生物酶结合CTAB对造纸活性污泥调理的影响

张 凯 陈云玲 吴朝军，* 陈嘉川，* 杨桂花

(1.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353;2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

造纸污泥是造纸企业废水处理后排放出来的终端产物之一，是工业污泥的一种。不断增长的污泥量已经成为非常严重的环境问题，引起人们的关注。造纸污泥尤其是活性污泥，具有数量大、成分复杂、难脱水、易腐烂变质等特点。污泥脱水处理对于减少污泥容量以及污泥运输至处置场地的费用有很大的影响。污泥脱水一般是先对污泥进行调理然后通过物理方法脱除污泥中的水分，污泥调理对污泥的脱水起着很重要的作用，一方面可降低污泥的含水量和增大污泥颗粒尺寸，提高脱水效率;另一方面，为随后的进一步脱除水分做准备。常用的污泥调理方法有化学调理法、物理调理法及生物调理法［1-2］。

生物调理或生物絮凝调理技术是使用微生物或微生物代谢产物进行污泥调理的技术，其研制始于20世纪70年代，但是近年来才用于污泥调理［3］。生物调理具有无毒、无二次污染、可生物降解、来源广、污泥絮体密实、絮凝范围广等优点。生物酶调理污泥是生物调理技术的一种，目前对生物酶调理污泥的效果还有争议，酶预处理改善污泥脱水性能需要进一步的研究［4］。李清林等人［5］发现表面活性剂十六烷基三甲溴化铵 (CTAB)可用于造纸污泥脱水，采用CTAB和阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)复合，比单独投加CPAM或CTAB的成本低。本实验采用中性纤维素酶或中性蛋白酶结合表面活性剂CTAB调理造纸活性污泥，研究生物酶结合CTAB对造纸污泥调理的影响。

1 实验

1.1 实验原料

实验用造纸污泥均取自山东某造纸厂污水处理系统中的活性污泥，污泥放入4℃冰箱保存备用。表面活性剂:十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，分析纯，天津市登科化学试剂有限公司;中性纤维素酶，酶活为20000 U/G，中性蛋白酶，酶活为100000 U/G，苏柯汉 (潍坊)生物工程有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 污泥基本性能测定

活性污泥含水率、曝气池混合液在量筒静止沉降30 min后污泥所占的体积百分比 (SV30)、污泥体积指数 (SVI)的测定均遵循CJT 221—2005城市污水处理厂污泥检验方法［6］。

活性污泥上清液化学需氧量 (CODCr)、pH值的测定均遵循CJ/T 51—2004城市污水水质检验方法标准［7］。

活性污泥在4℃冰箱放置24 h，除去上清液，取100 mL测定污泥固含量。

1.2.2 CTAB单独调理造纸活性污泥

CTAB呈白色或浅黄色结晶体粉末状，有刺激气味，易溶于异丙醇，可溶于水，振荡时产生大量泡沫，能与阳离子、非离子、两性表面活性剂有良好的配位性。具有优良的渗透、柔化、乳化、抗静电、生物降解及杀菌等性能。该产品化学稳定性好，耐热、耐光、耐压、耐强酸强碱。

表面活性剂调理造纸污泥实验方案为:CTAB调理;使用比阻装置抽滤;抽滤后泥饼分成两部分，一部分测定含水率;另一部分使用压滤装置压泥;压泥后测泥饼含水率。

将5组分别装有100 mL污泥的烧杯放置在35℃的水浴锅中，根据污泥固含量加入不同用量的CTAB，并添加不同用量的去离子水，保持各组污泥浓度一致，混合均匀后，调理30 min。

1.2.3 生物酶结合CTAB调理造纸活性污泥

中性纤维素酶和中性蛋白酶均为固态粉末，为了便于实验操作，将这2种酶配成了相应的酶溶液，纤维素酶溶液浓度为0.02 g/mL，蛋白酶溶液浓度为0.004 g/mL。

生物酶结合表面活性剂调理造纸污泥实验方案为:生物酶结合CTAB调理;测定毛细吸水时间;使用比阻装置抽滤;抽滤液测定透射比;抽滤后泥饼分成两部分，一部分测定含水率;另一部分使用压滤装置压泥，压泥后测泥饼含水率。

将5组分别装有100 mL污泥的烧杯放置在35℃的水浴锅中，根据污泥固含量加入不同用量和种类的生物酶，并添加不同用量的去离子水，保持5组污泥浓度一致，混合均匀后，调理2 h。然后向污泥中添加用量5%(对污泥绝干固含量，以下同)的CTAB，混合均匀后，调理30 min。

1.2.4 比阻装置抽滤

比阻装置如图1所示，在布氏漏斗中垫两层滤纸，用水润湿，使滤纸紧贴漏斗壁，开启真空泵，抽滤10 s，使滤纸中水分排出，并且检查是否漏气，确保滤纸紧贴漏斗底壁，调整真空泵压力为0.35 MPa，将剩余污泥倒入布氏漏斗中，抽滤10 min，然后关闭真空泵。

1.2.5 压滤装置压泥

压滤装置如图2所示，压滤示意图如图3所示［8］。取抽滤后的污泥，在污泥上下各放三层滤纸，在压强为0.56 MPa下压泥3 min，得到泥饼。

1.2.6 毛细吸水时间测定

毛细吸水时间 (Capillary Sunction Time，简称CST)是一个表示污泥脱水性能的指标，可快速而准确地表征污泥的过滤性。CST愈大，污泥的脱水性能愈差，反之脱水性能愈好，其测定原理图如4所示。

本实验采用304M型毛细吸水测定仪测定，具体装置如图5所示。将装有污泥样品的圆柱形容器置于滤纸的中心，在直径为D1和D2的同心圆上分别放置电极，当水边界到达内部电极时开始计时，到达外部电极时停止，这段时间即为毛细抽吸时间。在漏斗中通过毛细吸水产生的力量远远大于流体静压的顶点，所以测试不依赖污泥的数量，只要有污泥就可产生CST。

1.2.7 透射比测定

取抽滤后的液体，使用722S型可见光分光光度计测定透射比。

1.2.8 含水率测定

将抽滤后的另一部分污泥以及压泥得到的泥饼放入105℃烘箱干燥，测定含水率。

图4 毛细吸水时间测定原理

图5 毛细吸水时间测定仪

表1 污泥基本性质

2 结果与讨论

2.1 污泥基本性质

实验对污泥固含量、pH值、温度、污泥上清液CODCr进行了检测，污泥基本性质如表1所示。

2.2 CTAB调理对抽滤后污泥含水率的影响

CTAB用量对抽滤后污泥含水率的影响如图6所示。

图6 CTAB调理对抽滤后污泥含水率的影响

由图6可知，随CTAB用量的增加，抽滤后污泥含水率逐渐减小。当CTAB用量为5%时，抽滤后污泥含水率下降最快。当CTAB用量为污泥固含量的10%或15%时，抽滤后污泥含水率较低。

2.3 CTAB调理对压滤后泥饼含水率的影响

CTAB用量对压滤后泥饼含水率的影响如图7所示。

由图7可知，随CTAB用量的增加，压滤后泥饼含水率逐渐减小。当CTAB用量为5%时，压滤后泥饼含水率下降最快。当CTAB用量为污泥固含量的20%时，压滤后泥饼含水率为56.25%。

2.4 CTAB调理对污泥含水率变化的影响

由图6和图7的数据可计算得到加入CTAB后污泥含水率变化的数据，如图8所示。

由图8可知，随CTAB用量的增加，污泥含水率变化逐渐增大。当CTAB用量为污泥固含量的5%时，污泥含水率变化最大，继续添加CTAB，污泥含水率变化趋缓。

采用CTAB调理污泥，随CTAB用量的增加，污泥脱出更多的水分。为了降低成本以及更好地显现生物酶的作用效果，最好加入较低用量的表面活性剂，因此，后续实验CTAB的用量采用5%，并与酶复合使用。

2.7 生物酶结合CTAB调理对污泥毛细吸水时间的影响

采用毛细吸水时间测定仪测定调理后污泥毛细吸水时间，生物酶用量对污泥毛细吸水时间的影响如图9所示。

由图9可知，毛细吸水时间随生物酶用量的增加先降低后升高，与中性纤维素酶相比，中性蛋白酶的效果较为明显。当中性纤维素酶或中性蛋白酶用量为污泥固含量的0.75%时，污泥毛细吸水时间最小。

2.8 生物酶结合CTAB调理对滤液透射比的影响

采用可见光分光光度计测定滤液透射比，生物酶用量对滤液透射比的影响如图10所示。

由图10可知，生物酶结合CTAB调理污泥，随生物酶用量的增加，滤液透射比有减小的趋势。这是由于生物酶结合CTAB调理污泥比单独使用CTAB调理污泥滤液产生更多细小颗粒。

2.9 生物酶结合CTAB调理对污泥抽滤后含水率的影响

生物酶结合CTAB调理，其中生物酶用量对污泥抽滤后含水率的影响如图11所示。由图11可知，生物酶结合CTAB调理污泥，随生物酶用量的增加，污泥抽滤后含水率有所下降。生物酶结合CTAB调理污泥抽滤后污泥含水率都低于单独使用CTAB调理污泥抽滤后污泥含水率(75.87%)。因此，生物酶结合CTAB调理污泥比单独使用CTAB调理的污泥抽滤是更容易脱水。当中性纤维毒酶或中性蛋白酶用量为污泥绝干固含量的1%时，生物酶结合CTAB调理污泥抽滤后污泥含水率最低 (分别为72.37%和71.03%)。

2.10 生物酶结合CTAB调理对压滤后泥饼含水率的影响

生物酶结合CTAB调理对压滤后泥饼含水率的影响如图12所示。由图12可知，生物酶结合CTAB调理污泥，随生物酶用量的增加，压滤后污泥含水率先下降后上升。但生物酶结合CTAB调理污泥压滤后污泥含水率都低于单独使用CTAB调理污泥压滤后污泥含水率(65.28%)。因此，生物酶结合CTAB调理污泥比单独使用CTAB调理的污泥压滤时更容易脱水。当中性纤维素酶用量为污泥绝干固含量的0.2%时，中性纤性素酶结合CTAB调理污泥压滤后污泥含水率最低(52.29%)。当中性蛋白酶用量为污泥绝干固含量的0.5%时，中性蛋白酶结合CTAB调理污泥压滤后污泥含水率最低 (52.38%)。

2.11 生物酶结合CTAB调理对污泥含水率变化的影响

由图11和图12计算可知生物酶结合CTAB调理对污泥含水率变化的数据，结果如图13所示。

图13 生物酶结合CTAB调理对污泥含水率变化的影响

由图13可知，生物酶结合CTAB调理污泥，随生物酶用量的增加，污泥含水率先增大后减小。但生物酶结合CTAB调理污泥污泥含水率变化比单独使用CTAB调理污泥污泥含水率变化大。因此，生物酶结合CTAB调理比单独使用CTAB调理使污泥脱出更多的水。当中性纤维素酶或中性蛋白酶用量为污泥绝干固含量的0.2%时，污泥含水率变化最大 (分别为20.56%和21.38%)。

3 结论

使用中性纤维素酶或中性蛋白酶结合表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)调理造纸活性污泥，并与单独使用CTAB调理造纸活性污泥进行对比。

3.1 单独采用CTAB调理污泥，随CTAB用量的增加，抽滤后污泥含水率逐渐减小，压滤后泥饼含水率逐渐减小，污泥脱出更多的水分。且当CTAB用量为5%时，污泥含水率下降最快。

3.2 生物酶结合CTAB调理污泥，毛细吸水时间随生物酶用量的增加先缩短后增加，与中性纤维素酶相比，中性蛋白酶的效果较为明显。当中性纤维素酶或中性蛋白酶用量为污泥固含量的0.75%时，污泥毛细吸水时间最短，污泥更容易脱水。

3.3 生物酶结合CTAB调理污泥，随生物酶用量的增加，滤液透射比有减小的趋势，这是由于生物酶结合CTAB调理污泥后的污泥滤液产生了更多的细小颗粒。

3.4 生物酶结合CTAB调理污泥，随生物酶用量的增加，生物酶结合CTAB调理比单独使用CTAB调理使污泥脱出的水更多。

［1］LI Yong，ZHU Hai，XU Cui-ying，et al.Techniques of Sludge Treatment，Disposal and Application［J］.China Pulp ＆ Paper，2008，27(11):59.

李 永，朱 海，许翠英，等.造纸污泥处理及资源化应用技术［J］.中国造纸，2008，27(11):59.

［2］FAN Jing-yang，LIN Qiao-yuan.The Creation and Utilization of Solid Wastes in Paper Industry［J］.China Pulp ＆ Paper，2009，28(4):61.

范景阳，林乔元.制浆造纸行业固废物的产生及资源化利用［J］.中国造纸，2009，28(4):61.

［3］Yuan Liang-jun，Tang Bing，Xue Jia-yun.Study progress on technology of biochemical sludge conditioning［J］.Industrial Safety and Environmental Protection，2007，33(1):27.

源亮君，汤 兵，薛嘉韵.生化污泥调理技术研究进展［J］.工业安全与环保，2007，33(1):27.

［4］David Pollard.Screening of Bioflocculant-Producing Microbes Utilizing Fatly Acids and Their Properties of Producing Flocculates［J］.IBS-Biomine，1997(8):4.

［5］Li Qing-lin，Han Qing，Yan Kuan-shui.Research on the application of surfactant CTAB in the papermaking sludge dewatering［J］.China Pulp＆ Paper Industry，2012，33(6):46.

李清林，韩 卿，阎宽水.表面活性剂CTAB用于造纸污泥脱水研究［J］.中华纸业，2012，33(6):46.

［6］CJ/T221—2005，Determination method for municipal sludge in wastewater treatment［S］.China:the Ministry of Construction of People's Republic of China，2005.

CJ/T221—2005，城市污水处理厂污泥检验方法［S］.中国:中华人民共和国建设部，2005.

［7］CJ/T 51—2004，Methods for the examination of municipal sewage［S］.China:the Ministry of Construction of People's Republic of China，2004.

CJ/T 51—2004，城市污水水质检验方法标准［S］.中国:中华人民共和国建设部，2004.

［8］Toshiyuki Nomura，Shunsuke Araki，Takanori Nagao，et al.Resource recovery treatment of waste sludge using a solubilizing reagent［J］.J.Mater Cycles Waste Manag.，2007，9:34. CPP