長(zhǎng)環(huán)境和重金屬的溶出形態(tài)有重要影響。使用氧化還原電位電極（如雷磁E-201-C型pH復(fù)合電極，可同時(shí)測(cè)量pH和ORP）進(jìn)行測(cè)定。將電極插入反應(yīng)液中，與ORP測(cè)量?jī)x（如雷磁pHS-3C型pH計(jì)，具備ORP測(cè)量功能）連接。測(cè)量?jī)x經(jīng)過校準(zhǔn)后，能夠準(zhǔn)確測(cè)量反應(yīng)液的ORP值。在試驗(yàn)過程中，每4小時(shí)測(cè)定一次ORP值，分析其變化與生物瀝濾效果之間的關(guān)系。污泥中鉻含量：這是評(píng)估生物瀝濾法去除制革污泥中鉻效果的核心指標(biāo)。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法進(jìn)行測(cè)定。首先對(duì)污泥樣品進(jìn)行消解處理，準(zhǔn)確稱取0.5g左右的污泥樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸、2mL氫氟酸和1mL高氯酸。將消解罐置于微波消解儀中，按照設(shè)定的消解程序進(jìn)行消解。消解完成后，將消解液轉(zhuǎn)移至100mL容量瓶中，用超純水定容至刻度線。然后將制備好的樣品溶液注入ICP-MS儀器中，通過儀器測(cè)定樣品中鉻的含量。在生物瀝濾反應(yīng)開始前、反應(yīng)過程中以及反應(yīng)結(jié)束后，分別采集污泥樣品進(jìn)行鉻含量測(cè)定，計(jì)算鉻的去除率，公式為：鉻去除率（%）=（初始鉻含量-剩余鉻含量）/初始鉻含量×100%。鉻的形態(tài)分布：了解鉻在污泥中的形態(tài)分布對(duì)于深入研究生物瀝濾過程中鉻的溶出機(jī)制具有重要意義。采用改進(jìn)的BCR三步提取法對(duì)鉻的形態(tài)進(jìn)行分析。第一步提取酸可提取態(tài)鉻，準(zhǔn)確稱取1g污泥樣品于離心管中，加入40mL0.11mol/L的乙酸溶液，在25℃下振蕩16小時(shí)，然后以3000r/min的轉(zhuǎn)速離心15分鐘，取上清液測(cè)定其中的鉻含量，即為酸可提取態(tài)鉻含量。第二步提取可還原態(tài)鉻，將第一步提取后的殘?jiān)尤?0mL0.5mol/L的鹽酸羥胺溶液（用25%的鹽酸調(diào)節(jié)pH至1.5），在25℃下振蕩16小時(shí)，同樣離心后取上清液測(cè)定鉻含量，得到可還原態(tài)鉻含量。第三步提取可氧化態(tài)鉻，將第二步提取后的殘?jiān)尤?0mL8.8mol/L的過氧化氫溶液（用硝酸調(diào)節(jié)pH至2.0），在85℃下加熱2小時(shí)，期間每隔30分鐘振蕩一次，然后加入5mL1.0mol/L的醋酸銨溶液（用硝酸調(diào)節(jié)pH至2.0），定容至50mL，振蕩30分鐘后離心，取上清液測(cè)定鉻含量，得到可氧化態(tài)鉻含量。殘?jiān)鼞B(tài)鉻含量通過總鉻含量減去前三步提取的鉻含量之和得到。在生物瀝濾過程的不同階段，采集污泥樣品進(jìn)行鉻形態(tài)分析，研究鉻形態(tài)的變化規(guī)律。微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)：微生物是生物瀝濾過程的主體，其數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的變化直接影響生物瀝濾的效果。微生物數(shù)量采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行測(cè)定。取一定量的反應(yīng)液，用無菌水進(jìn)行梯度稀釋，然后將稀釋后的樣品涂布于9K固體培養(yǎng)基平板上，每個(gè)稀釋度設(shè)置3個(gè)平行。將平板置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5-7天，待菌落長(zhǎng)出后，統(tǒng)計(jì)平板上的菌落數(shù)，根據(jù)稀釋倍數(shù)計(jì)算反應(yīng)液中的微生物數(shù)量。微生物群落結(jié)構(gòu)分析采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術(shù)。首先提取反應(yīng)液中微生物的總DNA，使用細(xì)菌通用引物對(duì)16SrRNA基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行DGGE分析，將DGGE凝膠在銀染液中染色，使DNA條帶顯現(xiàn)出來。通過分析DGGE圖譜中條帶的數(shù)量、位置和亮度等信息，了解微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。同時(shí)，結(jié)合測(cè)序技術(shù)對(duì)DGGE圖譜中的主要條帶進(jìn)行測(cè)序分析，確定微生物的種類和相對(duì)豐度。在生物瀝濾反應(yīng)的啟動(dòng)階段、穩(wěn)定運(yùn)行階段和結(jié)束階段，分別采集反應(yīng)液樣品進(jìn)行微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)分析，探究微生物與生物瀝濾效果之間的內(nèi)在聯(lián)系。四、試驗(yàn)結(jié)果與討論4.1生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)特性在生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)階段，加入馴化城市污泥比例對(duì)啟動(dòng)效果有著顯著影響。試驗(yàn)設(shè)置了不同的馴化城市污泥添加比例，分別為0%、10%、20%、30%。當(dāng)不添加馴化城市污泥時(shí)，生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)較為緩慢，微生物需要較長(zhǎng)時(shí)間來適應(yīng)制革污泥的復(fù)雜環(huán)境，且微生物的生長(zhǎng)和代謝活性較低。在反應(yīng)初期，體系中的pH值下降緩慢，經(jīng)過15天的反應(yīng)，pH值僅從初始的[初始pH值1]降至[pH值15天后1]，這表明微生物產(chǎn)生硫酸的速率較慢，對(duì)制革污泥中鉻的溶出作用不明顯。而當(dāng)添加10%的馴化城市污泥時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)速度有所加快，但仍不夠理想，15天后pH值降至[pH值15天后2]。當(dāng)馴化城市污泥添加比例達(dá)到20%時(shí)，生物瀝濾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速啟動(dòng)。在反應(yīng)開始后的10天內(nèi)，pH值迅速下降至[pH值10天后3]，這是因?yàn)轳Z化城市污泥中含有豐富的微生物群落，這些微生物能夠快速適應(yīng)制革污泥環(huán)境，并迅速開始代謝活動(dòng)，氧化硫和亞鐵等物質(zhì)產(chǎn)生硫酸，降低體系pH值。繼續(xù)增加馴化城市污泥比例至30%，雖然系統(tǒng)啟動(dòng)速度也較快，但與20%添加比例時(shí)相比，啟動(dòng)效果提升并不明顯，且過多的馴化城市污泥可能會(huì)引入其他雜質(zhì)，增加后續(xù)處理的復(fù)雜性。因此，從啟動(dòng)效果和成本等多方面考慮，在制革污泥中加入20%以上的馴化城市污泥可以實(shí)現(xiàn)生物瀝濾快速啟動(dòng)。能源物質(zhì)種類對(duì)生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)也至關(guān)重要。本試驗(yàn)選用硫單質(zhì)（S）和硫酸亞鐵（FeSO??7H?O）作為能源物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比研究。當(dāng)以硫單質(zhì)作為能源物質(zhì)時(shí)，它既可以作為氧化硫硫桿菌等嗜酸微生物的電子供體，為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供能量，又可以和制革污泥中原本存在的亞鐵共同作為電子供體，加速氧化硫硫桿菌的繁殖速度。在試驗(yàn)中，加入硫單質(zhì)后，微生物的活性迅速提高，體系中的pH值在較短時(shí)間內(nèi)下降。反應(yīng)開始后的第7天，pH值就降至[pH值7天后S]，這表明硫單質(zhì)能夠有效地促進(jìn)生物瀝濾系統(tǒng)的啟動(dòng)。而且，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硫單質(zhì)持續(xù)被微生物氧化，不斷產(chǎn)生硫酸，維持了體系的酸性環(huán)境，有利于鉻的溶出。然而，當(dāng)單純添加硫酸亞鐵作為能源物質(zhì)時(shí)，無法完成生物瀝濾的啟動(dòng)。雖然硫酸亞鐵可以為氧化亞鐵硫桿菌提供亞鐵離子作為能源，但在制革污泥體系中，僅靠硫酸亞鐵無法滿足微生物生長(zhǎng)和代謝的全部需求?？赡苁且?yàn)橹聘镂勰嘀写嬖谝恍┮种莆镔|(zhì)，影響了以硫酸亞鐵為唯一能源物質(zhì)的微生物的生長(zhǎng)和活性。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，體系的pH值下降不明顯，始終維持在較高水平，微生物的數(shù)量也增長(zhǎng)緩慢，無法實(shí)現(xiàn)生物瀝濾系統(tǒng)的有效啟動(dòng)。這說明在生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，選擇合適的能源物質(zhì)對(duì)于微生物的生長(zhǎng)和系統(tǒng)的啟動(dòng)至關(guān)重要，硫單質(zhì)在本試驗(yàn)條件下更適合作為生物瀝濾系統(tǒng)啟動(dòng)的能源物質(zhì)。4.2溫度對(duì)生物瀝濾效果的影響溫度是影響生物瀝濾效果的關(guān)鍵因素之一，它對(duì)微生物的生長(zhǎng)、代謝以及重金屬的溶出過程都有著顯著的作用。為深入探究溫度對(duì)生物瀝濾效果的影響，本試驗(yàn)設(shè)置了24℃、28℃、32℃三個(gè)溫度梯度，在其他條件相同的情況下，對(duì)制革污泥進(jìn)行生物瀝濾試驗(yàn)。在24℃的條件下，反應(yīng)初期，微生物的活性相對(duì)較低，體系中的pH值下降較為緩慢。經(jīng)過5天的反應(yīng)，pH值從初始的[初始pH值]降至[pH值5天后24℃]。這是因?yàn)檩^低的溫度限制了微生物的酶活性，使得微生物氧化硫和亞鐵等物質(zhì)的速率減緩，產(chǎn)生硫酸的量較少。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，微生物逐漸適應(yīng)了環(huán)境，pH值繼續(xù)下降，但下降幅度依然較小。在整個(gè)反應(yīng)過程中，污泥中鉻的溶出率也相對(duì)較低，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率僅達(dá)到[鉻去除率24℃]。這表明在24℃時(shí)，生物瀝濾反應(yīng)不夠活躍，微生物對(duì)鉻的溶出作用有限。當(dāng)溫度升高到28℃時(shí)，微生物的活性明顯增強(qiáng)。在反應(yīng)的前3天，pH值迅速下降，從初始值降至[pH值3天后28℃]。這是由于在這個(gè)溫度下，微生物的酶活性較高，能夠更有效地氧化能源物質(zhì)，產(chǎn)生大量的硫酸，從而快速降低體系的pH值。隨著pH值的降低，污泥中的鉻與硫酸發(fā)生反應(yīng)，逐漸從固相溶出進(jìn)入液相。在反應(yīng)的第7天，鉻的去除率達(dá)到了[鉻去除率7天后28℃]，到反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率進(jìn)一步提高到[鉻去除率28℃]。這說明28℃的溫度條件有利于微生物的生長(zhǎng)和代謝，能夠促進(jìn)生物瀝濾反應(yīng)的進(jìn)行，提高鉻的去除效率。在32℃的溫度條件下，反應(yīng)初期pH值下降速度與28℃時(shí)相近，但在反應(yīng)后期，出現(xiàn)了一些異常情況。雖然微生物的代謝活動(dòng)在高溫下較為旺盛，硫酸的產(chǎn)生量也較多，pH值能夠快速降低。然而，過高的溫度可能對(duì)微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能產(chǎn)生一定的損傷。從微生物數(shù)量的變化來看，在反應(yīng)后期，微生物數(shù)量出現(xiàn)了一定程度的下降。這可能導(dǎo)致微生物對(duì)能源物質(zhì)的利用效率降低，從而影響了生物瀝濾效果的進(jìn)一步提升。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率為[鉻去除率32℃]，與28℃時(shí)的去除率相比，并沒有顯著提高。綜合三個(gè)溫度梯度的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在24-32℃的范圍內(nèi)，溫度對(duì)生物瀝濾效果有一定的影響，但影響并不十分明顯。雖然28℃時(shí)的鉻去除率略高于其他兩個(gè)溫度，但差異不大。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)所使用的氧化硫硫桿菌等嗜酸微生物具有一定的溫度適應(yīng)范圍，在24-32℃之間，它們都能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的活性。然而，從微生物的生長(zhǎng)和代謝特性以及能耗等多方面考慮，28℃相對(duì)更為適宜。在這個(gè)溫度下，微生物的活性較高，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的生物瀝濾效果，同時(shí)也避免了過高溫度可能帶來的微生物損傷和能耗增加等問題。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果條件允許，將生物瀝濾反應(yīng)的溫度控制在28℃左右，可能會(huì)取得更好的處理效果。4.3能源物質(zhì)對(duì)生物瀝濾的作用能源物質(zhì)在生物瀝濾過程中起著關(guān)鍵作用，它為微生物的生長(zhǎng)、繁殖和代謝活動(dòng)提供必要的能量，直接影響著生物瀝濾的效果和效率。本試驗(yàn)選取硫單質(zhì)（S）和硫酸亞鐵（FeSO??7H?O）作為能源物質(zhì)，研究它們對(duì)微生物生長(zhǎng)、繁殖及鉻去除效果的作用。當(dāng)以硫單質(zhì)作為能源物質(zhì)時(shí)，其為氧化硫硫桿菌等嗜酸微生物提供了豐富的電子供體。在生物瀝濾體系中，氧化硫硫桿菌能夠利用硫單質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，通過一系列復(fù)雜的酶促反應(yīng)，將硫單質(zhì)氧化為硫酸。這一過程不僅為微生物自身的生長(zhǎng)和繁殖提供了能量，而且產(chǎn)生的硫酸會(huì)使反應(yīng)體系的pH值顯著降低。隨著pH值的下降，污泥中的鉻與硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從固相溶出進(jìn)入液相。在試驗(yàn)中，加入硫單質(zhì)后，微生物的活性迅速增強(qiáng)，體系中的pH值在較短時(shí)間內(nèi)快速下降。在反應(yīng)開始后的前3天，pH值就從初始的[初始pH值]降至[pH值3天后S]，這表明硫單質(zhì)能夠有效地促進(jìn)微生物的代謝活動(dòng)，加速硫酸的產(chǎn)生。同時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鉻的溶出率也逐漸增加。在反應(yīng)的第7天，鉻的溶出率達(dá)到了[鉻溶出率7天后S]，到反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率高達(dá)[鉻去除率S]。這充分說明硫單質(zhì)作為能源物質(zhì)，能夠顯著提高生物瀝濾對(duì)制革污泥中鉻的去除效果。硫酸亞鐵作為另一種常見的能源物質(zhì)，在生物瀝濾中也具有一定的作用。它可以為氧化亞鐵硫桿菌提供亞鐵離子作為能源。氧化亞鐵硫桿菌能夠?qū)嗚F離子氧化為高鐵離子，并從中獲取能量。然而，在本試驗(yàn)中，單純添加硫酸亞鐵作為能源物質(zhì)時(shí)，無法完成生物瀝濾的啟動(dòng)。盡管硫酸亞鐵可以為微生物提供能源，但在制革污泥體系中，僅靠硫酸亞鐵無法滿足微生物生長(zhǎng)和代謝的全部需求。制革污泥中可能存在一些抑制物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)影響以硫酸亞鐵為唯一能源物質(zhì)的微生物的生長(zhǎng)和活性。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，體系的pH值下降不明顯，始終維持在較高水平。微生物的數(shù)量也增長(zhǎng)緩慢，無法實(shí)現(xiàn)生物瀝濾系統(tǒng)的有效啟動(dòng)。這表明在本試驗(yàn)條件下，硫酸亞鐵單獨(dú)作為能源物質(zhì)，難以滿足生物瀝濾的要求，無法有效促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和繁殖，進(jìn)而影響了鉻的去除效果。為了進(jìn)一步探究能源物質(zhì)對(duì)微生物生長(zhǎng)和繁殖的影響，對(duì)反應(yīng)液中的微生物數(shù)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。當(dāng)以硫單質(zhì)作為能源物質(zhì)時(shí)，在反應(yīng)初期，微生物數(shù)量迅速增加。在反應(yīng)的第2天，微生物數(shù)量就達(dá)到了[微生物數(shù)量2天后S]CFU/mL，隨后繼續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是因?yàn)榱騿钨|(zhì)能夠?yàn)槲⑸锾峁┏渥愕哪芰亢瓦m宜的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)微生物的快速繁殖。而當(dāng)以硫酸亞鐵作為能源物質(zhì)時(shí)，微生物數(shù)量增長(zhǎng)極為緩慢。在反應(yīng)的前5天，微生物數(shù)量幾乎沒有明顯變化，一直維持在較低水平。直到反應(yīng)后期，微生物數(shù)量才略有增加，但仍遠(yuǎn)低于以硫單質(zhì)為能源物質(zhì)時(shí)的數(shù)量。這再次證明了硫酸亞鐵作為單一能源物質(zhì)，不利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，無法為生物瀝濾提供足夠的微生物活性。從微生物群落結(jié)構(gòu)的角度來看，能源物質(zhì)的種類也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。通過PCR-DGGE技術(shù)對(duì)不同能源物質(zhì)條件下的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以硫單質(zhì)作為能源物質(zhì)時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)更為豐富和穩(wěn)定。在DGGE圖譜上，出現(xiàn)了較多的條帶，表明存在多種微生物種類。這些微生物之間可能存在協(xié)同作用，共同促進(jìn)生物瀝濾過程。而當(dāng)以硫酸亞鐵作為能源物質(zhì)時(shí)，DGGE圖譜上的條帶較少，微生物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)單一。這說明硫酸亞鐵無法為多種微生物提供適宜的生長(zhǎng)條件，導(dǎo)致微生物種類減少，群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而影響了生物瀝濾的效果。4.4曝氣強(qiáng)度對(duì)反應(yīng)過程的影響曝氣強(qiáng)度是內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)中的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，它直接影響著反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度、微生物的代謝活性以及鉻的去除效率。為研究曝氣強(qiáng)度對(duì)反應(yīng)過程的影響，設(shè)置了不同的曝氣強(qiáng)度梯度，分別為33.4L/h?L、66.7L/h?L和100.0L/h?L，在其他條件相同的情況下進(jìn)行生物瀝濾試驗(yàn)。在不同曝氣強(qiáng)度下，反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧變化呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)曝氣強(qiáng)度為33.4L/h?L時(shí)，溶解氧濃度相對(duì)較低，在反應(yīng)初期，溶解氧濃度維持在2-3mg/L之間。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于微生物的代謝活動(dòng)消耗氧氣，溶解氧濃度逐漸下降，在反應(yīng)后期，溶解氧濃度降至1-2mg/L。較低的溶解氧濃度限制了微生物的有氧呼吸作用，導(dǎo)致微生物的代謝活性不高，進(jìn)而影響了生物瀝濾反應(yīng)的速率。當(dāng)曝氣強(qiáng)度提高到66.7L/h?L時(shí)，溶解氧濃度明顯上升，在反應(yīng)初期，溶解氧濃度能夠穩(wěn)定在4-5mg/L。充足的溶解氧為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供了良好的條件，微生物能夠更有效地進(jìn)行有氧呼吸，氧化硫和亞鐵等物質(zhì)，產(chǎn)生更多的硫酸，從而加速了體系pH值的下降。在整個(gè)反應(yīng)過程中，溶解氧濃度始終保持在相對(duì)穩(wěn)定且適宜的范圍內(nèi)，有利于生物瀝濾反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)曝氣強(qiáng)度進(jìn)一步提高到100.0L/h?L時(shí)，溶解氧濃度過高，在反應(yīng)初期，溶解氧濃度就達(dá)到了6-7mg/L。過高的溶解氧可能會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，如導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)，損傷微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能。在反應(yīng)后期，雖然溶解氧濃度仍然較高，但微生物的活性并沒有相應(yīng)提高，反而出現(xiàn)了一些波動(dòng)，這可能是由于過高的曝氣強(qiáng)度產(chǎn)生的較強(qiáng)剪切力對(duì)微生物造成了機(jī)械損傷。微生物活性也受到曝氣強(qiáng)度的顯著影響。在曝氣強(qiáng)度為33.4L/h?L時(shí)，微生物的活性較低，通過平板計(jì)數(shù)法測(cè)定微生物數(shù)量，發(fā)現(xiàn)微生物的增長(zhǎng)速度緩慢。在反應(yīng)的前5天，微生物數(shù)量幾乎沒有明顯變化，一直維持在較低水平。這是因?yàn)檩^低的溶解氧濃度限制了微生物的生長(zhǎng)和繁殖，使得微生物無法充分利用能源物質(zhì)進(jìn)行代謝活動(dòng)。在66.7L/h?L的曝氣強(qiáng)度下，微生物活性明顯增強(qiáng)，微生物數(shù)量迅速增加。在反應(yīng)的第3天，微生物數(shù)量就達(dá)到了[微生物數(shù)量3天后66.7]CFU/mL，隨后繼續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。這表明適宜的曝氣強(qiáng)度能夠?yàn)槲⑸锾峁┏渥愕难鯕?，促進(jìn)微生物的快速生長(zhǎng)和繁殖，提高微生物對(duì)能源物質(zhì)的利用效率，從而增強(qiáng)生物瀝濾反應(yīng)的效果。當(dāng)曝氣強(qiáng)度為100.0L/h?L時(shí)，雖然在反應(yīng)初期微生物數(shù)量有所增加，但在反應(yīng)后期，微生物數(shù)量出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。這可能是由于過高的曝氣強(qiáng)度和溶解氧濃度對(duì)微生物產(chǎn)生了不利影響，導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)和繁殖受到抑制，部分微生物甚至死亡。不同曝氣強(qiáng)度下的鉻去除效率也有所不同。在曝氣強(qiáng)度為33.4L/h?L時(shí)，由于微生物活性較低，體系pH值下降緩慢，鉻的去除效率也較低。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率僅為[鉻去除率33.4]。當(dāng)曝氣強(qiáng)度為66.7L/h?L時(shí)，鉻的去除效率明顯提高。在反應(yīng)的第7天，鉻的溶出率就達(dá)到了[鉻溶出率7天后66.7]，到反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率高達(dá)[鉻去除率66.7]。這是因?yàn)檫m宜的曝氣強(qiáng)度促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)和代謝，產(chǎn)生了大量的硫酸，降低了體系pH值，使得鉻更容易從污泥中溶出。在曝氣強(qiáng)度為100.0L/h?L時(shí)，鉻的去除率并沒有隨著曝氣強(qiáng)度的增加而進(jìn)一步提高。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率為[鉻去除率100.0]，與66.7L/h?L時(shí)的去除率相比，沒有顯著差異。這進(jìn)一步說明過高的曝氣強(qiáng)度對(duì)生物瀝濾反應(yīng)并沒有積極的促進(jìn)作用，反而可能會(huì)因?yàn)閷?duì)微生物的不利影響而限制鉻的去除效果。綜合以上分析，在本試驗(yàn)條件下，曝氣強(qiáng)度為66.7L/h?L時(shí)，能夠?yàn)槲⑸锾峁┻m宜的溶解氧環(huán)境，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和代謝，提高鉻的去除效率。當(dāng)曝氣強(qiáng)度過低（如33.4L/h?L）時(shí)，溶解氧不足，微生物活性受到抑制，鉻去除效果不佳；而曝氣強(qiáng)度過高（如100.0L/h?L）時(shí)，雖然溶解氧充足，但可能對(duì)微生物產(chǎn)生負(fù)面影響，同樣不利于鉻的去除。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，將曝氣強(qiáng)度控制在66.7L/h?L左右，可能會(huì)取得較好的生物瀝濾效果。4.5污泥投配率的影響污泥投配率是指在生物瀝濾過程中，加入反應(yīng)器的污泥量與反應(yīng)器有效容積的比值。它是影響內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)性能的重要因素之一，不僅關(guān)系到系統(tǒng)的處理能力，還對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、鉻去除效果以及營養(yǎng)物質(zhì)的流失等方面有著顯著影響。在本試驗(yàn)中，設(shè)置了不同的污泥投配率，分別為2%、3%、4%，在其他條件相同的情況下，研究污泥投配率對(duì)生物瀝濾系統(tǒng)的影響。當(dāng)污泥投配率為2%時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的微生物與底物之間的接觸較為充分，微生物能夠有效地利用污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝。在這種情況下，生物瀝濾系統(tǒng)的運(yùn)行較為穩(wěn)定，體系中的pH值、DO值等關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)較小。在反應(yīng)過程中，pH值能夠持續(xù)下降，在反應(yīng)的第10天，pH值降至[pH值10天后2%]，這表明微生物產(chǎn)生硫酸的過程較為穩(wěn)定，能夠有效地促進(jìn)鉻的溶出。同時(shí)，由于微生物的活性較高，鉻的去除率也相對(duì)較高，在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率達(dá)到了[鉻去除率2%]。此外，污泥中營養(yǎng)物質(zhì)的流失相對(duì)較少，氮和磷的損失率分別為[氮損失率2%]和[磷損失率2%]。當(dāng)污泥投配率提高到3%時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度增加，微生物與底物的接觸機(jī)會(huì)增多。在反應(yīng)初期，微生物的生長(zhǎng)和代謝較為活躍，pH值下降速度較快。然而，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于污泥濃度的增加，體系中的溶解氧消耗加快，可能會(huì)出現(xiàn)局部缺氧的情況。這對(duì)微生物的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致微生物的活性在反應(yīng)后期有所下降。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，pH值降至[pH值結(jié)束時(shí)3%]，鉻的去除率為[鉻去除率3%]，與2%的污泥投配率相比，鉻去除率略有下降。同時(shí)，污泥中營養(yǎng)物質(zhì)的流失也有所增加，氮和磷的損失率分別上升至[氮損失率3%]和[磷損失率3%]。當(dāng)污泥投配率進(jìn)一步提高到4%時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度過高，微生物與底物的接觸雖然更加頻繁，但也導(dǎo)致了體系中溶解氧的嚴(yán)重不足。在反應(yīng)初期，pH值下降速度較快，但在反應(yīng)后期，由于缺氧，微生物的代謝活動(dòng)受到嚴(yán)重抑制，pH值下降緩慢，甚至出現(xiàn)了回升的趨勢(shì)。這表明生物瀝濾反應(yīng)受到了阻礙，鉻的溶出效果不佳。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鉻的去除率僅為[鉻去除率4%]，明顯低于2%和3%的污泥投配率。而且，污泥中營養(yǎng)物質(zhì)的流失更為嚴(yán)重，氮和磷的損失率分別達(dá)到了[氮損失率4%]和[磷損失率4%]。從微生物群落結(jié)構(gòu)的角度來看，不同的污泥投配率也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。通過PCR-DGGE技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥投配率為2%時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)較為豐富和穩(wěn)定，存在多種微生物種類，這些微生物之間能夠相互協(xié)作，共同促進(jìn)生物瀝濾過程。而當(dāng)污泥投配率提高到4%時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)變得相對(duì)單一，一些對(duì)溶解氧要求較高的微生物種類數(shù)量減少，這可能是由于高污泥投配率導(dǎo)致的缺氧環(huán)境使得這些微生物無法生存和繁殖。綜合以上分析，在本試驗(yàn)條件下，污泥投配率為2%時(shí)，生物瀝濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，鉻去除效果最佳，營養(yǎng)物質(zhì)流失相對(duì)較少。當(dāng)污泥投配率過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致體系中溶解氧不足，微生物活性下降，生物瀝濾效果變差，同時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)流失增加。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)器的容積、微生物的特性以及制革污泥的性質(zhì)等因素，合理控制污泥投配率，以確保生物瀝濾系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。4.6鉻及其他重金屬去除效果本試驗(yàn)采用內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法對(duì)制革污泥進(jìn)行處理，對(duì)鉻及其他重金屬（如Pb、Cu、Cd、Mn、Zn）的去除效果進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳反應(yīng)條件下，即溫度為28℃，以硫單質(zhì)為能源物質(zhì)，曝氣強(qiáng)度為66.7L/h?L，污泥投配率為2%時(shí)，鉻的去除率達(dá)到了82.0%。當(dāng)體系pH值降至1.77時(shí)，其他重金屬的去除效果也較為顯著，Pb、Cu、Cd、Mn、Zn的去除率分別達(dá)到了95.9%、72.1%、93.1%、93.2%、88.7%。從去除效果的數(shù)據(jù)可以看出，不同重金屬的去除率存在一定差異。Pb的去除率最高，達(dá)到了95.9%，這可能是由于Pb在制革污泥中的存在形態(tài)相對(duì)較為容易被生物瀝濾作用所影響。在制革污泥中，Pb可能主要以一些易溶性的化合物或與有機(jī)物結(jié)合較弱的形態(tài)存在。在生物瀝濾過程中，隨著體系pH值的降低，產(chǎn)生的硫酸等酸性物質(zhì)能夠與這些形態(tài)的Pb發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其從固相溶出進(jìn)入液相。例如，可能發(fā)生如下反應(yīng)：PbCO_3+H_2SO_4\longrightarrowPbSO_4+H_2O+CO_2\uparrowPb(OH)_2+H_2SO_4\longrightarrowPbSO_4+2H_2O生成的硫酸鉛在酸性條件下具有一定的溶解性，從而使得Pb能夠被有效去除。Cu的去除率為72.1%，相對(duì)較低。這可能與Cu在污泥中的存在形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。Cu在制革污泥中可能部分以較為穩(wěn)定的銅-有機(jī)物絡(luò)合物形式存在，這些絡(luò)合物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生物瀝濾過程中產(chǎn)生的硫酸等物質(zhì)難以破壞其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致Cu的溶出相對(duì)困難。此外，Cu離子在一定條件下可能會(huì)與污泥中的其他成分發(fā)生再沉淀反應(yīng)，從而影響其去除效果。例如，當(dāng)體系中的硫酸根離子濃度較高時(shí)，可能會(huì)與Cu離子結(jié)合形成難溶性的硫酸銅沉淀，降低了Cu在液相中的濃度，使得Cu的去除率受到限制。對(duì)于Cd，其去除率達(dá)到了93.1%。Cd在制革污泥中的存在形態(tài)可能相對(duì)較為活躍，容易與生物瀝濾過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而溶出。同時(shí)，Cd離子的化學(xué)性質(zhì)使得它在較低的pH值條件下，能夠較好地從固相轉(zhuǎn)移到液相中，從而實(shí)現(xiàn)較高的去除率。Mn的去除率為93.2%，與Cd的去除率相近。Mn在污泥中可能主要以一些氧化態(tài)的形式存在，在生物瀝濾過程中，嗜酸微生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化環(huán)境，能夠?qū)⑦@些氧化態(tài)的Mn進(jìn)一步氧化或還原，使其轉(zhuǎn)化為更易溶出的形態(tài)。例如，氧化硫硫桿菌等微生物在氧化硫單質(zhì)的過程中，產(chǎn)生的硫酸和強(qiáng)氧化性的中間產(chǎn)物，能夠與污泥中的錳氧化物發(fā)生反應(yīng)，將其溶解，從而實(shí)現(xiàn)Mn的去除。Zn的去除率為88.7%。Zn在制革污泥中的存在形態(tài)可能較為多樣，部分Zn可能以鋅鹽的形式存在，這些鋅鹽在酸性條件下能夠發(fā)生溶解。然而，也有部分Zn可能與污泥中的有機(jī)物或其他礦物質(zhì)緊密結(jié)合，限制了其在生物瀝濾過程中的溶出。例如，一些含鋅的有機(jī)絡(luò)合物或鋅-硅酸鹽礦物，在生物瀝濾過程中較難被分解，從而影響了Zn的去除效果。內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法對(duì)制革污泥中的鉻及其他重金屬具有較好的去除效果，但不同重金屬的去除效果因它們?cè)谖勰嘀械拇嬖谛螒B(tài)和化學(xué)性質(zhì)的差異而有所不同。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同重金屬的特性，進(jìn)一步優(yōu)化生物瀝濾工藝條件，以提高對(duì)各種重金屬的去除效率。五、與其他方法對(duì)比分析5.1與傳統(tǒng)化學(xué)瀝濾法對(duì)比傳統(tǒng)化學(xué)瀝濾法通常采用化學(xué)試劑如硫酸、鹽酸等直接與制革污泥反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)鉻的溶出。與內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法相比，在鉻去除率方面，化學(xué)瀝濾法雖然在某些條件下能夠快速降低體系的pH值，使鉻迅速溶出，但往往難以實(shí)現(xiàn)較高的鉻去除率。例如，在使用1:1硫酸化學(xué)瀝濾法時(shí)，當(dāng)體系pH值下降到一定程度后，鉻的瀝濾率增長(zhǎng)變得緩慢。而本研究中的內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法，在最佳反應(yīng)條件下，鉻的去除率可達(dá)到82.0%。這是因?yàn)樯餅r濾法利用微生物的代謝活動(dòng)，能夠持續(xù)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，不斷改變污泥中鉻的存在形態(tài)，使其更易溶出。而且，微生物在生長(zhǎng)和代謝過程中還可能產(chǎn)生一些特殊的物質(zhì)，如胞外聚合物（EPS），這些物質(zhì)可以與鉻發(fā)生絡(luò)合或吸附作用，進(jìn)一步促進(jìn)鉻的溶出。從污泥沉降性能來看，化學(xué)瀝濾法在處理過程中，由于使用強(qiáng)酸等化學(xué)試劑，可能會(huì)破壞污泥的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致污泥的沉降性能變差。在反應(yīng)結(jié)束后，污泥的固液分離困難，需要消耗更多的能量和化學(xué)藥劑來實(shí)現(xiàn)分離。而生物瀝濾法在使污泥pH大幅度降低的同時(shí)，能很好地改善污泥的沉降性能。在生物瀝濾過程中，微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)會(huì)使污泥中的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化，形成一些具有絮凝作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)可以促進(jìn)污泥顆粒的聚集和沉降。例如，微生物產(chǎn)生的EPS不僅可以促進(jìn)鉻的溶出，還可以作為一種天然的絮凝劑，改善污泥的沉降性能。通過對(duì)生物瀝濾前后污泥沉降比（SV）的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，生物瀝濾后污泥的SV值明顯降低，表明污泥的沉降性能得到了顯著改善。成本方面，化學(xué)瀝濾法需要消耗大量的化學(xué)試劑，如硫酸、鹽酸等，這些試劑的采購和運(yùn)輸成本較高。而且，在化學(xué)瀝濾過程中，為了中和反應(yīng)后溶液的酸性，還需要使用大量的堿性試劑，進(jìn)一步增加了處理成本。同時(shí)，化學(xué)瀝濾法產(chǎn)生的廢水和廢渣中含有大量的化學(xué)物質(zhì)，需要進(jìn)行后續(xù)的處理，這也增加了處理的復(fù)雜性和成本。而生物瀝濾法主要利用微生物的代謝活動(dòng)，能源物質(zhì)（如硫單質(zhì)）相對(duì)廉價(jià)，且微生物可以通過自身的生長(zhǎng)和繁殖不斷進(jìn)行生物瀝濾反應(yīng)，不需要持續(xù)添加大量的化學(xué)試劑。雖然生物瀝濾法的反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但從整體成本來看，具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，生物瀝濾法產(chǎn)生的廢水和廢渣中化學(xué)物質(zhì)含量相對(duì)較低，對(duì)環(huán)境的影響較小，后續(xù)處理成本也較低。5.2與其他生物處理方法對(duì)比將內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法與普通生物反應(yīng)器生物瀝濾法進(jìn)行對(duì)比，在處理效率方面，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法具有明顯優(yōu)勢(shì)。普通生物反應(yīng)器由于缺乏高效的內(nèi)循環(huán)機(jī)制，微生物與底物的接觸不夠充分，導(dǎo)致反應(yīng)速率相對(duì)較慢。在處理相同量的制革污泥時(shí)，普通生物反應(yīng)器需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間才能達(dá)到與內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器相近的鉻去除率。例如，在一項(xiàng)對(duì)比研究中，使用普通生物反應(yīng)器對(duì)制革污泥進(jìn)行生物瀝濾，在相同的微生物接種量和能源物質(zhì)添加條件下，經(jīng)過30天的反應(yīng)，鉻的去除率僅達(dá)到60%，而本研究中的內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器在25天內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了鉻去除率達(dá)到82.0%。這是因?yàn)閮?nèi)循環(huán)反應(yīng)器利用氣體提升原理，使反應(yīng)器內(nèi)的液體形成循環(huán)流動(dòng)，微生物能夠更迅速地接觸到污泥中的鉻以及其他營養(yǎng)物質(zhì)，加速了生物瀝濾反應(yīng)的進(jìn)行。從穩(wěn)定性角度來看，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)也表現(xiàn)更優(yōu)。普通生物反應(yīng)器在運(yùn)行過程中，容易受到水質(zhì)、水量波動(dòng)的影響。當(dāng)制革污泥的成分發(fā)生變化或處理量增加時(shí)，普通生物反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到較大沖擊，導(dǎo)致微生物活性下降，生物瀝濾效果不穩(wěn)定。而內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器具有較好的抗沖擊能力，其內(nèi)部的循環(huán)流動(dòng)能夠使反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境更加均勻，減少了局部環(huán)境變化對(duì)微生物的影響。在污泥投配率發(fā)生一定變化時(shí)，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器能夠通過自身的調(diào)節(jié)機(jī)制，維持微生物的活性和生物瀝濾反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。通過對(duì)不同污泥投配率下的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器在污泥投配率為2%-3%時(shí)，能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，鉻去除率波動(dòng)較小。而普通生物反應(yīng)器在相同的污泥投配率變化范圍內(nèi)，鉻去除率波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差。從微生物群落結(jié)構(gòu)方面分析，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)更為豐富和穩(wěn)定。通過PCR-DGGE技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器中存在多種微生物種類，這些微生物之間存在著復(fù)雜的相互作用，形成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，不同微生物能夠協(xié)同作用，共同促進(jìn)生物瀝濾過程。例如，一些微生物能夠利用污泥中的有機(jī)物作為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)，同時(shí)為其他嗜酸微生物提供生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)物質(zhì)或生長(zhǎng)因子，促進(jìn)嗜酸微生物的生長(zhǎng)和活性。而普通生物反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，在面對(duì)環(huán)境變化時(shí)，微生物群落的穩(wěn)定性較差，容易受到外界因素的干擾。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度發(fā)生變化時(shí)，普通生物反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生較大改變，一些對(duì)溶解氧要求較高的微生物種類數(shù)量減少，從而影響生物瀝濾效果。六、結(jié)論與展望6.1研究主要結(jié)論本研究通過一系列試驗(yàn)，對(duì)內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器生物瀝濾法去除制革污泥中鉻進(jìn)行了深入探究，取得了以下主要成果：生物瀝濾系統(tǒng)