生物酶結合CTAB對造紙活性污泥調(diào)理的影響

張 凱 陳云玲 吳朝軍，* 陳嘉川，* 楊桂花

(1.齊魯工業(yè)大學制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南，250353;2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

造紙污泥是造紙企業(yè)廢水處理后排放出來的終端產(chǎn)物之一，是工業(yè)污泥的一種。不斷增長的污泥量已經(jīng)成為非常嚴重的環(huán)境問題，引起人們的關注。造紙污泥尤其是活性污泥，具有數(shù)量大、成分復雜、難脫水、易腐爛變質(zhì)等特點。污泥脫水處理對于減少污泥容量以及污泥運輸至處置場地的費用有很大的影響。污泥脫水一般是先對污泥進行調(diào)理然后通過物理方法脫除污泥中的水分，污泥調(diào)理對污泥的脫水起著很重要的作用，一方面可降低污泥的含水量和增大污泥顆粒尺寸，提高脫水效率;另一方面，為隨后的進一步脫除水分做準備。常用的污泥調(diào)理方法有化學調(diào)理法、物理調(diào)理法及生物調(diào)理法［1-2］。

生物調(diào)理或生物絮凝調(diào)理技術是使用微生物或微生物代謝產(chǎn)物進行污泥調(diào)理的技術，其研制始于20世紀70年代，但是近年來才用于污泥調(diào)理［3］。生物調(diào)理具有無毒、無二次污染、可生物降解、來源廣、污泥絮體密實、絮凝范圍廣等優(yōu)點。生物酶調(diào)理污泥是生物調(diào)理技術的一種，目前對生物酶調(diào)理污泥的效果還有爭議，酶預處理改善污泥脫水性能需要進一步的研究［4］。李清林等人［5］發(fā)現(xiàn)表面活性劑十六烷基三甲溴化銨 (CTAB)可用于造紙污泥脫水，采用CTAB和陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)復合，比單獨投加CPAM或CTAB的成本低。本實驗采用中性纖維素酶或中性蛋白酶結合表面活性劑CTAB調(diào)理造紙活性污泥，研究生物酶結合CTAB對造紙污泥調(diào)理的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗用造紙污泥均取自山東某造紙廠污水處理系統(tǒng)中的活性污泥，污泥放入4℃冰箱保存?zhèn)溆谩１砻婊钚詣?十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，分析純，天津市登科化學試劑有限公司;中性纖維素酶，酶活為20000 U/G，中性蛋白酶，酶活為100000 U/G，蘇柯漢 (濰坊)生物工程有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 污泥基本性能測定

活性污泥含水率、曝氣池混合液在量筒靜止沉降30 min后污泥所占的體積百分比 (SV30)、污泥體積指數(shù) (SVI)的測定均遵循CJT 221—2005城市污水處理廠污泥檢驗方法［6］。

活性污泥上清液化學需氧量 (CODCr)、pH值的測定均遵循CJ/T 51—2004城市污水水質(zhì)檢驗方法標準［7］。

活性污泥在4℃冰箱放置24 h，除去上清液，取100 mL測定污泥固含量。

1.2.2 CTAB單獨調(diào)理造紙活性污泥

CTAB呈白色或淺黃色結晶體粉末狀，有刺激氣味，易溶于異丙醇，可溶于水，振蕩時產(chǎn)生大量泡沫，能與陽離子、非離子、兩性表面活性劑有良好的配位性。具有優(yōu)良的滲透、柔化、乳化、抗靜電、生物降解及殺菌等性能。該產(chǎn)品化學穩(wěn)定性好，耐熱、耐光、耐壓、耐強酸強堿。

表面活性劑調(diào)理造紙污泥實驗方案為:CTAB調(diào)理;使用比阻裝置抽濾;抽濾后泥餅分成兩部分，一部分測定含水率;另一部分使用壓濾裝置壓泥;壓泥后測泥餅含水率。

將5組分別裝有100 mL污泥的燒杯放置在35℃的水浴鍋中，根據(jù)污泥固含量加入不同用量的CTAB，并添加不同用量的去離子水，保持各組污泥濃度一致，混合均勻后，調(diào)理30 min。

1.2.3 生物酶結合CTAB調(diào)理造紙活性污泥

中性纖維素酶和中性蛋白酶均為固態(tài)粉末，為了便于實驗操作，將這2種酶配成了相應的酶溶液，纖維素酶溶液濃度為0.02 g/mL，蛋白酶溶液濃度為0.004 g/mL。

生物酶結合表面活性劑調(diào)理造紙污泥實驗方案為:生物酶結合CTAB調(diào)理;測定毛細吸水時間;使用比阻裝置抽濾;抽濾液測定透射比;抽濾后泥餅分成兩部分，一部分測定含水率;另一部分使用壓濾裝置壓泥，壓泥后測泥餅含水率。

將5組分別裝有100 mL污泥的燒杯放置在35℃的水浴鍋中，根據(jù)污泥固含量加入不同用量和種類的生物酶，并添加不同用量的去離子水，保持5組污泥濃度一致，混合均勻后，調(diào)理2 h。然后向污泥中添加用量5%(對污泥絕干固含量，以下同)的CTAB，混合均勻后，調(diào)理30 min。

1.2.4 比阻裝置抽濾

比阻裝置如圖1所示，在布氏漏斗中墊兩層濾紙，用水潤濕，使濾紙緊貼漏斗壁，開啟真空泵，抽濾10 s，使濾紙中水分排出，并且檢查是否漏氣，確保濾紙緊貼漏斗底壁，調(diào)整真空泵壓力為0.35 MPa，將剩余污泥倒入布氏漏斗中，抽濾10 min，然后關閉真空泵。

1.2.5 壓濾裝置壓泥

壓濾裝置如圖2所示，壓濾示意圖如圖3所示［8］。取抽濾后的污泥，在污泥上下各放三層濾紙，在壓強為0.56 MPa下壓泥3 min，得到泥餅。

1.2.6 毛細吸水時間測定

毛細吸水時間 (Capillary Sunction Time，簡稱CST)是一個表示污泥脫水性能的指標，可快速而準確地表征污泥的過濾性。CST愈大，污泥的脫水性能愈差，反之脫水性能愈好，其測定原理圖如4所示。

本實驗采用304M型毛細吸水測定儀測定，具體裝置如圖5所示。將裝有污泥樣品的圓柱形容器置于濾紙的中心，在直徑為D1和D2的同心圓上分別放置電極，當水邊界到達內(nèi)部電極時開始計時，到達外部電極時停止，這段時間即為毛細抽吸時間。在漏斗中通過毛細吸水產(chǎn)生的力量遠遠大于流體靜壓的頂點，所以測試不依賴污泥的數(shù)量，只要有污泥就可產(chǎn)生CST。

1.2.7 透射比測定

取抽濾后的液體，使用722S型可見光分光光度計測定透射比。

1.2.8 含水率測定

將抽濾后的另一部分污泥以及壓泥得到的泥餅放入105℃烘箱干燥，測定含水率。

圖4 毛細吸水時間測定原理

圖5 毛細吸水時間測定儀

表1 污泥基本性質(zhì)

2 結果與討論

2.1 污泥基本性質(zhì)

實驗對污泥固含量、pH值、溫度、污泥上清液CODCr進行了檢測，污泥基本性質(zhì)如表1所示。

2.2 CTAB調(diào)理對抽濾后污泥含水率的影響

CTAB用量對抽濾后污泥含水率的影響如圖6所示。

圖6 CTAB調(diào)理對抽濾后污泥含水率的影響

由圖6可知，隨CTAB用量的增加，抽濾后污泥含水率逐漸減小。當CTAB用量為5%時，抽濾后污泥含水率下降最快。當CTAB用量為污泥固含量的10%或15%時，抽濾后污泥含水率較低。

2.3 CTAB調(diào)理對壓濾后泥餅含水率的影響

CTAB用量對壓濾后泥餅含水率的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨CTAB用量的增加，壓濾后泥餅含水率逐漸減小。當CTAB用量為5%時，壓濾后泥餅含水率下降最快。當CTAB用量為污泥固含量的20%時，壓濾后泥餅含水率為56.25%。

2.4 CTAB調(diào)理對污泥含水率變化的影響

由圖6和圖7的數(shù)據(jù)可計算得到加入CTAB后污泥含水率變化的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

由圖8可知，隨CTAB用量的增加，污泥含水率變化逐漸增大。當CTAB用量為污泥固含量的5%時，污泥含水率變化最大，繼續(xù)添加CTAB，污泥含水率變化趨緩。

采用CTAB調(diào)理污泥，隨CTAB用量的增加，污泥脫出更多的水分。為了降低成本以及更好地顯現(xiàn)生物酶的作用效果，最好加入較低用量的表面活性劑，因此，后續(xù)實驗CTAB的用量采用5%，并與酶復合使用。

2.7 生物酶結合CTAB調(diào)理對污泥毛細吸水時間的影響

采用毛細吸水時間測定儀測定調(diào)理后污泥毛細吸水時間，生物酶用量對污泥毛細吸水時間的影響如圖9所示。

由圖9可知，毛細吸水時間隨生物酶用量的增加先降低后升高，與中性纖維素酶相比，中性蛋白酶的效果較為明顯。當中性纖維素酶或中性蛋白酶用量為污泥固含量的0.75%時，污泥毛細吸水時間最小。

2.8 生物酶結合CTAB調(diào)理對濾液透射比的影響

采用可見光分光光度計測定濾液透射比，生物酶用量對濾液透射比的影響如圖10所示。

由圖10可知，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，濾液透射比有減小的趨勢。這是由于生物酶結合CTAB調(diào)理污泥比單獨使用CTAB調(diào)理污泥濾液產(chǎn)生更多細小顆粒。

2.9 生物酶結合CTAB調(diào)理對污泥抽濾后含水率的影響

生物酶結合CTAB調(diào)理，其中生物酶用量對污泥抽濾后含水率的影響如圖11所示。由圖11可知，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，污泥抽濾后含水率有所下降。生物酶結合CTAB調(diào)理污泥抽濾后污泥含水率都低于單獨使用CTAB調(diào)理污泥抽濾后污泥含水率(75.87%)。因此，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥比單獨使用CTAB調(diào)理的污泥抽濾是更容易脫水。當中性纖維毒酶或中性蛋白酶用量為污泥絕干固含量的1%時，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥抽濾后污泥含水率最低 (分別為72.37%和71.03%)。

2.10 生物酶結合CTAB調(diào)理對壓濾后泥餅含水率的影響

生物酶結合CTAB調(diào)理對壓濾后泥餅含水率的影響如圖12所示。由圖12可知，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，壓濾后污泥含水率先下降后上升。但生物酶結合CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率都低于單獨使用CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率(65.28%)。因此，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥比單獨使用CTAB調(diào)理的污泥壓濾時更容易脫水。當中性纖維素酶用量為污泥絕干固含量的0.2%時，中性纖性素酶結合CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率最低(52.29%)。當中性蛋白酶用量為污泥絕干固含量的0.5%時，中性蛋白酶結合CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率最低 (52.38%)。

2.11 生物酶結合CTAB調(diào)理對污泥含水率變化的影響

由圖11和圖12計算可知生物酶結合CTAB調(diào)理對污泥含水率變化的數(shù)據(jù)，結果如圖13所示。

圖13 生物酶結合CTAB調(diào)理對污泥含水率變化的影響

由圖13可知，生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，污泥含水率先增大后減小。但生物酶結合CTAB調(diào)理污泥污泥含水率變化比單獨使用CTAB調(diào)理污泥污泥含水率變化大。因此，生物酶結合CTAB調(diào)理比單獨使用CTAB調(diào)理使污泥脫出更多的水。當中性纖維素酶或中性蛋白酶用量為污泥絕干固含量的0.2%時，污泥含水率變化最大 (分別為20.56%和21.38%)。

3 結論

使用中性纖維素酶或中性蛋白酶結合表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨 (CTAB)調(diào)理造紙活性污泥，并與單獨使用CTAB調(diào)理造紙活性污泥進行對比。

3.1 單獨采用CTAB調(diào)理污泥，隨CTAB用量的增加，抽濾后污泥含水率逐漸減小，壓濾后泥餅含水率逐漸減小，污泥脫出更多的水分。且當CTAB用量為5%時，污泥含水率下降最快。

3.2 生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，毛細吸水時間隨生物酶用量的增加先縮短后增加，與中性纖維素酶相比，中性蛋白酶的效果較為明顯。當中性纖維素酶或中性蛋白酶用量為污泥固含量的0.75%時，污泥毛細吸水時間最短，污泥更容易脫水。

3.3 生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，濾液透射比有減小的趨勢，這是由于生物酶結合CTAB調(diào)理污泥后的污泥濾液產(chǎn)生了更多的細小顆粒。

3.4 生物酶結合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，生物酶結合CTAB調(diào)理比單獨使用CTAB調(diào)理使污泥脫出的水更多。

［1］LI Yong，ZHU Hai，XU Cui-ying，et al.Techniques of Sludge Treatment，Disposal and Application［J］.China Pulp ＆ Paper，2008，27(11):59.

李 永，朱 海，許翠英，等.造紙污泥處理及資源化應用技術［J］.中國造紙，2008，27(11):59.

［2］FAN Jing-yang，LIN Qiao-yuan.The Creation and Utilization of Solid Wastes in Paper Industry［J］.China Pulp ＆ Paper，2009，28(4):61.

范景陽，林喬元.制漿造紙行業(yè)固廢物的產(chǎn)生及資源化利用［J］.中國造紙，2009，28(4):61.

［3］Yuan Liang-jun，Tang Bing，Xue Jia-yun.Study progress on technology of biochemical sludge conditioning［J］.Industrial Safety and Environmental Protection，2007，33(1):27.

源亮君，湯 兵，薛嘉韻.生化污泥調(diào)理技術研究進展［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(1):27.

［4］David Pollard.Screening of Bioflocculant-Producing Microbes Utilizing Fatly Acids and Their Properties of Producing Flocculates［J］.IBS-Biomine，1997(8):4.

［5］Li Qing-lin，Han Qing，Yan Kuan-shui.Research on the application of surfactant CTAB in the papermaking sludge dewatering［J］.China Pulp＆ Paper Industry，2012，33(6):46.

李清林，韓 卿，閻寬水.表面活性劑CTAB用于造紙污泥脫水研究［J］.中華紙業(yè)，2012，33(6):46.

［6］CJ/T221—2005，Determination method for municipal sludge in wastewater treatment［S］.China:the Ministry of Construction of People's Republic of China，2005.

CJ/T221—2005，城市污水處理廠污泥檢驗方法［S］.中國:中華人民共和國建設部，2005.

［7］CJ/T 51—2004，Methods for the examination of municipal sewage［S］.China:the Ministry of Construction of People's Republic of China，2004.

CJ/T 51—2004，城市污水水質(zhì)檢驗方法標準［S］.中國:中華人民共和國建設部，2004.

［8］Toshiyuki Nomura，Shunsuke Araki，Takanori Nagao，et al.Resource recovery treatment of waste sludge using a solubilizing reagent［J］.J.Mater Cycles Waste Manag.，2007，9:34. CPP