基于剩余污泥的超声法提取微生物絮凝剂

Posted 2023-01-12 絮凝

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通过超声系列实验，对超声法从剩余污泥中提取微生物絮凝剂(MBF)进行了系统研究。从剩余污泥中提取的MBF在碱性条件下表现出较好的絮凝活性。提高污泥浓度有利于提取出较高絮凝活性的MBF。由于超声波的破解作用，超声频率或功率过高均不利于MBF的提取。在20kHz的超声频率下，连续超声比脉冲为1、4或8s超声时的提取效果均要好。经过工艺优化，采用20kHz、120W的超声波对剩余污泥(19.4g/L)连续超声30s，所提取的MBF对高岭土悬浊液的絮凝率接近70%。结果表明，超声法可用于从剩余污泥中直接提取MBF，在降低MBF生产成本的同时实现污泥的资源化利用。
微生物絮凝剂(microbialflocculant，MBF)是一类由微生物产生的具有絮凝活性的次生代谢产物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等，分子量基本在105Da以上。与传统絮凝剂相比，MBF具有高效、无毒、可生物降解等特点[2-5]。目前国内外对MBF的研究大多处在实验室阶段，主要进行了产絮菌筛选、培养条件优化、絮凝特性及机理等研究[6，7]。由于生产成本过高，MBF尚未得到推广应用。因此，MBF的生产成本是其产业化过程中的瓶颈问题。国内外很多学者对此问题进行了研究，如日本的学者Kurane等、Fujita等和国内学者李大鹏等、Wang等利用廉价原料和有机废弃物作为产絮菌的碳、氮源或替代培养基以降低MBF的生产成本；王春燕以城市污水处理厂的脱水污泥作为原料制备MBF，省去了培养菌种的环节，降低了MBF制备的成本。我们也研究了利用啤酒废水作为廉价碳源制备新型微生物絮凝剂，从而降低MBF的生产成本。剩余污泥是污水生物处理的副产物，其处理已成为城市污水处理厂运行的沉重负担。剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体。菌胶团是由微生物分泌的天然有机高分子物质将微生物包覆成的粘性团块。这些天然有机高分子物质是活性污泥中的微生物在降解污水中的有机物时形成的，在形成污泥絮体和改善污泥沉降性能等方面起着重要作用。若成功从剩余污泥中提取出这些天然有机高分子物质作为MBF，则不仅可大大降低MBF的生产成本，还可实现剩余污泥的资源化利用。目前，国内外相关的研究文献报道较少。本文采用超声法从城市污水处理厂剩余污泥中提取出具有絮凝活性的天然有机高分子物质作为絮凝剂试样，研究了污泥浓度和超声波作用参数(时间、频率、脉冲方式和功率等)对所提取絮凝剂试样絮凝活性的影响，确定了超声法从剩余污泥中提取MBF的优化工艺条件。
1.实验材料和方法
1.1剩余污泥
剩余污泥取自上海市某污水处理厂的二沉池回流污泥，该厂采用A2/O处理工艺，日处理水量5.7×104m3，回流污泥浓度6～7g/L，VSS/SS=68%～75%，pH值为7～7.5。将回流污泥于4℃下静置12h左右，倾去上清液，污泥经重力浓缩后浓度达到18～20g/L，在4℃下保藏备用。
1.2MBF的超声提取法
实验中所采用的超声设备共有2种，分别为上海生析超声仪器有限公司的20kHz的超声波细胞破碎仪以及35kHz、40kHz、53kHz的超声波清洗器。将超声处理后的污泥样品通过JouanKR25i高速离心机，在4℃、12000r/min下离心20min得到的上清液即为絮凝剂试样。分别考察污泥浓度、超声波作用参数(时间、频率、脉冲方式和功率等)对从剩余污泥中所提取絮凝剂试样的絮凝活性影响。
1.3絮凝率的测定方法
在100mL比色管中加入0.4g高岭土，3mL1%(W/V)的CaCl2溶液，2mL絮凝剂试样，定容至100mL。以0.1mol/L的HCl和0.1mol/L的NaOH将其调至一定的pH值，混匀后静置5min，然后用移液器吸取其上清液5mL于比色管中，用分光光度计(HACH，DR2800)在550nm下测其吸光度(B)。以加3mL1%(W/V)的CaCl2溶液但不加絮凝剂试样、相同操作条件下的高岭土悬浊液的吸光度作对照(A)。以絮凝率来表示絮凝活性，计算公式如下：
絮凝率(E)=(A-B)/A×100%
(1)
2.结果与讨论
2.1pH值对絮凝剂试样絮凝效果的影响
用35kHz、180W的超声波对剩余污泥(19.1g/L)超声20min后，以4℃、12000r/min低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样。将絮凝剂试样投加到高岭土悬浊液中，调节至不同的pH值，考察pH值对絮凝剂试样絮凝效果的影响，结果如图1所示。

pH值是影响絮凝效果的重要因素，因为它不仅会影响悬浮颗粒的双电层结构，而且对絮凝剂本身也有影响。由图1可知，随着混和液pH值的逐渐增加，投加相同剂量的絮凝剂试样后，其絮凝率变化呈V型。在中性条件下，絮凝率很低。随着pH值往酸性和碱性方向变化，其絮凝率越来越高。在酸性范围，当pH值<6时，虽然絮凝率也有所提高，但幅度不大，pH值为3时，絮凝率为25.7%。在碱性条件下，即当pH>8时，随着pH值的上升，絮凝率迅速提高，当pH值达到10.5后，絮凝率趋于稳定，达到71.2%以上。
分析认为，该絮凝剂试样为弱阴离子型高分子絮凝剂。在中性条件下，絮凝剂分子与高岭土微粒相互排斥，难以接近吸附，几乎没有絮凝效果。而高分子絮凝剂的结构多为柔软弯曲的长链，它的大小和形状取决于高分子电离所带的电荷的相互作用。当pH值呈碱性时，絮凝剂分子吸附水中大量的羟基，使分子内静电斥力加强，其结构大大伸展，对溶液中悬浮颗粒和胶体进行网捕和卷扫，此时，目视时可观察到较大的絮凝颗粒。而且碱性条件下，Ca2+容易生成Ca(OH)2胶体沉淀，同样具有吸附高岭土微粒的作用，对絮凝也有一定贡献。实验中观察到，发生絮凝反应后，体系的pH值有所降低，也证明了这一论点。当pH值呈酸性时，溶液中氢离子浓度较高，对中和高岭土表面的负电荷比较有利，同时压缩颗粒表面的双电层，降低颗料表面的Zeta电位，有利于高岭土微粒与絮凝剂分子发生吸附。
虽然在pH值为10.5时絮凝率达到71.2%，絮凝效果最佳，但是碱性过强。而pH值为9时，絮凝效果良好，为40.6%，而且接近中性可适用范围广，故选择pH值9为后续实验条件。
2.2污泥浓度对超声法提取MBF的影响
用35kHz、180W的超声波对不同浓度的剩余污泥(19.1g/L)分别超声5、10、20和30min后，以4℃、12000r/min低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察污泥浓度对超声法提取MBF的影响，结果如图2所示。

由图2可知，在不同的超声时间下，从高浓度污泥中提取的絮凝剂试样均比从低浓度污泥中提取的絮凝剂试样的絮凝率高。污泥浓度越高，絮凝性物质越易提取，相同体积的污泥可提取的絮凝活性物质也越多，因此采用高浓度污泥提取出的絮凝剂试样絮凝活性更好。在4℃条件下，将回流污泥自然沉降12h，所得的污泥浓度约为18～20g/L，此时污泥浓度较高，而且提取的MBF具有良好的絮凝活性，后续实验中均采用这种高浓度污泥。
2.3频率对超声法提取MBF的影响
用180W功率的超声波对剩余污泥(19.1g/L)分别在20(4s脉冲)、35、40和53kHz频率下超声5、10、20、30和40min后，以4℃、12000r/min低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察超声波频率对超声法提取MBF的影响，结果如图3所示。

由图3可知，频率为20kHz时，超声时间越长，所提取的絮凝剂试样的絮凝率越低，最高絮凝率出现在5min，为46.6%。而频率为35、40和53kHz时，其最高絮凝率分别出现在20、10和5min，对高岭土悬浊液絮凝率分别为40.6%、35.1%和44.2%。此后，随着超声时间的继续增加，所有曲线都表现出絮凝率越来越低的趋势。这与王春燕的研究结果类似，即长时间的超声会破坏所提取到的絮凝剂试样的絮凝活性。原因可能是超声的机械水力剪切作用有利于将絮凝性物质与菌体进行分离，但超声同时可以形成化学自由基，对污泥具有破解作用，长时间、高强度的超声会将大分子聚合物降解为小分子的有机物，而这类物质是不具有絮凝活性的，表现在絮凝剂试样的絮凝率降低。这也解释了为什么频率越大，最佳时间出现越早。20kHz超声波细胞破碎仪表现出超声频率低、超声时间短、所得MBF絮凝率高等优势，因此后续实验中选用此种超声频率。
2.4脉冲方式对超声法提取MBF的影响
用20kHz、180W的超声波对剩余污泥(18g/L)进行超声，分别在连续超声、1s脉冲、4s脉冲和8s脉冲条件下超声1、2、3、4、5和7min，然后在4℃、12000r/min低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察超声波脉冲方式对超声法提取MBF的影响，结果如图4(a)所示。

由图4(a)可知，连续超声对所提取的絮凝剂试样的絮凝效果影响显著，随超声时间增长，絮凝率越来越低，最佳超声时间在1min以内。对于1s脉冲、4s脉冲、8s脉冲的超声，则最佳值出现在3～4min，且4s脉冲效果优于8s脉冲，8s脉冲又优于1s脉冲。其中，利用20kHz(4s脉冲)的超声波细胞破碎仪，超声3min即可达到较好的效果，絮凝率在61%以上，在3～4min内，絮凝效果保持稳定，4min后随着时间继续延长，絮凝率开始下降，10min后下降到37.5%左右，40min后下降到20%以下。此结果表明在20kHz脉冲超声3min之前，利用超声水力剪切的机械作用将胞外聚合物溶出的作用较超声的氧化作用占优势；超声4min后，超声所产生活性自由基的氧化还原作用，即将大分子聚合物分解的作用，占据了优势。
对剩余污泥(18.7g/L)进行不超声、连续超声15、30、45、60和90s，结果如图4(b)如示。由图4(b)可以看出，20kHz连续超声30s即可达到较好的效果，絮凝率达到64%，在30～60s间，这个效果基本保持稳定，连续超声60s后随着时间继续延长，絮凝率开始降低。因此后续实验中选用20kHz连续超声30s的方式。
2.5功率对超声法提取MBF的影响
用20kHz超声波对剩余污泥(19.4g/L)在不同功率下连续超声30s，然后在4℃、12000r/min低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察超声波功率对超声法提取MBF的影响，结果如图5所示。

由图5可知，超声功率为120W时，所提取的絮凝剂试样的絮凝率接近70%；随着超声波功率的增强，所得絮凝剂试样的絮凝率基本呈下降趋势，当超声功率加到330W时，对高岭土悬浊液的絮凝率下降至42.4%。这可能是由于超声波能有效破解污泥，当功率较大时，会产生更多的化学自由基，使某些敏感活性物质变性或分解为小分子物质，从而失去絮凝活性。
3.结论
以城市污水处理厂的剩余污泥为原料，通过超声波破碎、低温高速离心从剩余污泥中提取的MBF对高岭土悬浊液具有良好的絮凝效果，其絮凝率在碱性条件下较佳。污泥浓度越高，所提取的絮凝活性物质越多。20kHz的超声波对剩余污泥中MBF的提取效果要优于35、40和53kHz。超声时间过长或超声功率过大，都会使絮凝活性物质降低活性。利用超声法从剩余污泥中提取MBF的优化工艺为采用20kHz超声波，超声功率120W，连续超声30s，所提取的MBF在pH值为9条件下对高岭土悬浊液的絮凝率接近70%。