MBF/納米SiO2 復配污泥調理劑對污泥脫水性能影響的研究

馬軍軍， 朱家明

（南京格洛特環境工程股份有限公司， 江蘇 南京 210047）

0 引言

調理作用能夠很大程度上改善污泥的脫水性能。 污泥的調理方法主要包括加熱、 冷凍和化學調理。 由于加熱和冷凍調理費用和能耗均較高，國內、外應用較少。化學調理由于其操作簡單、效果好成為常用的污泥調理方法。目前，通常使用的調理劑包括機絮凝劑，如聚丙烯酰胺（PAM）等，成本較高、毒性大，且難生物降解，進入環境后會產生二次污染；無機高分子絮凝劑，如聚合氯化鋁（PAC）等，會增加污泥干重。 且單一組分的調理劑往往無法達到理想的脫水效果，因此，研究復配調理劑十分必要[1-3]。

微生物絮凝劑（MBF）是一類由微生物產生的具有絮凝能力的高分子有機物， 具有高效且無二次污染的優點，且能夠改善污泥的脫水性能，是一種新型無毒的污泥調理劑[4-7]。但因微生物培養成本太高，提純較為復雜，故難以在實際生產中得到推廣。有研究表明，利用廢棄生物質，將細胞水解，是制備微生物絮凝劑及將其投入實用的可行方法[8-9]。 我國啤酒年產3 000 余萬t，年產啤酒廢酵母70 ～ 90 t，啤酒廢酵母作為啤酒工業的廢棄物， 進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復配后形成復配調理劑，考察其對污泥脫水性能的改善效果， 以期為研究污泥復配調理劑的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

1.1.1 樣品來源及性質

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

污泥理、化性質見表1。

表1 污泥理、化性質

1.1.2 主要試劑及儀器

試劑：疏水性納米SiO2，工業品，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：污泥比阻測定儀、毛細吸水時間測定儀、TOC 測定儀、Zeta 電位分析儀等。

1.2 試驗方法

1.2.1 MBF 提取及測定

MBF 提取：廢酵母液在100 ℃、不同pH 值及攪拌時間條件下取出上清液， 通過孔徑為0.45 μm 的微孔過濾，于4 ℃保存待用。 MBF 的濃度以總有機碳（TOC）表示；MBF 中的蛋白質采用考馬斯亮藍法測定， 以牛血清白蛋白作為標準物質； 多糖采用苯酚-硫酸法測定，以葡萄糖作為標準物質。

1.2.2 污泥脫水性能測定

SPF：取100 mL 污泥樣品，投加不同比例及種類污泥調理劑，以200 r/min 轉速攪拌10 min，抽濾測定污泥SPF；

CST：取10 mL 污泥樣品，投加不同比例及種類污泥調理劑， 以200 r/min 轉速攪拌10 min 測定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理。

所有數據均使用Microsoft Excel 2010 進行處理和分析。

2 結果與討論

2.1 MBF 及其主要組分

MBF 的主要成分為蛋白質和多糖，MBF 通過蛋白質、多糖和官能團形成具有絮凝、吸附作用的大分子物質[2-3]。 MBF 濃度（以TOC 的濃度表征）、蛋白質含量、多糖含量隨著pH 值、熱反應時間的變化見圖1。 由圖1 可以看出，廢酵母提取TOC 及蛋白質、多糖含量受pH 值、熱反應時間影響較大。 對比分析廢酵母在不同pH 值及熱反應時間下提取MBF 的濃度，發現，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，隨著熱反應時間的增加，TOC、蛋白質、多糖濃度均增加。分析原因為在酸性及堿性條件下， 較長的加熱時間有利于廢酵母的細胞壁破解， 釋放細胞內、 外具有吸附、絮凝作用的蛋白質和多糖等聚合物。 熱反應60 min 后，細胞壁內的多聚物釋放量減少，TOC、蛋白質、多糖含量基本保持不變。 實驗分析可知，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、 多糖含量最高， 質量濃度分別達到214.78，117.75，36.00 mg/L。

圖1 pH 值及熱反應時間對TOC、蛋白質、多糖濃度變化的影響

2.2 MBF/納米SiO2 復配比例對污泥脫水性能的影響

MBF/納米SiO2復配比例對污泥脫水性能的影響見表2。 由表2 可以看出， 單獨投加質量分數為4%的MBF 時，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，使污泥顆粒脫穩沉降，脫水性能增強。 但是過多的MBF 反而會覆蓋部分污泥懸浮顆粒，造成污泥難以脫水，因此選擇4%作為復配藥劑中MBF 的最佳投加質量分數。

表2 不同調理劑對污泥脫水性能的影響

同時，由表2 可以看出，投加MBF（質量分數為4%）+ 納米SiO2（質量濃度為0.8 g/L）的復合調理劑后， 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%。 分析認為，納米SiO2有良好的吸附性能及帶電性，疏水性SiO2可以通過疏水作用吸附于MBF 的疏水端， 能夠在MBF 和污泥之間形成配位結合橋，連接污泥顆粒，兩者與污泥之間形成較為穩定的三元配體體系，較好的改善污泥的過濾性能，但過多的疏水性SiO2和正電荷會在污泥間產生斥力，阻礙污泥的脫水性能[10]。

2.3 不同條件下MBF/納米SiO2 對污泥脫水性能的影響

2.3.1 pH 值

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

圖2 pH 值對污泥脫水性能的影響

2.3.2 溫度

溫度對MBF/納米SiO2的脫水性能影響見圖3。

圖3 溫度對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用來調理污泥在常溫（22～25 ℃）下使用效果較好，主要因為溫度對蛋白質類的絮凝作用影響較大[12]，在該溫度下蛋白質類的高分子物質的運動加快， 增加了污泥顆粒間的碰撞，有利于絮凝作用。 過高的溫度（超過30℃），反而造成污泥膨脹，不利于沉降，影響污泥的脫水效果；溫度過低（低于15 ℃）則使得水的動力粘滯度增大，從而導致脫水效果不理想。

2.3.3 攪拌速度

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

圖4 攪拌速度對污泥脫水性能的影響

2.4 MBF/納米SiO2 對污泥脫水性能的影響機理

污泥的物化性質—Zeta 電位是影響污泥的脫水性能的重要因素。污泥具有雙電層結構，由帶負電的微生物菌膠團組成。 Zeta 電位對污泥膠體顆粒的凝聚和沉降性能有著決定性的影響， 進而影響污泥的脫水性能[13-15]。 Zeta 電位絕對值越大，質點間排斥力較大，不易發生聚沉，處于相對穩定狀態；而Zeta 絕對值較小，電位較低的體系，質點間排斥力較小，不穩定，容易發生聚沉，脫水性能較好[15]。

不同pH 值條件下原泥及投加復合調理劑的Zeta 電位變化見圖3。 由圖3 可以看出，投加MBF/納米SiO2后，Zeta 絕對值較小，電位較低，主要因為MBF/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 電位的絕對值相對更小， 堿性條件下Zeta 電位的絕對值較大，這是因為酸性條件利于污泥EPS 釋放出帶正電的多糖物質，絮體間的極性減弱，與水容易分離，從而脫水能力增強。

3 結論

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

（2）投加MBF（質量分數為4%）+SiO2（質量濃度為0.8 g/L） 形成的復配調理劑后，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復配后， 解決了MBF 的相對分子質量較小，吸附點位、攜帶電荷不夠多的缺點；

（3）在酸性條件下，復配調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℃）環境、攪拌速度約200 r/min 時，利于復配藥劑調理污泥；

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