超聲法從剩余污泥中提取微生物絮凝劑的研究

張志強(qiáng)，李向蓉，張 姣，夏博宇

（1.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程與交通學(xué)院，上海200432；4.上海財(cái)經(jīng)大學(xué)附屬中學(xué)，上海200090）

微生物絮凝劑（microbial flocculant，MBF）是由微生物產(chǎn)生的可使液體中不易沉降的懸浮顆粒、菌體細(xì)胞及膠體顆粒等凝聚沉淀的特殊高分子物質(zhì)［1］.MBF主要成分包括多糖、蛋白質(zhì)和核酸等［2］，具有高效、無毒、可生物降解、無二次污染等特點(diǎn)，可成為人工合成有機(jī)高分子絮凝劑潛在的替代物［3］，已有關(guān)于其在水處理、食品加工、發(fā)酵等行業(yè)的應(yīng)用報(bào)道［4］.制備MBF的常用方法是利用純菌株在特定培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件下好氧發(fā)酵［1］，其高成本和苛刻的培養(yǎng)條件限制了其進(jìn)一步的擴(kuò)大應(yīng)用.因此，如何進(jìn)一步降低MBF生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，成為制約其推廣應(yīng)用的瓶頸.國內(nèi)外很多學(xué)者對此問題進(jìn)行了研究，如日本學(xué)者 Kurane［5］、Fujita［6］和國內(nèi)學(xué)者馬放［7］、王曙光［4］等利用廉價(jià)原料和有機(jī)廢棄物作為產(chǎn)絮菌的碳、氮源或替代培養(yǎng)基以降低MBF的生產(chǎn)成本；筆者也研究了利用啤酒廢水作為廉價(jià)碳源制備新型微生物絮凝劑，從而降低MBF的生產(chǎn)成本［8］.

剩余污泥是由多種微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成的集合體［9］.它是污水生物處理的副產(chǎn)物，其處理已成為城市污水處理廠運(yùn)行的沉重負(fù)擔(dān).污泥中含有大量 MBF產(chǎn)生菌［1］，它們在降解污水中有機(jī)物時(shí)產(chǎn)生的絮凝性物質(zhì)與MBF成分及功能相仿.因此，若成功從剩余污泥中提取出這些天然絮凝性物質(zhì)作為MBF，則不僅可大大降低MBF的生產(chǎn)成本，還可實(shí)現(xiàn)剩余污泥的資源化利用.目前，國內(nèi)外相關(guān)的研究文獻(xiàn)報(bào)道較少.本文采用超聲法從城市污水處理廠剩余污泥中提取出具有絮凝活性的天然有機(jī)高分子物質(zhì)作為絮凝劑試樣.首先，分析了pH值和溫度對絮凝活性的影響；其次，研究了超聲波作用參數(shù)（時(shí)間、脈沖方式和功率等）和污泥濃度對所提取絮凝劑試樣絮凝活性的影響；最后，對MBF的化學(xué)成分進(jìn)行了分析.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 剩余污泥

剩余污泥取自上海市某城市污水處理廠的二沉池回流污泥.該廠采用 A2/O－BAF（缺氧－厭氧－好氧－曝氣生物濾池）處理工藝，日處理水量5.7×104m3，回流污泥質(zhì)量濃度7.5～9.5g·L－1，揮發(fā)性懸浮顆粒物質(zhì)量（VSS）與懸浮顆粒物質(zhì)量（SS）的比值為62.0%～68.0%，pH 值為6.8～7.5.將取回的剩余污泥在4℃下保藏備用，2d內(nèi)用完.

1.2 MBF的超聲提取法

前期研究結(jié)果表明，相比其他頻率超聲波，20 kHz超聲波表現(xiàn)出超聲頻率低、超聲時(shí)間短和所提取MBF絮凝效率高等優(yōu)勢.因此，本文采用20kHz超聲波進(jìn)行研究，超聲設(shè)備為上海生析超聲儀器有限公司的20kHz的超聲波細(xì)胞破碎儀.將超聲處理后的污泥樣品通過Thermo Multifuge X1R高速離心機(jī)，在4℃，12 000r·min－1下離心10min得到的上清液即為絮凝劑試樣.分別考察pH值、溫度、超聲波作用參數(shù)（時(shí)間、脈沖方式和功率）和污泥濃度等對從剩余污泥中所提取絮凝劑試樣的絮凝活性影響.考察pH值對絮凝劑試樣的絮凝活性影響時(shí)，以0.1mol·L－1的 HCl和0.1mol·L－1的 NaOH將高嶺土懸濁液調(diào)至3～10的pH值；考察溫度對絮凝劑試樣的絮凝活性影響時(shí)，用水浴鍋加熱高嶺土懸濁液的溫度至15～60℃.

1.3 絮凝率的測定方法

在100mL比色管中加入0.4g高嶺土，3mL質(zhì)量濃度為1%的CaCl2溶液，2mL絮凝劑試樣，定容至100mL.以0.1mol·L－1的 HCl和0.1mol·L－1的NaOH將其調(diào)至一定的pH值，混勻后靜置5 min，然后用移液器吸取其上清液5mL于比色管中，用分光光度計(jì)（HACH，DR 2800）在550nm下測其吸光度［8］（B）.以不加絮凝劑試樣，相同操作條件下的高嶺土懸濁液的吸光度作對照（A）.以絮凝率（E）來表示絮凝活性，計(jì)算方法如下：

1.4 分析方法

污泥SS和VSS均采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定［10］.MBF的多糖含量采用苯酚 硫酸法測定，用甘露糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［11］；蛋白質(zhì)含量用Bradford法測定，用牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［12］；核酸含量采用二苯胺法測定，用小牛胸腺DNA作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［13］.MBF總量用多糖、蛋白質(zhì)與核酸含量之和表示.

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對MBF絮凝活性的影響

用20kHz，210W的超聲波對剩余污泥（質(zhì)量濃度為8.1g·L－1）連續(xù)超聲30s后，以4℃，12 000r·min－1低溫高速離心10min，取其上清液為絮凝劑試樣.將絮凝劑試樣投加到高嶺土懸濁液中，考察pH值對絮凝劑試樣絮凝效果的影響，結(jié)果如圖1所示.

圖1 pH值對絮凝劑試樣絮凝效果的影響Fig.1 Effect of pH value on the flocculating activity of MBF

從圖1可以看出，隨著混和液pH值的逐漸增加，投加相同劑量的絮凝劑試樣后，其絮凝率基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.在堿性和中性條件下，高嶺土懸濁液在絮凝劑投加前、后的吸光度值差異較小，絮凝率均較低；隨著pH值往酸性方向變化，高嶺土懸濁液在絮凝劑投加前、后的吸光度值差異變大，絮凝率越來越高.由此可知，pH值對絮凝活性的影響較大，偏酸性條件有利于絮體形成，而中性或堿性條件不利于絮體形成.因pH能通過改變酸堿度來改變絮凝劑大分子和膠體顆粒的表面電荷、帶電狀態(tài)、中和電荷能力，從而影響它們之間的靠近和吸附行為.高嶺土表面帶負(fù)電荷，因此，偏酸性環(huán)境可以中和其表面的負(fù)電荷，從而有利于絮凝沉淀.當(dāng)pH值為4.0時(shí)，絮凝效果較好，故選擇pH值4.0為后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件.

2.2 溫度對MBF絮凝活性的影響

用20kHz，210W的超聲波對剩余污泥（質(zhì)量濃度為8.1g·L－1）連續(xù)超聲30s后，以4℃，12 000r·min－1低溫高速離心10min，取其上清液為絮凝劑試樣.將絮凝劑試樣投加到高嶺土懸濁液中，考察溫度對絮凝劑試樣絮凝效果的影響，結(jié)果如圖2所示.

圖2 溫度對絮凝劑試樣絮凝效果的影響Fig.2 Effect of temperature on the flocculating activity of MBF

由圖2可知，溫度在15～60℃范圍內(nèi)變化時(shí)，絮凝率有很大的變化.隨著溫度的升高，高嶺土懸濁液在絮凝劑投加前、后的吸光度值差異先變大后縮小，絮凝率也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢.溫度為15～25℃時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)較慢，高嶺土懸濁液空白值偏低，其在絮凝劑投加前、后的吸光度值差異較小，MBF的絮凝率較低；30～40℃時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)逐漸加速，高嶺土懸濁液空白值變大，其在絮凝劑投加前、后的吸光度值差異變大，MBF的絮凝率快速上升，并在40℃時(shí)達(dá)到最大68.9%；隨著溫度的繼續(xù)升高，分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加速，高嶺土懸濁液空白值隨之變大，但高嶺土懸濁液在絮凝劑投加前、后的吸光度值差異有所縮小，MBF的絮凝率逐漸下降.在較低溫度下，MBF絮凝活性可能受到抑制；而在較高溫度下，MBF中起絮凝作用的有機(jī)高分子物質(zhì)可能因高溫變性降低絮凝活性.MBF適宜工作溫度范圍為35～40℃.考慮到正常情況下（非冬季）實(shí)際處理水溫一般在20℃左右，故選擇溫度20℃為后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件.

2.3 脈沖方式對超聲法提取MBF的影響

超聲波脈沖方式是指超聲波每次輻射時(shí)間與間歇時(shí)間的工作情況，脈沖1s是指超聲波每次輻射時(shí)間與間歇時(shí)間均為1s的脈沖方式.用20kHz，210 W的超聲波對剩余污泥（質(zhì)量濃度為7.9g·L－1）進(jìn)行超聲，分別在連續(xù)超聲、1s脈沖、4s脈沖、8s脈沖條件下超聲1，2，3，5和7min，然后在4℃，12 000r·min－1低溫高速離心，取其上清液為絮凝劑試樣，考察超聲波脈沖方式對超聲法提取MBF的影響，結(jié)果如圖3所示.

圖3 脈沖方式對超聲法提取MBF的影響Fig.3 Effect of pulse style on MBF extraction by ultrasonic method

由圖3可知，4種超聲脈沖方式所提取的絮凝劑試樣均有一定的絮凝效果，而不超聲直接提取的絮凝劑試樣絮凝率非常低（6.7%）.在短時(shí)間（1min）內(nèi)，連續(xù)超聲、脈沖4s和脈沖8s方式均比脈沖1s方式超聲所提取絮凝劑試樣的絮凝效果要好，這是由于脈沖1s方式單次超聲作用持續(xù)時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致超聲效率下降.當(dāng)延長超聲時(shí)間至2min，可發(fā)現(xiàn)脈沖1s方式與其他脈沖方式所提取絮凝劑試樣的絮凝率相當(dāng).繼續(xù)延長超聲時(shí)間，所有脈沖方式所提取絮凝劑試樣的絮凝率均呈現(xiàn)出一定的下降趨勢.由此可見，超聲法提取MBF的超聲時(shí)間不宜過長，1～3min內(nèi)較適宜，這與周集體等人的研究結(jié)果相似，即長時(shí)間的超聲會(huì)破壞所提取絮凝劑試樣的絮凝活性［8］.超聲的機(jī)械水力剪切作用有利于將絮凝性物質(zhì)與菌體進(jìn)行分離；超聲同時(shí)可以形成化學(xué)自由基，對污泥具有破解作用［14］.長時(shí)間、高強(qiáng)度的超聲會(huì)將大分子聚合物降解為沒有絮凝活性的小分子有機(jī)物，表現(xiàn)為絮凝劑試樣的絮凝率降低；此外，過長的超聲時(shí)間導(dǎo)致細(xì)胞破碎的可能性增大，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)溶出也會(huì)影響所提取絮凝劑試樣的絮凝效果.

2.4 功率對超聲法提取MBF的影響

用20kHz超聲波對剩余污泥（質(zhì)量濃度為8.1 g·L－1）在不同功率下分別連續(xù)超聲0.5，1，2和4.0min后，在4℃，12 000r·min－1低溫高速離心，取其上清液為絮凝劑試樣，考察超聲波功率對超聲法提取MBF的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 功率對超聲法提取MBF的影響Fig.4 Effect of power on MBF extraction by ultrasonic power

由圖4可知，隨著超聲波功率的增大，絮凝率基本為先升高后逐漸降低的趨勢.低功率下提取的絮凝劑試樣絮凝率低，當(dāng)功率由180W增至210W時(shí)絮凝率迅速上升；當(dāng)功率由210W增至270W時(shí)絮凝率緩慢增加，所提取的絮凝劑試樣絮凝效果好；270W以后絮凝率迅速下降.可見，超聲功率過低或者過高均不利于MBF的提取.因超聲法主要是通過超聲波聲場產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)、空化效應(yīng)和攪拌作用使得污泥絮體分散，同時(shí)使部分結(jié)合較弱的高分子物質(zhì)在剪切力的作用下分離而進(jìn)入液相溶液，當(dāng)功率較低時(shí)，超聲輻射能不足以有效破解污泥，超聲波所產(chǎn)生的剪切力無法完全使細(xì)胞表面的高分子絮凝活性物質(zhì)脫落，從而影響提取效率；當(dāng)功率較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的化學(xué)自由基，使某些敏感活性物質(zhì)變性或分解為小分子物質(zhì)，從而失去絮凝活性［14］.

2.5 污泥濃度對超聲法提取MBF的影響

用20kHz，210W的超聲波對不同質(zhì)量濃度的剩余污泥（原污泥質(zhì)量濃度為7.5g·L－1）分別連續(xù)超聲0.5，1.0，2.0，3.0，4.0和5.0min后，以4 ℃，12 000r·min－1低溫高速離心，取其上清液為絮凝劑試樣，考察污泥質(zhì)量濃度對超聲法提取MBF的影響，結(jié)果如圖5所示.

從圖5可見，隨著污泥質(zhì)量濃度的增加，絮凝率基本呈現(xiàn)降低的趨勢；超聲提取MBF時(shí)間不宜太長，以1～3min為宜.考察濃度范圍內(nèi)，在絮凝劑試樣投加量體積分?jǐn)?shù)均為2%的情況下，從較低濃度污泥中提取到的MBF表現(xiàn)出較高的絮凝率；污泥質(zhì)量濃度在7.5g·L－1內(nèi)所提取的絮凝劑試樣絮凝效果均較好.在超聲波能量足以穿透污泥層的情況下，理論上污泥質(zhì)量濃度越高，相同體積的污泥可提取的絮凝活性物質(zhì)也越多，較濃污泥得到的絮凝率反而較低，可能是由于不同濃度的污泥提取的絮凝劑試樣的投加量（體積分?jǐn)?shù)為2%）超過了其最佳投加量所致，后面以絮凝劑投加劑量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

圖5 污泥質(zhì)量濃度對超聲法提取MBF的影響Fig.5 Effect of sludge concentration on MBF extraction by ultrasonic method

2.6 MBF成分分析與劑量對絮凝劑試樣絮凝效果的影響

用20kHz，210W的超聲波對剩余污泥（原泥質(zhì)量濃度9.5g·L－1）連續(xù)超聲1min后，在4℃，12 000r·min－1低溫高速離心，取其上清液為絮凝劑試樣，考察MBF的化學(xué)組成及其絮凝活性，結(jié)果如圖6和表1所示.

圖6 MBF的化學(xué)組成與絮凝效果Fig.6 Composition and flocculating efficiency of the extracted MBFs

由圖6和表1可知，不同質(zhì)量濃度的污泥通過超聲法提取出的MBF，蛋白質(zhì)、多糖、核酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致，分別平均約占MBF總量的53%，31%，16%.由此可見，蛋白質(zhì)為MBF的主要成分，多糖次之，核酸的含量最低，這與之前一些學(xué)者所得的結(jié)論一致［15］.隨著污泥濃度的增加，提取到的MBF的總量也在升高.絮凝活性隨著污泥質(zhì)量濃度的增加先增加到達(dá)峰值后逐漸降低，污泥質(zhì)量濃度為2.49g·L－1，絮凝率為29.42%；污泥質(zhì)量濃度為3.32g·L－1，絮凝率達(dá)到最大值為52.46%；之后隨著污泥質(zhì)量濃度的升高，絮凝率逐漸降低，污泥質(zhì)量濃度為20.75g·L－1時(shí)，絮凝率僅為20.73%.可能因不同濃度的污泥提取的MBF的投加量（體積分?jǐn)?shù)為2%）超過了其最佳投加量所致.因此，對不同濃度污泥提取的MBF投加劑量對絮凝劑試樣絮凝效果的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果見表2.

表1 MBF中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Percentage of each component in the extracted MBFs

表2 MBF劑量對絮凝效果的影響Tab.2 Effect of MBF dosage on its flocculating efficiency

由表2可見，隨著污泥質(zhì)量濃度的成倍增加及MBF投加量成比例的降低，所得的絮凝率在46.4%～58.7%之間變化，變化幅度不大.污泥質(zhì)量濃度為3.8g·L－1，MBF的投加量為2mL時(shí)，絮凝率為58.7%；污泥質(zhì)量濃度為7.6g·L－1，MBF的投加量為1mL時(shí)，絮凝率為47.0%.MBF的絮凝機(jī)理主要是因?yàn)槲街泻图軜颍?］，過高的MBF劑量容易造成高嶺土顆粒因吸附了高分子聚合物而帶上同種電荷，因同種電荷排斥而重新分散穩(wěn)定，導(dǎo)致絮凝率降低，處理效果下降.因此，對于不同濃度的污泥提取的MBF，需要投加相應(yīng)劑量而得到最佳的絮凝效果.

3 結(jié)論

以城市污水處理廠的剩余污泥為原料，通過超聲波破碎、低溫高速離心從剩余污泥中提取出MBF，其對高嶺土懸濁液具有良好的絮凝活性.MBF在偏酸性條件和35～40℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的絮凝活性.超聲時(shí)間過長或超聲功率過大，都會(huì)使絮凝活性物質(zhì)失去活性，超聲時(shí)間以1～3min為宜，超聲功率以210～270W為宜.污泥濃度越高，所提取的MBF濃度越高；對于從不同濃度污泥提取的MBF獲得最佳絮凝效果的投加劑量也不相同.MBF的主要組成成分為蛋白質(zhì)，其次為多糖和核酸.

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