生物淋濾中硫粉對污泥EPS組分和脫水性的影響

夏 晶,田永靜,王 驍,黃天寅

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生物淋濾中硫粉對污泥EPS組分和脫水性的影響

夏 晶,田永靜*,王 驍,黃天寅

(蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215009)

為探討生物淋濾過程中污泥的脫水性能及其與胞外聚合物(EPS)中蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)的關(guān)系,以硫粉(S0)作為底物,設(shè)計了不同S0投量(0,2,4,6,8g/L)+10%接種物的實驗組進行10d淋濾實驗.結(jié)果表明:溶解態(tài)PN、PS含量和污泥比阻(SRF)在淋濾0~2d降低,之后呈上升趨勢,結(jié)合態(tài)PN、PS含量在淋濾0~8d呈下降趨勢,之后略微上升,且S0投加量越大,上述變化趨勢越明顯.統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn),SRF與溶解態(tài)PN、PS有顯著的正相關(guān)性(=0.861、0.875,<0.01).說明不同S0投加量導(dǎo)致溶解態(tài)PN、PS含量變化從而影響了污泥脫水性能,其中溶解態(tài)PS的變化對污泥脫水性能作用更大.S0投量為8g/L、淋濾時間為2d時,污泥脫水效果最佳, S0投量為2g/L、淋濾時間6d效果次之,SRF分別比原污泥降低58%和54%,又由于后者重金屬去除率高于前者,推薦S02g/L,溫度30℃,淋濾時間6d,pH值降至2.66為最適工藝條件.

污泥；硫粉；脫水性能；蛋白質(zhì)；多糖

城市剩余污泥是污水處理廠在運行過程中必然要產(chǎn)生的副產(chǎn)品,具有含水率高、重金屬含量高等特點,這極大地限制了污泥的后續(xù)利用價值[1].大量研究表明生物淋濾法調(diào)理污泥能夠有效的去除重金屬[2-5],其常用能源物質(zhì)有硫粉和硫酸亞鐵兩種,前者對重金屬去除效果更優(yōu)并且用量少[6-7],因此本課題組利用以硫粉作為底物的生物淋濾法處置污泥.研究發(fā)現(xiàn)淋濾前期不僅能使得少量重金屬溶出,也能改善污泥脫水性;淋濾中后期重金屬溶出率變高,但脫水性嚴重惡化.由此可見利用硫粉作為底物調(diào)理污泥時既要保證重金屬去除率,也要關(guān)注污泥的脫水性.然而關(guān)于生物淋濾對污泥脫水性影響的研究大多都以硫酸亞鐵作為底物[8-9],以硫粉為底物的生物淋濾研究則側(cè)重于重金屬的去除,忽略了對污泥脫水性的影響,其原因分析也幾乎沒有.

污泥脫水性能大多與污泥中胞外聚合物(EPS)的變化有關(guān),EPS主要組分為蛋白質(zhì)和多糖,脂類、核酸等含量相對較低.有學者研究污泥EPS總量、組分與脫水性的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)EPS對污泥的脫水性能有重要貢獻[10-12],其中蛋白質(zhì)和多糖對污泥脫水性能的作用遠高于脂類、核酸等物質(zhì).EPS按結(jié)構(gòu)可劃分為外層溶解態(tài)和內(nèi)層結(jié)合態(tài)兩種類型,蛋白質(zhì)、多糖也就可以以這兩種形態(tài)劃分.Dai等[13]采用AMD預(yù)處理后再用Fenton/石灰對污泥深度處理發(fā)現(xiàn)污泥脫水性與溶解態(tài)EPS中的色氨酸蛋白和芳香蛋白有顯著的相關(guān)性, Wang等[14]用聚合氯化鋁、鈦干凝膠混凝劑和聚合硫酸鐵對污泥進行調(diào)理,發(fā)現(xiàn)溶解態(tài)EPS中多糖含量是影響污泥脫水性的關(guān)鍵因素,Xiao等[15]對污泥進行超聲處理又得出溶解態(tài)EPS中蛋白質(zhì)和多糖都是影響污泥脫水性的關(guān)鍵有機物.由此可見,蛋白質(zhì)、多糖與污泥脫水性關(guān)系雖然結(jié)論矛盾但關(guān)系密切,矛盾可能是各自處理污泥的方法不同造成的,不同的污泥處理方法引起污泥蛋白質(zhì)和多糖中的親水和疏水成分發(fā)生復(fù)雜的變化,結(jié)論也就不一致.因此以蛋白質(zhì)、多糖與脫水性的密切關(guān)系為依據(jù)推測硫粉的加入也會引起蛋白質(zhì)、多糖變化從而影響污泥脫水性.

本文主要目的是研究硫粉(S0)投量對污泥EPS中蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)以及脫水性的影響,并探討在硫粉影響下PN、PS與脫水性關(guān)系以驗證上述推測,同時在兼顧重金屬能夠有效的去除的情況下,得出以硫粉改善污泥脫水性的最佳工藝條件.

1 試劑與方法

1.1 供試污泥與接種物的制備

供試污泥取自蘇州市某污水處理廠的濃縮池,冷藏在4℃冰箱中備用.由此得到的實驗用污泥物理化學性質(zhì)見表1.

表1 污泥的物理化學特性

接種物制備:取100mL污泥于250mL錐形瓶中,加入10g/L的S0作為底物,在180r/min,30℃下振蕩培養(yǎng),直至污泥pH值降至2.0以下得到混合菌液.取已培養(yǎng)好的混合菌液,按體積比10%的接種量加到100mL污泥中,加入10g/L的S0,振蕩培養(yǎng),pH值降到2.0以下后,同法再進行1次富集培養(yǎng),即為接種物.

1.2 生物淋濾實驗

取足夠量的新鮮污泥,通過設(shè)計底物投加量形成以下實驗:①硫粉S0(0,2,4,6,8g/L)+10%接種物;②空白對照(0g/L S0+0%接種物).錐形瓶置于180r/min,30℃的水浴振蕩器中培養(yǎng),每個實驗組設(shè)兩個平行樣,進行10d淋濾實驗,實驗過程中用去離子水補齊錐形瓶內(nèi)散失的水分.每2d測定淋濾過程中污泥中pH值、比阻(SRF)、溶解態(tài)PN、PS和結(jié)合態(tài)PN、PS.

1.3 分析方法

污泥pH值采用pHS-3CpH計測定.SRF用布氏漏斗法測定,主要步驟是將定量濾紙放入布氏漏斗中,倒入100mL污泥樣,依靠重力過濾約1min,然后進行定壓抽濾并計時,記錄不同時間的濾液體積,至真空被破壞或抽濾20min后停止,最后根據(jù)公式計算出比阻值[16].測定PN和PS時先將溶解態(tài)和結(jié)合態(tài)的EPS采用物理方法分離出來[17-19],各取40mL污泥混合液置于100mL的離心試管內(nèi),在6000r/min離心5min,傾出上清液,用經(jīng)0.45μm濾膜過濾后為溶解態(tài)EPS;沉淀污泥顆粒采用熱提取法繼續(xù)提取,加入0.01mol/L NaCl鹽水至原體積,超聲3min,80℃水浴加熱30min,15000r/min離心20min,上清液即為結(jié)合態(tài)EPS.蛋白質(zhì)測定采用Lowry法[20];多糖測定采用Anthone法[21].統(tǒng)計分析采用SPSS19.0軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同S0投加量對污泥pH值的影響

pH值的變化是衡量生物淋濾是否起作用的重要指標.由圖1可見,對照實驗組pH值降低不明顯,一直處于5.0以上.0g/L S0的實驗組在0~2d期間pH值降低,隨后基本保持不變,這是因為該實驗組的接種物中含有少量S0,使得初期pH值降低,而后期營養(yǎng)物質(zhì)S0耗盡,就和對照組pH值一樣保持不變.S0為2,4,6,8g/L實驗組污泥pH值隨淋濾時間降低,且S0投加量越高降低越快,這表明生物淋濾效果良好.其中8g/L實驗組淋濾10d后,pH值降至1.64左右.

圖1 不同S0投量下pH值的變化

2.2 不同S0投加量對污泥中蛋白質(zhì)和多糖的影響

由圖2和圖4可見,對照組溶解態(tài)PN、PS含量先降低后趨于穩(wěn)定.投加S0的實驗組溶解態(tài)PN、PS含量先在生物淋濾前期(0~2d)減少隨后又以不同程度增加,中期(2~6d)溶解態(tài)PN、PS含量增加趨勢緩慢,中后期(6~8d)增加明顯,后期(8~10d)增加趨勢又減緩,且S0投加量越多,溶解態(tài)PN、PS增加量就越多.生物淋濾反應(yīng)結(jié)束(10d)時,S0為8g/L實驗組溶解態(tài)PN含量為14.92mg/g,高出原污泥237%;溶解態(tài)PS含量為28.66mg/g,高出原污泥745%.

圖2 不同S0投量對溶解態(tài)蛋白質(zhì)的影響

圖3 不同S0投量對結(jié)合態(tài)蛋白質(zhì)的影響

由圖3和圖5可見,投加S0組較對照組結(jié)合態(tài)PN、PS含量下降明顯,且投量越大,減少量越多.前期(0~2d)下降趨勢明顯,中期(2~6d)與中后期(6~8d)趨勢減緩,但在后期(8~10d)又出現(xiàn)增加的情況.生物淋濾反應(yīng)結(jié)束(10d)時,S0投加量8g/L實驗組結(jié)合態(tài)PN含量為11.20mg/g,比原污泥低65%;結(jié)合態(tài)PS含量為4.95mg/g,比原污泥低54%.

圖4 不同S0投量對溶解態(tài)多糖的影響

結(jié)合各組分析,對照組PN、PS含量減少說明EPS含量也在減少,這是由于該體系缺少營養(yǎng)物質(zhì),微生物將EPS作為碳源和能源進行代謝,從而EPS含量降低[22].S0為0g/L實驗組由于初期體系中含有接種物攜帶的S0,生物淋濾起作用,使得污泥pH值下降,EPS在酸化條件下可被分解[23],從而導(dǎo)致PN和PS量減少,后期S0耗盡,生物淋濾體系難以維持,PN、PS變化無明顯規(guī)律.投加S0后,前期(0~2d)自養(yǎng)弱嗜酸菌在中性pH值下即可迅速生長,促使pH值降低,污泥中原有的大多異養(yǎng)生物不能耐受弱嗜酸菌產(chǎn)酸的環(huán)境,大量EPS從污泥顆粒表面脫落和分解[24],同時自養(yǎng)菌產(chǎn)生的EPS要比異養(yǎng)菌低,當自養(yǎng)型弱嗜酸菌逐漸占優(yōu)勢時,污泥EPS就會明顯減少[25],所以在前期PN和PS含量降低,且S0投加越多,pH值下降越快,PN和PS含量減少越多;其中結(jié)合態(tài)PN、PS減少量比溶解態(tài)PN、PS減少量明顯是因為部分結(jié)合態(tài)EPS會被釋放[26],成為溶解態(tài)EPS.長時間的生物淋濾會使得污泥pH值持續(xù)降低,弱嗜酸菌分泌更多的EPS以保護自身細胞免受傷害,溶解態(tài)EPS和結(jié)合態(tài)EPS含量應(yīng)都有所增高,但結(jié)合態(tài)EPS會剝落進入液相成為溶解態(tài)EPS,所以生物淋濾中期(2~6d)污泥溶解態(tài)PN、PS含量升高,而結(jié)合態(tài)PN、PS降低,降低趨勢較前期有所減緩.生物淋濾繼續(xù)進行導(dǎo)致pH過低,弱嗜酸硫細菌停止生長,細胞自溶,胞內(nèi)釋放大量溶解態(tài)PN、PS,因此在中后期(6~8d)溶解態(tài)PN、PS明顯增加.后期(8~10d)嗜酸菌處于減速生長期和內(nèi)源呼吸期,主要排泄高分子聚合物,與細胞體結(jié)合較緊密[18],因此淋濾后期,結(jié)合態(tài)PN、PS又有增加的情況.

圖5 不同S0投量對結(jié)合態(tài)多糖的影響

2.3 不同S0投加量和淋濾時間對污泥脫水性的影響

圖6 不同S0投量對SRF的影響

污泥SRF是反應(yīng)污泥過濾性能的綜合指標.由圖6可見,在淋濾前2d,污泥SRF變小,污泥脫水性得到改善,并且S0投加量越高,SRF越低,脫水效果越好,其中8g/L的實驗組污泥SRF從原污泥的28.84′1012m/kg降低到12.07′1012m/kg.2g/L實驗組淋濾2d后污泥脫水性繼續(xù)改善,6d時SRF下降至13.35′1012m/kg;6d后比阻上升,高出原污泥的SRF,污泥脫水性變差;4,6,8g/L實驗組淋濾2d后SRF開始升高,且投加量越高,SRF升高速度越快,8g/L的實驗組在淋濾10d的時SRF達到516.69′1012m/kg,脫水性嚴重惡化.

2.4 污泥蛋白質(zhì)、多糖和脫水性的關(guān)系

表2為溶解態(tài)PN、PS和結(jié)合態(tài)PN、PS及其比值與SRF的pearson相關(guān)系數(shù).從表中發(fā)現(xiàn),溶解態(tài)PN、PS和SRF呈顯著正相關(guān)(=0.861、0.875,<0.01);結(jié)合態(tài)PN、PS和SRF呈負相關(guān)(=-0.506,=-0.385,<0.05);溶解態(tài)PN/溶解態(tài)PS、和結(jié)合態(tài)PN/結(jié)合態(tài)PS與SRF則沒有顯著的相關(guān)性(= -0.264、-0.051,0.05).說明污泥脫水性主要受溶解態(tài)PN、PS影響.從表2中還可以看出,溶解態(tài)PS的相關(guān)性高于溶解態(tài)PN,且結(jié)合圖2、3、4、5、6看出,SRF快速升高時,溶解態(tài)PS的增加量明顯高于溶解態(tài)PN的增加量.由于PS是EPS的親水組分[27-28],含有較多的-OH等基團,當PS含量大于PN,EPS中會含有較多的負電或極性官能團,結(jié)合大量水分子并使得污泥表面帶負電荷,最終導(dǎo)致污泥表面靜電斥力增加,污泥脫水性變差.因此可推測溶解態(tài)PS比溶解態(tài)PN在影響污泥脫水性能方面起的作用更大.

表2 蛋白質(zhì)、多糖及其比值與SRF的Pearson 相關(guān)系數(shù) (n =36)

注:**表示<0.01,*表示<0.05.

2.5 工藝條件優(yōu)選

表3 Cu、Zn、Ni去除率

由圖6可看出,投加S0實驗組中S0投量為8g/L、淋濾2d、pH值降至3.56時以及S0投量2g/L淋濾6d、pH降至2.66時,SRF分別比原污泥SRF降低了58%、54%,兩組污泥脫水效果都較好,而最終工藝條件的確定還要兼顧重金屬的去除率.本實驗污泥中Cu、Zn、Ni的總含量為677,6135,76mg/kg,表3為以上兩組的Cu、Zn、Ni的去除情況,從表中看出第二組Cu、Zn、Ni的去除率高于第一組,因此選擇第二組的工藝條件為S0改善污泥脫水性能的最適工藝條件.

3 結(jié)論

3.1 以S0作為底物進行生物淋濾實驗過程中,溶解態(tài)PN、PS含量前2d減小后又逐漸增加;結(jié)合態(tài)PN、PS在前8d含量減低,后2d略微升高.并且S0投加量越多,變化程度越大.污泥SRF變化與溶解態(tài)PN、PS有著相似的規(guī)律.

3.2 統(tǒng)計分析得出,污泥SRF與溶解態(tài)PN、PS有顯著的正相關(guān),與結(jié)合態(tài)PN、PS呈負相關(guān),說明S0的投加主要引起了EPS中溶解態(tài)PN、PS的變化,從而影響了污泥脫水性.其中溶解態(tài)PS與SRF有更顯著的相關(guān)性,說明溶解態(tài)PS的變化對污水脫水性能的影響更大.

3.3 利用以S0為底物的生物淋濾法調(diào)理污泥時, 在兼顧重金屬能夠有效的去除的情況下,得出S0改善污泥脫水性能的最佳工藝條件為溫度30℃,S02g/L,淋濾6d,pH值降至2.66.

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Effect of S0on fractions of EPS in sludge and dewaterability by bioleaching.

XIA Jing, TIAN Yong-jing*, WANG Xiao, HUANG Tian-yin

(School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China)., 2019,39(2)：619~624

To investigate the dewaterability of sludge and its relationship with protein (PN), polysaccharide (PS) of extracellular polymers (EPS) in sludge bioleaching, S0was added as substrate with different dosage of S0(0g/L, 2g/L, 4g/L, 6g/L, 8g/L) +10% inoculum for 10 days. Results showed that dissolved PS, PN and sludge specific resistance (SRF) reduced at 0~2days, but increased later, while the bound PN and PS decreased during 0~8d of bioleaching, and slightly increased later. Moreover, the above trend increased with the increasing loadings of S0. Statistical results showed that the SRF and dissolved PN, PS had a significantly positive correlation (=0.861, 0.875,<0.01), suggesting that the content of dissolved PN and PS were influenced by S0, thus affecting the dewatering performance of sludge, in which, the dissolved PS had more effect on the dewatering of sludge. The best bioleaching process for sludge dewatering performance was 8g/L of S0for 2days, followed by 2g/L of S0for 6days. with the SRF 58% and 54% lower than that of the original sludge, respectively. The heavy metal removal rate in the latter case was higher, thus the latter with 30℃, pH dropped to 2.66 was recommended as the optimization conditions.

sludge；S0；dewaterability；protein；polysaccharide

X703

A

1000-6923(2019)02-0619-06

夏 晶(1993-),女,江蘇泰興人,江蘇科技大學碩士研究生,主要研究方向為污水處理與回用技術(shù).

2018-07-18

水體污染控制與治理科技重大專項(2017ZX07205001);蘇州科技大學資助項目(331731201);蘇州科技大學研究生創(chuàng)新與教改項目(SKCX17-018)

* 責任作者, 副教授, 2434509572@qq.com