胞外多聚物对污泥的调理马军军

2010年第29卷第7期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·1369·化工进展胞外多聚物对污泥的调理马军军，周迟骏（南京工业大学环境学院，江苏南京210009）摘要：采用NaOH法、加热法、蒸汽法、离子交换法4种方法分别提取啤酒厂的剩余活性污泥的胞外多聚物（EPS），并研究其絮凝性能及对污泥的调理作用。结果表明NaOH法提取剩余污泥的EPS絮凝率45.4%，EPS能改善污泥沉降性能，且NaOH法提取的EPS可以使污泥的比阻下降15.2%，加快污泥的过滤速度，从而利于污泥的脱水性能。关键词：生物絮凝剂；胞外多聚物；絮凝；脱水中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000–6613（2010）07–1369–04SludgeconditioningwithextracelluarpolymericsubstancesMAJunjun，ZHOUChijun（CollegeofEnvironment，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，Jiangsu，China）Abstract：Polymericsubstances（EPS）inbrewerysurplusactivatedsludgewereextractedandcomparedwithfourdifferentmethodsofNaOH，heating，streamingandiron-exchange.TheEPSobtainedwasusedforsludgeflocculationandconditioning.TheEPSextractedwithNaOHmethodshowed45.4%flocculationrate.TheEPSwasbeneficialforsludgesettlingandfiltering，becauseofthatthespecificresistanceofsludgecouldbedeclinedby15.2%withtheEPSextractedwithNaOHmethod.Keywords：extracelluarpolymericsubstance；flocculation；dewatering开发有效的污泥脱水技术对污水厂污泥的处置和污泥的资源化利用具有重要的意义。如果污泥未经调理，其脱水是很困难的。污泥调理方法有加热、冷冻和加药调理。加热和冷冻的调理因为费用和能耗都较高，国内外应用的较少。加药调理因为操作简单、效果好成为常用的污泥调理方法。目前，通常使用聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）等人工合成絮凝剂进行污泥调理，这些絮凝剂毒性大，且难生物降解，进入环境后产生二次污染[1]。微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝能力的高分子有机物，它具有高效且无二次污染的优点，在污泥无害化脱水中，具有广阔的前景[2－3]。Kurane等[4]利用红平红球菌生产的絮凝剂NOC-1已用于工业化生产，对粉煤水、活性炭废水、膨胀污泥均有较好的絮凝和脱色效果。但是微生物絮凝剂很难在实际生产中得到推广，主要因为培养成本太高，那么利用废弃物或高浓度有机无毒废水培养的生物絮凝剂产生菌，降低成本，达到废弃物的二次利用。胞外多聚物（EPS）是存在于细菌细胞外由微生物细胞代谢产生的具有絮凝性的物质，主要成分包括多糖、蛋白质、DNA、水分等[5]。本文作者利用剩余活性污泥提取EPS对啤酒厂的浓缩池污泥进行调理，一方面因为剩余活性污泥污染治理已经成为废水处理和环境届密切关注的难题，另一方面以EPS作为絮凝剂对污泥进行调理，是继高分子絮凝剂调理污泥之后的新的研究领域，主要研究了EPS对啤酒厂的浓缩池污泥沉降、过滤性能的影响。研究开发收稿日期：2009-11-06；修改稿日期：2010-02-26。第一作者简介：马军军（1985—），女，硕士研究生，主要从事水处理及水资源化工作。[e-mail]。联系人：周迟骏，教授，电话[phone]；[e-mail]。DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2010.07.035化工进展2010年第29卷·1370·1试验材料和方法1.1污泥来源剩余污泥取自南京金陵啤酒厂的二沉池，并在4℃下保存，调理污泥取自该厂的浓缩池。1.2EPS的提取目前EPS的提取方法主要包括超声波、离心法、蒸汽法、搅拌法、EDTA法、加热法、CER法和NaOH法。本文采用NaOH法、蒸汽法、加热法和离子交换法提取EPS。（1）NaOH法用1mol/L的NaOH溶液调节污泥样品pH值至11，慢搅10min，然后以9000r/m转速下离心15min，离心后悬浮液用0.45μm的过滤器过滤，滤液保存[6].（2）蒸汽法污泥样品放置高压灭菌锅中，在80℃、100kPa压力下蒸10min，然后以6000r/min力离心10min，温度降到室温后离心后悬浮液用0.45μm的过滤器过滤，滤液保存[6]。（3）加热法将泥样在70℃下加热1h，冷却至室温，然后在9000r/m下离心15min，离心后上清液用0.45μm的过滤器过滤，滤液保存[6]。（4）离子交换法CER调节至中性，蒸馏水浸湿1h，真空泵抽吸间隙水，添加80gCER/gVSS，然后在6000r/min速度离心30min，再用0.22μm的滤膜过滤，滤液保存[7]。以上滤液用透析袋（截留相对分子质量为8000～10000），在4℃下密闭后放入去离子水中透析2天。取出袋内物质，即为EPS。1.3絮凝活性的比较在50mL试管中加入0.25g高岭土，4种方法提取的胞外多聚物各1mL，1%CaCl22mL然后加水至50mL，摇匀后静置3min；以不加絮凝剂的高岭土悬浮液为对照；用紫外可见分光光度计在550nm处测得其上清液的光密度；通过絮凝率来表示絮凝性能，进行计算。100%ABA−=×絮凝率式中，A为不加EPS时上清液的光密度值；B为加EPS时上清液的光密度值。1.4浓缩池污泥的预处理为了能够较为准确地研究EPS对污泥的调理作用，首先要确定浓缩池污泥中是否含有EPS。用NaOH法提取浓缩池污泥的EPS，并按1.3节的实验方法测定浓缩池污泥的提取液中是否具有絮凝性。1.5EPS对污泥脱水试验1.5.1沉降性能试验取原泥，加PAM调理污泥和含有4种方法提取的EPS污泥各50mL放入100mL量筒中，用秒表开始计时并记下底部沉淀污泥体积（以下简称底泥），再每隔5min记录底泥体积直到沉降30min后停止。为简便，以下把含有NaOH法提取的EPS污泥简称为含EPS①污泥，蒸汽法的称为含EPS②污泥，加热法的称为含EPS③污泥，离子交换法的称为含EPS④污泥。1.5.2过滤性能试验各取100mL混合均匀的上述6种污泥，放入装有滤纸的布什漏斗中，开启真空泵，调节压力控制阀至额定真空度（0.04MPa）时，开始记录滤液体积，并记录滤液体积（V）随时间（t）的动态变化。在该过程中，应不断调节压力控制阀，使真空度保持恒定。15min后关闭真空泵，记录此时滤液体积。真空装置如图1所示。图1真空抽滤装置1—布氏漏斗；2—玻璃二通；3—计量筒；4—真空泵2结果与讨论2.1絮凝活性比较按1.3节的实验方法测定4种方法提取的EPS的絮凝率，结果如表1所示。表1絮凝活性的比较方法AB絮凝活性/%NaOH法1.4690.80245.40加热法1.4701.19318.84蒸汽法1.4661.18319.30离子交换法1.4651.11224.10第7期马军军等：胞外多聚物对污泥的调理·1371·由表1得出剩余活性污泥提取的EPS对高岭土悬浊液有絮凝效果。其中NaOH法提取的EPS絮凝活性昀高，达到45.4%；加热法昀低，只有18.84%。剩余活性污泥具有生物活性，絮凝率直接反应了EPS的絮凝能力。EPS的主要成分为多糖和蛋白质，具有与胶粒和悬浮物发生吸附的活性部位，通过静电引力、范德华力、氢键等作用，产生吸附桥联作用使得悬浮胶粒凝聚。NaOH法提取的EPS的絮凝率高而加热法较低，一方面可能是提取的EPS的浓度较高，另一方面由于加热法在一定程度上会改变分子形态使蛋白质、核酸及酶变性，从而破坏絮凝成分，导致絮凝能力下降。通过对浓缩池污泥的提取液的测定，絮凝率很小（0.82%），几乎没有絮凝活性，主要可能是浓缩池污泥的摆放时间较长微生物厌氧发酵会消耗大量EPS的主要组成，造成絮凝性物质的缺失。2.2EPS对污泥沉降性能的影响按1.5.1节的实验方法得出5mL为EPS的昀佳投加量（分别投入1mL、2mL、3mL、5mL、7mL）。并分别测定投入不同絮凝剂后泥样的沉降性能，结果如图2。图2絮凝剂种类对污泥沉降性能的影响由图2可知，原泥的沉降性能昀差，加PAM的污泥沉降比（30min后的底泥体积与原污泥体积之比）由0.94下降到0.79。其中NaOH法提取的EPS能使污泥的沉降比下降到0.86，EPS在污泥中克服了污泥颗粒间的相互引力，粒径较大的颗粒被吸附到絮凝剂分子的活性位点上形成网状絮体，污泥小颗粒在吸附架桥以及卷扫网捕的作用下发生絮凝作用，小颗粒相互凝集而形成较大的絮体，污泥中一部分间隙水与结合水被挤出，污泥粒团由重力作用快速沉降下来[8－10]。NaOH法提取的EPS絮凝效果相对较好，加热法的絮凝效果较差，与表1结果相符。但效果不如PAM。主要因为微生物絮凝剂的产生受很多因素影响，分子链和基团有一定的局限性，且相对分子质量不高。2.3污泥过滤性能影响因素2.3.1絮凝剂种类对污泥过滤性能的影响分别加入1%的CaCl2溶液到以上6种污泥中，按1.5.2节的实验步骤对各种污泥抽滤，比较各个污泥比阻及15min后滤液体积其它5种污泥与原泥比较比阻，得比阻下降率[下降率=（原泥比阻－调理污泥比阻）/原泥比阻]。结果如表2所示。表2絮凝剂种类对污泥比阻和滤液体积影响污泥种类滤液体积/mL污泥比阻/1011s2·kg－1污泥比阻下降率/%原泥862.50—加PAM污泥871.6733.2EPS①污泥（不含CaCl2）882.1912.4EPS①污泥892.1215.2EPS②污泥882.1812.8EPS③污泥87.52.2410.4EPS④污泥882.2012.0表2说明了EPS能降低污泥的比阻，对污泥的过滤性能有改善作用。EPS的大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多个胶体颗粒，在污泥颗粒间产生架桥现象，形成一种网状结构而沉淀下来。在投加了一定的金属离子（Ca2+）后，金属离子形成类似金属水合物-金属离子-有机配体体系，加强微生物絮凝剂的桥联作用和中和作用，从而提高EPS的絮凝活性。EPS①污泥得到的滤液体积比PAM的更多，说明EPS①可以加快污泥达到过滤平衡的速度，能够有助于去除较多污泥的毛细结合水。而投加PAM的污泥刚开始时过滤的速度比其他污泥快，但是PAM具有增黏性，抽滤后一定时间后与污泥黏合比较难以分离。2.3.2EPS投加量对污泥过滤性能的影响选用絮凝性昀好的NaOH法提取EPS作为絮凝剂，EPS的投加量对污泥的过滤性能影响如图3。由图3可知，当EPS投加量为5mL，污泥的比阻昀小，滤液体积昀大。在一定的范围内，絮凝剂投加越多，絮凝效果越好。但絮凝剂投的过多反而会造成絮凝效果降低，主要是因为EPS本身带负电荷，过多的负电荷会在污泥间造成斥力，反而会化工进展2010年第29卷·1372·图3投加量对污泥比阻和滤液体积影响不利于絮凝，同时污泥表面的活性吸附点被絮凝剂包裹后，架桥作用无从发挥，所以效果也会下降。2.3.3pH值对污泥过滤性能的影响调节污泥的初始pH值，按1.5.2节的试验步骤对污泥进行抽滤，结果如图4。图4pH值对污泥比阻和滤液体积影响pH值为6～8时污泥的比阻较小，滤液体积较小。说明在此pH值下有利于EPS的电性中和作用来吸附胶体颗粒，有利于桥联作用。另外试验得出，搅拌强度和温度对污泥的脱水性能也有一