溶菌酶辅助壳聚糖调理对活性污泥脱水性能的影响及其机理

申 亮,施 周,罗 璐,戴慧奇,周先敏

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082)

随着我国城镇化的快速发展和市政公用基础设施的不断完善,我国污水处理能力在近十年内急剧增长。根据《2021年中国城市建设状况公报》,截至2021年年末,我国建成投产的城镇污水处理厂共2 827座,污水处理规模约为2.1×108m3/d,按污泥脱水至含水率80%计,每年产生污泥量高达6.0×107t。污泥作为城市污水处理后产生的副产物,富含难降解有机物、细菌、病毒及重金属等有害物质,对污泥的妥善处理和处置至关重要[1-2],而对高含水率的活性污泥进行脱水处理是污泥处置的前提和关键[3]。活性污泥是在曝气池内产生的固液混合物,主要由菌胶团、难降解有机物及无机颗粒组成,其结构松散、表面积较大,含水率一般在97%～99%,含有大量的自由水﹑孔隙水﹑结合水[4]。

活性污泥的脱水性能通常较差,不经过化学药剂调理,很难进行下一步的机械脱水。研究[5-7]表明,活性污泥脱水性能不仅受污泥自身的物理化学特性影响,还与活性污泥有机质成分、水分存在形式、抽滤比阻、ζ电位以及絮体形态等有关。污泥颗粒表面因存在羧基、羟基、磷酸基等阴离子官能团而带负电,当负电性的胶体颗粒彼此靠近时,胶体双电层结构产生静电斥力,不利于胶体脱稳凝聚,因此,污泥ζ电位是影响胶体脱稳凝聚的重要因素。随着计算机科学及扫描电镜技术的发展,目前国内外已有研究[8]采用图像处理技术对污泥絮体形态特征进行分析,将图像分析和分形理论相结合,从微观角度观测污泥絮体形态表面特征和内部结构,利用絮体外形尺寸、粒径分布及分形维数等定量表征絮体结构,从絮体形态学角度探讨活性污泥的脱水机理。

目前,国内污水处理厂调理污泥主要采用聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化铝(PAC)等高分子聚合物,其水解产生的物质存在低毒性、难降解、对环境有潜在危害等问题,已在污泥处理领域引起高度重视[9]。壳聚糖分子含有活泼的羟基、氨基等极性基团,在弱酸环境中表面分布正电荷,可作为有机阳离子絮凝剂替代传统的无机絮凝剂[10]。目前,用于污泥脱水的PAC、PAM、壳聚糖单位污泥投加成本约为2、48、6元/(t 污泥),由此可见,壳聚糖的单位污泥投加成本高于PAC,但远低于PAM。同时,壳聚糖和溶菌酶作为天然提取物,均可生物降解,对人体无毒、无害。溶菌酶可以催化水解微生物细胞壁,改善污泥絮体结构,释放絮体内部间隙水从而促进污泥脱水[11]。因此,溶菌酶辅助壳聚糖调理活性污泥,有望在壳聚糖调理的基础上进一步改善污泥脱水性能。有鉴于此,本文研究了溶菌酶辅助壳聚糖调理活性污泥对其脱水性能的影响,从污泥ζ电位、分形维数和絮体SEM表征等方面对污泥脱水机理进行了探讨和分析。

1 材料与方法

1.1 污泥来源与性质

污泥样品取自长沙市某大型污水处理厂的活性污泥,经重力沉降和筛网过滤后,置于4 ℃条件下备用,每批次污泥均在5 d内使用完,所有试验均采用3次平行试验。污泥各项基本指标经检测后如表1所示。

表1 污泥的基本性质指标Tab.1 Basic Properties of Sludge

1.2 主要试剂与仪器

主要试剂:壳聚糖,购于国药集团化学试剂有限公司,脱乙酰度质量分数为80%～95%,溶于1%HAC溶液;溶菌酶0633(活度:20 000 U/mg)为进口分装,Amresco公司生产。

主要仪器:JJ-6型六联搅拌器(长沙索拓科学仪器有限公司)、SHB-IIIA型循环式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)、Nano ZS90型ζ电位仪(英国马尔文仪器有限公司)、XDS-1B型倒置显微镜(重庆光电仪器有限公司)、JSM-5600LV型扫描电镜(日本JEOL公司)及真空抽滤装置一套。

1.3 试验方法

采用真空抽滤法(50 kPa)测量污泥比阻(specific resistance to filtration, SRF)[12];采用重量法测量泥饼含水率[13];使用Nano ZS90型ζ电位仪测定污泥ζ电位;污泥絮体形态使用XDS-1B型倒置显微镜以及JSM-5600LV型扫描电镜探测,使用Image-Pro 6.0图像处理软件对絮体显微照片计算絮体特征参数(投影面积P及特征周长A),对InP和InA进行线性拟合所得斜率即为二维分形维数(D2)。

2 结果与讨论

2.1 污泥调理前后泥饼含水率和污泥比阻变化

真空抽滤泥饼含水率和污泥比阻是反映污泥脱水性能的指标,泥饼含水率和污泥比阻越低说明污泥脱水性能越好,反之亦然。图1和图2是在不同投加量下,壳聚糖单独调理污泥和溶菌酶辅助壳聚糖调理污泥[固定壳聚糖投加量为0.01 g/(g干污泥)]对泥饼含水率和污泥比阻的影响。

图1 壳聚糖单独调理对泥饼含水率和比阻的影响Fig.1 Effects of Chitosan Alone Conditioning on Moisture Content and Specific Resistance of Sludge

注:壳聚糖投加量为0.010 g/(g干污泥)。图2 溶菌酶辅助壳聚糖调理对泥饼含水率和比阻的影响Fig.2 Effects of Lysozyme-Assisted Chitosan Conditioning on Moisture Content and Specific Resistance of Sludge

由图1可知,壳聚糖单独调理污泥显著降低了泥饼含水率和污泥比阻,污泥比阻下降尤甚。当壳聚糖投加量为0.005～0.030 g/(g 干污泥)时,污泥比阻降至1.9×1011～3.2×1011m/kg,相对原泥比阻(4.12×1012m/kg)降低了92.2%～95.4%;而泥饼含水率随壳聚糖投加量先降低后缓慢升高,当投加量为0.010 g/(g 干污泥)时,泥饼含水率从原泥的90.9%降至最低(77.5%),下降了约14.7%。溶菌酶辅助壳聚糖调理时,污泥比阻变化较小,泥饼含水率在壳聚糖调理的基础得以进一步降低,且随溶菌酶投加量的增加而不断降低。当溶菌酶投加量为0.200 g/(g 干污泥)时,泥饼含水率由原泥的92.7%降至73.0%,下降了约21.3%,污泥比阻由原泥的3.45×1012m/kg降至1.9×1011m/kg,下降了约94.5%。由此可见,溶菌酶辅助壳聚糖调理污泥可以有效降低泥饼含水率和比阻,污泥脱水性能得到显著提高。

2.2 污泥调理前后ζ电位变化

每批次污泥取8组试样测定其ζ电位,取均值作为污泥ζ电位值。如图3、图4所示,原泥ζ电位为-7.2～-1.0 mV,|ζ|电位平均值约为4.71 mV。污泥经壳聚糖单独调理后ζ电位变化较大,污泥ζ电位随投加量增加先降低后迅速上升,最终由负电位转变为正电位。当壳聚糖投加量为0.010 g/(g 干污泥)时,污泥|ζ|电位降至最低,平均值为0.71 mV。溶菌酶辅助壳聚糖调理污泥时,投加适量溶菌酶能够在壳聚糖调理基础上进一步压缩双电层。溶菌酶投加量为0.10 g/(g 干污泥)时,污泥|ζ|电位平均值降至0.28 mV,溶菌酶投加量超过0.10 g/(g 干污泥)后,污泥颗粒表面的ζ电位转变为正电位。

图3 壳聚糖单独调理对污泥ζ电位的影响Fig.3 Effects of Chitosan Alone Conditioning on Sludge ζ Potential

注:壳聚糖投加量为0.010 g/(g 干污泥)。图4 溶菌酶辅助壳聚糖调理对污泥ζ电位的影响Fig.4 Effects of Lysozyme-Assisted Chitosan Conditioning on Sludge ζ Potential

Morgan等[14]研究认为,污泥ζ电位受蛋白质分子影响,污泥颗粒表面的负电荷与蛋白质分子上的氨基基团正电荷互相中和,引起ζ电位的增加。弱酸环境中壳聚糖分子表面的游离氨基质子化后呈现正电性,因此,投加适量壳聚糖调理污泥,可以压缩胶体双电层结构,降低污泥|ζ|电位,促进污泥胶体脱稳凝聚,从而改善污泥脱水性能。但壳聚糖投加量过多将导致污泥胶体表面带上相反电荷,变成正电位,胶体颗粒又因正电互斥而重新分散,造成污泥脱水性能恶化。

溶菌酶自身即是一种碱性球蛋白,因此,用适量的溶菌酶调理污泥也可以压缩胶体双电层结构,降低污泥|ζ|电位,促进污泥胶体脱稳凝聚。溶菌酶分子量约为1.45 kDa,溶菌酶分子的氨基数量远远低于高分子聚合物的壳聚糖(分子量为50～90 kDa,脱乙酰度质量分数为86.6%),因此,可用溶菌酶在壳聚糖调理基础上进一步压缩胶体双电层结构,促进污泥胶体脱稳、凝聚。

2.3 污泥絮体形态学分析

2.3.1 污泥分形维数分析

活性污泥的脱水性能与其絮体结构密切相关,污泥絮体结构的不规则形态可用分形理论进行定量分析[15-16]。D2可表征污泥絮体的结构特征和密实程度,因此,分形维数可以有效地衡量污泥的脱水性能。D2越接近2,污泥絮体越密实,污泥的脱水性能也越好[13]。

根据二值化的显微照片(图5)提取污泥絮体形态学的特征参数,线性拟合后得到原泥、溶菌酶、壳聚糖以及两者联合调理的D2值分别为1.488、1.561、1.676及1.748(图6)。原泥颗粒细小而松散,D2仅为1.488;污泥经溶菌酶调理后,溶菌酶对微生物细菌的破壁作用,使得污泥絮体变得细碎、紧密,D2增加到1.561;污泥经壳聚糖单独调理后,污泥絮体D2增加至1.676,污泥絮体宽大、疏松,其内部孔隙也较大;溶菌酶辅助壳聚糖调理污泥,进一步凝聚了絮体颗粒,使其变得更加紧密,并释放了絮体内的部分间隙水,污泥絮体D2值增加至最大(1.748)。由此可见,分形维数越大,对活性污泥的脱水性能越有利。

图5 二值化的显微图Fig.5 Binarization Micrograph

注:斜率即为D2。图6 lnP和lnA线性拟合Fig.6 Linear Fitting of lnP and lnA

2.3.2 污泥絮体扫描电镜分析

通过扫描电镜技术对活性污泥絮体进行微观观测,污泥絮体经扫描电镜放大3 000倍拍摄的絮体表面如图7所示,电镜扫描图像可与二值化的显微图片互相印证。由图7(a)和图7(c)判断,污泥经壳聚糖单独调理后,污泥絮体颗粒呈网状结构,絮体孔隙较大,存在较多内部间隙水。根据图7(b)和图7(d),经溶菌酶单独调理或溶菌酶辅助壳聚糖调理后,污泥絮体表面结构变得紧凑、密实,孔隙数量大大减少。结果表明,壳聚糖具有良好的吸附架桥作用,污泥颗粒凝聚成疏松的絮状体,其体积和密度增加而易于沉降,但絮状体内部的颗粒间隙水未被去除。溶菌酶辅助壳聚糖调理污泥时,通过水解微生物细胞壁,释放颗粒内部间隙水,进一步改善了活性污泥的脱水程度。

图7 污泥絮体表面形态扫描电镜图片(放大倍数:3 000)Fig.7 SEM Image of Surface Morphology of Sludge Floc (Magnification Times: 3 000)

3 结论

(1)活性污泥经溶菌酶辅助壳聚糖调理后,真空抽滤泥饼含水率由原泥的92.7%降至73.0%,下降约21.3%,污泥比阻由原泥的3.45×1012m/kg降至1.9×1011m/kg,下降了约94.5%,活性污泥的脱水性能得到显著提高。

(2)通过对污泥絮体分形维数和扫描电镜分析,可知溶菌酶辅助壳聚糖调理改善活性污泥脱水性能,其机理主要在于:一方面通过电性中和压缩污泥双电层结构,污泥|ζ|电位均值由4.71 mV降低至0.28 mV,促进污泥胶体脱稳、凝聚;另一方面压缩絮体颗粒间孔隙并释放部分间隙水,增加污泥絮体密实程度,D2值由1.488提高到1.748,从而进一步改善活性污泥的脱水性能。