溶菌酶輔助殼聚糖調理對活性污泥脫水性能的影響及其機理

申 亮,施 周,羅 璐,戴慧奇,周先敏

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北武漢 430010;2.湖南大學土木工程學院,湖南長沙 410082)

隨著我國城鎮化的快速發展和市政公用基礎設施的不斷完善,我國污水處理能力在近十年內急劇增長。根據《2021年中國城市建設狀況公報》,截至2021年年末,我國建成投產的城鎮污水處理廠共2 827座,污水處理規模約為2.1×108m3/d,按污泥脫水至含水率80%計,每年產生污泥量高達6.0×107t。污泥作為城市污水處理后產生的副產物,富含難降解有機物、細菌、病毒及重金屬等有害物質,對污泥的妥善處理和處置至關重要[1-2],而對高含水率的活性污泥進行脫水處理是污泥處置的前提和關鍵[3]。活性污泥是在曝氣池內產生的固液混合物,主要由菌膠團、難降解有機物及無機顆粒組成,其結構松散、表面積較大,含水率一般在97%～99%,含有大量的自由水﹑孔隙水﹑結合水[4]。

活性污泥的脫水性能通常較差,不經過化學藥劑調理,很難進行下一步的機械脫水。研究[5-7]表明,活性污泥脫水性能不僅受污泥自身的物理化學特性影響,還與活性污泥有機質成分、水分存在形式、抽濾比阻、ζ電位以及絮體形態等有關。污泥顆粒表面因存在羧基、羥基、磷酸基等陰離子官能團而帶負電,當負電性的膠體顆粒彼此靠近時,膠體雙電層結構產生靜電斥力,不利于膠體脫穩凝聚,因此,污泥ζ電位是影響膠體脫穩凝聚的重要因素。隨著計算機科學及掃描電鏡技術的發展,目前國內外已有研究[8]采用圖像處理技術對污泥絮體形態特征進行分析,將圖像分析和分形理論相結合,從微觀角度觀測污泥絮體形態表面特征和內部結構,利用絮體外形尺寸、粒徑分布及分形維數等定量表征絮體結構,從絮體形態學角度探討活性污泥的脫水機理。

目前,國內污水處理廠調理污泥主要采用聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化鋁(PAC)等高分子聚合物,其水解產生的物質存在低毒性、難降解、對環境有潛在危害等問題,已在污泥處理領域引起高度重視[9]。殼聚糖分子含有活潑的羥基、氨基等極性基團,在弱酸環境中表面分布正電荷,可作為有機陽離子絮凝劑替代傳統的無機絮凝劑[10]。目前,用于污泥脫水的PAC、PAM、殼聚糖單位污泥投加成本約為2、48、6元/(t 污泥),由此可見,殼聚糖的單位污泥投加成本高于PAC,但遠低于PAM。同時,殼聚糖和溶菌酶作為天然提取物,均可生物降解,對人體無毒、無害。溶菌酶可以催化水解微生物細胞壁,改善污泥絮體結構,釋放絮體內部間隙水從而促進污泥脫水[11]。因此,溶菌酶輔助殼聚糖調理活性污泥,有望在殼聚糖調理的基礎上進一步改善污泥脫水性能。有鑒于此,本文研究了溶菌酶輔助殼聚糖調理活性污泥對其脫水性能的影響,從污泥ζ電位、分形維數和絮體SEM表征等方面對污泥脫水機理進行了探討和分析。

1 材料與方法

1.1 污泥來源與性質

污泥樣品取自長沙市某大型污水處理廠的活性污泥,經重力沉降和篩網過濾后,置于4 ℃條件下備用,每批次污泥均在5 d內使用完,所有試驗均采用3次平行試驗。污泥各項基本指標經檢測后如表1所示。

表1 污泥的基本性質指標Tab.1 Basic Properties of Sludge

1.2 主要試劑與儀器

主要試劑:殼聚糖,購于國藥集團化學試劑有限公司,脫乙酰度質量分數為80%～95%,溶于1%HAC溶液;溶菌酶0633(活度:20 000 U/mg)為進口分裝,Amresco公司生產。

主要儀器:JJ-6型六聯攪拌器(長沙索拓科學儀器有限公司)、SHB-IIIA型循環式多用真空泵(鄭州長城科工貿有限公司)、Nano ZS90型ζ電位儀(英國馬爾文儀器有限公司)、XDS-1B型倒置顯微鏡(重慶光電儀器有限公司)、JSM-5600LV型掃描電鏡(日本JEOL公司)及真空抽濾裝置一套。

1.3 試驗方法

采用真空抽濾法(50 kPa)測量污泥比阻(specific resistance to filtration, SRF)[12];采用重量法測量泥餅含水率[13];使用Nano ZS90型ζ電位儀測定污泥ζ電位;污泥絮體形態使用XDS-1B型倒置顯微鏡以及JSM-5600LV型掃描電鏡探測,使用Image-Pro 6.0圖像處理軟件對絮體顯微照片計算絮體特征參數(投影面積P及特征周長A),對InP和InA進行線性擬合所得斜率即為二維分形維數(D2)。

2 結果與討論

2.1 污泥調理前后泥餅含水率和污泥比阻變化

真空抽濾泥餅含水率和污泥比阻是反映污泥脫水性能的指標,泥餅含水率和污泥比阻越低說明污泥脫水性能越好,反之亦然。圖1和圖2是在不同投加量下,殼聚糖單獨調理污泥和溶菌酶輔助殼聚糖調理污泥[固定殼聚糖投加量為0.01 g/(g干污泥)]對泥餅含水率和污泥比阻的影響。

圖1 殼聚糖單獨調理對泥餅含水率和比阻的影響Fig.1 Effects of Chitosan Alone Conditioning on Moisture Content and Specific Resistance of Sludge

注:殼聚糖投加量為0.010 g/(g干污泥)。圖2 溶菌酶輔助殼聚糖調理對泥餅含水率和比阻的影響Fig.2 Effects of Lysozyme-Assisted Chitosan Conditioning on Moisture Content and Specific Resistance of Sludge

由圖1可知,殼聚糖單獨調理污泥顯著降低了泥餅含水率和污泥比阻,污泥比阻下降尤甚。當殼聚糖投加量為0.005～0.030 g/(g 干污泥)時,污泥比阻降至1.9×1011～3.2×1011m/kg,相對原泥比阻(4.12×1012m/kg)降低了92.2%～95.4%;而泥餅含水率隨殼聚糖投加量先降低后緩慢升高,當投加量為0.010 g/(g 干污泥)時,泥餅含水率從原泥的90.9%降至最低(77.5%),下降了約14.7%。溶菌酶輔助殼聚糖調理時,污泥比阻變化較小,泥餅含水率在殼聚糖調理的基礎得以進一步降低,且隨溶菌酶投加量的增加而不斷降低。當溶菌酶投加量為0.200 g/(g 干污泥)時,泥餅含水率由原泥的92.7%降至73.0%,下降了約21.3%,污泥比阻由原泥的3.45×1012m/kg降至1.9×1011m/kg,下降了約94.5%。由此可見,溶菌酶輔助殼聚糖調理污泥可以有效降低泥餅含水率和比阻,污泥脫水性能得到顯著提高。

2.2 污泥調理前后ζ電位變化

每批次污泥取8組試樣測定其ζ電位,取均值作為污泥ζ電位值。如圖3、圖4所示,原泥ζ電位為-7.2～-1.0 mV,|ζ|電位平均值約為4.71 mV。污泥經殼聚糖單獨調理后ζ電位變化較大,污泥ζ電位隨投加量增加先降低后迅速上升,最終由負電位轉變為正電位。當殼聚糖投加量為0.010 g/(g 干污泥)時,污泥|ζ|電位降至最低,平均值為0.71 mV。溶菌酶輔助殼聚糖調理污泥時,投加適量溶菌酶能夠在殼聚糖調理基礎上進一步壓縮雙電層。溶菌酶投加量為0.10 g/(g 干污泥)時,污泥|ζ|電位平均值降至0.28 mV,溶菌酶投加量超過0.10 g/(g 干污泥)后,污泥顆粒表面的ζ電位轉變為正電位。

圖3 殼聚糖單獨調理對污泥ζ電位的影響Fig.3 Effects of Chitosan Alone Conditioning on Sludge ζ Potential

注:殼聚糖投加量為0.010 g/(g 干污泥)。圖4 溶菌酶輔助殼聚糖調理對污泥ζ電位的影響Fig.4 Effects of Lysozyme-Assisted Chitosan Conditioning on Sludge ζ Potential

Morgan等[14]研究認為,污泥ζ電位受蛋白質分子影響,污泥顆粒表面的負電荷與蛋白質分子上的氨基基團正電荷互相中和,引起ζ電位的增加。弱酸環境中殼聚糖分子表面的游離氨基質子化后呈現正電性,因此,投加適量殼聚糖調理污泥,可以壓縮膠體雙電層結構,降低污泥|ζ|電位,促進污泥膠體脫穩凝聚,從而改善污泥脫水性能。但殼聚糖投加量過多將導致污泥膠體表面帶上相反電荷,變成正電位,膠體顆粒又因正電互斥而重新分散,造成污泥脫水性能惡化。

溶菌酶自身即是一種堿性球蛋白,因此,用適量的溶菌酶調理污泥也可以壓縮膠體雙電層結構,降低污泥|ζ|電位,促進污泥膠體脫穩凝聚。溶菌酶分子量約為1.45 kDa,溶菌酶分子的氨基數量遠遠低于高分子聚合物的殼聚糖(分子量為50～90 kDa,脫乙酰度質量分數為86.6%),因此,可用溶菌酶在殼聚糖調理基礎上進一步壓縮膠體雙電層結構,促進污泥膠體脫穩、凝聚。

2.3 污泥絮體形態學分析

2.3.1 污泥分形維數分析

活性污泥的脫水性能與其絮體結構密切相關,污泥絮體結構的不規則形態可用分形理論進行定量分析[15-16]。D2可表征污泥絮體的結構特征和密實程度,因此,分形維數可以有效地衡量污泥的脫水性能。D2越接近2,污泥絮體越密實,污泥的脫水性能也越好[13]。

根據二值化的顯微照片(圖5)提取污泥絮體形態學的特征參數,線性擬合后得到原泥、溶菌酶、殼聚糖以及兩者聯合調理的D2值分別為1.488、1.561、1.676及1.748(圖6)。原泥顆粒細小而松散,D2僅為1.488;污泥經溶菌酶調理后,溶菌酶對微生物細菌的破壁作用,使得污泥絮體變得細碎、緊密,D2增加到1.561;污泥經殼聚糖單獨調理后,污泥絮體D2增加至1.676,污泥絮體寬大、疏松,其內部孔隙也較大;溶菌酶輔助殼聚糖調理污泥,進一步凝聚了絮體顆粒,使其變得更加緊密,并釋放了絮體內的部分間隙水,污泥絮體D2值增加至最大(1.748)。由此可見,分形維數越大,對活性污泥的脫水性能越有利。

圖5 二值化的顯微圖Fig.5 Binarization Micrograph

注:斜率即為D2。圖6 lnP和lnA線性擬合Fig.6 Linear Fitting of lnP and lnA

2.3.2 污泥絮體掃描電鏡分析

通過掃描電鏡技術對活性污泥絮體進行微觀觀測,污泥絮體經掃描電鏡放大3 000倍拍攝的絮體表面如圖7所示,電鏡掃描圖像可與二值化的顯微圖片互相印證。由圖7(a)和圖7(c)判斷,污泥經殼聚糖單獨調理后,污泥絮體顆粒呈網狀結構,絮體孔隙較大,存在較多內部間隙水。根據圖7(b)和圖7(d),經溶菌酶單獨調理或溶菌酶輔助殼聚糖調理后,污泥絮體表面結構變得緊湊、密實,孔隙數量大大減少。結果表明,殼聚糖具有良好的吸附架橋作用,污泥顆粒凝聚成疏松的絮狀體,其體積和密度增加而易于沉降,但絮狀體內部的顆粒間隙水未被去除。溶菌酶輔助殼聚糖調理污泥時,通過水解微生物細胞壁,釋放顆粒內部間隙水,進一步改善了活性污泥的脫水程度。

圖7 污泥絮體表面形態掃描電鏡圖片(放大倍數:3 000)Fig.7 SEM Image of Surface Morphology of Sludge Floc (Magnification Times: 3 000)

3 結論

(1)活性污泥經溶菌酶輔助殼聚糖調理后,真空抽濾泥餅含水率由原泥的92.7%降至73.0%,下降約21.3%,污泥比阻由原泥的3.45×1012m/kg降至1.9×1011m/kg,下降了約94.5%,活性污泥的脫水性能得到顯著提高。

(2)通過對污泥絮體分形維數和掃描電鏡分析,可知溶菌酶輔助殼聚糖調理改善活性污泥脫水性能,其機理主要在于:一方面通過電性中和壓縮污泥雙電層結構,污泥|ζ|電位均值由4.71 mV降低至0.28 mV,促進污泥膠體脫穩、凝聚;另一方面壓縮絮體顆粒間孔隙并釋放部分間隙水,增加污泥絮體密實程度,D2值由1.488提高到1.748,從而進一步改善活性污泥的脫水性能。