污泥胞外聚合物的结构及絮体沉降脱水性能研究

污泥胞外聚合物的结构及絮体沉降脱水性能研究

良好的污泥沉降性能是正常运行活性污污泥技术的先决条件之一。该工艺所产生的量大而难分离的剩余污泥,需进行脱水处理以实现减量化。目前人们普遍注意到胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances,EPS)对污泥的絮凝、沉降和脱水具有影响,但其确切作用并不十分清楚。有关污泥的粒径分布、表面电荷与其沉降脱水性能的关系,报道的结果也不尽一致。本文以淀粉基质培养的不同泥龄的污泥为实验对象,测定了松散附着(looselybound,LB)和紧密粘附(tightlybound,TB)的EPS的含量、污泥絮体的粒径分布、Zeta电位,揭示了它们与污泥的沉降脱水性能之间的关系,为活性污泥工艺的改进和提高提供依据。1材料和方法1.1化学需氧量法cod用20g/L可溶性直链淀粉、2.1g/L尿素、0.25g/LK2HPO4、0.18g/LKH2PO4配制成浓缩液,其化学需氧量(COD)约20g/L;冷藏保存,使用时以去离子水稀释。营养配比为m[COD]∶m[N]∶m[P]=100∶5∶1。其他微量营养物的浓度见表1。1.2不同泥龄污泥龄接种污泥取自香港Stanley城市污水厂。用3个有效容积为1.6L的SBR反应器,培养泥龄为5、10、20d的污泥。一个周期24h:进水0.5h,曝气(反应)18h,沉淀2h,排水1h,闲置2.5h。其他运行操作参数为:温度(20.0±2.0)℃,pH=7.0±0.2,溶解氧ρ[DO]=2.5～5.5mg/L。1.3污泥含固质量分数以污泥容积指数(SVI)表征污泥的沉降性能,以出水悬浮固体浓度ρ[SS]表征污泥的絮凝性能。采用修正的毛细吸水时间tcs,m表征污泥的脱水性能:tcs,m=(tcs−tcs,f)/(μf/wwss)‚tcs,m=(tcs-tcs,f)/(μf/wwss)‚其中:tcs为测定的毛细吸水时间,tcs,f为污泥过滤液的毛细吸水时间,μf/w为滤液相对于水的粘度值,wss为污泥含固质量分数。1.4lb/tb的提取LB的分离采用物理方法:取25mL污泥混合液置于30mL的离心试管内,在6kg离心5min,倾出上清液。将污泥颗粒重新悬浮于15mL生理盐水中,并放入玻璃珠若干,在超声仪中超声2min,置于摇床在150r/min水平振摇10min,再超声2min,而后在8kg离心10min,取上清液测定LB质量。LB分离后的污泥颗粒采用热提取法提取TB:颗粒重新悬浮于25mL的生理盐水中,超声3min,80℃水浴加热30min,12kg离心20min,取上清液测定TB质量。EPS总质量为LB与TB质量之和。1.5污泥粒径分布的测定粒径分布取污泥混合液10mL,稀释到1/100,采用μImage装置测定粒径分布。μImage装置由絮凝器、光源、数码相机(Watec)、图象分析系统(AnlySIS3.1)组成。污泥在絮凝器内经慢速搅拌絮凝,经过一个4倍显微镜头后成相,每个泥龄的污泥分别拍摄30张照片,经图像分析系统统计得出其粒径分布。Zeta电位取反应器的出水稀释到1/100,采用Zeta电位测定仪(COULTERDELSA440SX)测定污泥絮体的Zeta电位Ezeta。其他COD、ρ[SS]、混合液悬浮固体浓度或单位体积混合液中污泥的干质量、污泥容积指数(SVI)、tcs的测定均按标准方法。粘度测定采用旋转粘度计(FungilabVisco-Star-L);TOC测定采用TOC仪(ShimadzuTOC-5000A)。2结果与讨论2.1研究中污泥表面特性的结果2.1.1泥龄与ezeta的关系污泥EPS和Zeta电位的测定结果示于图1。由图可知单位质量干污泥中的EPS总量在50～70mg/g范围内变化,且随泥龄的延长先增加再减少。TB占EPS的绝大部分,其变化规律与EPS总量的变化规律相似。而EPS的组成LB与TB的质量比mLB/mTB则随泥龄(sludgeretentiontime,tSR)的延长而规律地减小,泥龄5、10、20d时mLB/mTB平均值分别为0.030,0.012,0.011。以碳计,本实验测得EPS总质量占污泥干质量(SS)的10%～14%,落在文的1%～15%的范围内。EPS的一个主要来源是细菌生长过程中的排泄,在加速生长期细菌主要排泄低分子聚合物,与细胞体结合不紧密,多属LB;而减速生长期和内源呼吸期主要排泄高分子聚合物,与细胞体结合较紧密,多为TB,同时TB和LB均是可被用作为碳源和能源的物质。因此,随着泥龄由5d、10d变化至20d,EPS总量先增加再减少,而mLB/mTB却一直减小。另外,由图可知不同泥龄污泥的Ezeta在-6～-28mV变化,且随着泥龄延长,Ezeta的绝对值减小。该结果与文的报道相一致。2.1.2泥龄20d的污泥中,d、20d的污泥中,泥龄所占比例不高,泥龄10污泥絮体的粒径(d)分布示于图2。由图可知,粒径小于10μm的微小絮体,在泥龄为5d的污泥中最多,约54.5%,而在泥龄10d、20d的污泥中数量相当,分别为28.7%和33.0%;粒径10～50μm的絮体,在泥龄20d的污泥中所占的比例比泥龄10d、5d的高,达45.4%;粒径在50μm以上的絮体,在泥龄5d的污泥中最少,仅13.2%,而在泥龄10d、20d的污泥中分别为32.7%和21.6%。文曾报道过泥龄较短的污泥易发生细菌分散生长而形成粒径较小的针状絮体,本实验结果与之相一致。2.1.3s的流变性实验结果表明,EPS的总量对Zeta电位基本没有影响,但EPS的组成与Zeta电位之间有很好的相关性(图3),随着mLB/mTB的增大,Zeta电位值也增大。EPS的结构呈现为具有流变性的双层结构(图4),内层(TB)与细胞表面结合较紧,相对稳定地附着于细胞壁外,具有一定外形;外层(LB)则是比内层疏松、可向周围环境扩散、无明显边缘的粘液层,含水分多,密度小,具有流变特性。如把污泥絮体看作为一个胶体颗粒,TB和LB则如同胶体颗粒的双电层结构,mLB/mTB的增大相当于扩散层的厚度增大,因此导致Zeta电位增大。实验测得小于10μm的微小絮体数量随着泥龄延长而不断减少,Zeta电位值也随着泥龄延长而减小,表明Zeta电位值越大,污泥中微小絮体的数量越多。2.2污泥颗粒相互作用的变化EPS总量与污泥絮凝、沉降和脱水性能的关系示于图5。由图可知,EPS总量与ρ[SS]、SVI和tcs,m之间没有明显的相关性。而EPS的组成LB、TB却与ρ[SS]、SVI和tcs,m分别呈现出不同程度的正相关性,随着mLB/mTB的增大,污泥的絮凝、沉降和脱水性能均变差(图6)。该结果表明,EPS的组成LB、TB是影响污泥沉降脱水性能的主要因素。LB含量的增加可导致污泥絮体内间隙水增多,絮体体积增大;同时可导致絮体的Zeta电位增大,相互之间的静电斥力增大;而且可能造成污泥絮体表面粗糙度增大,与水分离的难度加大,沉降速度减慢。因此,当LB多,TB少时,根据Liao等提出的模型,污泥颗粒之间的各种相互作用均减弱,形成的絮体对外力及环境的改变非常敏感,容易破碎,造成微小絮体增多。本实验测得的污泥的粒径分布证实了这点(图2),泥龄为5d时污泥的mLB/mTB最大,粒径小于10μm的粒子最多,造成ρ[SS]和SVI增大,tcs,m延长,污泥的性能变差。2.3污泥中zeta电位值的变化Zeta电位与ρ[SS]、SVI和tcs,m的关系示于图7。由图可知,Zeta电位值增大,反应器的ρ[SS]、污泥的SVI和tcs,m均随着增大,即污泥的絮凝、沉降、脱水性能均变差。Pere和Liao等人的实验已证实:Zeta电位值增大表明污泥絮体表面的离子化多聚物较多,与水分子之间的极性作用增强,即亲水性增强。亲水性增强可导致污泥絮体内结合水增多,与水分离的难度增大,沉降速度减慢,从而使ρ[SS]、SVI和tcs,m均增大。另外,据DLVO理论,Zeta电位增大使絮体间的静电斥力增大,微小絮体增多(图2),也导致污泥性能恶化。3微生物的沉降脱水特性1)EPS总量与污泥的Zeta电位之间没有明显的相关性,但EPS的组成(LB、TB)与Zeta电位有很好的正相关性。mLB/mTB越大,污泥的Zeta电位值越高,粒径小于10μm的微小絮体数量越多。2)EPS的总量