表面活性剂调理下污泥中胞外聚合物分布与束缚水含量的关系

第45卷第8期中南大学学报(自然科学版) Vol.45 No.8 2014 年 8 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Aug. 2014 表面活性剂调理下污泥中胞外聚合物分布与束缚水含量的关系童震松，洪晨，邢奕，司艳晓，王志强，周亮 (北京科技大学土木与环境工程学院，北京，100083) 摘要：通过考察污泥调理过程中滤饼含水率、束缚水含量变化、EPS各层组分分布、傅里叶红外光谱等指标，研究表面活性剂作用下，胞外聚合物分布与束缚水含量的变化关系。研究结果表明：十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227) 的加入导致污泥中紧密结合的胞外聚合物(TB­EPS)含量降低，松散结合的胞外聚合物(LB­EPS)、黏液层胞外聚合物(S­EPS)含量升高，有效降低束缚水的含量，提高了污泥脱水效果。表面活性剂投加量为75 mg∙g −1 时，污泥中束缚水含量降至1.58 g∙g −1 ，污泥滤饼含水率降至65.78%。在表面活性剂作用下，部分EPS水解生成小分子有机物，S­EPS 中有机官能团的总量和种类都有明显增多。TB­EPS 占污泥中 EPS 总量的大部分，其中，蛋白质、多糖与束缚水存在显著的正相关性，是影响污泥束缚水含量的主要因素。关键词：污泥；表面活性剂；胞外聚合物；束缚水中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2014)08−2913−07 Relationship between extracellular polymeric substances and bound water in sludge with surfactant conditioning TONG Zhensong,HONG Chen, XING Yi, SI Yanxiao, WANG Zhiqiang, ZHOU Liang (School of Civil and Environmental Engineering, University of science and Technology Beijing,Beijing 100083, China) Abstract: By exploring the index such as the water content of sludge cake, bound water content, component distribution in each layer of extracellular polymeric substances (EPS), Fourier transform infrared spectrometer, the influence of surfactant conditioning treatment on EPS and bound water in sludge was investigated. The results indicate that the addition of dodecyl dimethyl benzyl ammonium chloride (1227) reduces the content of tight bound EPS (TB­EPS), but increases the contents of loosely bound EPS (LB­EPS) and slime EPS. As a result, the addition of dodecyl dimethyl benzyl ammonium chloride cut down the bound water content and improves the sludge dewaterability. When the surfactant dosage is 75 mg∙g −1 the bound water content and water content of sludge cake are reduced to 1.58 g∙g −1 and 65.78%. Under sludge condition, the amount and type of organic­functional groups are improved obviously and hydrolysis of partly EPS generates small organic molecules. The proteins and polysaccharides in TB­EPS have significant positive correlation with the bound water in sludge and affect the content of bound water to a greatdegree. Key words:sludge; surfactant; extracellular polymeric substance; bound water 从污水处理厂出来的剩余污泥的含水率非常高 (达98%以上)，要实现污泥减量化、无害化、资源化，污泥脱水处理是首要环节 [1−2] 。然而，城市生活污泥有机物含量高，其污泥絮体颗粒呈胶状结构且具有高度收稿日期：2013−08−10；修回日期：2013−10−20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104009)；北京市科技新星计划项目(Z111106054511043)；北京市优秀人才培养项目(2012D009006000003)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF­TP­12­011 B)；昆明市科技计划项目(2012­02­09­A­G­02­0001)；广东省教育部产学研结合项目 (2011B090400629) 通信作者：邢奕(1976−)，男，山西太原人，副教授，从事市政污泥处理与资源化研究；电话：010­62332206；E­mail：[e-mail]中南大学学报(自然科学版) 第 45 卷 2914 亲水性，易与水分子以不同的形式结合，这使得污泥中部分水分难以脱除 [3] 。在水分布的研究中，较为详细的水形态划分方法是将污泥中的水分划分为自由水、间隙水、吸附水和结合水4 种形态，但这种划分目前没有定量测定的方法，因此在大多数对水分的定量测定中，简单地将污泥中的水分划分为自由水和束缚水 [4] 。自由水不受污泥絮体束缚，可通过浓缩或机械脱水易于从污泥中分离出来；而束缚水与污泥絮体牢固的结合，束缚在污泥内及污泥絮体之间，难以通过机械力去除 [5] 。束缚水的存在与污泥中的胞外聚合物(EPS)有着密切的联系。 EPS是附着于污泥细菌细胞表面的不溶性有机物，除细胞和水分外的第三大类活性污泥组成物质 [6−7] ，占活性污泥总有机质的 50%~90% [8] 。EPS 通过连接微生物细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，具有很强的水分结合能力 [9] 。 EPS 主要成分是蛋白质和多糖，两者占 EPS 总量的 70%~80% [10−11] 。按污泥有机物与细胞相的结合程度， EPS可分为黏液层EPS(slime EPS，S­EPS)、松散结合的 EPS (loosely bound EPS，LB­EPS)和紧密结合的 EPS(tightly bound EPS，TB­EPS) [12−13] 3个层组。Jin 等 [5] 认为EPS 中的蛋白质和糖类等聚合组分在提高污泥絮体结合水分的能力方面有重大贡献。在污泥脱水的研究中，国内外许多学者的研究结果都表明：投加表面活性剂可以提高污泥脱水性能 [14−19] 。 Chen等 [14−15] 认为：与传统的FeCl3 和CaO调理相比，表面活性剂(十二烷基甜菜碱)处理可促进污泥中胞外聚合物(EPS)的释放，明显提高污泥的脱水性和过滤性。Yuan 等 [16] 利用电解法和表面活性剂调理处理污泥，结果表明：表面活性剂的加入有利于提高污泥滤液中EPS浓度，减小污泥黏度和Zeta电位。李恺等 [20] 认为：表面活性剂主要通过破坏污泥结构和溶出EPS来改善污泥脱水性能。易欣等 [21] 的研究结果表明：生物表面活性剂(鼠李糖脂)显著降低污泥水解液的表面张力，促进悬浮固体的溶解和胞外酶的溶出，提高污泥液相中蛋白质和糖类的浓度。目前的研究大多集中在探讨表面活性剂调理下污泥中 EPS(特别是 S­EPS)对污泥脱水性能的影响，而在污泥中 EPS 各层组(S­EPS，LB­EPS， TB­EPS)与束缚水的相互关系的相关研究较少。为此，本文作者采用阳离子表面活性剂(十二烷基二甲基苄基氯化铵)调理污泥，研究了表面活性剂对污泥滤饼含水率、束缚水含量的影响，EPS 各层组中蛋白质、多糖的变化趋势，分析了各层组EPS与束缚水的相关性，并通过红外光谱表征了S­EPS中存在的有机官能团及其变化。 1 材料和方法 1.1 材料污泥取自北京小红门污水处理厂污泥脱水车间 (含水率为86%~88%)，调节污泥含水率至95%左右，作为实验用污泥，分析污泥基本性质后放在4 ℃冰柜中保存。实验用污泥的性质如表 1 所示，所有试验均在48h 内完成。污泥调理剂为阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，化学式C21H38NCl，相对分子质量为340.00。其他实验药品为：碳酸钠、氢氧化钠、硫酸铜、酒石酸钠、钨酸钠、钼酸钠、浓磷酸、浓硫酸、硫酸锂、葡萄糖、甲酸、乙酸、丙酸，均为分析纯。牛血清白蛋白为生化试剂。表1 实验用污泥的性质 Table 1 Properties of sludge used inexperiment 性质数值 ρ(总悬浮物(TSS))/(mg∙L −1 ) 46 500~51400 ρ(挥发性悬浮固体(VSS))/(mg∙L −1 ) 31 199~34487 pH 7.2±0.1 含水率/% 94.86~95.35 w(束缚水)/(g∙g −1 ) 3.24±0.2 ρ(蛋白质)/(mg∙L −1 ) 363.31±18.00 S­EPS ρ(多糖)/(mg∙L −1 ) 72.68±6.00 ρ(蛋白质)/(mg∙L −1 ) 143.16±7.00 LB­EPS ρ(多糖)/(mg∙L −1 ) 29.06±3.00 ρ(蛋白质)/(mg∙L −1 ) 3 045.02±150 TB­EPS ρ(多糖)/(mg∙L −1 ) 602.54±33.00 1.2 实验仪器实验仪器为电子分析天平，AB104−N 型，梅勒特−托利多仪器(上海)有限公司生产；智能型混凝搅拌仪，MY−3000−6型，梅宇电器有限公司生产；电热鼓风干燥箱，DGF 2500 3C 型，重庆华茂仪器有限公司生产；循环水式多用真空泵，SHB−III 型，郑州长城科工贸有限公司生产；差示扫描量热仪(DSC)，404 F3 Pegasus型，德国NETZSCH公司生产；傅里叶变换红外光谱仪，IR−408型，日本岛津公司生产。 1.3 试验方法 1.3.1 表面活性剂调理污泥将100mL实验用污泥倒入150mL烧杯中，分别第 8 期童震松，等：表面活性剂调理下污泥中胞外聚合物分布与束缚水含量的关系 2915 加入十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，在搅拌强度 100 r/min下搅拌10min，静置30min。取50mL调理后的污泥置于装有定量滤纸的布氏漏斗中(直径 150 mm)，在真空压力为−0.055MPa的负压下进行抽滤脱水，以30s内无滤液流下为脱水终点。 1.3.2 分析方法 (1) 滤饼含水率按如下公式计算： WC=[(m1−m2)/m1]×100% (1) 式中：WC 为滤饼含水率；m1 为滤后污泥饼质量；m2 为污泥在105℃下烘干至恒质量的泥饼质量。 (2) 污泥束缚水含量。采用差示扫描量热(DSC) 法 [22] 测量污泥絮体颗