不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)市政厭氧污泥脫水性能的影響

桑建偉，黃家榜，楊宏星，周 銳，朱守誠(chéng)，陳天澤

(污水凈化與生態(tài)修復(fù)材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/合肥市東方美捷分子材料技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

近些年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，市政污水處理量逐漸上升，污泥產(chǎn)量也隨之日益增加[1]。污泥含水率高，含有大量有毒有害物質(zhì)，量大面廣致使堆放體積龐大，給后續(xù)污泥處理與運(yùn)輸帶來(lái)不便，并大幅度提高了處理費(fèi)用。因此，污泥脫水已成為污泥處理的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)已成為全球性亟待解決的重大環(huán)境問(wèn)題[2]。細(xì)胞外聚合物質(zhì)(extracellular polymeric substances，EPS)主要為高分子聚合物，對(duì)于污泥的沉淀性能、絮凝性能和脫水性能等方面發(fā)揮著重要作用[3]。研究發(fā)現(xiàn)EPS包括松散結(jié)合層EPS(loosely bound EPS，LB-EPS)與緊密結(jié)合層EPS(tightly bound EPS，TB-EPS)，進(jìn)一步研究表明，LB-EPS含量與污泥絮凝性能、沉降性能和脫水性能關(guān)系密切，而TB-EPS含量對(duì)污泥特性影響不大或非主要影響因素[4-6]。然而污泥脫水性能則主要與可溶性EPS中蛋白質(zhì)和碳水化合物含量相關(guān)[7]。因此，可通過(guò)分析可溶性EPS有機(jī)物質(zhì)含量來(lái)評(píng)價(jià)污泥的脫水性能[8]。

目前，污泥脫水性能主要依賴(lài)于化學(xué)調(diào)理和機(jī)械脫水來(lái)實(shí)現(xiàn)，而化學(xué)調(diào)理主要通過(guò)添加不同調(diào)理劑來(lái)改變污泥絮體結(jié)構(gòu)及其水分組成，從而改善污泥的脫水性能，其中無(wú)機(jī)調(diào)理劑主要有鐵鹽、鋁鹽、鎂鹽及其高分子聚合物等[9]。近年來(lái)，有關(guān)于污泥脫水性能的研究文獻(xiàn)不斷增多，其主要集中在芬頓試劑、鐵鹽、微波處理等方面，但對(duì)不同無(wú)機(jī)鹽處理比較的研究較少[10-13]。本研究主要探討不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)厭氧污泥脫水性能的影響，并對(duì)EPS中蛋白質(zhì)和多糖含量進(jìn)行分析，從而獲得更高效、經(jīng)濟(jì)且顯著提高污泥脫水性能的調(diào)理劑，以期為工程應(yīng)用與生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)用市政厭氧污泥取自安徽省某城市污水處理系統(tǒng)厭氧消化池。參照《CJ/T 211-2005城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》[14]測(cè)定污泥的基本性質(zhì)，結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)試劑：FeCl3、PAC和AlCl3均為工業(yè)級(jí)；牛血清蛋白、考馬斯亮藍(lán)(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；其他試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器：污泥比阻實(shí)驗(yàn)設(shè)備(上海同廣科教)；HJ-4A型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(江蘇新瑞)；AXTDL5M型臺(tái)式低速冷凍離心機(jī)(江蘇安信)；UV-1100紫外分光光度計(jì)(上海美譜達(dá))；pHS-3Cb型pH計(jì)(上海雷磁)；DDS-307A型電導(dǎo)率儀(上海雷磁)；JC101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(南通嘉程)；FA2004B型電子天平(上海越平)；H-10T型液壓壓力機(jī)(泰州明益)；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋(上海力辰)；超聲設(shè)備(合肥金尼克)。

表1 市政初始厭氧污泥的基本性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

市政厭氧污泥預(yù)處理：將厭氧污泥經(jīng)24目過(guò)篩去除雜質(zhì)，篩后厭氧污泥含固率調(diào)至3%并置于4℃冷藏柜中貯存?zhèn)溆谩?/p>

不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)厭氧污泥處理實(shí)驗(yàn)：分別稱(chēng)取500g預(yù)處理后的厭氧污泥于燒杯中，投加不同無(wú)機(jī)鹽后，先280r/min快速攪拌3min，再60r/min慢速攪拌20min后靜置30min，取出對(duì)其進(jìn)行分析測(cè)試。

1.3 測(cè)試方法

脫水性能測(cè)試：采用TTF評(píng)價(jià)市政厭氧污泥的脫水性能[15]。測(cè)定裝置同污泥比阻實(shí)驗(yàn)裝置。具體測(cè)試方法如下：將50g厭氧污泥加入裝有中速定量濾紙的布氏漏斗中，在0.05 MPa壓力下抽濾，當(dāng)抽濾液體積為25mL時(shí)記錄所需時(shí)間，即為T(mén)TF。

污泥比阻測(cè)試[16]：取50g厭氧污泥倒入布氏漏斗(過(guò)濾面積為A)，在抽濾壓強(qiáng)P為0.05MPa下定壓抽濾，記錄不同時(shí)間ti與抽濾液體積Vi，并計(jì)算得到ti/Vi與Vi的斜率b，待泥餅出現(xiàn)龜裂(或真空度破壞)，記錄最終抽濾液體積V，稱(chēng)量抽濾后泥餅干污泥質(zhì)量計(jì)算單位抽濾液干污泥質(zhì)量C，并用黏度儀測(cè)試抽濾液黏度μ。根據(jù)公式計(jì)算出污泥比阻值SRF=2bPA2/μC。

真空抽濾泥餅含水率測(cè)試[17]：取100g厭氧污泥倒入真空抽濾裝置，0.05MPa抽濾25min后，取出泥餅稱(chēng)量濕污泥質(zhì)量m1，105℃烘干至恒重，冷卻后稱(chēng)量干污泥質(zhì)量m2，泥餅含水率η=(m1-m2)/m2×100%。

胞外聚合物(EPS)提取與測(cè)試：采用熱提取法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[18]，具體測(cè)試方法如下：取預(yù)處理后厭氧污泥10g于離心管中2500g離心15min，所得上清液即為黏液層EPS(SB-EPS)；將離心管剩余污泥放入5mL 0.05%NaCl溶液重新分散，并超聲2min后150r/min振蕩10min，再超聲2min，最后5000g離心25min，所得上清液即為松散層EPS(LB-EPS)；剩余污泥再放入5mL 0.05%NaCl溶液重新分散，超聲15min后在60℃水浴加熱30min，并在12000g下離心30min，所得上清液即為緊密層EPS(TB-EPS)，離心液經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后待用。采用考馬斯亮藍(lán)顯色法測(cè)定EPS中蛋白質(zhì)含量；采用苯酚硫酸法測(cè)定EPS中多糖含量[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)污泥脫水性能的影響

市政厭氧污泥經(jīng)不同濃度無(wú)機(jī)鹽調(diào)理后污泥TTF變化情況如圖1所示。初始厭氧污泥TTF為4.85min，經(jīng)不同濃度無(wú)機(jī)鹽調(diào)理后污泥TTF均有不同程度下降，表明厭氧污泥的脫水性能均得到改善，其中FeCl3和AlCl3調(diào)理后污泥TTF下降最顯著，無(wú)機(jī)鹽濃度越高，達(dá)到最佳脫水性能的時(shí)間越短。不同濃度FeCl3、AlCl3和PAC調(diào)理后，污泥TTF呈現(xiàn)先下降后平緩趨勢(shì)，當(dāng)投加量為60mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，F(xiàn)eCl3、AlCl3和PAC調(diào)理后污泥TTF下降分別開(kāi)始平緩，其污泥TTF分別對(duì)應(yīng)為0.92、0.97和2.44min，較初始厭氧污泥TTF分別縮短81.03%、80.00%和49.69%。綜上，不同無(wú)機(jī)鹽調(diào)理厭氧污泥后，F(xiàn)eCl3和AlCl3調(diào)理后污泥脫水性能均能得到優(yōu)良改善，PAC改善效果不顯著。

2.2 不同無(wú)機(jī)鹽條件下污泥比阻與含水率的對(duì)比

不同無(wú)機(jī)鹽調(diào)理下污泥比阻與含水率變化情況如圖2所示。初始厭氧污泥含水率和污泥比阻分別為83.76%和2.41×109m/kg，經(jīng)不同濃度無(wú)機(jī)鹽調(diào)理后污泥含水率和污泥比阻均有不同程度下降，表明厭氧污泥的脫水性能均得到改善，其中FeCl3和AlCl3調(diào)理后污泥改善程度最顯著，污泥含水率和污泥比阻較低。

由圖2-a可看出，隨著FeCl3投加量的增加，泥餅含水率與污泥比阻均呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，當(dāng)投加量低于60mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，泥餅含水率與污泥比阻隨著投加量的增加而下降，含水率從83.76%下降到63.34%，污泥比阻從2.41×109m/kg下降到0.99×109m/kg，相較于初始污泥比阻下降了58.99%；當(dāng)投加量高于60mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，泥餅含水率與污泥比阻隨著投加量的增加而上升，含水率從63.34%回升到66.87%，污泥比阻從0.99×109m/kg回升到1.10×109m/kg；當(dāng)投加量為60mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，泥餅含水率與污泥比阻均達(dá)到最低(分別為63.34%和0.99×109m/kg)，表明FeCl3的投加可顯著改善污泥的脫水性能。從圖2-b可看出，隨著AlCl3投加量的增加，泥餅含水率與污泥比阻均呈現(xiàn)先逐漸下降后平緩趨勢(shì)，當(dāng)投加量為80mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)污泥含水率達(dá)到最低(62.35%)，污泥比阻也達(dá)到最低(0.47×109m/kg)，相較于初始污泥比阻下降了80.29%，表明AlCl3的投加能顯著改善污泥的脫水性能。從圖2-c可看出，隨著PAC投加量的增加，泥餅含水率與污泥比阻均呈現(xiàn)先逐漸下降后平緩趨勢(shì)，當(dāng)投加量高于60mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)污泥含水率趨于平穩(wěn)，其中當(dāng)投加量為80mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)污泥含水率最低(66.89%)；當(dāng)投加量低于80mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，污泥比阻由初始的2.41×109m/kg減少到1.35×109m/kg，相較于初始污泥比阻下降了44.01%；當(dāng)投加量高于80mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，污泥比阻趨于平穩(wěn)；當(dāng)投加量為100mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，污泥比阻達(dá)到最低(1.34×109m/kg)，表明PAC的投加可一定程度改善污泥的脫水性能，但相比較FeCl3和AlCl3，PAC在調(diào)理污泥脫水過(guò)程中改善程度不顯著。

2.3 不同無(wú)機(jī)鹽調(diào)理下污泥中有機(jī)物質(zhì)含量的對(duì)比

污泥脫水性能與其胞外聚合物中蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量有關(guān)[7]，且其蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量越高，污泥的絮凝和沉降性能越好，從而污泥的脫水性能越優(yōu)[19-20]。不同無(wú)機(jī)鹽調(diào)理后厭氧污泥中可分離的各組分EPS的多糖和蛋白質(zhì)含量如圖3、圖4、圖5所示。

由圖3可看出，F(xiàn)eCl3調(diào)理后厭氧污泥中多糖和蛋白質(zhì)的含量都呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)。當(dāng)投加量低于40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，調(diào)理后的厭氧污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其多糖含量從5.27mg/g迅速增加到8.29mg/g，較初始污泥增長(zhǎng)了57.31%，蛋白質(zhì)含量從1.26mg/g迅速增加到4.90mg/g；當(dāng)投加量高于40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖和蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，多糖含量從8.29mg/g降低到4.41mg/g，蛋白質(zhì)含量從4.90mg/g降低到0.55mg/g；當(dāng)投加量為40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖和蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高，含量分別為8.29mg/g和4.90mg/g。表明隨著FeCl3的加入污泥中微生物細(xì)胞膜的滲透壓發(fā)生改變，導(dǎo)致微生物擊穿性破裂，胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出，從而導(dǎo)致污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量不斷上升；同時(shí)FeCl3投加量的增加導(dǎo)致污泥pH降低程度較大，而且還在超聲和加熱的作用下，多糖和蛋白質(zhì)會(huì)有大部分水解，從而導(dǎo)致污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量不斷下降。

從圖4可看出，AlCl3調(diào)理后厭氧污泥中多糖和蛋白質(zhì)的含量都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)投加量低于20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，調(diào)理后的厭氧污泥中多糖含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，含量從5.27mg/g迅速增加到8.13mg/g，較初始污泥增長(zhǎng)了54.27%；當(dāng)投加量低于20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，含量從8.13mg/g降低到3.73mg/g；當(dāng)投加量為20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖含量最高(8.13mg/g)。當(dāng)投加量低于40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，調(diào)理后的厭氧污泥中蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，含量從1.26mg/g迅速增加到2.62mg/g；當(dāng)投加量低于40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，含量從2.62mg/g降低到0.90mg/g；當(dāng)投加量為40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其蛋白質(zhì)含量最高(2.62mg/g)。表明隨著AlCl3的加入污泥中微生物細(xì)胞膜的滲透壓發(fā)生改變，微生物細(xì)胞膜破裂，胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出，從而導(dǎo)致污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量不斷上升；同時(shí)AlCl3投加量的增加導(dǎo)致污泥pH降低程度較小，而且在超聲和加熱的作用下，多糖和蛋白質(zhì)會(huì)有部分水解，從而導(dǎo)致污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量不斷下降。

由圖5可看出，PAC調(diào)理后厭氧污泥中多糖和蛋白質(zhì)的含量都呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)。當(dāng)投加量低于20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，調(diào)理后的厭氧污泥中多糖和蛋白質(zhì)的含量均呈上升趨勢(shì)，其多糖含量從5.27mg/g迅速增加到7.75mg/g，較初始污泥增長(zhǎng)了47.06%，蛋白質(zhì)含量從1.26mg/g迅速增加到3.07mg/g；當(dāng)投加量高于20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖和蛋白質(zhì)的含量均呈下降趨勢(shì)，多糖含量從7.75mg/g降低到5.05mg/g，蛋白質(zhì)含量從3.07mg/g降低到1.59mg/g；當(dāng)投加量為20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖和蛋白質(zhì)的含量最高，含量分別為7.75mg/g和3.07mg/g。表明隨著PAC的加入污泥中微生物細(xì)胞膜的滲透壓發(fā)生改變，微生物細(xì)胞膜破裂，胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出，從而導(dǎo)致污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量不斷上升；同時(shí)PAC投加量的增加導(dǎo)致污泥pH降低程度很小，而且在超聲和加熱的作用下，多糖和蛋白質(zhì)會(huì)有小部分水解，從而導(dǎo)致污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量不斷下降。

從調(diào)理后厭氧污泥中多糖與蛋白質(zhì)含量的比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eCl3和AlCl3的投加對(duì)污泥的脫水性能有著顯著促進(jìn)作用，而PAC的投加對(duì)其促進(jìn)作用不明顯。

3 結(jié)論

(1)FeCl3和AlCl3均能顯著改善厭氧污泥的脫水性能，當(dāng)投加量為60mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，F(xiàn)eCl3和AlCl3處理后污泥TTF較初始厭氧污泥分別縮短81.03%和80.00%，而PAC改善效果不明顯。

(2)經(jīng)不同濃度無(wú)機(jī)鹽調(diào)理后污泥含水率與污泥比阻均有不同程度下降，其脫水性能得到良好改善，其中FeCl3和AlCl3調(diào)理后污泥改善程度最顯著，無(wú)機(jī)鹽濃度越高，污泥含水率和污泥比阻越低。

(3)經(jīng)FeCl3和AlCl3調(diào)理后污泥中多糖和蛋白質(zhì)含量較高，當(dāng)FeCl3投加量為40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖和蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高；當(dāng)AlCl3投加量為20mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)和40mg/g(無(wú)機(jī)鹽與干污泥質(zhì)量比)時(shí)，其多糖和蛋白質(zhì)含量分別達(dá)到最高。