郭俊元,周心甜 (成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225)

屠宰廢水制備微生物絮凝劑及改善污泥脫水性能的研究

郭俊元*,周心甜 (成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225)

選取紅平紅球菌利用屠宰廢水生產(chǎn)微生物絮凝劑,以化學(xué)調(diào)理劑為對(duì)比,研究了微生物絮凝劑作用于污泥的脫水效果,并通過(guò)響應(yīng)面分析法(RSM),對(duì)聚合氯化鋁(PAC)與紅平紅球菌生產(chǎn)的微生物絮凝劑復(fù)配改善污泥脫水性能的過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化.結(jié)果表明,在最佳投加量12g/(kg DS)和 pH值 7.5條件下,經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑調(diào)理后,干污泥含量(DS)和污泥比阻(SRF)分別達(dá)到 19.8%和 4.6×1012m/kg,明顯優(yōu)于Al3(SO4)2和 FeCl3作為調(diào)理劑時(shí)的污泥脫水效果,略劣于 PAC和 PAM,其中 PAC作為污泥調(diào)理劑時(shí),DS和 SRF分別達(dá)到 20.1%和4.5×1012m/kg.響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)定的響應(yīng)值分別為DS和SRF,所擬合的關(guān)于DS和SRF的二次模型決定系數(shù)(R2)分別為0.9545和0.9776,表明擬合情況良好.根據(jù)響應(yīng)值的分布情況,確定污泥脫水的最佳條件為微生物絮凝劑10.5g/(kg DS)、PAC 12.4g/(kg DS)、pH值7.5,相應(yīng)DS和SRF分別為24.1%和3.0×1012m/kg.實(shí)際工程中,污泥脫水過(guò)程的pH值往往不進(jìn)行調(diào)節(jié),在保持原污泥pH值6.4條件下,DS和SRF分別為23.6%和3.2×1012m/kg,污泥脫水效果較單獨(dú)采用微生物絮凝劑或PAC時(shí)得到了明顯的提高.

微生物絮凝劑；聚合氯化鋁；污泥脫水；響應(yīng)面分析

污水處理過(guò)程產(chǎn)生的大量污泥造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,開(kāi)發(fā)高效的污泥處理技術(shù),提高污泥脫水性能,或?qū)ξ勰噙M(jìn)行資源利用,是實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和環(huán)保效益的有效途徑.絮凝技術(shù)是污水處理廠調(diào)理污泥的主要技術(shù)之一,微生物絮凝劑是一種高效、易生物降解的絮凝劑,具備替代化學(xué)調(diào)理劑用于污泥調(diào)理的潛力,微生物絮凝劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是目前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的課題[1-2].制備成本高是限制微生物絮凝劑在實(shí)際工程中廣泛使用的主要因素,利用富含有機(jī)質(zhì)的廢棄物制備微生物絮凝劑,是降低制備成本的可行途徑[3-5].本文作者曾利用富含有機(jī)質(zhì)的豬場(chǎng)糞污和水稻秸稈酸解液為原料制備微生物絮凝劑,初步探索了微生物絮凝劑在污泥脫水中的性能[6-7].鑒于屠宰廢水中含有較高濃度的有機(jī)質(zhì)和氨氮,本研究擬探索屠宰廢水制備微生物絮凝劑的可行性.

Yang等[8]報(bào)道,微生物絮凝劑與無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子絮凝劑配合使用,可以提高廢水處理效果,并減少無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子絮凝劑的使用量,降低二次污染.響應(yīng)面分析法是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決復(fù)雜系統(tǒng)輸入(變量)與輸出(響應(yīng))之間關(guān)系的一種方法,以試驗(yàn)測(cè)量、經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值分析為基礎(chǔ),不僅能夠科學(xué)合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),尋找最佳的水平因素組合,而且還能夠在整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域上擬合出明確的因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)表達(dá)式,優(yōu)化出最理想的實(shí)驗(yàn)參數(shù).本文作者曾研究了微生物絮凝劑與改性沸石復(fù)配處理豬場(chǎng)廢水的性能,結(jié)果表明,廢水中 COD和氨氮去除率分別達(dá)到 87.9%和 86.9%,遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用生物絮凝劑或改性沸石的處理效果[9].

本研究以化學(xué)調(diào)理劑為對(duì)比,通過(guò)檢測(cè)污泥脫水過(guò)程中干污泥含量(DS)和污泥比阻(SRF)的變化規(guī)律,考察利用屠宰廢水制備的微生物絮凝劑在污泥脫水中的性能,在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用響應(yīng)面優(yōu)化法(RSM)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),擬合以DS和SRF為響應(yīng)值的復(fù)配絮凝模型,考察微生物絮凝劑與 PAC復(fù)配改善污泥脫水性能的效果.本研究的特色之處就是運(yùn)用 RSM 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),尋找微生物絮凝劑和PAC復(fù)配改善污泥脫水性能的最佳水平因素組合,通過(guò)擬合出明確的因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)表達(dá)式,優(yōu)化出理想的實(shí)驗(yàn)參數(shù),以最大程度地改善污泥脫水性能.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 菌株來(lái)源及微生物絮凝劑制備 實(shí)驗(yàn)所用菌株為紅平紅球菌,保藏于中國(guó)典型微生物保藏中心,菌株保藏號(hào)為 No.10543.微生物絮凝劑是利用屠宰廢水為原料發(fā)酵制備的.屠宰廢水取自四川省成都市雙流區(qū)九江肉類加工廠,COD、總磷、氨氮濃度分別為 1733、27、180mg/L,廢水pH值為6.5.屠宰廢水發(fā)酵培養(yǎng)基的成分為:1L屠宰廢水、3g蛋白胨、3g K2HPO4、1.5g KH2PO4、0.2g MgSO4、0.1g NaCl.將菌株接種至121℃滅菌處理30min的屠宰廢水發(fā)酵培養(yǎng)基中(150mL),于發(fā)酵溫度35℃,搖床速度150r/min下發(fā)酵得到發(fā)酵液,微生物絮凝劑從發(fā)酵液中提取,提取方法采用本文作者前期的研究方法[9].1L上述發(fā)酵液中可提取2.8g微生物絮凝劑,主要成分是多糖類物質(zhì),其中含中性糖45.2%、糖醛酸5.9%、氨基糖 4.1%,該微生物絮凝劑分子量為 3.79×105Da,分子鏈上有羥基、羧基等極性基團(tuán).較高的分子量和大量的極性基團(tuán),可以提供更多的“結(jié)合位點(diǎn)”、更高的絮凝活性、以及更強(qiáng)的范德華力,能夠通過(guò)吸附或范德華力或橋接機(jī)制,促進(jìn)廢水膠體顆粒的絮凝.

1.1.2 PAC 實(shí)驗(yàn)所用 PAC(分析純,天津恒興化學(xué)試劑制造公司),為淡黃色固體,氧化鋁含量20%～40%.PAC是污水處理廠常用的污泥脫水調(diào)理劑,具有污泥處理效果好、成本較低等優(yōu)點(diǎn),但其長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致污泥中重金屬富集.

1.1.3 實(shí)驗(yàn)污泥 實(shí)驗(yàn)污泥取自四川省團(tuán)結(jié)污水處理廠二沉池,干污泥含量、污泥比阻、污泥pH值分別為12.6%、11.3×1012m/kg、6.4.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污泥脫水實(shí)驗(yàn) 在100mL污泥中分別投加微生物絮凝劑或 PAC,200r/min條件下攪拌10min,靜置 30min,過(guò)濾后,采用抽濾裝置抽真空,調(diào)節(jié)真空壓力為0.04MPa,每隔15s記錄濾液量.污泥比阻(SRF)與干污泥含量(DS)計(jì)算公式分別如下:

式中:V是濾液體積,m3;μ是濾液粘度,Ns/m2;A是過(guò)濾面積,m2;t是過(guò)濾時(shí)間,s;P是過(guò)濾壓力, N/m2; c是單位體積濾液所得濾餅干重,kg/m3;α是污泥比阻 SRF,m/kg;Rm是過(guò)濾開(kāi)始時(shí)單位過(guò)濾面積上過(guò)濾介質(zhì)的阻力,m/m2.W1和W2分別是干燥前后泥餅的重量,g.

1.2.2 微生物絮凝劑與 PAC復(fù)配的響應(yīng)面優(yōu)化 采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)的二階模型對(duì)變量的響應(yīng)行為進(jìn)行表征,3個(gè)變量分別為微生物絮凝劑量(x1)、PAC量(x2)、污泥pH值(x3),響應(yīng)值(y)為DS和SRF.中心復(fù)合設(shè)計(jì)的二階模型為:

式中:xi與 xj為相互獨(dú)立的影響因子;β0是偏移項(xiàng);βi表示Xi的線性效應(yīng);βii表示Xi的二次效應(yīng);βij表示 xi與 xj之間的交互作用效應(yīng).采用 Designexpert8.0.5設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),如表1所示.

表1 中心復(fù)合設(shè)計(jì)Table 1 Coded levels for variables framed by Central Composite Design

表2 方差分析Table 2 ANOVA results for the four responses

表3 顯著性分析Table 3 Significance of quadratic model coefficient of the two responses

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物絮凝劑對(duì)污泥脫水性能的影響

微生物絮凝劑作為絮凝體系的主體,其投加量直接影響最終的絮凝效果[6,10].在實(shí)際工程中,從經(jīng)濟(jì)節(jié)約角度考慮,污泥脫水過(guò)程通常不進(jìn)行pH的調(diào)節(jié).由圖1可知,在保持原污泥pH值不變的前提下,隨著污泥中微生物絮凝劑的投加量增加至12g/(kg DS)的過(guò)程中,污泥中DS含量較原污泥增加了 54.8%,污泥比阻 SRF相應(yīng)降低了57.5%,表明經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑絮凝處理,污泥的脫水性能得到顯著改善.微生物絮凝劑具有吸附和降解的性能,且分子鏈上含有功能基團(tuán),這為污泥顆粒及污泥細(xì)胞中的有機(jī)物質(zhì)提供了必要的“結(jié)合位點(diǎn)”和較強(qiáng)的范德華力,從而在污泥中形成緊湊的絮凝物質(zhì),更容易沉降,提高了污泥的脫水效率[11-12].然而,過(guò)量的微生物絮凝劑反而會(huì)降低污泥的脫水效率,這是因?yàn)?只有圍繞在絮凝劑周圍的膠體顆粒被快速絮凝沉降,而大部分膠體顆粒往往很容易被過(guò)量的絮凝劑高分子覆蓋,破壞了沉淀膠體的穩(wěn)定,導(dǎo)致已經(jīng)絮凝的膠體顆粒脫穩(wěn),進(jìn)而達(dá)到一種新的相互排斥的電荷平衡[13-14].

圖1 微生物絮凝劑對(duì)污泥脫水的影響Fig.1 Bioflocculant dose on the sludge dewatering

2.2 化學(xué)混凝劑對(duì)污泥脫水性能的影響

圖2～圖5表明,Al3(SO4)2、FeCl3單獨(dú)作用于污泥的最佳pH值是5.5～7.5,PAC、PAM單獨(dú)作用于污泥的最佳pH值是5.5～9.5,在各自最佳pH值范圍內(nèi),Al3(SO4)2、FeCl3、PAC、PAM均顯著提高了污泥的脫水效果.以 PAC為例,在 pH= 5.5～9.5的范圍內(nèi),PAC能夠體現(xiàn)較好的提高污泥脫水效率的性能,尤其當(dāng)污泥pH值為7.5時(shí),經(jīng)過(guò)15g/(kg DS)的PAC處理后,污泥DS和SRF分別達(dá)到20.1%和4.5×1012m/kg,與原污泥的12.6%和11.3×1012m/kg相比,污泥脫水效果有了顯著的提升.由此可見(jiàn),適量的 PAC能夠通過(guò)網(wǎng)捕作用聚集懸浮污泥顆粒,或通過(guò)改變污泥顆粒表面的電荷,促進(jìn)污泥沉降.

圖2 FeCl3投加量與pH值對(duì)污泥脫水的影響Fig.2 Optimization studies performed for pH and FeCl3dose

圖3 Al2(SO4)3投加量與pH值對(duì)污泥脫水的影響Fig.3 Optimization studies performed for pH and Al2(SO4)3dose

表4為微生物絮凝劑與Al3(SO4)2、FeCl3、PAC、PAM用作污泥調(diào)理劑時(shí),各自在最佳投加量和 pH值條件下的污泥脫水效果,結(jié)果顯示,微生物絮凝劑對(duì)污泥的脫水效果明顯優(yōu)于Al3(SO4)2、FeCl3,略劣于PAC和PAM.

圖4 PAC投加量與pH值對(duì)污泥脫水的影響Fig.4 Optimization studies performed for pH and PAC dose

圖5 PAM投加量與pH值對(duì)污泥脫水的影響Fig.5 Optimization studies performed for pH and PAM dose

表4 微生物絮凝劑與化學(xué)絮凝劑用作污泥脫水的效果對(duì)比Table 4 Results of sludge dewatering with different flocculants

2.3 微生物絮凝劑與PAC復(fù)配的響應(yīng)面優(yōu)化

鑒于PAM水解后的丙烯酰胺單體具有致癌性和強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性,本實(shí)驗(yàn)采用微生物絮凝劑與 PAC復(fù)配用于污泥脫水,采用響應(yīng)面優(yōu)化法(RSM)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并分別擬合以DS和SRF為響應(yīng)值的絮凝模型.

2.3.1 響應(yīng)值為DS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 以DS為響應(yīng)值建立的二次回歸模型如式(4)所示.方差分析結(jié)果(表 2)顯示:P＜0.0001＜0.05,Fstatistic=23.31＞2.57,表明模型顯著.失擬項(xiàng) F-試驗(yàn)結(jié)果顯示,失擬項(xiàng)概率 P=0.0010＜0.05,說(shuō)明模型能夠很好地與數(shù)據(jù)擬合,且在假定模型中存在的未能解釋的系統(tǒng)變化性僅有0.1%,這可能歸于模型中準(zhǔn)確的自變量平行重復(fù)值提供了純誤差的評(píng)估.決定系數(shù)R2為 0.9545,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間形成良好的一致性.精確度 AP=14.065＞4,表示所有的預(yù)測(cè)模型均在由CCD所設(shè)定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)[15].

將以編碼值為變量的DS二次模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05為顯著),結(jié)果如表3所示,pH值是一次項(xiàng)中的顯著因素,表明在偏中性環(huán)境中,懸浮污泥更容易被微生物絮凝劑聚合成為大顆粒絮凝物,有助于脫水.pH值在絮凝過(guò)程中的決定性作用已被作者以前的研究所證實(shí)[7],主要是由于pH值對(duì)污泥顆粒的表面電荷和微生物絮凝劑的形態(tài)結(jié)構(gòu)及性能有著較大的影響.微生物絮凝劑和PAC用量是二次項(xiàng)中的顯著因素,適量的微生物絮凝劑能夠通過(guò)吸附架橋作用聚集懸浮污泥顆粒,或通過(guò)改變污泥顆粒表面的電荷,從而促進(jìn)污泥的沉降,微生物絮凝劑投加量較小時(shí),不能形成有效的絮體,或者形成的絮體粒徑太小,微生物絮凝劑對(duì)膠體顆粒的網(wǎng)捕卷掃作用、吸附架橋作用也未能充分發(fā)揮;過(guò)量的微生物絮凝劑則會(huì)因靜電斥力而抑制絮體的增長(zhǎng),被微生物絮凝劑覆蓋的污泥顆粒中的水分子依然存在于顆粒內(nèi)部,從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)改善污泥脫水的目的.PAC亦然,過(guò)量的 PAC能夠破壞沉淀膠體的穩(wěn)定,從而使得懸浮污泥難以沉降[7].

在交互項(xiàng)中,微生物絮凝劑與 pH值具有顯著性,結(jié)果見(jiàn)圖6.圖6反映了PAC用量處于中心水平時(shí),微生物絮凝劑與pH值交互作用對(duì)DS的影響,圖像明顯反應(yīng)出絮凝作用的實(shí)現(xiàn)對(duì)于中性和弱堿性環(huán)境的依賴,曲面預(yù)測(cè)當(dāng) pH 值在7.0～8.0范圍時(shí),微生物絮凝劑能夠以遠(yuǎn)低于中心值的投加量取得最好的污泥脫水效果[16].

圖6 微生物絮凝劑與污泥pH值對(duì)DS交互影響的響應(yīng)面Fig.6 Surface graphs of DS showing variable effect of bioflocculant dose and pH value of the sludge

2.3.2 響應(yīng)值為SRF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 以SRF為響應(yīng)值建立的二次回歸模型如式(5)所示.方差分析結(jié)果(表 2)顯示:P＜0.0001＜0.05, Fstatistic=48.55＞2.57,表明模型顯著.失擬項(xiàng) F-試驗(yàn)結(jié)果顯示,失擬項(xiàng)概率 P=0.0057＜0.05,說(shuō)明模型能夠很好地與數(shù)據(jù)擬合,且在假定模型中存在的未能解釋的系統(tǒng)變化性僅有 0.57%,這可能歸于模型中準(zhǔn)確的自變量平行重復(fù)值提供了純誤差的評(píng)估.決定系數(shù)R2為0.9776,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間形成了良好的一致性.精確度 AP=18.054＞4,表示所有的預(yù)測(cè)模型均在由CCD所設(shè)定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)[15].

將以編碼值為變量的SRF二次模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05為顯著),結(jié)果如表3所示,pH值是一次項(xiàng)中的顯著因素,微生物絮凝劑和PAC用量是二次項(xiàng)中的顯著因素.在交互項(xiàng)中,微生物絮凝劑與pH值、微生物絮凝劑與PAC用量具有顯著性,結(jié)果見(jiàn)圖7和8.

圖7 微生物絮凝劑與污泥pH值對(duì)SRF交互影響的響應(yīng)面Fig.7 Surface graphs of SRF showing variable effect of bioflocculant dose and pH value of the sludge

圖8 微生物絮凝劑與PAC對(duì)SRF交互影響的響應(yīng)面Fig.8 Surface graphs of SRF showing variable effect of bioflocculant and PAC doses

圖7反映了PAC用量處于中心水平時(shí),微生物絮凝劑與pH值交互作用對(duì)SRF的影響.圖像明顯反應(yīng)出絮凝作用的實(shí)現(xiàn)對(duì)于中性和弱堿性環(huán)境的依賴.圖8曲面的變化趨勢(shì)和底部等高線的密集程度可以看出,在其他因素均處于中心水平時(shí),隨著微生物絮凝劑和PAC用量的增加,SRF不斷減小,低PAC情況下SRF的減小速率略比高PAC用量情況下的明顯.一方面,微生物絮凝劑使懸浮污泥顆粒絮凝,提高了污泥顆粒密度,明顯促進(jìn)了污泥沉降;另一方面,PAC用量的增加擴(kuò)大了粒徑相對(duì)較小的絮體在整個(gè)絮體粒徑分布的寬度,過(guò)量的PAC會(huì)導(dǎo)致污泥脫水性能的變差[13].

2.3.3 最佳絮凝條件的確定 設(shè)定 DS和 SRF的目標(biāo)值分別為100%和0,即污泥經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑與PAC聯(lián)合處理后,其含水率為0,含固率為100%,借助 Design-expert8.0.5,響應(yīng)面分析法在設(shè)計(jì)空間(表1)中構(gòu)造SRF和DS的全局逼近,確定污泥脫水的最佳條件為微生物絮凝劑10.5g/(kg DS),PAC 12.4g/(kg DS),pH=7.5.最佳絮凝條件下,DS和SRF分別為24.1%和3.0×1012m/ kg.污泥脫水的實(shí)際工程中,其 pH值一般不經(jīng)過(guò)酸堿調(diào)節(jié)的,因此,在上述最佳條件下,保持污泥pH=6.4時(shí),擬合結(jié)果顯示,DS和 SRF分別為23.6%和3.2×1012m/kg.本研究考察了最佳污泥脫水條件下,實(shí)際污泥脫水過(guò)程中的DS和SRF值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,按照 1.2.1方法,經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑和PAC復(fù)配處理后,DS和SRF分別為23.9%和 3.1×1012m/kg.若不調(diào)節(jié)污泥 pH值,即保持原污泥pH=6.4不變,按照1.2.1方法,經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑和PAC復(fù)配處理后,DS和SRF分別為22.4%和 3.4×1012m/kg.上述結(jié)果均體現(xiàn)出污泥脫水性能的大幅提升.

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了微生物絮凝劑和 PAC復(fù)配用于污泥脫水,可以顯著提高污泥的脫水性能.基于電中和原理,適量的 PAC可以中和污泥顆粒表面的部分負(fù)電荷,從而減小污泥顆粒之間的靜電斥力,如此使得污泥顆粒積聚成更穩(wěn)定的顆粒物[17].本實(shí)驗(yàn)制備的微生物絮凝劑具有較高的分子量(3.79×105Da)和大量的極性基團(tuán),可以提供更多的“結(jié)合位點(diǎn)”、更高的絮凝活性、以及更強(qiáng)的范德華力,因此能夠通過(guò)吸附或范德華力或橋接機(jī)制,將上述穩(wěn)定的顆粒物吸附于微生物絮凝劑分子鏈上,顆粒物可以同時(shí)被多條微生物絮凝劑分子鏈吸附,而一條微生物絮凝劑分子鏈也可以同時(shí)吸附多個(gè)顆粒物,如此導(dǎo)致三維絮凝物的形成,易于沉降,即污泥脫水效果更好[4].

2.4 污泥中EPS的變化與污泥脫水機(jī)理

污泥中胞外聚合物(EPS)主要含蛋白質(zhì)和多糖成分[18].微生物絮凝劑和 PAC對(duì)污泥中 EPS含量的影響如圖9～10所示.由圖9可以看出,隨著微生物絮凝劑或PAC用量的增大,污泥上清液中多糖、蛋白質(zhì)、EPS均體現(xiàn)出下降趨勢(shì),EPS含量的下降趨勢(shì)尤為顯著,這說(shuō)明經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑或PAC調(diào)理后,污泥絮體結(jié)構(gòu)得到了改善,EPS中包裹的部分水分釋放出來(lái),即污泥的脫水性能得到改善.

圖9 微生物絮凝劑(a)與PAC(b)對(duì)污泥中EPS含量的影響Fig.9 Effects of bioflocculant (a) and PAC (b) on the EPS contents of the sludge

污泥中的EPS可分為緊密黏附的EPS和松散附著的EPS兩大類[19],由圖10可以看出,隨著微生物絮凝劑或PAC用量的增大,污泥中緊密黏附的EPS下降趨勢(shì)顯著,而松散附著的EPS下降趨勢(shì)并不明顯.以12g/(kg DS)微生物絮凝劑投加量為例,經(jīng)過(guò)調(diào)理后,緊密黏附的EPS含量由162 μg/gVSS降低至108 μg/gVSS,而松散附著的EPS僅由52 μg/gVSS降低至42μg/gVSS,說(shuō)明微生物絮凝劑和PAC用于污泥調(diào)理主要是通過(guò)降低緊密黏附的EPS實(shí)現(xiàn)的.在RSM擬合得到的最佳污泥脫水條件下,污泥中的 EPS、緊密黏附的EPS、松散附著的 EPS分別降低至 125、97、39μg/gVSS.

圖10 微生物絮凝劑(a)與PAC(b)對(duì)污泥中EPS組成的影響Fig.10 Effects of bioflocculant (a) and PAC (b) on the EPS compositions of the sludge

3 結(jié)論

3.1 對(duì)于DS具有顯著性影響的一次項(xiàng)為pH值;二次項(xiàng)為微生物絮凝劑和PAC量;交互項(xiàng)為微生物絮凝劑量與pH值.說(shuō)明pH值、微生物絮凝劑和PAC量對(duì)于促進(jìn)污泥脫水均具有決定作用.偏中性環(huán)境中,懸浮污泥更容易被微生物絮凝劑聚合成為大顆粒絮凝物,有助于脫水.適量的微生物絮凝劑能夠通過(guò)吸附架橋作用聚集懸浮污泥顆粒,或通過(guò)改變污泥顆粒表面的電荷,從而促進(jìn)污泥的沉降.

3.2 對(duì)于SRF具有顯著性影響的一次項(xiàng)為pH值;二次項(xiàng)為微生物絮凝劑和 PAC量;交互項(xiàng)為微生物絮凝劑量與pH值、微生物絮凝劑與PAC量.隨著微生物絮凝劑和PAC用量的增加;SRF不斷減小;低PAC情況下SRF的減小速率略比高PAC用量情況下的明顯.

3.3 本實(shí)驗(yàn)中污泥脫水的最佳條件為微生物絮凝劑10.5g/(kg DS),PAC 12.4g/(kg DS),pH=7.5,相應(yīng)DS和SRF分別為24.1%和3.0×1012m/kg.在保持原污泥pH值為6.4的情況下,相應(yīng)DS和SRF分別為 23.6%和 3.2×1012m/kg.基于電中和作用和吸附架橋作用,微生物絮凝劑和PAC復(fù)配用于污泥脫水,顯著提高了污泥的脫水性能.

3.4 經(jīng)過(guò)微生物絮凝劑和 PAC調(diào)理后,污泥絮體結(jié)構(gòu)得到了改善,EPS中包裹的部分水分釋放出來(lái),也即污泥的脫水性能得到改善.微生物絮凝劑和PAC用于污泥調(diào)理主要是通過(guò)降低緊密黏附的EPS實(shí)現(xiàn)的.

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Production of a bioflocculant by using slaughter wastewater and its performance in the improvement of sludge dewatering.

GUO Jun-yuan?, ZHOU Xin-tian (College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2615～2622

Rhodococcus erythropolis was selected to produce bioflocculant by using slaughter wastewater and the bioflocculant was applied to improve the sludge dewaterability by compared with chemical conditioners. And then, response surface methodology (RSM) was employed to optimize the process of sludge dewatering by the complex of PAC and bioflocculant. Results showed that the bioflocculant showed good performances in sludge dewatering, after conditioned by this bioflocculant with its optimal dose of 12g/(kg DS) and pH value of 7.5, DS and SRF reached 19.8% and 4.6×1012m/kg, respectively, which were much better than the ones obtained with Al3(SO4)2and FeCl3, but poorer than PAC and PAM. When PAC was used as conditioner, DS and SRF was appeared as 20.1% and 4.5×1012m/kg, respectively. DS and SRF were settled as the target responses in the experiments designed by RSM. As the determination coefficients (R2) of 0.9545 and 0.9776, the two quadratic models could agree with experimental data well. Results showed that the optimal conditions for sludge dewatering were bioflocculant dose of 10.5g/(kg DS), PAC dose of 12.4g/(kg DS), and pH value of 7.5, under this optimal condition, DS and SRF appeared as 24.1% and 3.0×1012m/kg, respectively. From a practical standpoint, without pH adjustment, DS and SRF were 23.6% and 3.2×1012m/kg, respectively. The above results were better than the alone using of bioflocculant or PAC in sludge dewatering.

bioflocculant；PAC；sludge dewatering；response surface methodology (RSM)

X703.1

A

1000-6923(2017)07-2615-08

郭俊元(1985-),男,山西忻州人,副教授,博士,主要從事環(huán)境微生物技術(shù)與廢水資源化處理技術(shù)研究.發(fā)表論文20余篇.

2016-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51508043);四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016JY0015);四川省教育廳科研項(xiàng)目資助(15ZB0178);成都市科技局科技惠民技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目(2015-HM01-00149-SF);成都信息工程大學(xué)中青年學(xué)術(shù)帶頭人科研人才基金資助(J201515)

* 責(zé)任作者, 副教授, gjy@cuit.edu.cn