MBF/纳米SiO2 复配污泥调理剂对污泥脱水性能影响的研究

马军军， 朱家明

（南京格洛特环境工程股份有限公司， 江苏 南京 210047）

0 引言

调理作用能够很大程度上改善污泥的脱水性能。 污泥的调理方法主要包括加热、 冷冻和化学调理。 由于加热和冷冻调理费用和能耗均较高，国内、外应用较少。化学调理由于其操作简单、效果好成为常用的污泥调理方法。目前，通常使用的调理剂包括机絮凝剂，如聚丙烯酰胺（PAM）等，成本较高、毒性大，且难生物降解，进入环境后会产生二次污染；无机高分子絮凝剂，如聚合氯化铝（PAC）等，会增加污泥干重。 且单一组分的调理剂往往无法达到理想的脱水效果，因此，研究复配调理剂十分必要[1-3]。

微生物絮凝剂（MBF）是一类由微生物产生的具有絮凝能力的高分子有机物， 具有高效且无二次污染的优点，且能够改善污泥的脱水性能，是一种新型无毒的污泥调理剂[4-7]。但因微生物培养成本太高，提纯较为复杂，故难以在实际生产中得到推广。有研究表明，利用废弃生物质，将细胞水解，是制备微生物絮凝剂及将其投入实用的可行方法[8-9]。 我国啤酒年产3 000 余万t，年产啤酒废酵母70 ～ 90 t，啤酒废酵母作为啤酒工业的废弃物， 进行资源化利用是可行的研究方向。 本文利用啤酒废酵母提取MBF，与纳米SiO2复配后形成复配调理剂，考察其对污泥脱水性能的改善效果， 以期为研究污泥复配调理剂的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与主要仪器

1.1.1 样品来源及性质

废酵母液取自某啤酒厂， 调理污泥取自该厂污水处理设施的剩余污泥。 污泥比阻（SRF）是反映污泥过滤性能、脱水性能的综合指标，SRF 越大，污泥越难过滤，其脱水性能也越差；污泥的毛细吸水时间（CST）也是污泥脱水性能的重要指标，CST 越大，污泥的脱水性能越差。

污泥理、化性质见表1。

表1 污泥理、化性质

1.1.2 主要试剂及仪器

试剂：疏水性纳米SiO2，工业品，平均粒径为20 nm；聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM），均为分析纯。

仪器：污泥比阻测定仪、毛细吸水时间测定仪、TOC 测定仪、Zeta 电位分析仪等。

1.2 试验方法

1.2.1 MBF 提取及测定

MBF 提取：废酵母液在100 ℃、不同pH 值及搅拌时间条件下取出上清液， 通过孔径为0.45 μm 的微孔过滤，于4 ℃保存待用。 MBF 的浓度以总有机碳（TOC）表示；MBF 中的蛋白质采用考马斯亮蓝法测定， 以牛血清白蛋白作为标准物质； 多糖采用苯酚-硫酸法测定，以葡萄糖作为标准物质。

1.2.2 污泥脱水性能测定

SPF：取100 mL 污泥样品，投加不同比例及种类污泥调理剂，以200 r/min 转速搅拌10 min，抽滤测定污泥SPF；

CST：取10 mL 污泥样品，投加不同比例及种类污泥调理剂， 以200 r/min 转速搅拌10 min 测定CST；

Zeta 电位： 考察投加MBF/纳米SiO2的Zeta 电位变化，分析各pH 值条件下污泥的脱水机理。

所有数据均使用Microsoft Excel 2010 进行处理和分析。

2 结果与讨论

2.1 MBF 及其主要组分

MBF 的主要成分为蛋白质和多糖，MBF 通过蛋白质、多糖和官能团形成具有絮凝、吸附作用的大分子物质[2-3]。 MBF 浓度（以TOC 的浓度表征）、蛋白质含量、多糖含量随着pH 值、热反应时间的变化见图1。 由图1 可以看出，废酵母提取TOC 及蛋白质、多糖含量受pH 值、热反应时间影响较大。 对比分析废酵母在不同pH 值及热反应时间下提取MBF 的浓度，发现，在碱性条件下提取的MBF 浓度最高，其次为酸性条件，中性条件下提取的最少。 另外，随着热反应时间的增加，TOC、蛋白质、多糖浓度均增加。分析原因为在酸性及碱性条件下， 较长的加热时间有利于废酵母的细胞壁破解， 释放细胞内、 外具有吸附、絮凝作用的蛋白质和多糖等聚合物。 热反应60 min 后，细胞壁内的多聚物释放量减少，TOC、蛋白质、多糖含量基本保持不变。 实验分析可知，废酵母在pH 值为9.95，80 ℃加热60 min 条件下提取物的TOC、 蛋白质、 多糖含量最高， 质量浓度分别达到214.78，117.75，36.00 mg/L。

图1 pH 值及热反应时间对TOC、蛋白质、多糖浓度变化的影响

2.2 MBF/纳米SiO2 复配比例对污泥脱水性能的影响

MBF/纳米SiO2复配比例对污泥脱水性能的影响见表2。 由表2 可以看出， 单独投加质量分数为4%的MBF 时，SRF 由3.56 × 1012m/kg 降至3.20 ×1012m/kg， 下降率为10.71%，CST 从50.4 s 降至40.2 s,下降率为20.24%。 随着投加量增加，MBF 在吸附架桥、电性中和的作用下，水膜被破坏，使污泥颗粒脱稳沉降，脱水性能增强。 但是过多的MBF 反而会覆盖部分污泥悬浮颗粒，造成污泥难以脱水，因此选择4%作为复配药剂中MBF 的最佳投加质量分数。

表2 不同调理剂对污泥脱水性能的影响

同时，由表2 可以看出，投加MBF（质量分数为4%）+ 纳米SiO2（质量浓度为0.8 g/L）的复合调理剂后， 污泥的SRF 由3.56×1012m/kg 降至2.16×1012m/kg，下降率为39.33%，CST 由50.4 s 降至37.2 s，下降率为26.19%。 分析认为，纳米SiO2有良好的吸附性能及带电性，疏水性SiO2可以通过疏水作用吸附于MBF 的疏水端， 能够在MBF 和污泥之间形成配位结合桥，连接污泥颗粒，两者与污泥之间形成较为稳定的三元配体体系，较好的改善污泥的过滤性能，但过多的疏水性SiO2和正电荷会在污泥间产生斥力，阻碍污泥的脱水性能[10]。

2.3 不同条件下MBF/纳米SiO2 对污泥脱水性能的影响

2.3.1 pH 值

pH 值对MBF/纳米SiO2的脱水性能影响见图2。 由图2 可以看出，pH 值的改变影响MBF/纳米SiO2的脱水性能， 主要因为pH 值影响MBF/纳米SiO2的带电状态和悬浮颗粒的表面特性。pH 值在5～9 之间时，MBF/纳米SiO2有较强的吸附、 架桥作用，可将污泥中分散的细小颗粒聚集，形成较大的絮凝体，污泥的脱水性能较好。 在pH 值小于5 时，由于污泥的胞外多聚物（EPS）含有多种有机物，富含羟基等官能团， 官能团在酸性条件下具有更强的疏水性， 因此污泥的脱水性能较好。 在pH 值大于10时，污泥菌胶团遭到破坏，释放具有亲水性物质，易在表面形成水化膜，使得污泥的脱水性能下降[11]。

图2 pH 值对污泥脱水性能的影响

2.3.2 温度

温度对MBF/纳米SiO2的脱水性能影响见图3。

图3 温度对污泥脱水性能的影响

图3 Zeta 电位变化

由图3 可以看出，MBF/纳米SiO2用来调理污泥在常温（22～25 ℃）下使用效果较好，主要因为温度对蛋白质类的絮凝作用影响较大[12]，在该温度下蛋白质类的高分子物质的运动加快， 增加了污泥颗粒间的碰撞，有利于絮凝作用。 过高的温度（超过30℃），反而造成污泥膨胀，不利于沉降，影响污泥的脱水效果；温度过低（低于15 ℃）则使得水的动力粘滞度增大，从而导致脱水效果不理想。

2.3.3 搅拌速度

搅拌速度对MBF/纳米SiO2的脱水性能影响见图4。 由图4 可以看出，MBF/纳米SiO2与污泥的混合程度对污泥的脱水性能有一定的影响。 搅拌强度较小时， 污泥与复配药剂未充分混合，SRF 及CST均较高。 搅拌强度过大时，MBF、污泥、纳米SiO2形成较为稳定的三元配体体系被破坏， 形成的污泥絮体细小，脱水效果不好。 因此，选择最佳搅拌速度为200 r/min。

图4 搅拌速度对污泥脱水性能的影响

2.4 MBF/纳米SiO2 对污泥脱水性能的影响机理

污泥的物化性质—Zeta 电位是影响污泥的脱水性能的重要因素。污泥具有双电层结构，由带负电的微生物菌胶团组成。 Zeta 电位对污泥胶体颗粒的凝聚和沉降性能有着决定性的影响， 进而影响污泥的脱水性能[13-15]。 Zeta 电位绝对值越大，质点间排斥力较大，不易发生聚沉，处于相对稳定状态；而Zeta 绝对值较小，电位较低的体系，质点间排斥力较小，不稳定，容易发生聚沉，脱水性能较好[15]。

不同pH 值条件下原泥及投加复合调理剂的Zeta 电位变化见图3。 由图3 可以看出，投加MBF/纳米SiO2后，Zeta 绝对值较小，电位较低，主要因为MBF/纳米SiO2表面带有正电荷，吸附在污泥表面的胶体颗粒上，胶体产生聚集，从而你提高污泥的脱水性能。 另外，在酸性条件下，污泥的Zeta 电位的绝对值相对更小， 碱性条件下Zeta 电位的绝对值较大，这是因为酸性条件利于污泥EPS 释放出带正电的多糖物质，絮体间的极性减弱，与水容易分离，从而脱水能力增强。

3 结论

（1）废酵母提取MBF 的浓度受pH 值、加热温度及时间影响，在pH 值为9.95，80 ℃加热1 h 条件下提取物的TOC、蛋白质、多糖的质量浓度最高可分别达到214.78，117.75，36.00 mg/L；

（2）投加MBF（质量分数为4%）+SiO2（质量浓度为0.8 g/L） 形成的复配调理剂后，SRF 从3.56 ×1012m/kg 降至2.16×1012m/kg，CST 从50.4 s 降至37.2 s， 说明疏水性纳米SiO2有良好的吸附性能和带电性，MBF 与疏水性纳米SiO2复配后， 解决了MBF 的相对分子质量较小，吸附点位、携带电荷不够多的缺点；

（3）在酸性条件下，复配调理药剂的脱水性能最好，中性条件次之，碱性条件下最差。 常温（22～25℃）环境、搅拌速度约200 r/min 时，利于复配药剂调理污泥；

（4）影响污泥脱水性能的机理为MBF 与纳米SiO2形成的复配调理剂可通过中和污泥表面的负电荷，降低Zeta 电位的绝对值，使得污泥胶体颗粒形成稳定的絮体， 且在酸性条件下Zeta 电位绝对值更小，脱水效果更好。