不同無機鹽對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，陳天澤

(污水凈化與生態修復材料安徽省重點實驗室/合肥市東方美捷分子材料技術有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

近些年來，隨著我國城市化進程加快，市政污水處理量逐漸上升，污泥產量也隨之日益增加[1]。污泥含水率高，含有大量有毒有害物質，量大面廣致使堆放體積龐大，給后續污泥處理與運輸帶來不便，并大幅度提高了處理費用。因此，污泥脫水已成為污泥處理的重要環節，現已成為全球性亟待解決的重大環境問題[2]。細胞外聚合物質(extracellular polymeric substances，EPS)主要為高分子聚合物，對于污泥的沉淀性能、絮凝性能和脫水性能等方面發揮著重要作用[3]。研究發現EPS包括松散結合層EPS(loosely bound EPS，LB-EPS)與緊密結合層EPS(tightly bound EPS，TB-EPS)，進一步研究表明，LB-EPS含量與污泥絮凝性能、沉降性能和脫水性能關系密切，而TB-EPS含量對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中蛋白質和碳水化合物含量相關[7]。因此，可通過分析可溶性EPS有機物質含量來評價污泥的脫水性能[8]。

目前，污泥脫水性能主要依賴于化學調理和機械脫水來實現，而化學調理主要通過添加不同調理劑來改變污泥絮體結構及其水分組成，從而改善污泥的脫水性能，其中無機調理劑主要有鐵鹽、鋁鹽、鎂鹽及其高分子聚合物等[9]。近年來，有關于污泥脫水性能的研究文獻不斷增多，其主要集中在芬頓試劑、鐵鹽、微波處理等方面，但對不同無機鹽處理比較的研究較少[10-13]。本研究主要探討不同無機鹽對厭氧污泥脫水性能的影響，并對EPS中蛋白質和多糖含量進行分析，從而獲得更高效、經濟且顯著提高污泥脫水性能的調理劑，以期為工程應用與生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料、試劑與儀器

實驗用市政厭氧污泥取自安徽省某城市污水處理系統厭氧消化池。參照《CJ/T 211-2005城市污水處理廠污泥檢驗方法》[14]測定污泥的基本性質，結果如表1所示。

實驗試劑：FeCl3、PAC和AlCl3均為工業級；牛血清蛋白、考馬斯亮藍(國藥集團化學試劑有限公司)；其他試劑均為分析純。

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

表1 市政初始厭氧污泥的基本性質

1.2 實驗方法

市政厭氧污泥預處理：將厭氧污泥經24目過篩去除雜質，篩后厭氧污泥含固率調至3%并置于4℃冷藏柜中貯存備用。

不同無機鹽對厭氧污泥處理實驗：分別稱取500g預處理后的厭氧污泥于燒杯中，投加不同無機鹽后，先280r/min快速攪拌3min，再60r/min慢速攪拌20min后靜置30min，取出對其進行分析測試。

1.3 測試方法

脫水性能測試：采用TTF評價市政厭氧污泥的脫水性能[15]。測定裝置同污泥比阻實驗裝置。具體測試方法如下：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，當抽濾液體積為25mL時記錄所需時間，即為TTF。

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

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

胞外聚合物(EPS)提取與測試：采用熱提取法進行實驗[18]，具體測試方法如下：取預處理后厭氧污泥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0.45μm濾膜過濾后待用。采用考馬斯亮藍顯色法測定EPS中蛋白質含量；采用苯酚硫酸法測定EPS中多糖含量[10]。

2 結果與分析

2.1 不同無機鹽對污泥脫水性能的影響

市政厭氧污泥經不同濃度無機鹽調理后污泥TTF變化情況如圖1所示。初始厭氧污泥TTF為4.85min，經不同濃度無機鹽調理后污泥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調理后污泥TTF下降最顯著，無機鹽濃度越高，達到最佳脫水性能的時間越短。不同濃度FeCl3、AlCl3和PAC調理后，污泥TTF呈現先下降后平緩趨勢，當投加量為60mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，FeCl3、AlCl3和PAC調理后污泥TTF下降分別開始平緩，其污泥TTF分別對應為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，不同無機鹽調理厭氧污泥后，FeCl3和AlCl3調理后污泥脫水性能均能得到優良改善，PAC改善效果不顯著。

2.2 不同無機鹽條件下污泥比阻與含水率的對比

不同無機鹽調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，經不同濃度無機鹽調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先下降后上升趨勢，當投加量低于60mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，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%；當投加量高于60mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，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；當投加量為60mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，泥餅含水率與污泥比阻均達到最低(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先逐漸下降后平緩趨勢，當投加量為80mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時污泥含水率達到最低(62.35%)，污泥比阻也達到最低(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先逐漸下降后平緩趨勢，當投加量高于60mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時污泥含水率趨于平穩，其中當投加量為80mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時污泥含水率最低(66.89%)；當投加量低于80mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，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%；當投加量高于80mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，污泥比阻趨于平穩；當投加量為100mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，污泥比阻達到最低(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在調理污泥脫水過程中改善程度不顯著。

2.3 不同無機鹽調理下污泥中有機物質含量的對比

污泥脫水性能與其胞外聚合物中蛋白質和碳水化合物的含量有關[7]，且其蛋白質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[19-20]。不同無機鹽調理后厭氧污泥中可分離的各組分EPS的多糖和蛋白質含量如圖3、圖4、圖5所示。

由圖3可看出，FeCl3調理后厭氧污泥中多糖和蛋白質的含量都呈現先增加后減少趨勢。當投加量低于40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，調理后的厭氧污泥中多糖和蛋白質含量呈現上升趨勢，其多糖含量從5.27mg/g迅速增加到8.29mg/g，較初始污泥增長了57.31%，蛋白質含量從1.26mg/g迅速增加到4.90mg/g；當投加量高于40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖和蛋白質含量呈現下降趨勢，多糖含量從8.29mg/g降低到4.41mg/g，蛋白質含量從4.90mg/g降低到0.55mg/g；當投加量為40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖和蛋白質含量達到最高，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胞膜的滲透壓發生改變，導致微生物擊穿性破裂，胞內物質大量溢出，從而導致污泥中多糖和蛋白質含量不斷上升；同時FeCl3投加量的增加導致污泥pH降低程度較大，而且還在超聲和加熱的作用下，多糖和蛋白質會有大部分水解，從而導致污泥中多糖和蛋白質含量不斷下降。

從圖4可看出，AlCl3調理后厭氧污泥中多糖和蛋白質的含量都呈現先增加后減少的趨勢。當投加量低于20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，調理后的厭氧污泥中多糖含量呈現上升趨勢，含量從5.27mg/g迅速增加到8.13mg/g，較初始污泥增長了54.27%；當投加量低于20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖含量呈現下降趨勢，含量從8.13mg/g降低到3.73mg/g；當投加量為20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖含量最高(8.13mg/g)。當投加量低于40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，調理后的厭氧污泥中蛋白質含量呈現上升趨勢，含量從1.26mg/g迅速增加到2.62mg/g；當投加量低于40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其蛋白質含量呈現下降趨勢，含量從2.62mg/g降低到0.90mg/g；當投加量為40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其蛋白質含量最高(2.62mg/g)。表明隨著AlCl3的加入污泥中微生物細胞膜的滲透壓發生改變，微生物細胞膜破裂，胞內物質大量溢出，從而導致污泥中多糖和蛋白質含量不斷上升；同時AlCl3投加量的增加導致污泥pH降低程度較小，而且在超聲和加熱的作用下，多糖和蛋白質會有部分水解，從而導致污泥中多糖和蛋白質含量不斷下降。

由圖5可看出，PAC調理后厭氧污泥中多糖和蛋白質的含量都呈現先增加后減少趨勢。當投加量低于20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，調理后的厭氧污泥中多糖和蛋白質的含量均呈上升趨勢，其多糖含量從5.27mg/g迅速增加到7.75mg/g，較初始污泥增長了47.06%，蛋白質含量從1.26mg/g迅速增加到3.07mg/g；當投加量高于20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖和蛋白質的含量均呈下降趨勢，多糖含量從7.75mg/g降低到5.05mg/g，蛋白質含量從3.07mg/g降低到1.59mg/g；當投加量為20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖和蛋白質的含量最高，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胞膜的滲透壓發生改變，微生物細胞膜破裂，胞內物質大量溢出，從而導致污泥中多糖和蛋白質含量不斷上升；同時PAC投加量的增加導致污泥pH降低程度很小，而且在超聲和加熱的作用下，多糖和蛋白質會有小部分水解，從而導致污泥中多糖和蛋白質含量不斷下降。

從調理后厭氧污泥中多糖與蛋白質含量的比較發現，FeCl3和AlCl3的投加對污泥的脫水性能有著顯著促進作用，而PAC的投加對其促進作用不明顯。

3 結論

(1)FeCl3和AlCl3均能顯著改善厭氧污泥的脫水性能，當投加量為60mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，FeCl3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)經不同濃度無機鹽調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調理后污泥改善程度最顯著，無機鹽濃度越高，污泥含水率和污泥比阻越低。

(3)經FeCl3和AlCl3調理后污泥中多糖和蛋白質含量較高，當FeCl3投加量為40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖和蛋白質含量達到最高；當AlCl3投加量為20mg/g(無機鹽與干污泥質量比)和40mg/g(無機鹽與干污泥質量比)時，其多糖和蛋白質含量分別達到最高。