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)
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。
1.1.1 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。
1.2.1 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。
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
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]。
2.3.1 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
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。
(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。