MBF/納米SiO2 復(fù)配污泥調(diào)理劑對(duì)污泥脫水性能影響的研究

馬軍軍， 朱家明

（南京格洛特環(huán)境工程股份有限公司， 江蘇 南京 210047）

0 引言

調(diào)理作用能夠很大程度上改善污泥的脫水性能。 污泥的調(diào)理方法主要包括加熱、 冷凍和化學(xué)調(diào)理。 由于加熱和冷凍調(diào)理費(fèi)用和能耗均較高，國(guó)內(nèi)、外應(yīng)用較少?；瘜W(xué)調(diào)理由于其操作簡(jiǎn)單、效果好成為常用的污泥調(diào)理方法。目前，通常使用的調(diào)理劑包括機(jī)絮凝劑，如聚丙烯酰胺（PAM）等，成本較高、毒性大，且難生物降解，進(jìn)入環(huán)境后會(huì)產(chǎn)生二次污染；無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，如聚合氯化鋁（PAC）等，會(huì)增加污泥干重。 且單一組分的調(diào)理劑往往無(wú)法達(dá)到理想的脫水效果，因此，研究復(fù)配調(diào)理劑十分必要[1-3]。

微生物絮凝劑（MBF）是一類(lèi)由微生物產(chǎn)生的具有絮凝能力的高分子有機(jī)物， 具有高效且無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)，且能夠改善污泥的脫水性能，是一種新型無(wú)毒的污泥調(diào)理劑[4-7]。但因微生物培養(yǎng)成本太高，提純較為復(fù)雜，故難以在實(shí)際生產(chǎn)中得到推廣。有研究表明，利用廢棄生物質(zhì)，將細(xì)胞水解，是制備微生物絮凝劑及將其投入實(shí)用的可行方法[8-9]。 我國(guó)啤酒年產(chǎn)3 000 余萬(wàn)t，年產(chǎn)啤酒廢酵母70 ～ 90 t，啤酒廢酵母作為啤酒工業(yè)的廢棄物， 進(jìn)行資源化利用是可行的研究方向。 本文利用啤酒廢酵母提取MBF，與納米SiO2復(fù)配后形成復(fù)配調(diào)理劑，考察其對(duì)污泥脫水性能的改善效果， 以期為研究污泥復(fù)配調(diào)理劑的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

1.1.1 樣品來(lái)源及性質(zhì)

廢酵母液取自某啤酒廠， 調(diào)理污泥取自該廠污水處理設(shè)施的剩余污泥。 污泥比阻（SRF）是反映污泥過(guò)濾性能、脫水性能的綜合指標(biāo)，SRF 越大，污泥越難過(guò)濾，其脫水性能也越差；污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）也是污泥脫水性能的重要指標(biāo)，CST 越大，污泥的脫水性能越差。

污泥理、化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 污泥理、化性質(zhì)

1.1.2 主要試劑及儀器

試劑：疏水性納米SiO2，工業(yè)品，平均粒徑為20 nm；聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM），均為分析純。

儀器：污泥比阻測(cè)定儀、毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀、TOC 測(cè)定儀、Zeta 電位分析儀等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 MBF 提取及測(cè)定

MBF 提?。簭U酵母液在100 ℃、不同pH 值及攪拌時(shí)間條件下取出上清液， 通過(guò)孔徑為0.45 μm 的微孔過(guò)濾，于4 ℃保存待用。 MBF 的濃度以總有機(jī)碳（TOC）表示；MBF 中的蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定， 以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)； 多糖采用苯酚-硫酸法測(cè)定，以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1.2.2 污泥脫水性能測(cè)定

SPF：取100 mL 污泥樣品，投加不同比例及種類(lèi)污泥調(diào)理劑，以200 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min，抽濾測(cè)定污泥SPF；

CST：取10 mL 污泥樣品，投加不同比例及種類(lèi)污泥調(diào)理劑， 以200 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min 測(cè)定CST；

Zeta 電位： 考察投加MBF/納米SiO2的Zeta 電位變化，分析各pH 值條件下污泥的脫水機(jī)理。

所有數(shù)據(jù)均使用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 MBF 及其主要組分

MBF 的主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，MBF 通過(guò)蛋白質(zhì)、多糖和官能團(tuán)形成具有絮凝、吸附作用的大分子物質(zhì)[2-3]。 MBF 濃度（以TOC 的濃度表征）、蛋白質(zhì)含量、多糖含量隨著pH 值、熱反應(yīng)時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。 由圖1 可以看出，廢酵母提取TOC 及蛋白質(zhì)、多糖含量受pH 值、熱反應(yīng)時(shí)間影響較大。 對(duì)比分析廢酵母在不同pH 值及熱反應(yīng)時(shí)間下提取MBF 的濃度，發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下提取的MBF 濃度最高，其次為酸性條件，中性條件下提取的最少。 另外，隨著熱反應(yīng)時(shí)間的增加，TOC、蛋白質(zhì)、多糖濃度均增加。分析原因?yàn)樵谒嵝约皦A性條件下， 較長(zhǎng)的加熱時(shí)間有利于廢酵母的細(xì)胞壁破解， 釋放細(xì)胞內(nèi)、 外具有吸附、絮凝作用的蛋白質(zhì)和多糖等聚合物。 熱反應(yīng)60 min 后，細(xì)胞壁內(nèi)的多聚物釋放量減少，TOC、蛋白質(zhì)、多糖含量基本保持不變。 實(shí)驗(yàn)分析可知，廢酵母在pH 值為9.95，80 ℃加熱60 min 條件下提取物的TOC、 蛋白質(zhì)、 多糖含量最高， 質(zhì)量濃度分別達(dá)到214.78，117.75，36.00 mg/L。

圖1 pH 值及熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)TOC、蛋白質(zhì)、多糖濃度變化的影響

2.2 MBF/納米SiO2 復(fù)配比例對(duì)污泥脫水性能的影響

MBF/納米SiO2復(fù)配比例對(duì)污泥脫水性能的影響見(jiàn)表2。 由表2 可以看出， 單獨(dú)投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的MBF 時(shí)，SRF 由3.56 × 1012m/kg 降至3.20 ×1012m/kg， 下降率為10.71%，CST 從50.4 s 降至40.2 s,下降率為20.24%。 隨著投加量增加，MBF 在吸附架橋、電性中和的作用下，水膜被破壞，使污泥顆粒脫穩(wěn)沉降，脫水性能增強(qiáng)。 但是過(guò)多的MBF 反而會(huì)覆蓋部分污泥懸浮顆粒，造成污泥難以脫水，因此選擇4%作為復(fù)配藥劑中MBF 的最佳投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2 不同調(diào)理劑對(duì)污泥脫水性能的影響

同時(shí)，由表2 可以看出，投加MBF（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）+ 納米SiO2（質(zhì)量濃度為0.8 g/L）的復(fù)合調(diào)理劑后， 污泥的SRF 由3.56×1012m/kg 降至2.16×1012m/kg，下降率為39.33%，CST 由50.4 s 降至37.2 s，下降率為26.19%。 分析認(rèn)為，納米SiO2有良好的吸附性能及帶電性，疏水性SiO2可以通過(guò)疏水作用吸附于MBF 的疏水端， 能夠在MBF 和污泥之間形成配位結(jié)合橋，連接污泥顆粒，兩者與污泥之間形成較為穩(wěn)定的三元配體體系，較好的改善污泥的過(guò)濾性能，但過(guò)多的疏水性SiO2和正電荷會(huì)在污泥間產(chǎn)生斥力，阻礙污泥的脫水性能[10]。

2.3 不同條件下MBF/納米SiO2 對(duì)污泥脫水性能的影響

2.3.1 pH 值

pH 值對(duì)MBF/納米SiO2的脫水性能影響見(jiàn)圖2。 由圖2 可以看出，pH 值的改變影響MBF/納米SiO2的脫水性能， 主要因?yàn)閜H 值影響MBF/納米SiO2的帶電狀態(tài)和懸浮顆粒的表面特性。pH 值在5～9 之間時(shí)，MBF/納米SiO2有較強(qiáng)的吸附、 架橋作用，可將污泥中分散的細(xì)小顆粒聚集，形成較大的絮凝體，污泥的脫水性能較好。 在pH 值小于5 時(shí)，由于污泥的胞外多聚物（EPS）含有多種有機(jī)物，富含羥基等官能團(tuán)， 官能團(tuán)在酸性條件下具有更強(qiáng)的疏水性， 因此污泥的脫水性能較好。 在pH 值大于10時(shí)，污泥菌膠團(tuán)遭到破壞，釋放具有親水性物質(zhì)，易在表面形成水化膜，使得污泥的脫水性能下降[11]。

圖2 pH 值對(duì)污泥脫水性能的影響

2.3.2 溫度

溫度對(duì)MBF/納米SiO2的脫水性能影響見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)污泥脫水性能的影響

圖3 Zeta 電位變化

由圖3 可以看出，MBF/納米SiO2用來(lái)調(diào)理污泥在常溫（22～25 ℃）下使用效果較好，主要因?yàn)闇囟葘?duì)蛋白質(zhì)類(lèi)的絮凝作用影響較大[12]，在該溫度下蛋白質(zhì)類(lèi)的高分子物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)加快， 增加了污泥顆粒間的碰撞，有利于絮凝作用。 過(guò)高的溫度（超過(guò)30℃），反而造成污泥膨脹，不利于沉降，影響污泥的脫水效果；溫度過(guò)低（低于15 ℃）則使得水的動(dòng)力粘滯度增大，從而導(dǎo)致脫水效果不理想。

2.3.3 攪拌速度

攪拌速度對(duì)MBF/納米SiO2的脫水性能影響見(jiàn)圖4。 由圖4 可以看出，MBF/納米SiO2與污泥的混合程度對(duì)污泥的脫水性能有一定的影響。 攪拌強(qiáng)度較小時(shí)， 污泥與復(fù)配藥劑未充分混合，SRF 及CST均較高。 攪拌強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，MBF、污泥、納米SiO2形成較為穩(wěn)定的三元配體體系被破壞， 形成的污泥絮體細(xì)小，脫水效果不好。 因此，選擇最佳攪拌速度為200 r/min。

圖4 攪拌速度對(duì)污泥脫水性能的影響

2.4 MBF/納米SiO2 對(duì)污泥脫水性能的影響機(jī)理

污泥的物化性質(zhì)—Zeta 電位是影響污泥的脫水性能的重要因素。污泥具有雙電層結(jié)構(gòu)，由帶負(fù)電的微生物菌膠團(tuán)組成。 Zeta 電位對(duì)污泥膠體顆粒的凝聚和沉降性能有著決定性的影響， 進(jìn)而影響污泥的脫水性能[13-15]。 Zeta 電位絕對(duì)值越大，質(zhì)點(diǎn)間排斥力較大，不易發(fā)生聚沉，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；而Zeta 絕對(duì)值較小，電位較低的體系，質(zhì)點(diǎn)間排斥力較小，不穩(wěn)定，容易發(fā)生聚沉，脫水性能較好[15]。

不同pH 值條件下原泥及投加復(fù)合調(diào)理劑的Zeta 電位變化見(jiàn)圖3。 由圖3 可以看出，投加MBF/納米SiO2后，Zeta 絕對(duì)值較小，電位較低，主要因?yàn)镸BF/納米SiO2表面帶有正電荷，吸附在污泥表面的膠體顆粒上，膠體產(chǎn)生聚集，從而你提高污泥的脫水性能。 另外，在酸性條件下，污泥的Zeta 電位的絕對(duì)值相對(duì)更小， 堿性條件下Zeta 電位的絕對(duì)值較大，這是因?yàn)樗嵝詶l件利于污泥EPS 釋放出帶正電的多糖物質(zhì)，絮體間的極性減弱，與水容易分離，從而脫水能力增強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）廢酵母提取MBF 的濃度受pH 值、加熱溫度及時(shí)間影響，在pH 值為9.95，80 ℃加熱1 h 條件下提取物的TOC、蛋白質(zhì)、多糖的質(zhì)量濃度最高可分別達(dá)到214.78，117.75，36.00 mg/L；

（2）投加MBF（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）+SiO2（質(zhì)量濃度為0.8 g/L） 形成的復(fù)配調(diào)理劑后，SRF 從3.56 ×1012m/kg 降至2.16×1012m/kg，CST 從50.4 s 降至37.2 s， 說(shuō)明疏水性納米SiO2有良好的吸附性能和帶電性，MBF 與疏水性納米SiO2復(fù)配后， 解決了MBF 的相對(duì)分子質(zhì)量較小，吸附點(diǎn)位、攜帶電荷不夠多的缺點(diǎn)；

（3）在酸性條件下，復(fù)配調(diào)理藥劑的脫水性能最好，中性條件次之，堿性條件下最差。 常溫（22～25℃）環(huán)境、攪拌速度約200 r/min 時(shí)，利于復(fù)配藥劑調(diào)理污泥；

（4）影響污泥脫水性能的機(jī)理為MBF 與納米SiO2形成的復(fù)配調(diào)理劑可通過(guò)中和污泥表面的負(fù)電荷，降低Zeta 電位的絕對(duì)值，使得污泥膠體顆粒形成穩(wěn)定的絮體， 且在酸性條件下Zeta 電位絕對(duì)值更小，脫水效果更好。