表面活性剂CTAC对活性污泥的脱水性能及其机理研究

李 恺, 叶志平, 李焕文, 王凤英

(华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510631)

表面活性剂CTAC对活性污泥的脱水性能及其机理研究

李 恺, 叶志平*, 李焕文, 王凤英

(华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510631)

通过对污泥含水率和胞外聚合物(EPS)含量的测定，考察了阳离子表面活性剂(CTAC)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)对污泥脱水性能的影响.结果表明，它们都有助于改善污泥的脱水性能，CPAM的最佳投药量为0.0106 g/100 mL污泥，表面活性剂投药量约为0.738 g/100 mL污泥，分别使污泥滤饼含水率降至80.28%和68.73%.为了进一步探讨表面活性剂对污泥的作用机理，实验通过观察表面活性剂处理前后污泥的电镜扫描照片(SEM)和粒径分布，发现经过表面活性剂处理的污泥原絮团被破坏，污泥表面呈网状结构；占体积分数90%的颗粒粒径都在52 μm以下，较原泥明显减小.实验表明，表面活性剂主要是通过破坏污泥结构释放内部结合水和溶出EPS来改善污泥脱水性能.

表面活性剂； 剩余污泥； 脱水性能

就目前污泥处理来说，主要是通过调理去除污泥中水分，得到含固率高的泥饼，从而降低污泥运输及处理处置的费用.污泥的预处理，即通过向污泥中投加各种凝聚剂，包括天然改性型高分子絮凝剂、合成型高分子絮凝剂、高效生物絮凝剂以及混合药剂，使污泥颗粒絮凝、结构增强以利于机械脱水[1-4].一般处理后污泥的含水率在80%左右，但要使污泥的含水率降到更低的水平比较困难，因为絮凝剂能显著提高污泥的脱水速率，但在改善脱水程度上却效果不佳.近些年，部分学者也对表面活性剂的污泥脱水效果做了研究[5-6].表面活性剂同时具有亲水基和亲油基，是一类即使在较低浓度下也能显著降低表(界)面张力的物质.本文通过实验室模拟方法，对比了表面活性剂同阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)对污泥脱水性能的影响，并通过微观表征探讨了表面活性剂对污泥的作用机理.

1 实验部分

1.1材料与仪器

污泥取自广州市某生活污水处理厂的活性污泥，自然沉降24 h后倒去上清液所得.原污泥含水率为98%～99%，pH=6.8.为了保证实验结果的可比性，所有实验用污泥均在采样后4～5 d内使用.

主要化学试剂：阳离子表面活性剂(CTAC)，配成127.2 g/L溶液；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)取自污水厂，配成1.0 g/L溶液；所用水均为去离子水.

主要仪器装置：D-2001T6同步六联电动搅拌机；KYKY-1000B扫描电镜；101A-3型电热鼓风干燥箱；722S型分光光度计；XZ-1旋片式真空泵；阿米勒激光粒度仪.

1.2分析方法

(1)滤饼含水率的测定 将经过处理的污泥100 mL倒入布氏漏斗，在0.08 MPa的压力下真空抽滤15 min，然后取出部分污泥泥饼置于表面皿中，于烘箱中105 ℃恒温烘干6～8 h至恒质量，放入干燥器中冷却后称质量，最后计算滤饼的含水率[7]：

(1)

式(1)中a为滤饼含水率(%)；W1为空蒸发皿质量(g)；W2为蒸发皿质量+湿样质量(g)；W3为蒸发皿质量+干样质量(g).

(2)污泥比阻的测定 污泥比阻(SRF)是表示污泥脱水性能的综合指标，其测定采用图1装置.污泥比阻愈大，脱水性能愈差，反之，脱水性能愈好.一般认为比阻在109～1010s2/g的污泥算作难过滤的污泥，比阻在(0.5～0.9)×109s2/g的污泥算作中等，比阻小于0.4×109s2/g的污泥容易过滤.定压过滤时，调节压力控制阀至额定真空度(0.08 MPa)时，开始记录滤液体积，每隔15 s记录1次，记录时间为前10 min.在该过程中，不断调节压力控制阀，使真空度保持恒定.比阻的计算需先通过测定一系列的过滤时间t和滤液体积V数据，用图解法求斜率b，再通过公式Ⅱ测滤饼含水比的方法求得C，最后计算出SRF[8]，

(2)

式(2)中污泥比阻值(SRF)的单位为s2/g(工程单位制为cm/g);P为过滤时的压强降(g/cm2)；μ为滤液黏度(g·cm-1·s-1)；F为过滤面积(cm2).

(3)

式(3)中Ci为100 g污泥中的干污泥量；Cf为100 g滤饼中的干污泥量.

图1 污泥比阻测定装置Fig.1 Measuring device of SRF

注：1：接真空泵；2：缓冲瓶；3：具支管量筒；4：真空表；5：布氏漏斗；6：阀门

(3) 污泥沉降实验 量取100 mL污泥，在一定条件下投入不同量的药剂，快速搅拌1 min再慢速搅拌5 min，倒入100 mL量筒中，每隔一定时间记录一次污泥体积，共计时1 h.在同等条件下，比较污泥的沉降性能.

(4) 胞外聚合物(EPS)分析 分别取100 mL不同处理后的污泥，在真空抽滤后取其滤液，采用双缩脲法，以牛血清蛋白为标准蛋白测定滤液中胞外蛋白质含量；采用苯酚-硫酸比色法，以葡萄糖为标准样品测定胞外糖含量.

(5) 污泥微观结构观察 取经过处理的污泥，部分干燥后送电镜扫描并拍摄成照，余样通过激光粒度仪测定其粒径分布.

2 结果与讨论

2.1表面活性剂对污泥沉降性能的影响

由于污泥沉降一般都是自然沉降，图2、图3分别表示100 mL污泥中表面活性剂和CPAM不同投加量在1 h内对污泥沉降速度的影响.污泥的沉降性能受很多因素的影响，主要是污泥絮团的大小以及污泥表面聚合物类物质.

由图2和图3知当表面活性剂和CPAM的投加量为0.738 g和0.015 g时，污泥的沉降效果分别达到最佳，且CPAM较表面活性剂效果更好.实验表明：CPAM主要是通过自身的正电荷中和污泥表面的负电荷，使污泥絮团凝聚变大，从而改善污泥的沉降性能；尽管表面活性剂破碎污泥絮团使其变小，不利于污泥沉降，但表面活性剂的作用在于其破碎污泥絮体的同时释放了污泥表面的聚合物(EPS)等亲水物质，同时表面活性剂的长链结构可以促进污泥絮体之间形成良好的吸附架桥功能，从而能够改善污泥沉降性能[6].

图2 表面活性剂投加量对污泥沉降体积的影响Fig.2 Effect of surfactant on the volume of sludge settlement

图3 CPAM投加量对污泥沉降体积的影响Fig.3 Effect of CPAM on the volume of sludge settlement

2.2表面活性剂对污泥脱水性能的影响

污水厂的污泥是经过CPAM处理和离心脱水后运往处理场，其污泥滤饼含水率约为79.00%～80.00%，由图4知使用CPAM在实验室条件下得到的滤饼含水率最低为80.28%，与污水厂结果基本一致，适合同表面活性剂的脱水效果对比.

Fig.4 Effect of CPAM on the moisture content of sludge filter cake

图4显示，当100 mL污泥中CPAM投加量为0.015 g时，滤饼含水率最低，随着投药量的增加，滤饼含水率又回升，这是因为过量的CPAM使污泥颗粒重新带上正电荷，胶体颗粒因为电荷排斥而重新分散稳定，导致污泥脱水困难[9-10].污泥比阻(SRF)是考察污泥过滤性能的重要指标，从图5可以看出，污泥比阻与滤饼含水率的变化趋势基本一致.经过CPAM调理，污泥的比阻值较原泥5.57×109s2/g有较大改善，最低达到2.9×108s2/g.

表面活性剂对抽虑后污泥滤饼含水率的影响见图6.在100 mL污泥中表面活性剂投加量为0～0.738 g时，污泥含水率降幅较大，从88.36%减至68.73%，污泥体积大大降低，处理效果较CPAM有明显提高.当投加量继续增大到0.942 g时，污泥含水率变化基本维持在68.90%左右.图7显示，经表面活性剂调理的污泥比阻最低约为1.0×108s2/g，效果明显(注：由于使用表面活性剂抽滤时，会产生部分气泡，影响观察，所以该比阻值存在一定误差，但不影响对比).

图5 CPAM投加量对污泥比阻的影响Fig.5 Effect of CPAM on SRF

图6 表面活性剂投加量对滤饼含水率的影响

Fig.6 Effect of CTAC on the moisture content of sludge filter cake

图7 表面活性剂投加量对污泥比阻的影响Fig.7 Effect of CTAC on SRF

2.3对胞外聚合物(EPS)的影响

胞外聚合物(EPS)是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌分泌于体外的一些高分子聚合物.主要成分与微生物的胞内成分相似，是一些高分子物质，如多糖、蛋白质和核酸等聚合物.EPS普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，是高度水合的且可以结合大量的水，它能加强活性污泥的浓缩和过滤性能，因而EPS对污泥的脱水性能有重要影响[11].

蛋白质和多糖约占EPS总含量的70%～80%，故EPS对污泥脱水性能的影响主要是通过对滤液中蛋白质和多糖的含量分析来表征.在表面活性剂的增溶作用下，污泥中EPS等亲水大分子从污泥表面脱落，并大量溶解于水中，提高了污泥絮体的可压缩性，从而减少了污泥颗粒间的结合水；但是过量的EPS溶出，也会增加污泥粘度，减小污泥的过滤性能，导致过滤速率减弱[5].由图8可知，投加了表面活性剂的污泥滤液中蛋白质和多糖含量都高于原泥和经过CPAM处理过的滤液，分别达到了7.745 7、1.252 3 mg/mL.原泥和CPAM处理后的污泥滤液中蛋白质和多糖含量基本一致.

图8 EPS中蛋白质及多糖含量Fig.8 Content of protein and polysaccharide in the EPS

2.4对污泥微观形态的影响

经不同处理后的污泥电镜扫描(SEM)结果见图9～图11.SEM显示：经过表面活性剂处理过的污泥表面较原泥更为破碎，原泥中较大的絮团基本消失破坏，污泥表面呈现一定网状结构；而经CPAM处理过的污泥颗粒则凝结成较大的絮团.

为了进一步了解表面活性剂对污泥颗粒的影响，实验还分别讨论了不同处理前后污泥颗粒粒径的分布.表1显示，经不同处理后污泥颗粒的粒径同原泥有很大区别，其中表面活性剂处理后的泥样较原泥颗粒明显变小，基本都在52.00 μm以内，而CPAM处理后的污泥颗粒最大可以达到239.80 μm，较原泥的147.12 μm变化明显.粒径分布统计结果与扫描电镜显示的处理情况相一致.

以上分析表明，表面活性剂具有分散作用，使污泥絮体结构分散解体，又在增溶作用下溶解EPS，同时释放颗粒间的结合水，从而提高污泥的脱水性能，这同CPAM主要作用于污泥自由水的脱水机理有明显的区别.

图9 未处理的污泥(×1500)Fig.9 The original sludge(×1500)

图10 加表面活性剂的污泥(×1500)Fig.10 The sludge added with surfactant(×1500)

图11 加CPAM的污泥(×1500)Fig.11 The sludge added with CPAM(×1500)

μm

注：d10为样品中体积累积百分比为10%时颗粒的最大直径(余同)

3 结论

(1)实验考察了表面活性剂、CPAM对污泥发的脱水效果，结果发现表面活性剂在投加量为0.738 g/100 mL污泥时，污泥滤饼含水率从88.36%降至68.73%，较CPAM效果更为显著.

(2)电镜扫描和粒径分析显示：加了表面活性剂的污泥颗粒粒径比原泥小，90%的颗粒粒径都在52 μm以下；而CPAM能够凝聚污泥颗粒成团，改变污泥絮团结构，提高污泥脱水性能.

(3)污泥胞外聚合物(EPS)对污泥的脱水性有重要影响.表面活性剂通过分散作用使污泥絮体结构分散解体，同时增溶作用溶出EPS等亲水大分子，释放出原絮体内部的结合水.但是过量的EPS会使污泥粘度变大，又不利于污泥的沉降与脱水.

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Keywords： surfactant; excess sludge; dewaterability

【责任编辑 成 文】

STUDYOFSURFACTANTSCTACONACTIVATEDSLUDG’SDEWATERABILITYANDMECHANISM

LI Kai, YE Zhiping*, LI Huanwen, WANG Fengying

(School of Chemistry and Environment, South of China Normal University, Guangzhou 510631， China)

Effects of cationic surfactant (CTAC) and cationic polyacrylamide (CPAM) on sludge dehydration ability were studied by testing the moisture content and extracellular polymeric substance (EPS) of sludge. Experimental results indicate that the dehydration ability of sludge treated with CTAC or CPAM is improved. The optimum dosages of CPAM and CTAC are 0.0106 gram to 100 ml sludge and 0.738 gram to 100 ml sludge respectively, which make the moisture content of filtered sludge down to 80.28% and 68.73% respectively. In order to explore the action mechanism of CTAC on sludge, scanning electronic microscope (SEM) and size distribution were made to the sludge before and after treated with CTAC. It is found that the sludge’s origianl floc structure is destroyed after treatment of CTAC, then the surface of sludge is in a web structure, and the sludge’s granule size which accounts for 90% of the volume fraction is below 52μm, obviouly lower than that in the original sludge. It concludes that CTAC improves sludge’s dehydration ability through destroying its structure, thus makes the sluge release gap water and EPS.

2009-09-08

李恺(1986—),男,安徽滁州人，华南师范大学2007级硕士研究生，Email:kaiwen1986@gmail.com；叶志平(1955—)，男，福建仙游人，华南师范大学教授，主要研究方向：矿物加工及固体废物资源化的研究，Email:yzpsd@yahoo.com.cn.

*通讯作者

1000-5463(2010)02-0076-06

X705

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