1 引言

　　目前，污水處理過(guò)程各構(gòu)筑物和處理單元中產(chǎn)生的大量污泥造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染.因此，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.以絮凝劑為主體的絮凝技術(shù)是污水處理廠采用的改善污泥脫水性能的主要技術(shù)之一，其中，微生物絮凝劑是一類由微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生的具有絮凝活性的有機(jī)物質(zhì)，具備環(huán)境友好和易降解的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)(Yi et al., 2011;郭俊元等，2012).污泥中含有大量的有機(jī)物、蛋白質(zhì)、纖維素等，可為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供豐富的碳源和氮源，因此，利用污泥生產(chǎn)微生物絮凝劑，可在一定程度上促進(jìn)污泥資源化，并降低微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本(Drouin et al., 2008;Tian，2008).研究發(fā)現(xiàn)，菌株Serratia sp.1利用經(jīng)121 ℃熱解15 min后的生物濾池污泥生產(chǎn)微生物絮凝劑，產(chǎn)量可達(dá)到2.0 g · L-1.以污水處理廠的脫水污泥為原料，通過(guò)超聲破碎獲得了微生物絮凝劑.但這些研究并沒(méi)有對(duì)污泥預(yù)處理后的性質(zhì)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，也沒(méi)有對(duì)微生物絮凝劑的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行深入的探討.

　　因此，本試驗(yàn)考察了不同污泥預(yù)處理方法對(duì)微生物絮凝劑制備及其性能的影響，通過(guò)檢測(cè)污泥在熱處理、酸熱處理、堿熱處理前后性質(zhì)的變化，以及預(yù)處理前后污泥制備微生物絮凝劑的產(chǎn)量及絮凝性能，選取其中高效者，進(jìn)一步研究其在污泥脫水中的性能.

　　2 材料與方法

　　 2.1 試驗(yàn)材料

　　2.1.1 試劑配制

　　CaCl2(分析純)配制成5 g · L-1的溶液，高嶺土(分析純)配制成4 g · L-1的懸濁液，NaOH和HCl(分析純)均配制成1 mol · L-1的溶液.

　　2.1.2 菌株及微生物絮凝劑

　　試驗(yàn)所用菌株為Rhodococcus erythropolis，保藏于中國(guó)典型微生物保藏中心(保藏號(hào)：ACCC.10543).試驗(yàn)用以制備微生物絮凝劑的污泥取自四川郫縣團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)污水處理廠氧化溝工藝，污泥中干污泥量(DS)和污泥比阻(SRF)分別為11.5%和11.4×1012 m · kg-1，污泥的其它性質(zhì)如表 1所示.

 表 1 污泥預(yù)處理后污泥性質(zhì)

　　在菌株利用污泥制備微生物絮凝劑前，首先對(duì)污泥樣品分別進(jìn)行熱預(yù)處理(ST)、堿熱預(yù)處理(ALT)和酸熱預(yù)處理(ACT).熱預(yù)處理是指污泥樣品在121 ℃條件下滅菌30 min;堿熱預(yù)處理是指室溫條件下，采用1 mol · L-1 NaOH溶液調(diào)節(jié)污泥樣品pH=10后，121 ℃條件下滅菌30 min;酸熱預(yù)處理是指室溫條件下，采用1 mol · L-1 HCl溶液調(diào)節(jié)污泥樣品pH=2.0后，121 ℃條件下滅菌30 min.污泥經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理后，調(diào)節(jié)其pH=7.5.挑取少許菌至150 mL種子培養(yǎng)基中，于35 ℃、150 r · min-1的條件下培養(yǎng)得到種子液，種子培養(yǎng)基成分(g · L-1)：葡萄糖20，酵母粉5.0，牛肉膏2.0，MgSO4 2.0，NaCl 10.潔凈室中，將種子液按2%(V/V)接種量分別接種至150 mL上述3種預(yù)處理污泥中，于35 ℃、150 r · min-1條件下發(fā)酵60 h，收集發(fā)酵液，具有絮凝活性的成分即存在于發(fā)酵液中.采用三氯醋酸-丙酮沉淀法從發(fā)酵液中提取絮凝劑.由于發(fā)酵液有一定的粘性，為避免粘性物質(zhì)粘附于菌體細(xì)胞上被沉淀去除，因此，提取微生物絮凝劑之前，在發(fā)酵液中加入4倍體積的蒸餾水進(jìn)行稀釋，經(jīng)3000 r · min-1離心30 min，去菌體(細(xì)胞)收集上清液.采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在40~50 ℃條件下濃縮收集到上清液(濃縮至0.5倍體積)，在濃縮液中加入等體積的冰浴丙酮(含0.07%的β-巰基乙醇)，靜置24h，5000r · min-1離心30 min后，將沉淀物懸于含0.2%DTT的4 ℃預(yù)冷丙酮(三氯醋酸與丙酮體積比1 ∶ 9配制而成)中，-20 ℃條件下靜置1.0 h，相同條件下離心收集沉淀物，真空干燥后得到微生物絮凝劑，其質(zhì)量與發(fā)酵液體積的比值，即為微生物絮凝劑的產(chǎn)量(g · L-1).對(duì)于未接種菌株的污泥，在相同的條件下發(fā)酵，并采取同樣的方法從發(fā)酵液中提取微生物絮凝劑.

　　2.2 試驗(yàn)方法

　　2.2.1 絮凝率的測(cè)定

　　取1 L高嶺土懸液樣品，分別投加0.5 g CaCl2溶液和0.2 g微生物絮凝劑，室溫條件下，先快速攪拌1 min(180 r · min-1)，再慢速攪拌4 min(80 r · min-1)，靜置后取上清液，使用分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)550 nm處的OD值(OD550).絮凝率(FR)計(jì)算公式如下：

　　式中， A為絮凝后高嶺土懸液的OD550，B為高嶺土懸液原液的OD550.

　　2.2.2 污泥脫水

　　污泥脫水試驗(yàn)中的污泥取自四川郫縣團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)污水處理廠氧化溝工藝，本文研究了不同絮凝劑體系對(duì)污泥脫水的影響，調(diào)節(jié)污泥pH=7.5后，投加一定量絮凝劑到100 mL污泥中，200 r · min-1攪拌10 min，靜置30 min后過(guò)濾.污泥脫水性能以干污泥量(DS)和污泥比阻(SRF)指標(biāo)進(jìn)行表征(Aljuboori et al., 2013)：

　　式中，W1和W2分別為濕泥餅的質(zhì)量和105 ℃干燥8 h后干泥餅的質(zhì)量(g);t為反應(yīng)時(shí)間(s);V為濾液體積(mL);μ為粘度(N · s · m-2);A為過(guò)濾面積(m2);Δp為壓降(N · m-2);c為污泥濃度(kg · m-3);α為SRF(m · kg-1).

　　2.2.3 微生物絮凝劑與PAM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，設(shè)置的5個(gè)變量分別為微生物絮凝劑投加量(x1)、PAM投加量(x2)、pH值(x3)、CaCl2投加量(x4)和攪拌強(qiáng)度(x5)，響應(yīng)值(y)為DS和SRF.CCD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).Design-expert7.1.3軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具體如表 2所示.

 表 2 中心復(fù)合設(shè)計(jì)

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 污泥預(yù)處理后的性質(zhì)

　　由表 1可知，經(jīng)過(guò)熱預(yù)處理、堿熱預(yù)處理、酸熱預(yù)處理，污泥的SCOD/TCOD值都有所提高.這是由于污泥細(xì)胞中的糖和蛋白質(zhì)釋放到可溶解相中的緣故，經(jīng)過(guò)堿熱處理后，SCOD/TCOD值最大(0.56)，這說(shuō)明堿熱預(yù)處理對(duì)污泥細(xì)胞破碎的效果最好.SCOD/TCOD值的提高表明3種預(yù)處理方法均有效地破壞了污泥細(xì)胞，從而釋放出其中的生物高聚體.

　　3.2 污泥預(yù)處理對(duì)微生物絮凝劑產(chǎn)量和性能的影響

　　如圖 1所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)酵60 h后，菌株利用經(jīng)直接滅菌處理(即熱預(yù)處理)污泥制備微生物絮凝劑的產(chǎn)量為1.6 g · L-1;同樣條件下，利用經(jīng)酸熱預(yù)處理污泥誓由制備微生物絮凝劑產(chǎn)量0.6 g · L-1，利用經(jīng)堿熱預(yù)處理污泥制備微生物絮凝劑產(chǎn)量為2.3 g · L-1.而污泥于35 ℃、150 r · min-1的條件下直接發(fā)酵60 h(未接種菌株)后，微生物絮凝劑的產(chǎn)量低于18 mg · L-1.由此可見(jiàn)，微生物絮凝劑產(chǎn)量的多少歸因于污泥的不同預(yù)處理方法，堿熱預(yù)處理的污泥更有利于菌株生產(chǎn)微生物絮凝劑.對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理可使污泥細(xì)胞破碎，釋放出污泥中的可溶性有機(jī)物和氮化合物，從而有助于微生物菌株的生長(zhǎng)和繁殖(Sun et al., 2012).有研究表明，在堿性條件下，污泥細(xì)胞破碎所釋放的可溶性化學(xué)需氧量和其它低分子量的水溶性碳化合物要比酸性條件下更多，酸誘導(dǎo)污泥細(xì)胞破碎增容的能力劣于堿(Aravinthan et al., 2001)，這驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)中堿熱預(yù)處理的污泥更有利于菌株生產(chǎn)微生物絮凝劑的結(jié)論.

 圖 1 污泥預(yù)處理對(duì)微生物絮凝劑產(chǎn)量的影響

　　按照絮凝率的檢測(cè)方法，將制備得到的微生物絮凝劑用于高嶺土懸液的絮凝沉降，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱預(yù)處理、酸熱預(yù)處理、堿熱預(yù)處理污泥制備的絮凝劑對(duì)高嶺土懸液的絮凝率分別為91.5%、89.7%和94.4%，而利用未接種污泥制備的絮凝劑對(duì)高嶺土懸液的絮凝率僅為25.6%.鑒于堿熱預(yù)處理污泥制備的微生物絮凝劑的產(chǎn)量最大，絮凝性能最好，以下實(shí)驗(yàn)僅以堿熱預(yù)處理污泥制備的微生物絮凝劑作為研究對(duì)象.

　　3.3 微生物絮凝劑對(duì)污泥脫水性能的影響

　　調(diào)節(jié)污泥pH=7.5后，分別將5.0 mL蒸餾水(空白)、5.0 mL CaCl2溶液、5.0 mL堿熱處理污泥制備得到的發(fā)酵液和2.0 mL發(fā)酵液+3.0 mL CaCl2溶液投加到100 mL污泥樣品中.如圖 2所示，當(dāng)2.0 mL發(fā)酵液與3.0 mL CaCl2溶液一起投加至污泥中，10 min后，濾液體積為41.2 mL.同樣條件下，單獨(dú)利用5.0 mL發(fā)酵液或CaCl2溶液對(duì)污泥進(jìn)行絮凝沉降，濾液體積均明顯小于41.2 mL.空白實(shí)驗(yàn)中5.0 mL蒸餾水對(duì)污泥沉降沒(méi)有促進(jìn)作用.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ca2+的存在可以在一定程度上提高微生物絮凝劑對(duì)污泥的絮凝沉降效果，因此，在響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，將CaCl2投加量設(shè)置為一個(gè)變量.

 圖 2 不同絮凝劑體系對(duì)污泥脫水性能的影響

　　3.4 微生物絮凝劑與PAM復(fù)配的響應(yīng)面優(yōu)化

　　3.4.1 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)果顯示，p<0.0001<0.05，決定系數(shù)R2為0.9057，表明模型顯著;相關(guān)系數(shù)r為0.9517，表明獨(dú)立變量之間的相關(guān)性較好，響應(yīng)值y1(SRF)的二次回歸模型擬合較好.

　　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)果表明，PAM投加量是一次項(xiàng)中的顯著因素，這是因?yàn)檫^(guò)量的PAM會(huì)破環(huán)穩(wěn)定的膠體體系;微生物絮凝劑投加量與pH值是二次項(xiàng)中的顯著因素，這與課題組前期的研究結(jié)果相符(Guo et al., 2013).微生物絮凝劑改善污泥脫水性能的原因在于其通過(guò)架橋作用改變污泥顆粒的大小和密度.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)捕卷掃作用和吸附架橋作用也未能充分發(fā)揮(黃兢等，2008);微生物絮凝劑過(guò)量時(shí)，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(Zhang et al., 2010).pH值在污泥脫水中的顯著性則是由于其對(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)及性能的影響.

　　在交互項(xiàng)中，微生物絮凝劑與PAM投加量，以及微生物絮凝劑投加量與pH值具有顯著性，結(jié)果如圖 3所示.從圖 3a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3個(gè)因素均處于中心水平時(shí)，隨著微生物絮凝劑和PAM投加量的增加，SRF逐漸減小，低PAM投加量情況下，SRF減小的速率略比高PAM投加量下明顯.究其原因，一方面，微生物絮凝劑使污泥顆粒絮凝增大，提高了污泥顆粒密度;另一方面，PAM投加量的增加擴(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，投加過(guò)量的PAM則會(huì)導(dǎo)致污泥脫水性能的變差(Yang et al.，2012).圖 3b反映了PAM投加量為2.0 g · kg-1，CaCl2投加量為60 mg · L-1，攪拌速度為200 r · min-1的條件下，微生物絮凝劑投加量與pH值交互作用對(duì)污泥脫水的影響，圖像明顯反映出絮凝作用的實(shí)現(xiàn)對(duì)于偏中性環(huán)境的依賴，曲面預(yù)測(cè)當(dāng)pH值在6.5~7.5范圍時(shí)，可以取得最好的脫水效果.

 圖 3 SRF的交互影響響應(yīng)面(a.微生物絮凝劑與PAM投加量; b.微生物絮凝劑投加量與pH)

　　3.4.2 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(6)所示，方差分析結(jié)果顯示，p<0.0001<0.05，決定系數(shù)R2為0.9171，表明模型顯著;相關(guān)系數(shù)r為0.9577，表明獨(dú)立變量之間的相關(guān)性較好，響應(yīng)值y2(DS)的二次回歸模型擬合較好.

　　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)果表明，微生物絮凝劑投加量是一次項(xiàng)中的顯著因素;pH值、CaCl2投加量、攪拌速度是二次項(xiàng)中的顯著因素.適量的Ca2+可促進(jìn)污泥脫水，這是因?yàn)镃a2+能夠有效地中和污泥顆粒的負(fù)電荷，并促進(jìn)微生物絮凝劑的吸附架橋作用.攪拌速度為攪拌強(qiáng)度大小的體現(xiàn)，較大的攪拌強(qiáng)度可以使得絮凝劑與污泥顆粒充分接觸并在最短的時(shí)間內(nèi)形成大粒徑絮凝體，便于沉降.然而，強(qiáng)烈的攪拌和湍流也可能導(dǎo)致絮凝體被擊碎，從而影響到污泥的沉降效果，因此，攪拌速度是污泥沉降過(guò)程中的顯著影響因素.

　　在交互項(xiàng)中，微生物絮凝劑投加量與pH值，微生物絮凝劑與CaCl2投加量，微生物絮凝劑與攪拌速度具有顯著性，結(jié)果如圖 4所示.從圖 4a曲面趨勢(shì)上可以看出，偏中性環(huán)境是有利于微生物絮凝劑改善脫水性能的，曲面預(yù)測(cè)當(dāng)pH在約6.5~7.5時(shí)，能以遠(yuǎn)低于中心值的投加量取得最好的絮凝效果.圖 4b顯示了Ca2+對(duì)微生物絮凝劑脫水性能的影響，當(dāng)其他3個(gè)因素處于中心水平時(shí)，污泥脫水性能隨微生物絮凝劑投加量的增加呈整體上升趨勢(shì)，即污泥顆粒中的水分含量是逐漸減少的，低CaCl2投加量情況下污泥顆粒中水分的減少速率比高CaCl2投 加量下明顯;此外，Ca2+濃度高，將大量占據(jù)帶微生物絮凝劑分子鏈上的功能基團(tuán)，從而抑制污泥脫水.圖 4c顯示了攪拌速率對(duì)微生物絮凝劑改善污泥脫水性能的影響，在合適的攪拌速率條件下，隨微生物絮凝劑的增加，污泥脫水性能逐步提高.

 圖 4 DS的交互影響響應(yīng)面(a.微生物絮凝劑投加量與pH; b.微生物絮凝劑投加量與CaCl₂投加量; c.微生物絮凝劑投加量與攪拌速度)

　　3.4.3 最佳絮凝條件的確定

　　設(shè)定SRF目標(biāo)值為0，DS為100%，即污泥脫水后含水率為0，含固率為100%，借助Design-expert7.1.3軟件，利用響應(yīng)面分析法在設(shè)計(jì)空間(表 2)中構(gòu)造SRF和DS的全局逼近，確定本實(shí)驗(yàn)中最佳的污泥脫水條件為微生物絮凝劑投加量12.6 g · kg-1，PAM投加量1.0 g · kg-1，CaCl2投加量59.7 mg · L-1，pH值6.7，攪拌速度185 r · min-1.在此條件下，DS和SRF分別為29.1%和2.2×1012 m · kg-1.與原污泥DS和SRF值(分別為11.5%和11.4×1012 m · kg-1)相比，本實(shí)驗(yàn)利用堿熱預(yù)處理污泥制備的微生物絮凝劑與PAM聯(lián)合使用顯著改善了污泥脫水性能.

　　4 結(jié)論

　　1)堿熱預(yù)處理對(duì)污泥細(xì)胞破碎的效果最好，SCOD/TCOD達(dá)到0.56.利用堿熱預(yù)處理污泥制備微生物絮凝劑，其產(chǎn)量為2.3 g · L-1，高于熱預(yù)處理的1.6 g · L-1和酸熱預(yù)處理的0.6 g · L-1，而未接種污泥制備的微生物絮凝劑產(chǎn)量低于18 mg · L-1;上述4種微生物絮凝劑對(duì)高嶺土懸液的絮凝率分別為91.5%、89.7%、94.4%和25.6%.

　　2)對(duì)于SRF具有顯著性影響的一次項(xiàng)為PAM投加量;微生物絮凝劑投加量與pH值是二次項(xiàng)中的顯著因素;在交互項(xiàng)中，微生物絮凝劑與PAM投加量，以及微生物絮凝劑投加量與pH值具有顯著性.

　　3)對(duì)于DS具有顯著性影響的一次項(xiàng)為微生物絮凝劑投加量;pH值、CaCl2投加量，攪拌速度是二次項(xiàng)中的顯著因素;在交互項(xiàng)中，微生物絮凝劑投加量與pH值，微生物絮凝劑與CaCl2投加量，微生物絮凝劑與攪拌速度具有顯著性.

　　4)微生物絮凝劑投加量與pH值對(duì)于絮凝作用的實(shí)現(xiàn)具有決定作用;適量的Ca2+可促進(jìn)污泥脫水，這是因?yàn)镃a2+能夠有效地中和懸浮污泥顆粒的負(fù)電荷，并促進(jìn)微生物絮凝劑的吸附架橋作用;強(qiáng)烈的攪拌和湍流可能會(huì)導(dǎo)致絮凝體系被擊碎，直接降低污泥脫水性能.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5)本實(shí)驗(yàn)中最佳的污泥脫水條件為微生物絮凝劑投加量12.6 g · kg-1，PAM投加量1.0 g · kg-1，CaCl2投加量59.7 mg · L-1，pH值6.7，攪拌速度185 r · min-1.在此條件下，DS和SRF分別為29.1%和2.2×1012 m · kg-1.