張 凱 陳云玲 吳朝軍，* 陳嘉川，* 楊桂花

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南，250353;2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

造紙污泥是造紙企業(yè)廢水處理后排放出來的終端產(chǎn)物之一，是工業(yè)污泥的一種。不斷增長(zhǎng)的污泥量已經(jīng)成為非常嚴(yán)重的環(huán)境問題，引起人們的關(guān)注。造紙污泥尤其是活性污泥，具有數(shù)量大、成分復(fù)雜、難脫水、易腐爛變質(zhì)等特點(diǎn)。污泥脫水處理對(duì)于減少污泥容量以及污泥運(yùn)輸至處置場(chǎng)地的費(fèi)用有很大的影響。污泥脫水一般是先對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理然后通過物理方法脫除污泥中的水分，污泥調(diào)理對(duì)污泥的脫水起著很重要的作用，一方面可降低污泥的含水量和增大污泥顆粒尺寸，提高脫水效率;另一方面，為隨后的進(jìn)一步脫除水分做準(zhǔn)備。常用的污泥調(diào)理方法有化學(xué)調(diào)理法、物理調(diào)理法及生物調(diào)理法［1-2］。

生物調(diào)理或生物絮凝調(diào)理技術(shù)是使用微生物或微生物代謝產(chǎn)物進(jìn)行污泥調(diào)理的技術(shù)，其研制始于20世紀(jì)70年代，但是近年來才用于污泥調(diào)理［3］。生物調(diào)理具有無毒、無二次污染、可生物降解、來源廣、污泥絮體密實(shí)、絮凝范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。生物酶調(diào)理污泥是生物調(diào)理技術(shù)的一種，目前對(duì)生物酶調(diào)理污泥的效果還有爭(zhēng)議，酶預(yù)處理改善污泥脫水性能需要進(jìn)一步的研究［4］。李清林等人［5］發(fā)現(xiàn)表面活性劑十六烷基三甲溴化銨 (CTAB)可用于造紙污泥脫水，采用CTAB和陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)復(fù)合，比單獨(dú)投加CPAM或CTAB的成本低。本實(shí)驗(yàn)采用中性纖維素酶或中性蛋白酶結(jié)合表面活性劑CTAB調(diào)理造紙活性污泥，研究生物酶結(jié)合CTAB對(duì)造紙污泥調(diào)理的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用造紙污泥均取自山東某造紙廠污水處理系統(tǒng)中的活性污泥，污泥放入4℃冰箱保存?zhèn)溆?。表面活性?十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，分析純，天津市登科化學(xué)試劑有限公司;中性纖維素酶，酶活為20000 U/G，中性蛋白酶，酶活為100000 U/G，蘇柯漢 (濰坊)生物工程有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污泥基本性能測(cè)定

活性污泥含水率、曝氣池混合液在量筒靜止沉降30 min后污泥所占的體積百分比 (SV30)、污泥體積指數(shù) (SVI)的測(cè)定均遵循CJT 221—2005城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法［6］。

活性污泥上清液化學(xué)需氧量 (CODCr)、pH值的測(cè)定均遵循CJ/T 51—2004城市污水水質(zhì)檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［7］。

活性污泥在4℃冰箱放置24 h，除去上清液，取100 mL測(cè)定污泥固含量。

1.2.2 CTAB單獨(dú)調(diào)理造紙活性污泥

CTAB呈白色或淺黃色結(jié)晶體粉末狀，有刺激氣味，易溶于異丙醇，可溶于水，振蕩時(shí)產(chǎn)生大量泡沫，能與陽離子、非離子、兩性表面活性劑有良好的配位性。具有優(yōu)良的滲透、柔化、乳化、抗靜電、生物降解及殺菌等性能。該產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性好，耐熱、耐光、耐壓、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿。

表面活性劑調(diào)理造紙污泥實(shí)驗(yàn)方案為:CTAB調(diào)理;使用比阻裝置抽濾;抽濾后泥餅分成兩部分，一部分測(cè)定含水率;另一部分使用壓濾裝置壓泥;壓泥后測(cè)泥餅含水率。

將5組分別裝有100 mL污泥的燒杯放置在35℃的水浴鍋中，根據(jù)污泥固含量加入不同用量的CTAB，并添加不同用量的去離子水，保持各組污泥濃度一致，混合均勻后，調(diào)理30 min。

1.2.3 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理造紙活性污泥

中性纖維素酶和中性蛋白酶均為固態(tài)粉末，為了便于實(shí)驗(yàn)操作，將這2種酶配成了相應(yīng)的酶溶液，纖維素酶溶液濃度為0.02 g/mL，蛋白酶溶液濃度為0.004 g/mL。

生物酶結(jié)合表面活性劑調(diào)理造紙污泥實(shí)驗(yàn)方案為:生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理;測(cè)定毛細(xì)吸水時(shí)間;使用比阻裝置抽濾;抽濾液測(cè)定透射比;抽濾后泥餅分成兩部分，一部分測(cè)定含水率;另一部分使用壓濾裝置壓泥，壓泥后測(cè)泥餅含水率。

將5組分別裝有100 mL污泥的燒杯放置在35℃的水浴鍋中，根據(jù)污泥固含量加入不同用量和種類的生物酶，并添加不同用量的去離子水，保持5組污泥濃度一致，混合均勻后，調(diào)理2 h。然后向污泥中添加用量5%(對(duì)污泥絕干固含量，以下同)的CTAB，混合均勻后，調(diào)理30 min。

1.2.4 比阻裝置抽濾

比阻裝置如圖1所示，在布氏漏斗中墊兩層濾紙，用水潤(rùn)濕，使濾紙緊貼漏斗壁，開啟真空泵，抽濾10 s，使濾紙中水分排出，并且檢查是否漏氣，確保濾紙緊貼漏斗底壁，調(diào)整真空泵壓力為0.35 MPa，將剩余污泥倒入布氏漏斗中，抽濾10 min，然后關(guān)閉真空泵。

1.2.5 壓濾裝置壓泥

壓濾裝置如圖2所示，壓濾示意圖如圖3所示［8］。取抽濾后的污泥，在污泥上下各放三層濾紙，在壓強(qiáng)為0.56 MPa下壓泥3 min，得到泥餅。

1.2.6 毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定

毛細(xì)吸水時(shí)間 (Capillary Sunction Time，簡(jiǎn)稱CST)是一個(gè)表示污泥脫水性能的指標(biāo)，可快速而準(zhǔn)確地表征污泥的過濾性。CST愈大，污泥的脫水性能愈差，反之脫水性能愈好，其測(cè)定原理圖如4所示。

本實(shí)驗(yàn)采用304M型毛細(xì)吸水測(cè)定儀測(cè)定，具體裝置如圖5所示。將裝有污泥樣品的圓柱形容器置于濾紙的中心，在直徑為D1和D2的同心圓上分別放置電極，當(dāng)水邊界到達(dá)內(nèi)部電極時(shí)開始計(jì)時(shí)，到達(dá)外部電極時(shí)停止，這段時(shí)間即為毛細(xì)抽吸時(shí)間。在漏斗中通過毛細(xì)吸水產(chǎn)生的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體靜壓的頂點(diǎn)，所以測(cè)試不依賴污泥的數(shù)量，只要有污泥就可產(chǎn)生CST。

1.2.7 透射比測(cè)定

取抽濾后的液體，使用722S型可見光分光光度計(jì)測(cè)定透射比。

1.2.8 含水率測(cè)定

將抽濾后的另一部分污泥以及壓泥得到的泥餅放入105℃烘箱干燥，測(cè)定含水率。

圖4 毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定原理

圖5 毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀

表1 污泥基本性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥基本性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)對(duì)污泥固含量、pH值、溫度、污泥上清液CODCr進(jìn)行了檢測(cè)，污泥基本性質(zhì)如表1所示。

2.2 CTAB調(diào)理對(duì)抽濾后污泥含水率的影響

CTAB用量對(duì)抽濾后污泥含水率的影響如圖6所示。

圖6 CTAB調(diào)理對(duì)抽濾后污泥含水率的影響

由圖6可知，隨CTAB用量的增加，抽濾后污泥含水率逐漸減小。當(dāng)CTAB用量為5%時(shí)，抽濾后污泥含水率下降最快。當(dāng)CTAB用量為污泥固含量的10%或15%時(shí)，抽濾后污泥含水率較低。

2.3 CTAB調(diào)理對(duì)壓濾后泥餅含水率的影響

CTAB用量對(duì)壓濾后泥餅含水率的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨CTAB用量的增加，壓濾后泥餅含水率逐漸減小。當(dāng)CTAB用量為5%時(shí)，壓濾后泥餅含水率下降最快。當(dāng)CTAB用量為污泥固含量的20%時(shí)，壓濾后泥餅含水率為56.25%。

2.4 CTAB調(diào)理對(duì)污泥含水率變化的影響

由圖6和圖7的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到加入CTAB后污泥含水率變化的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

由圖8可知，隨CTAB用量的增加，污泥含水率變化逐漸增大。當(dāng)CTAB用量為污泥固含量的5%時(shí)，污泥含水率變化最大，繼續(xù)添加CTAB，污泥含水率變化趨緩。

采用CTAB調(diào)理污泥，隨CTAB用量的增加，污泥脫出更多的水分。為了降低成本以及更好地顯現(xiàn)生物酶的作用效果，最好加入較低用量的表面活性劑，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)CTAB的用量采用5%，并與酶復(fù)合使用。

2.7 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)污泥毛細(xì)吸水時(shí)間的影響

采用毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀測(cè)定調(diào)理后污泥毛細(xì)吸水時(shí)間，生物酶用量對(duì)污泥毛細(xì)吸水時(shí)間的影響如圖9所示。

由圖9可知，毛細(xì)吸水時(shí)間隨生物酶用量的增加先降低后升高，與中性纖維素酶相比，中性蛋白酶的效果較為明顯。當(dāng)中性纖維素酶或中性蛋白酶用量為污泥固含量的0.75%時(shí)，污泥毛細(xì)吸水時(shí)間最小。

2.8 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)濾液透射比的影響

采用可見光分光光度計(jì)測(cè)定濾液透射比，生物酶用量對(duì)濾液透射比的影響如圖10所示。

由圖10可知，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，濾液透射比有減小的趨勢(shì)。這是由于生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥比單獨(dú)使用CTAB調(diào)理污泥濾液產(chǎn)生更多細(xì)小顆粒。

2.9 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)污泥抽濾后含水率的影響

生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理，其中生物酶用量對(duì)污泥抽濾后含水率的影響如圖11所示。由圖11可知，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，污泥抽濾后含水率有所下降。生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥抽濾后污泥含水率都低于單獨(dú)使用CTAB調(diào)理污泥抽濾后污泥含水率(75.87%)。因此，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥比單獨(dú)使用CTAB調(diào)理的污泥抽濾是更容易脫水。當(dāng)中性纖維毒酶或中性蛋白酶用量為污泥絕干固含量的1%時(shí)，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥抽濾后污泥含水率最低 (分別為72.37%和71.03%)。

2.10 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)壓濾后泥餅含水率的影響

生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)壓濾后泥餅含水率的影響如圖12所示。由圖12可知，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，壓濾后污泥含水率先下降后上升。但生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率都低于單獨(dú)使用CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率(65.28%)。因此，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥比單獨(dú)使用CTAB調(diào)理的污泥壓濾時(shí)更容易脫水。當(dāng)中性纖維素酶用量為污泥絕干固含量的0.2%時(shí)，中性纖性素酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率最低(52.29%)。當(dāng)中性蛋白酶用量為污泥絕干固含量的0.5%時(shí)，中性蛋白酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥壓濾后污泥含水率最低 (52.38%)。

2.11 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)污泥含水率變化的影響

由圖11和圖12計(jì)算可知生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)污泥含水率變化的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖13所示。

圖13 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理對(duì)污泥含水率變化的影響

由圖13可知，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，污泥含水率先增大后減小。但生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥污泥含水率變化比單獨(dú)使用CTAB調(diào)理污泥污泥含水率變化大。因此，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理比單獨(dú)使用CTAB調(diào)理使污泥脫出更多的水。當(dāng)中性纖維素酶或中性蛋白酶用量為污泥絕干固含量的0.2%時(shí)，污泥含水率變化最大 (分別為20.56%和21.38%)。

3 結(jié)論

使用中性纖維素酶或中性蛋白酶結(jié)合表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨 (CTAB)調(diào)理造紙活性污泥，并與單獨(dú)使用CTAB調(diào)理造紙活性污泥進(jìn)行對(duì)比。

3.1 單獨(dú)采用CTAB調(diào)理污泥，隨CTAB用量的增加，抽濾后污泥含水率逐漸減小，壓濾后泥餅含水率逐漸減小，污泥脫出更多的水分。且當(dāng)CTAB用量為5%時(shí)，污泥含水率下降最快。

3.2 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，毛細(xì)吸水時(shí)間隨生物酶用量的增加先縮短后增加，與中性纖維素酶相比，中性蛋白酶的效果較為明顯。當(dāng)中性纖維素酶或中性蛋白酶用量為污泥固含量的0.75%時(shí)，污泥毛細(xì)吸水時(shí)間最短，污泥更容易脫水。

3.3 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，濾液透射比有減小的趨勢(shì)，這是由于生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥后的污泥濾液產(chǎn)生了更多的細(xì)小顆粒。

3.4 生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理污泥，隨生物酶用量的增加，生物酶結(jié)合CTAB調(diào)理比單獨(dú)使用CTAB調(diào)理使污泥脫出的水更多。

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