SDS和SDBS強化污泥水解的實驗研究

吳正松等

摘要：

在污泥中投加2種表面活性劑SDS和SDBS進行預處理，從COD溶出率、溶解性糖類和蛋白質(zhì)3個方面對預處理后污泥的性質(zhì)進行了研究。結(jié)果表明，二者的加入極大地促進了污泥的水解，低劑量范圍時SCOD隨投加劑量增加而顯著升高，投加劑量在50 mg/g dw以上時SCOD增幅不明顯。SCOD分別由初始時的638.5 mg/L最高上升到6 446.8 mg/L（SDBS）和4 857.2 mg/L（SDS），溶出率分別由初始時的5.8%最高上升到37.3%（SDBS）和30.2%（SDS）。在0～150 mg/g dw劑量范圍內(nèi)，溶解性糖類和蛋白質(zhì)隨兩者投加劑量增加呈線性升高趨勢，溶解性糖類分別由初始時的3.54 mg/L最高上升到95.56 mg/L（SDBS）和64.20 mg/L（SDS）。溶解性蛋白質(zhì)分別由初始時的11.72 mg/L最高上升到706.30 mg/L（SDBS）和541.08 mg/L（SDS）。氨氮和VFA濃度也隨投加量升高，氨氮濃度分別由初始時的4.21 mg/L最高上升到130.33 mg/L（SDBS）和10274 mg/L（SDS）；VFA濃度分別由初始時的21.27 mg/L最高上升到358.30 mg/L（SDBS）和283.12 mg/L（SDS）。

關(guān)鍵詞：

預處理； SDS； SDBS；污泥水解

隨著污水處理深度和廣度的不斷提高，污泥產(chǎn)量逐年增加。據(jù)Wilson [1]等的報道，污泥的處理處置費用已經(jīng)占到了污水廠建設(shè)總資本的30%～40%。而1個完善的污泥處理系統(tǒng)， 其運行成本往往占整個污水處理廠總運行成本的50%以上[2]。污泥中含有致病菌，如不對其進行合理的處理則會對環(huán)境造成污染[34]。在眾多的處理方法中，厭氧消化技術(shù)被普遍認為是一種經(jīng)濟且環(huán)境友好的技術(shù)，它能夠降解污泥中的有機物并將其轉(zhuǎn)化成為可作為寶貴能源使用的生物氣體（55%～70%CH4）[5]。在厭氧消化的水解、酸化和產(chǎn)甲烷3個階段中，水解階段是限速步驟[6]。為了強化水解效果，一種可行的方法是對污泥進行細胞破解預處理，通常的預處理方法包括機械、加熱、化學和生物方法，這些預處理的目的都是為了溶解有機物或者減小它們的粒徑，使它們更易被生物降解[78]，從而最終減少剩余污泥的量和消化停留時間。Chang等利用超聲波對污泥進行破解，提高了污泥COD的溶解率，從而有效縮短了污泥消化的停留時間；ValdelRio [9]等對好氧顆粒污泥進行熱處理，提高了其厭氧消化的可生物降解性。而利用表面活性劑的兩親作用和增溶作用強化污泥水解，是改善污泥消化性能的有效途徑之一。Kun[10]等利用表面活性劑SDS和外加酶聯(lián)合對剩余污泥進行預處理，使污泥中SCOD獲得顯著升高；Garcia[11]等考察了不同濃度陰離子表面活性劑對污泥厭氧消化產(chǎn)氣的影響，結(jié)果表明一定濃度范圍內(nèi)的陰離子表面活性劑對污泥消化產(chǎn)氣有促進作用，但超過一定濃度后，會對產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用。目前，中國在利用表面活性劑強化污泥水解、改善污泥消化性能這方面的研究較少，對于兩種表面活性劑的比較研究更是鮮見報道。實驗以SDS（十二烷基硫酸鈉）和SDBS（十二烷基苯磺酸鈉）這2種常用的表面活性劑作為研究對象，考察了投加兩者后對污泥水解效果的影響，以期對表面活性劑在污泥預處理方面的研究和應用起到一定的借鑒和參考作用。

1材料和方法

1.1實驗材料和試劑

實驗所用污泥取自重慶市某污水處理廠二沉池剩余污泥，污泥先經(jīng)過30 min沉淀，棄去上清液，再經(jīng)過1 mm的篩網(wǎng)過濾去除雜質(zhì)后，于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆茫涮匦匀绫?所示。

實驗用SDS（十二烷基硫酸鈉）、SDBS（十二烷基苯磺酸鈉）及其它試劑均為分析純。

1.2實驗裝置和方法

實驗采用的反應器為德國產(chǎn)肖特瓶，有效容積為400 mL，置于恒溫水浴箱中，上部安裝有攪拌電機，實驗裝置簡圖如圖1所示。

取400 mL剩余污泥加入到BMP測定系統(tǒng)的反應器中，根據(jù)測得的污泥含固率投加一定量的SDS和SDBS，充分混勻后向反應器中充入氮氣約4分鐘以驅(qū)除瓶內(nèi)殘留的空氣，設(shè)定水浴溫度為35 ℃，攪拌時間間隔為轉(zhuǎn)1 min停1 min，轉(zhuǎn)速45 r/min，8 h后取樣進行分析，測定其pH、SCOD、TCOD、溶解性糖類、溶解性蛋白質(zhì)、氨氮以及VFA 含量。各實驗同時設(shè)立空白對照組，所有數(shù)據(jù)均去除加入物質(zhì)本身所帶來的影響。

圖1實驗裝置示意圖

1.3分析測試方法

TS、VS采用國標稱重法測定； pH采用pH計測定；TCOD、SCOD采用標準重鉻酸鉀法測定，其中SCOD 是在10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min 后上清液的化學需氧量；上清液中的蛋白質(zhì)采用Folin酚法測定；可溶性糖采用苯酚硫酸法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；VFA采用蒸餾法測定。

2結(jié)果與分析

2.1對污泥pH的影響

設(shè)立2組實驗，每組污泥樣品都投加一定量的SDS、SDBS，投加量均為0、10、20、50、100、150 mg/g dw。反應8 h后，各反應器中pH的情況如圖2所示。

圖2pH隨SDS和SDBS投加量的變化

從圖中可以看出，原污泥的pH為7.57。投加表面活性劑后，2組的pH均有所下降，且高劑量的樣品的pH更低一些。其中SDBS組的pH在7.51～7.19之間，SDS組的pH則在7.54～7.23。分析其pH下降的原因，可能與水解產(chǎn)酸過程有關(guān)，因為水解作用的增強，給酸化過程提供了豐富的底物，一定程度上也促進了酸化作用的進行，而脂肪酸的產(chǎn)生也會使得pH出現(xiàn)一定程度的下降。但從總體看，pH的變化始終是在產(chǎn)甲烷菌比較適宜的范圍內(nèi)的，并未產(chǎn)生所謂的“酸化”現(xiàn)象，對后續(xù)的厭氧消化不會存在不利影響。

2.2對污泥SCOD、TCOD的影響

反應8 h后，污泥中SCOD、SCOD/TCOD隨SDS、SDBS投加量的變化如圖3所示。

圖3SCOD及SCOD/TCOD隨SDS和SDBS投加量的變化

如圖3可知，未添加表面活性劑污泥的SCOD為638.5 mg/L，SCOD溶出率僅為5.8%；當SDBS投加量為10 mg/g dw時，SCOD和SCOD溶出率分別達到了1 321.5 mg/L和11.6%。而同樣的投加量下，SDS組的SCOD和SCOD溶出率分別為1 140.2和98%。說明當加入低劑量的表面活性劑時，污泥就有了較好的水解效果。但隨著SDS和SDBS投加量的增加，SCOD和SCOD溶出率二者的增加幅度均變緩，曲線逐漸趨于平坦。當SDBS加入量為150 mg/g dw時，SCOD達到了最大值6 446.8 mg/L，同時SCOD溶出率達到最大值373%。SDS組的變化趨勢與SDBS基本類似，同樣在150 mg/L的投加量下SCOD及其溶出率達到最大（SCOD為4 857.2 mg/L，溶出率為30.2%）。但相同投加量下，SDS組增容效果均低于SDBS組。就整體而言，兩種表面活性劑較未投加的對照組均有非常顯著的增溶效果。

污泥的水解反應實際是污泥中的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等不溶于水的大分子有機物在淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等水解酶的催化作用下，逐漸水解為溶解性多糖、多肽、脂肪酸等溶解性物質(zhì)，直至最終水解為單糖、氨基酸、短鏈脂肪酸的過程。然而，大分子有機物的水解速率較慢，是有機物生物降解的限速步驟[12]。如果能夠提高水解速率，一方面可以縮短系統(tǒng)的水力停留時間，另一方面還能夠提高有機物的去除率。表面活性劑之所以能夠提高污泥的水解效率，主要與表面活性劑對污泥表面物質(zhì)的作用有關(guān)。表面活性劑不但具有“兩親”即親水親油的性質(zhì)，而且還有“增溶”作用。兩親作用是指表面活性劑連接于污泥表面的大分子（具有親油性）與水分子之間，在外界攪拌力的作用下，污泥表面的大分子物質(zhì)（例如蛋白質(zhì)等）能夠脫離污泥顆粒；而增溶作用是指表面活性劑使一些溶解度不大或者難溶解的物質(zhì)溶解度增加的現(xiàn)象。表面活性劑的“兩親作用”和“增溶作用”促使大量的碳水化合物和蛋白質(zhì)脫離污泥顆粒表面并溶解到液相中，從圖4、圖5中溶解性糖類和蛋白質(zhì)含量的升高也可以說明這一趨勢。而繼續(xù)增加表面活性劑投加量時SCOD溶出率增速放緩，可能是增溶作用已達到一定程度，大分子有機底物濃度的升高抑制了有機質(zhì)的水解反應。

2.3對污泥溶解性糖類、蛋白質(zhì)的影響

反應8 h后，污泥中溶解性糖類、蛋白質(zhì)隨SDS、SDBS的投加量的變化如圖4、5所示。

圖4溶解性蛋白質(zhì)隨SDS和SDBS投加量的變化

從圖4、5中可以看出，在SDBS投加量為0～150 mg/g dw的范圍內(nèi)，溶解性糖類含量由3.54 mg/L增加到95.56 mg/L，而溶解性蛋白質(zhì)含量也由11.72 mg/L增加到706.30 mg/L。在SDS投加量0～150 mg/g dw的范圍內(nèi)，溶解性糖類含量由3.54 mg/L增加到64.20 mg/L，而溶解性蛋白質(zhì)含量也由11.72 mg/L增加到541.08 mg/L。SDS及SDBS的加入均極大的促進了剩余污泥中糖類和蛋白質(zhì)的溶解，大量增加的溶解性糖類和蛋白質(zhì)為

圖5溶解性糖類隨SDS和SDBS投加量的變化

產(chǎn)酸菌提供了豐富的發(fā)酵底物。且二者的濃度都隨著表面活性劑濃度的增加而近似呈現(xiàn)線性增加。Jiang[13]等人對這種線性關(guān)系建立了一階線性數(shù)學模型，并通過線性擬合對模型參數(shù)進行了求證。運用Jiang等人的模型，通過Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得出模型參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)平方，結(jié)果如表2所示：

從表2中可以看出，各模型的相關(guān)系數(shù)平方R2均在0.98以上，模型相關(guān)程度較好，線性關(guān)系較為明顯。

大量研究表明，污泥當中的組分主要被包裹在胞外聚合物（EPS）中，而EPS的主要成分為多糖和蛋白質(zhì)[14]。污泥中溶解性糖類和蛋白質(zhì)的增加，一方面是由于附著于污泥表面的大分子有機物在SDS及SDBS的表面作用下加速溶解的結(jié)果，另一方面，表面活性劑能夠改變污泥的絮體形態(tài)，引發(fā)污泥絮體皂化從而減小污泥的絮體尺寸[15]，污泥網(wǎng)狀絮體結(jié)構(gòu)的破壞也使得污泥絮體內(nèi)部更多的多糖和蛋白質(zhì)被釋放出來[13]，同時也使包埋于EPS中的微生物自身產(chǎn)生的胞外酶得到釋放，從而激活了更多內(nèi)源性酶，進一步加速了水解過程[16]。

從處理效果來看，投加SDBS對污泥水解效率的提高要相對優(yōu)于投加SDS。分析其原因，可能與兩種表面活性劑的物理化學性質(zhì)有關(guān)。當水溶液中表面活性劑的濃度高于臨界束膠濃度（cmc）時，表面活性劑能使難溶于水的有機化合物的表觀溶解度明顯大于它在純水中的溶解度，其實質(zhì)就是不溶于水的物質(zhì)溶入表面活性劑的膠團中。一般來說，cmc越小，膠團聚集數(shù)越大，越利于增溶作用。根據(jù)相關(guān)資料，25℃時SDS的cmc值為2.4×10-2 mol/L，而SDBS的cmc僅為16×10-3 mol/L。由于SDBS的cmc值相對較低，故增溶作用也相對較強[17]。

2.4對污泥中氨氮含量的影響

反應8 h后，污泥中氨氮含量隨SDS、SDBS的投加量的變化如圖6所示。

圖6氨氮濃度隨SDS和SDBS投加量的變化

從圖6中可以看到，加入2種表面活性劑預處理8 h時后，氨氮濃度都大幅度增高，且對于同一種表面活性劑而言，投加劑量越大，氨氮含量越高，但達到一定投加量后升高幅度并不明顯。氨氮含量分別從初始時的4.21 mg/L增加到130.33 mg/L（SDBS）和102.74 mg/L（SDS）。

氨氮含量的升高說明在蛋白質(zhì)不斷溶出的同時，蛋白質(zhì)的進一步分解反應也在進行?？扇苄缘鞍踪|(zhì)在蛋白酶的作用下不斷水解，生成二肽、多肽、氨基酸，氨基酸進一步水解成低分子有機酸、氨及二氧化碳，因此氨氮濃度也隨之增大。由于較高投加量下的反應底物，即可溶性蛋白質(zhì)較多，所以氨氮含量也相應較多。但由于該水解過程主要為酶促反應過程，而上一級反應主要受到表面活性劑的物理化學作用影響，所以在酶濃度處于一定范圍的情況下，氨氮濃度并未隨著底物的線性升高而呈現(xiàn)出相應的線型變化，而是在高投加量下增幅變緩。

2.5對污泥中VFA含量的影響

反應8 h后，污泥中VFA含量隨SDS、SDBS的投加量的變化如圖7所示。

圖7VFA濃度隨SDS和SDBS投加量的變化

從圖7中可以看出，VFA含量的變化趨勢與氨氮基本類似，兩組實驗中VFA濃度都隨著表面活性劑投加劑量的增加而升高，但在高投加量下增幅不明顯。初始時VFA濃度為21.27 mg/L，當表面活性劑投加量為150 mg/g dw時，兩者的VFA濃度均達到最高，分別為358.30 mg/L和283.12 mg/L。

溶解性的多糖和蛋白質(zhì)等大分子有機物在微生物的體外被微生物產(chǎn)生的水解酶進一步水解為低分子量的有機物。這一過程反復進行直到水解產(chǎn)物足夠小，以至于可以被微生物細胞直接吸收同化。被微生物吸收的有機物進入酸化發(fā)酵階段，最終被轉(zhuǎn)化為脂肪酸。因此，表面活性劑可以用來提高污泥的水解速率，為產(chǎn)酸菌提供更多的發(fā)酵底物，從而大幅度地提高VFA的量。

3結(jié)論

1）在污泥中投加不同劑量的表面活性劑SDS及SDBS后，污泥水解效果獲得了顯著的提升，初始時投加劑量越大，水解效果越好，但50 mg/g dw以后增幅不明顯。

2）加入表面活性劑預處理后，污泥中的溶解性糖類和蛋白質(zhì)含量均隨兩種表面活性劑投加量而近似線性上升。SDBS預處理組溶解性糖類和蛋白質(zhì)由初始時的3.54 mg/L和11.72 mg/L最高上升到95.56 mg/L和706.30 mg/L。SDS預處理組溶解性糖類和蛋白質(zhì)由初始時的3.54 mg/L和11.72 mg/L最高上升到64.20 mg/L和541.08 mg/L。

3）表面活性劑的加入使污泥中SCD、氨氮及VFA濃度顯著升高，且投加量越大，濃度越高，但高投加量下增幅不明顯。

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