表面活性劑CTAC對活性污泥的脫水性能及其機理研究

李 愷, 葉志平, 李煥文, 王鳳英

(華南師范大學化學與環(huán)境學院，廣東廣州 510631)

表面活性劑CTAC對活性污泥的脫水性能及其機理研究

李 愷, 葉志平*, 李煥文, 王鳳英

(華南師范大學化學與環(huán)境學院，廣東廣州 510631)

通過對污泥含水率和胞外聚合物(EPS)含量的測定，考察了陽離子表面活性劑(CTAC)和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)對污泥脫水性能的影響.結(jié)果表明，它們都有助于改善污泥的脫水性能，CPAM的最佳投藥量為0.0106 g/100 mL污泥，表面活性劑投藥量約為0.738 g/100 mL污泥，分別使污泥濾餅含水率降至80.28%和68.73%.為了進一步探討表面活性劑對污泥的作用機理，實驗通過觀察表面活性劑處理前后污泥的電鏡掃描照片(SEM)和粒徑分布，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面活性劑處理的污泥原絮團被破壞，污泥表面呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；占體積分數(shù)90%的顆粒粒徑都在52 μm以下，較原泥明顯減小.實驗表明，表面活性劑主要是通過破壞污泥結(jié)構(gòu)釋放內(nèi)部結(jié)合水和溶出EPS來改善污泥脫水性能.

表面活性劑； 剩余污泥； 脫水性能

就目前污泥處理來說，主要是通過調(diào)理去除污泥中水分，得到含固率高的泥餅，從而降低污泥運輸及處理處置的費用.污泥的預處理，即通過向污泥中投加各種凝聚劑，包括天然改性型高分子絮凝劑、合成型高分子絮凝劑、高效生物絮凝劑以及混合藥劑，使污泥顆粒絮凝、結(jié)構(gòu)增強以利于機械脫水[1-4].一般處理后污泥的含水率在80%左右，但要使污泥的含水率降到更低的水平比較困難，因為絮凝劑能顯著提高污泥的脫水速率，但在改善脫水程度上卻效果不佳.近些年，部分學者也對表面活性劑的污泥脫水效果做了研究[5-6].表面活性劑同時具有親水基和親油基，是一類即使在較低濃度下也能顯著降低表(界)面張力的物質(zhì).本文通過實驗室模擬方法，對比了表面活性劑同陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)對污泥脫水性能的影響，并通過微觀表征探討了表面活性劑對污泥的作用機理.

1 實驗部分

1.1材料與儀器

污泥取自廣州市某生活污水處理廠的活性污泥，自然沉降24 h后倒去上清液所得.原污泥含水率為98%～99%，pH=6.8.為了保證實驗結(jié)果的可比性，所有實驗用污泥均在采樣后4～5 d內(nèi)使用.

主要化學試劑：陽離子表面活性劑(CTAC)，配成127.2 g/L溶液；陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)取自污水廠，配成1.0 g/L溶液；所用水均為去離子水.

主要儀器裝置：D-2001T6同步六聯(lián)電動攪拌機；KYKY-1000B掃描電鏡；101A-3型電熱鼓風干燥箱；722S型分光光度計；XZ-1旋片式真空泵；阿米勒激光粒度儀.

1.2分析方法

(1)濾餅含水率的測定 將經(jīng)過處理的污泥100 mL倒入布氏漏斗，在0.08 MPa的壓力下真空抽濾15 min，然后取出部分污泥泥餅置于表面皿中，于烘箱中105 ℃恒溫烘干6～8 h至恒質(zhì)量，放入干燥器中冷卻后稱質(zhì)量，最后計算濾餅的含水率[7]：

(1)

式(1)中a為濾餅含水率(%)；W1為空蒸發(fā)皿質(zhì)量(g)；W2為蒸發(fā)皿質(zhì)量+濕樣質(zhì)量(g)；W3為蒸發(fā)皿質(zhì)量+干樣質(zhì)量(g).

(2)污泥比阻的測定 污泥比阻(SRF)是表示污泥脫水性能的綜合指標，其測定采用圖1裝置.污泥比阻愈大，脫水性能愈差，反之，脫水性能愈好.一般認為比阻在109～1010s2/g的污泥算作難過濾的污泥，比阻在(0.5～0.9)×109s2/g的污泥算作中等，比阻小于0.4×109s2/g的污泥容易過濾.定壓過濾時，調(diào)節(jié)壓力控制閥至額定真空度(0.08 MPa)時，開始記錄濾液體積，每隔15 s記錄1次，記錄時間為前10 min.在該過程中，不斷調(diào)節(jié)壓力控制閥，使真空度保持恒定.比阻的計算需先通過測定一系列的過濾時間t和濾液體積V數(shù)據(jù)，用圖解法求斜率b，再通過公式Ⅱ測濾餅含水比的方法求得C，最后計算出SRF[8]，

(2)

式(2)中污泥比阻值(SRF)的單位為s2/g(工程單位制為cm/g);P為過濾時的壓強降(g/cm2)；μ為濾液黏度(g·cm-1·s-1)；F為過濾面積(cm2).

(3)

式(3)中Ci為100 g污泥中的干污泥量；Cf為100 g濾餅中的干污泥量.

圖1 污泥比阻測定裝置Fig.1 Measuring device of SRF

注：1：接真空泵；2：緩沖瓶；3：具支管量筒；4：真空表；5：布氏漏斗；6：閥門

(3) 污泥沉降實驗 量取100 mL污泥，在一定條件下投入不同量的藥劑，快速攪拌1 min再慢速攪拌5 min，倒入100 mL量筒中，每隔一定時間記錄一次污泥體積，共計時1 h.在同等條件下，比較污泥的沉降性能.

(4) 胞外聚合物(EPS)分析 分別取100 mL不同處理后的污泥，在真空抽濾后取其濾液，采用雙縮脲法，以牛血清蛋白為標準蛋白測定濾液中胞外蛋白質(zhì)含量；采用苯酚-硫酸比色法，以葡萄糖為標準樣品測定胞外糖含量.

(5) 污泥微觀結(jié)構(gòu)觀察 取經(jīng)過處理的污泥，部分干燥后送電鏡掃描并拍攝成照，余樣通過激光粒度儀測定其粒徑分布.

2 結(jié)果與討論

2.1表面活性劑對污泥沉降性能的影響

由于污泥沉降一般都是自然沉降，圖2、圖3分別表示100 mL污泥中表面活性劑和CPAM不同投加量在1 h內(nèi)對污泥沉降速度的影響.污泥的沉降性能受很多因素的影響，主要是污泥絮團的大小以及污泥表面聚合物類物質(zhì).

由圖2和圖3知當表面活性劑和CPAM的投加量為0.738 g和0.015 g時，污泥的沉降效果分別達到最佳，且CPAM較表面活性劑效果更好.實驗表明：CPAM主要是通過自身的正電荷中和污泥表面的負電荷，使污泥絮團凝聚變大，從而改善污泥的沉降性能；盡管表面活性劑破碎污泥絮團使其變小，不利于污泥沉降，但表面活性劑的作用在于其破碎污泥絮體的同時釋放了污泥表面的聚合物(EPS)等親水物質(zhì)，同時表面活性劑的長鏈結(jié)構(gòu)可以促進污泥絮體之間形成良好的吸附架橋功能，從而能夠改善污泥沉降性能[6].

圖2 表面活性劑投加量對污泥沉降體積的影響Fig.2 Effect of surfactant on the volume of sludge settlement

圖3 CPAM投加量對污泥沉降體積的影響Fig.3 Effect of CPAM on the volume of sludge settlement

2.2表面活性劑對污泥脫水性能的影響

污水廠的污泥是經(jīng)過CPAM處理和離心脫水后運往處理場，其污泥濾餅含水率約為79.00%～80.00%，由圖4知使用CPAM在實驗室條件下得到的濾餅含水率最低為80.28%，與污水廠結(jié)果基本一致，適合同表面活性劑的脫水效果對比.

Fig.4 Effect of CPAM on the moisture content of sludge filter cake

圖4顯示，當100 mL污泥中CPAM投加量為0.015 g時，濾餅含水率最低，隨著投藥量的增加，濾餅含水率又回升，這是因為過量的CPAM使污泥顆粒重新帶上正電荷，膠體顆粒因為電荷排斥而重新分散穩(wěn)定，導致污泥脫水困難[9-10].污泥比阻(SRF)是考察污泥過濾性能的重要指標，從圖5可以看出，污泥比阻與濾餅含水率的變化趨勢基本一致.經(jīng)過CPAM調(diào)理，污泥的比阻值較原泥5.57×109s2/g有較大改善，最低達到2.9×108s2/g.

表面活性劑對抽慮后污泥濾餅含水率的影響見圖6.在100 mL污泥中表面活性劑投加量為0～0.738 g時，污泥含水率降幅較大，從88.36%減至68.73%，污泥體積大大降低，處理效果較CPAM有明顯提高.當投加量繼續(xù)增大到0.942 g時，污泥含水率變化基本維持在68.90%左右.圖7顯示，經(jīng)表面活性劑調(diào)理的污泥比阻最低約為1.0×108s2/g，效果明顯(注：由于使用表面活性劑抽濾時，會產(chǎn)生部分氣泡，影響觀察，所以該比阻值存在一定誤差，但不影響對比).

圖5 CPAM投加量對污泥比阻的影響Fig.5 Effect of CPAM on SRF

圖6 表面活性劑投加量對濾餅含水率的影響

Fig.6 Effect of CTAC on the moisture content of sludge filter cake

圖7 表面活性劑投加量對污泥比阻的影響Fig.7 Effect of CTAC on SRF

2.3對胞外聚合物(EPS)的影響

胞外聚合物(EPS)是在一定環(huán)境條件下由微生物，主要是細菌分泌于體外的一些高分子聚合物.主要成分與微生物的胞內(nèi)成分相似，是一些高分子物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)和核酸等聚合物.EPS普遍存在于活性污泥絮體內(nèi)部及表面，是高度水合的且可以結(jié)合大量的水，它能加強活性污泥的濃縮和過濾性能，因而EPS對污泥的脫水性能有重要影響[11].

蛋白質(zhì)和多糖約占EPS總含量的70%～80%，故EPS對污泥脫水性能的影響主要是通過對濾液中蛋白質(zhì)和多糖的含量分析來表征.在表面活性劑的增溶作用下，污泥中EPS等親水大分子從污泥表面脫落，并大量溶解于水中，提高了污泥絮體的可壓縮性，從而減少了污泥顆粒間的結(jié)合水；但是過量的EPS溶出，也會增加污泥粘度，減小污泥的過濾性能，導致過濾速率減弱[5].由圖8可知，投加了表面活性劑的污泥濾液中蛋白質(zhì)和多糖含量都高于原泥和經(jīng)過CPAM處理過的濾液，分別達到了7.745 7、1.252 3 mg/mL.原泥和CPAM處理后的污泥濾液中蛋白質(zhì)和多糖含量基本一致.

圖8 EPS中蛋白質(zhì)及多糖含量Fig.8 Content of protein and polysaccharide in the EPS

2.4對污泥微觀形態(tài)的影響

經(jīng)不同處理后的污泥電鏡掃描(SEM)結(jié)果見圖9～圖11.SEM顯示：經(jīng)過表面活性劑處理過的污泥表面較原泥更為破碎，原泥中較大的絮團基本消失破壞，污泥表面呈現(xiàn)一定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；而經(jīng)CPAM處理過的污泥顆粒則凝結(jié)成較大的絮團.

為了進一步了解表面活性劑對污泥顆粒的影響，實驗還分別討論了不同處理前后污泥顆粒粒徑的分布.表1顯示，經(jīng)不同處理后污泥顆粒的粒徑同原泥有很大區(qū)別，其中表面活性劑處理后的泥樣較原泥顆粒明顯變小，基本都在52.00 μm以內(nèi)，而CPAM處理后的污泥顆粒最大可以達到239.80 μm，較原泥的147.12 μm變化明顯.粒徑分布統(tǒng)計結(jié)果與掃描電鏡顯示的處理情況相一致.

以上分析表明，表面活性劑具有分散作用，使污泥絮體結(jié)構(gòu)分散解體，又在增溶作用下溶解EPS，同時釋放顆粒間的結(jié)合水，從而提高污泥的脫水性能，這同CPAM主要作用于污泥自由水的脫水機理有明顯的區(qū)別.

圖9 未處理的污泥(×1500)Fig.9 The original sludge(×1500)

圖10 加表面活性劑的污泥(×1500)Fig.10 The sludge added with surfactant(×1500)

圖11 加CPAM的污泥(×1500)Fig.11 The sludge added with CPAM(×1500)

μm

注：d10為樣品中體積累積百分比為10%時顆粒的最大直徑(余同)

3 結(jié)論

(1)實驗考察了表面活性劑、CPAM對污泥發(fā)的脫水效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面活性劑在投加量為0.738 g/100 mL污泥時，污泥濾餅含水率從88.36%降至68.73%，較CPAM效果更為顯著.

(2)電鏡掃描和粒徑分析顯示：加了表面活性劑的污泥顆粒粒徑比原泥小，90%的顆粒粒徑都在52 μm以下；而CPAM能夠凝聚污泥顆粒成團，改變污泥絮團結(jié)構(gòu)，提高污泥脫水性能.

(3)污泥胞外聚合物(EPS)對污泥的脫水性有重要影響.表面活性劑通過分散作用使污泥絮體結(jié)構(gòu)分散解體，同時增溶作用溶出EPS等親水大分子，釋放出原絮體內(nèi)部的結(jié)合水.但是過量的EPS會使污泥粘度變大，又不利于污泥的沉降與脫水.

[1] 劉秉濤,婁淵知,徐菲.聚合氯化鋁/殼聚糖復合絮凝劑在活性污泥中的調(diào)理作用[J].環(huán)境化學,2007,26(1):42-45.

LIU Bingtao,LOU Yuanzhi,XU Fei.Effect of polymeric aluminum chloride/chitosan composite flocculant on activated sludge[J].Environmental Chemistry,2007,26(1):42-45.

[2] 劉千鈞,詹懷宇,劉明華,等.兩性木素絮凝劑對生物活性污泥的絮凝脫水性能[J].造紙科學與技術(shù),2004, 23(3):27-29.

LIU Qianjun,ZHAN Huaiyu,LIU Minghua,et al.The performance of an amphoteric lignin flocculant on microbial sludge dewatering[J].Paper Science and Technology,2004, 23(3):27-29.

[3] 楊阿明,張志強,王學江,等.高效微生物絮凝劑用于污泥脫水及其動力學研究[J].中國給水排水,2007,23(9):24-27.

YANG Aming,ZHANG Zhiqiang,WANG Xuejiang,et al.Study on high-efficiency microbial flocculant for sludge dewatering and its dynamics[J].China Water and Wastewater,2007,23(9):24-27.

[4] 鄒鵬,宋碧玉,王瓊.殼聚糖絮凝劑的投加量對污泥脫水性能的影響[J].工業(yè)水處理,2005,25(5):35-37.

ZOU Peng,SONG Biyu,WANG Qiong.Dosage of chitosan flocculant influencing on sludge dewatering performance[J].Industrial Water Treatment,2005,25(5):35-37.

[5] 陳銀廣,楊海真,吳桂標,等. 表面活性劑改進污泥的脫水性能及其作用機理[J].環(huán)境科學,2000,21(5):97-100.

CHEN Yinguang,YANG Haizhen,WU Guibiao,et al.Surfactant improving activated sludge dewaterability and its mechanism[J].Environmental Science,2000,21(5):97-100.

[6] 鹿雯,張登峰,胡開林，等. 陽離子表面活性劑對污泥脫水性能的影響和作用機理[J].環(huán)境化學,2008,27(4):444-448.

LU Wen,ZHANG Dengfeng,HU Kailin,et al.Effect and mechanism of cationic surfactants on sludge dewaterability[J].Environmental Chemistry,2008,27(4):444-448.

[7] 朱書卉,許紅林,韓萍芳. 超聲波結(jié)合復合絮凝劑強化生物污泥脫水研究及其作用機理[J].化工進展,2007,26(4):537-541.

ZHU Shuhui,XU Honglin,HAN Pingfang.Sludge dewatering by ultrasound and composite flocculants and mechanism analysis[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2007,26(4):537-541.

[8] 李燕城.水處理實驗技術(shù)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989：113-117.

[9] 張躍軍,顧學芳,陳偉忠. 陽離子絮凝劑PDA的合成與應用研究——對城市污水的污泥脫水的效果比較[J].南京理工大學學報,2002(2):205-210.

ZHANG Yuejun,GU Xuefang,CHEN Weizhong.Synthesis and application of cationic flocculant pda:Study on sludge dewatering in processing municipal sewage[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2002(2):205-210.

[10] 陳小明,孫鵬,林蔓. 絮凝劑對污泥脫水性能的改善[J]. 環(huán)境保護科學,2005,31(4):18-20.

CHEN Xiaoming,SUN Peng,LIN Man.Improving the dewatering performance of sludge by flocculants[J].Environmental Protection Science,2005,31(4):18-20.

[11] FORSTER C F. Activated sludge surfaces in relation to the sludge volume index[J].Water Research,1971,5:861-870.

Keywords： surfactant; excess sludge; dewaterability

【責任編輯 成 文】

STUDYOFSURFACTANTSCTACONACTIVATEDSLUDG’SDEWATERABILITYANDMECHANISM

LI Kai, YE Zhiping*, LI Huanwen, WANG Fengying

(School of Chemistry and Environment, South of China Normal University, Guangzhou 510631， China)

Effects of cationic surfactant (CTAC) and cationic polyacrylamide (CPAM) on sludge dehydration ability were studied by testing the moisture content and extracellular polymeric substance (EPS) of sludge. Experimental results indicate that the dehydration ability of sludge treated with CTAC or CPAM is improved. The optimum dosages of CPAM and CTAC are 0.0106 gram to 100 ml sludge and 0.738 gram to 100 ml sludge respectively, which make the moisture content of filtered sludge down to 80.28% and 68.73% respectively. In order to explore the action mechanism of CTAC on sludge, scanning electronic microscope (SEM) and size distribution were made to the sludge before and after treated with CTAC. It is found that the sludge’s origianl floc structure is destroyed after treatment of CTAC, then the surface of sludge is in a web structure, and the sludge’s granule size which accounts for 90% of the volume fraction is below 52μm, obviouly lower than that in the original sludge. It concludes that CTAC improves sludge’s dehydration ability through destroying its structure, thus makes the sluge release gap water and EPS.

2009-09-08

李愷(1986—),男,安徽滁州人，華南師范大學2007級碩士研究生，Email:kaiwen1986@gmail.com；葉志平(1955—)，男，福建仙游人，華南師范大學教授，主要研究方向：礦物加工及固體廢物資源化的研究，Email:yzpsd@yahoo.com.cn.

*通訊作者

1000-5463(2010)02-0076-06

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