全文HTML
废水处理过程中会产生大量的污泥，污泥中通常含有90%以上的水。污泥管理占污水处理过程成本的很大一部分，面临着巨大的技术挑战。为了降低运输和处理成本，污泥处理最重要的部分是通过固水分离来减少污泥体积[1-4]。污泥脱水过程是废水处理中成本昂贵和最不被了解的过程之一[5]。细胞外聚合物质(extracellular polymeric substances, EPS)是生物聚合物，在污泥絮凝、生物絮凝沉淀和脱水性能等方面发挥着重要作用[6]。在最近的实验研究中发现EPS具有双层，包括松散结合的EPS (loosely bound EPS，LB-EPS)和紧密结合的EPS (tightly bound EPS，TB-EPS)，进一步的研究表明，LB-EPS含量与污泥絮凝行为和脱水能力密切相关，而TB-EPS含量和污泥特性之间没有相关性[7-8]。污泥脱水性能主要与可溶性EPS的蛋白质及多糖含量和比例有关。因此，可以通过分析可溶性EPS的有机组成来评估和预测脱水性能[9]。
化学絮凝剂已被用于改善污泥的脱水性，它们可以帮助污泥颗粒絮凝成更大的颗粒或絮凝物，这些颗粒或絮凝物通过机械方法易于进行固水分离[10-11]。水和废水处理中最常见的无机凝结剂是铝盐和铁盐。预氧化可有效改善污泥脱水性能。芬顿试剂与铁盐等骨架结构调理污泥，其脱水性能明显改善，含水率可降低49.5%[12]；其中，芬顿氧化对破坏污泥EPS结构具有重要贡献[12-14]。高锰酸钾调理可明显改善污泥脱水性能，投加10 mg·g-1高锰酸钾时，污泥比阻(specific resistance to filtration，SRF)降低90.8%；高锰酸钾可破坏EPS结构，促使污泥中部分结合水释放，且将大分子物质氧化成更易调理的小分子物质[15]。但是，芬顿试剂的成本较高，高锰酸钾具有较强的腐蚀性，这些限制它们在工程中规模化应用。次氯酸钠作为强氧化剂，成本偏低，易于储存，并可改善污泥的脱水性能。然而，在以前的文献中并没有指出次氯酸钠与无机化学调理剂在污泥脱水中所起的协同作用。
本研究的目的在于探讨预氧化与无机铁盐絮凝剂联合调理对污泥脱水性能的影响，并将EPS中蛋白质和多糖含量与污泥的脱水性能进行相关联，从而为开发新的污泥脱水技术提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 试剂与材料
实验用污泥为浙江金华某污水厂浓缩池排泥，污泥密度为1.0 g·cm-3，pH为7.3，含水率为97.3%；原始污泥比阻(specific resistance to filtration，SRF)为5.3×109 m·kg-1。采用的FeSO4、Fe2(SO4)3均为分析纯，次氯酸钠溶液为化学纯(有效氯含量为58.0%)。
1.2 实验方法
实验中氯、铁盐等投量均以单位干污泥投量计。调理过程：取300 mL污泥于500 mL烧杯中，投加药剂后在六联搅拌器中反应，程序如下：1)250 r·min-1快搅2 min；2)80 r·min-1慢搅拌15 min；3)静置30 min。取300 mL调理后污泥置于污泥比阻测试装置上进行SRF测试；随后将剩余的污泥离心后取上清液，测定EPS中蛋白质和多糖含量。
倪丙杰等[16]研究表明，EPS对污泥脱水性能有重要影响，关于EPS与污泥脱水性指标，污泥质、污泥处理方法、污泥EPS提取方法不同均可能影响实验结果。本实验根据前人的研究结果[8]以及EPS的分层概念，即按照有机物与细胞相的结合程度，将污泥的EPS分为黏液层或溶液EPS(slime or soluble EPS)、松散附着EPS(LB-EPS)和紧密黏附EPS(tightly bound EPS，TB-EPS)，细胞相(pellet)本身。本实验采用离心-超声法提取EPS。污泥EPS提取过程见图 1。
图1 污泥EPS提取过程
Fig. 1 Sludge EPS extraction process
Fig. 1 Sludge EPS extraction process
1.3 分析方法
污泥比阻(SRF)采取真空过滤装置；pH测定采用pH测定仪(720，Thermo Orion，USA)；混凝同步进行时采用六联搅拌器(MY3000-6, China)；实验中EPS的蛋白质采用Folin-Lowry法测定，以牛血清蛋白为标准物质，采用紫外分光光度计在750 nm进行比色；多糖采用蒽酮-硫酸法，以葡萄糖为标准物质，采用紫外分光光度计在625 nm进行比色[17]。
2 结果与讨论
2.1 氧化剂投加对污泥脱水的影响
不同次氯酸钠投加量下，污泥比阻的变化见图 2。通过图 2可以看出，随着氧化剂投量的不断增加，污泥比阻呈先下降后上升趋势，当次氯酸钠投量小于200 mg·g-1时，投加量越大，脱水性能越好，污泥比阻由3.08×109 m·kg-1下降至2.00×109 m·kg-1。氧化剂可氧化和破解EPS，减弱污泥絮体表面的亲水性，使其中的结合水转变成易被机械脱除的自由水，污泥脱水性能得到大幅提高[17]。当氧化剂投量高于200 mg·g-1时，污泥比阻随着氧化剂投加量的增加，污泥脱水性能变差，污泥比阻由2.00×109 m·kg-1增至4.78×109 m·kg-1，说明随着氧化反应的进行，污泥氧化分解程度及可释放的结合水含量降低[18]。当投加量为200 mg·g-1时，污泥比阻达到最小，为2.00×109 m·kg-1，其污泥脱水性能达到最佳，表明适量的氧化剂能使污泥及EPS破解，有助于污泥的脱水性能。由于投量在100 mg·g-1时污泥比阻为2.5×109 m·kg-1，与最佳的比阻2.00×109 m·kg-1相差不大，从投药量经济性出发，后续预氧化次氯酸钠的投量采用100 mg·g-1。
图2 次氯酸钠对污泥比阻的影响
Fig. 2 Effect of sodium hypochlorite dosage on SRF content
Fig. 2 Effect of sodium hypochlorite dosage on SRF content
2.2 不同铁条件下污泥比阻的对比
不同调理方法下，污泥比阻的变化见图 3。由图 3看出，在不添加氧化剂的情况下，随着二价铁投量的增加，污泥比阻呈现先增大后减小的趋势，但相较于初始污泥比阻5.3×109 m·kg-1，其最低的污泥比阻为5.2×109 m·kg-1，下降了仅仅1.89%，表明二价铁的投加没有明显改善污泥的脱水性能，反而抑制污泥脱水性；然而，在三价铁调理污泥脱水过程中，我们发现，当三价铁投量低于30 mg·g-1时，随着投加量的增加，污泥比阻呈明显下降趋势，由3.5×109 m·kg-1减少到1.6×109 m·kg-1，污泥的脱水性能得到明显改善；当高于30 mg·g-1时，随着三价铁投量的增加，污泥比阻由1.2×109 m·kg-1变化为1.1×109 m·kg-1，污泥脱水性能呈现平缓改善的趋势。与二价铁相比较，三价铁在调理污泥脱水过程中有明显的促进作用。
图3 不同调理方法对污泥的比阻的影响
Fig. 3 Effect of different kind of conditioner dosage on SRF content
Fig. 3 Effect of different kind of conditioner dosage on SRF content
预氧化能提高污泥的脱水性能[19]。在相同铁投量的情况下，预氧化极大改善了污泥的脱水性能。与直接投加二价铁相比，在投加氧化剂为100 mg·g-1，二价铁为20 mg·g-1时，污泥比阻减少了78.3%；而在相同的条件下，三价铁的污泥比阻下降了40.3%，明显改善了污泥的脱水性能。从图 3看出，预氧化后加入二价铁调理的污泥脱水性能普遍较好，污泥比阻由1.61×109 m·kg-1平稳变化到0.99×109 m·kg-1。同时污泥比阻也好于单独投加氧化剂的污泥比阻。这是因为预氧化对污泥和EPS造成了一定程度的破坏，同时二价铁在氧化剂的存在下会原位生成三价铁，二者协同促进污泥脱水；因此，效果明显优于单独二价铁和单独氧化剂的调理。氧化剂在预氧化破坏EPS后，二价铁与三价铁等絮凝剂在污泥脱水过程中充当骨架结构的作用，更有利于污泥脱水[20]。
由图 3也可以看出，在预氧化条件下，随着三价铁投加量的增加，污泥比阻由1.3×109 m·kg-1先下降到0.54×109 m·kg-1，随后趋于平稳状态，其污泥脱水效果明显优于只投加三价铁的脱水效果。另外，在投加氧化剂的条件下，三价铁比二价铁的污泥脱水效果好，主要是由于污泥中的还原质与氧化剂发生反应，从而消耗了部分氧化剂，所以二价铁并没有完全原位生成三价铁；此外，也可能由于污泥的脱水性能受到EPS成分和絮体尺寸等因素的影响[21]，添加氧化剂有可能对污泥过滤脱水产生正效应或负效应[22]。在预氧化条件下，污泥最佳脱水效果较原始污泥比阻分别降低了78.5%和89.6%，明显改善了污泥脱水性能，可见氧化剂和絮凝剂协同调理污泥效果更明显。
2.3 不同调理下污泥中有机物质的含量对比
加入次氯酸钠调理后，污泥EPS中蛋白质和多糖含量见图 4。可以看出，在加入氧化剂次氯酸钠调理后，污泥中蛋白质和多糖的含量都呈现先增大后减少的趋势，说明污泥被氧化破解，污泥中微生物细胞受到破坏释放出有机物[18]。也有研究表明，氧化试剂能破坏污泥絮体，从而导致上清液中蛋白质和多糖增加[27]。倪丙杰等[16]研究表明，污泥中EPS蛋白质含量增加，污泥脱水性能变好。蛋白质在不同EPS层中的变化规律与氧化剂处理污泥的脱水效果基本吻合，在氧化剂投量为200 mg·g-1时蛋白质和多糖的含量最高。
图4 次氯酸钠对污泥EPS中蛋白质含量和多糖含量的影响
Fig. 4 Effect of sodium hypochlorite dosage on protein and polysaccharide content of sludge EPS
Fig. 4 Effect of sodium hypochlorite dosage on protein and polysaccharide content of sludge EPS
图4 次氯酸钠对污泥EPS中蛋白质含量和多糖含量的影响
Fig. 4 Effect of sodium hypochlorite dosage on protein and polysaccharide content of sludge EPS
Fig. 4 Effect of sodium hypochlorite dosage on protein and polysaccharide content of sludge EPS
在不同调理剂下，污泥的脱水效果依次为：二价铁 < 三价铁 < 氧化剂+二价铁 < 氧化剂+三价铁。在以上4种调理剂作用下，污泥中蛋白质和多糖的含量见图 5和图 6。从图 5和图 6可以看出，调理剂投加量的不同，调理剂对EPS的破坏程度也不一样。由图 5(a)和(b)可见，随着二价铁和三价铁投量的增加，黏液层中的多糖含量呈现出一个明显上升的趋势，但是在氧化剂投加之后，黏液层中的多糖含量则随着二价铁和三价铁投量的增加而表现出先升高后降低趋势(图 5(c)和(d))，尤其是当三价铁的投量为20 mg·g-1时，黏液层中的多糖含量达到最大。另外，图 6指出黏液层中蛋白质的变化趋势跟多糖的变化趋势几乎一致。从图 5和图 6中也可以看出，脱水效果好的调理剂对应的蛋白质和多糖含量都较高，说明污泥脱水效果与污泥中蛋白质和多糖含量呈正相关，与之前的研究结果[25]基本吻合，进而从侧面证明了不同调理剂对污泥脱水有着重要的影响。
图5 4种调理剂对污泥EPS中多糖含量的影响
Fig. 5 Effect of four conditioners on polysaccharide concentrations in sludge
Fig. 5 Effect of four conditioners on polysaccharide concentrations in sludge
图5 4种调理剂对污泥EPS中多糖含量的影响
Fig. 5 Effect of four conditioners on polysaccharide concentrations in sludge
Fig. 5 Effect of four conditioners on polysaccharide concentrations in sludge
图6 4种调理剂对污泥EPS中蛋白质含量的影响
Fig. 6 Effect of four conditioners on protein concentrations in sludge
Fig. 6 Effect of four conditioners on protein concentrations in sludge
EPS是影响污泥脱水的重要因素之一[28]。通过以上的分析可知，预氧化与铁盐絮凝对污泥的联合调理作用表现为破解污泥中微生物细胞释放有机物，氧化分解EPS等有机物，促进污泥中结合水和微生物细胞内部水的释放，从而提高污泥的脱水性能。
3 结论
1) 在不投加氧化剂的情况下，二价铁对污泥脱水性能没有明显作用。
2) 随着三价铁投量的增加，污泥的脱水性能得到显著提高。
3) 投入氧化剂后，污泥脱水性能有所改善。随着氧化剂投量的增加，污泥的脱水性能呈现先上升后下降趋势，并在次氯酸钠投量为200 mg·g-1时，污泥比阻达到最优值2.0×109 m·kg-1。
4) 氧化剂分别与二价铁和三价铁协同作用时，污泥的脱水效果有了很好的改善；但氧化剂与三价铁协同调理后，污泥的脱水效果要优越于氧化剂与二价铁协同调理的效果。脱水效果好的调理剂对应的蛋白质和多糖含量都较高。
5) 本研究结论只针对于次氯酸钠这种氧化剂，预氧化对污泥脱水性能的影响以及减少预氧化成本等相关内容需要进一步入探讨。
下载:
