楊 麒，鄧 曉，羅 琨，李小明，伍秀瓊，鐘 宇，曾光明

（1．湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2湖南大學(xué) 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082；3．長沙學(xué)院 生物工程與環(huán)境科學(xué)系，湖南 長沙 410003）

污水生物處理過程會(huì)產(chǎn)生大量高含水率（一般≥99%）的污泥，其體積會(huì)隨其含水率的降低而大大減少．為便于后續(xù)的運(yùn)輸及處理處置，在實(shí)際處理中應(yīng)盡可能得到含固率較高的污泥．通常污泥脫水行為從兩個(gè)方面考慮：脫水程度和脫水速率［1］．大量研究表明，在污泥脫水過程中，絮凝劑的使用能夠明顯改善污泥的脫水速率即脫水的難易程度，但卻不能使最終泥餅的含水率降低，即不能提高污泥的脫水程度［2］．使用合適的表面活性劑，一方面其增溶作用和分散作用可使某些大分子的親水性基團(tuán)如胞外聚合物（EPS）轉(zhuǎn)移至上清液中，從而改變了污泥絮體的大小和親疏水性，使部分結(jié)合水轉(zhuǎn)化成自由水；另一方面，其疏水結(jié)構(gòu)的締合作用破壞污泥絮體的膠體狀松散結(jié)構(gòu)，使污泥表面疏水化，毛細(xì)結(jié)合水和表面吸附水都得以脫除，從而提高污泥脫水程度［3］．當(dāng)前化學(xué)表面活性劑對(duì)污泥脫水的影響已有很多研究［1－4］，但幾乎沒有關(guān)于生物表面活性劑用于污泥脫水前處理的研究．

研究表明生物表面活性劑除具有一般化學(xué)表面活性劑具有的降低表面張力、穩(wěn)定乳化液和增加泡沫等作用外，還因?yàn)槟承┩ㄟ^化學(xué)合成難以得到的結(jié)構(gòu)基團(tuán)而具有耐溫性、抗鹽性強(qiáng)，可耐酸耐堿等優(yōu)點(diǎn)，且其對(duì)環(huán)境危害小，合成過程簡單、能耗低［5］．生物表面活性劑從20世紀(jì)中期開始快速應(yīng)用，國內(nèi)外已有了規(guī)?；a(chǎn)．隨著人們崇尚自然和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，生物表面活性劑將成為化學(xué)表面活性劑的理想替代品［6］．

本實(shí)驗(yàn)中生物表面活性劑選用的是當(dāng)前國內(nèi)外研究較多的一類生物表面活性劑——鼠李糖脂．由于其結(jié)構(gòu)中含有糖環(huán)及羧基，鼠李糖脂兼具非離子型表面活性劑和陰離子型表面活性劑的特點(diǎn)［5］．研究發(fā)現(xiàn)在一定條件下陰－陽離子表面活性劑復(fù)配體系具有很高的表面活性［7］．通過生物和化學(xué)表面活性劑的復(fù)配，一方面可以發(fā)揮兩種不同類型表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)，另一方面用易生物降解的生物表面活性劑取代化學(xué)表面活性劑，可以降低脫水后污泥的環(huán)境毒性．因此本文除研究鼠李糖脂對(duì)污泥脫水性能的影響外，還考察了鼠李糖脂與陽離子化學(xué)表面活性劑溴化十六烷基三甲銨（CTAB）復(fù)配對(duì)污泥脫水性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 材料與儀器

污泥取自長沙市金霞污水處理廠的活性污泥，自然沉降2h后撇去上清液，濃縮污泥經(jīng)0．71mm篩網(wǎng)過濾去除雜質(zhì)，于4℃冰箱中保存?zhèn)溆?，其特性如?所示．為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性與可靠性，所有實(shí)驗(yàn)均在4～5d內(nèi)完成．

表1 污泥主要特性Tab．1 Main characters of sludge

主要化學(xué)試劑：生物表面活性劑鼠李糖脂，購于湖州紫金生物科技有公司，純度為50%．化學(xué)表面活性劑選用的是陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）．

主要儀器設(shè)備：WHY－2S數(shù)顯往返水浴恒溫振蕩器；CST304B毛細(xì)吸水時(shí)間測定儀；污泥抽濾脫水裝置（包含SHZ－D 循環(huán)水式真空泵、穩(wěn)壓閥等）；LD5－10B型低速臺(tái)式大容量離心機(jī)；DKN612C 高熱鼓風(fēng)干燥箱．

1．2 分析方法

1．2．1 污泥抽濾濾餅含水率的測定

將投加了表面活性劑的污泥在水浴恒溫振蕩器25 ℃條件下充分反應(yīng)20min．取100mL 污泥分別倒入布氏漏斗中，經(jīng)0．055 MPa真空抽濾后，測泥餅含水率．本實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)操作要求不同抽濾時(shí)間分別選用15min和30min．抽濾15min后泥餅含水率作為脫水速率的評(píng)價(jià)指標(biāo)；抽濾30min至基本不會(huì)再有水滴出時(shí)的含水率，用于表征污泥脫水程度．抽濾完成后將泥餅取出置于蒸發(fā)皿中，105 ℃烘箱中烘6～8h至質(zhì)量恒定不變．再將烘干的干泥于干燥器中冷卻后稱重．根據(jù)質(zhì)量差計(jì)算濾餅含水率．

1．2．2 污泥離心脫水實(shí)驗(yàn)

將50mL處理后的污泥泥樣以及空白泥樣分別移入離心管中，在轉(zhuǎn)速為3 000r·min－1離心15min，30 min，45min．然后將離心后污泥上清液傾倒掉，并將離心管倒置30min．測離心管內(nèi)污泥含固率．

1．2．3 污泥毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）的測定

毛細(xì)吸水時(shí)間（Capillary Sunction Time，CST）是反映污泥脫水性能的重要參數(shù)，一般CST愈大，污泥的脫水性能愈差，反之脫水性能愈好［8］．

CST 由CST 儀測定．測試開始前保持塑板、不銹鋼內(nèi)縮圓筒等干燥．在底部塑板放置Whatman17＃濾紙，在濾紙上放置帶有電觸頭的塑板，并將不銹鋼內(nèi)縮圓筒（直徑18 mm）口徑較小的一端朝下放入塑板圓孔中．旋轉(zhuǎn)圓筒，緩緩輕壓，讓濾紙受力均勻．開啟CST 測定儀，按下重啟按鈕，檢查計(jì)數(shù)器讀數(shù)為0．將原污泥樣本或者調(diào)理過的污泥樣本攪拌均勻后，立即加入CST 圓筒中，當(dāng)計(jì)時(shí)終止后，CST 儀上顯示的時(shí)間即為污泥的CST．每個(gè)樣品至少測三遍，直至其所測數(shù)值相差不超過1s后取平均值并記錄．

1．2．4 污泥比阻的測定

比阻（Specific Resistance to Filtration，SRF）是國內(nèi)外廣泛采用的衡量污泥過濾性能的綜合指標(biāo)．其物理意義是在單位過濾面積上單位泥餅干重所具有的阻力．比阻越大，說明污泥脫水性能越差，反之亦然．［9］

比阻計(jì)算公式［10］如下：

式中：P為過濾時(shí)的壓力，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為0．055 MPa；F為過濾面積，本實(shí)驗(yàn)中過濾面直徑為70 mm；μ為動(dòng)力粘滯度；b，C為參數(shù)，要通過實(shí)驗(yàn)測定；C為濾過單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上所截留的濾餅干重；b為過濾方程t／V＝bV＋a所代表的直線的斜率，t為過濾時(shí)間，V為濾液體積．

1．2．5 污泥沉降性能的測定

取100 mL 處理后的污泥及原污泥分別倒入100mL量筒中，靜置．每隔15min記錄一次污泥體積．

2 結(jié)果和討論

2．1 生物表面活性劑對(duì)污泥脫水性能的影響

2．1．1 鼠李糖脂對(duì)污泥脫水后含水率的影響

分別向污泥中投加0．05g·g－1，0．10g·g－1，0．15g·g－1，0．20g·g－1，0．25g·g－1生物表面活性劑鼠李糖脂（本文投加量以表面活性劑與干污泥重量比定義，單位g·g－1）．不同鼠李糖脂投加量條件下，經(jīng)3 000r·min－1離心30min及0．055 MPa抽濾30min脫水后污泥含水率的變化如圖1所示．

原污泥離心及過濾后含水率分別為84．10%，70．55%．與原污泥相比，投加鼠李糖脂能不同程度降低污泥脫水后含水率．但隨著投加量的增加，污泥脫水后含水率并不一直呈下降趨勢(shì)．投加量小于0．10g·g－1時(shí)，脫水后污泥含水率隨投加量的增加而降低；投加量大于0．10g·g－1時(shí)，脫水后污泥含水率隨投加量的增加反而增加了．當(dāng)投加量為0．10 g·g－1時(shí)，離心和過濾脫水后污泥含水率分別降至82．06%和62．95%．當(dāng)投加量增加到0．25g·g－1時(shí)，離心脫水后污泥含水率和過濾濾餅含水率分別升高到82．98%和69．12%．因此，就脫水程度來說，鼠李糖脂最佳投加量為0．10g·g－1．

引起上述現(xiàn)象的原因是：表面活性劑的投加能使污泥表面的EPS 脫落和溶解［11］，增加了污泥絮體的分散程度，由此造成包含在污泥絮體間的部分水被釋放出來，導(dǎo)致脫水后污泥含水率下降．但隨著鼠李糖脂投加量的增加，其長疏鏈會(huì)發(fā)揮再絮凝作用，重新包裹水分，從而致使污泥脫水的含水率重新升高［3，12］．

圖1 鼠李糖脂投加量對(duì)污泥脫水后含水率的影響Fig．1 Effect of rhamnolipid dose on the water contentof dewatered sludge cakes of activated sludge

2．1．2 鼠李糖脂投加量對(duì)污泥比阻及毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）的影響

從投加鼠李糖脂后污泥比阻和CST 值的變化（如圖2所示）可知，投加鼠李糖脂對(duì)污泥的脫水速率未起促進(jìn)作用．

圖2 鼠李糖脂投加量對(duì)污泥CST 及比阻的影響Fig．2 Effect of rhamnolipid dose on CST and SRF of activated sludge

當(dāng)鼠李糖脂投加量為實(shí)現(xiàn)最佳脫水程度的0．10g·g－1時(shí)，污泥的比阻和CST 值分別由原污泥的3．13×1012m／kg，27．3s增至1．58×1013m／kg，48．8s，脫水速率明顯降低．隨著鼠李糖脂的投加量增加，污泥的比阻和CST 值均呈線性增加．因此，鼠李糖脂可提高污泥脫水程度，但會(huì)使污泥脫水更加困難，過程更慢．

污泥表面高濃度的EPS有助于污泥絮體的形成，同時(shí)也能提高污泥的抗剪切能力，從而增強(qiáng)污泥的過濾性能［13］．表面活性劑的加入會(huì)使污泥表面的EPS脫落和溶解［4］，因此過濾性能下降，CST 與比阻值變大．

2．1．3 鼠李糖脂投加量對(duì)污泥沉降性能的影響

圖3為投加鼠李糖脂后污泥沉降體積隨時(shí)間的變化趨勢(shì)．從圖中可以看到，鼠李糖脂的投加可以改善污泥的沉降性能，但投加量增加所引起的污泥沉降性能的改善不明顯．這是由于一方面表面活性劑會(huì)使EPS 從污泥表面脫落，從而改善了其沉降性能．但是另一方面，隨著EPS的增加，污泥的相對(duì)疏水性逐步降低，導(dǎo)致污泥絮體的絮凝性能變差，污泥的沉降性能下降［14］．

圖3 鼠李糖脂投加量對(duì)污泥沉降性能的影響Fig．3 Effect of rhamnolipid dose on settleability of activated sludge

2．2 生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑復(fù)配對(duì)污泥脫水的影響

通過生物和化學(xué)表面活性劑的復(fù)配，一方面可以發(fā)揮兩種不同類型表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)，另一方面用易生物降解的生物表面活性劑取代化學(xué)表面活性，可以降低脫水后污泥的環(huán)境毒性．本實(shí)驗(yàn)中，投加量為0．10g·g－1時(shí)污泥脫水效果最好，能得到相對(duì)較干的污泥泥餅，且污泥比阻及CST 都沒有上升得特別高．同時(shí)，先前的研究表明CTAB 與污泥干重比例為0．1∶1 時(shí)，污泥脫水能達(dá)到很好的效果［15，16］．因此后面的復(fù)配實(shí)驗(yàn)表面活性劑的總投加量均控制在0．10g·g－1，具體的加藥方案如表2所示．

表2 加藥方案Tab．2 The dosing solutions

2．2．1 生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑復(fù)配對(duì)污泥離心脫水的影響

經(jīng)調(diào)理后的污泥在3000r·min－1轉(zhuǎn)速下分別離心15min，30min，45min，去除上清液，測定污泥含水率，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示．

圖4 鼠李糖脂與CTAB復(fù)配對(duì)污泥離心后含固率的影響Fig．4 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on the solid content of activated sludge after centrifugation

無論是單獨(dú)添加CTAB 或鼠李糖脂，或是鼠李糖脂與CTAB復(fù)配，離心后污泥含固率均比原污泥高．當(dāng)CTAB 與鼠李糖脂復(fù)配比為3∶1，2∶1時(shí)，均較單獨(dú)使用鼠李糖脂或CTAB 得到的離心污泥含固率高．離心15min時(shí)，CTAB 與鼠李糖脂以3∶1的比例復(fù)配得到的污泥含固率較單獨(dú)投加鼠李糖脂含固率高出約8．7%，比單獨(dú)使用CTAB 高出約4．2%．當(dāng)CTAB 與鼠李糖脂復(fù)配比為1∶1時(shí)，離心污泥含固率比單獨(dú)使用鼠李糖脂時(shí)高，但是比單獨(dú)使用CTAB要低；當(dāng)CTAB與鼠李糖脂復(fù)配比為1∶2，1∶3，即當(dāng)復(fù)配中鼠李糖脂所占的比例較高時(shí)，離心污泥含固率無論是相對(duì)于單獨(dú)投加鼠李糖脂還是CTAB時(shí)都要低．陰陽離子表面活性劑復(fù)配要使其達(dá)到最大增效作用，同等比例（其中一種只占總量少部分）是一種可提高配伍性的方法［17］．本實(shí)驗(yàn)中陽離子化學(xué)表面活性劑CTAB 為主配以生物表面活性劑鼠李糖脂，以2∶1或大于2∶1的比例復(fù)配使用能使離心脫水后的污泥含水率更低的結(jié)果與上述結(jié)論是相符的．

2．2．2 生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑復(fù)配對(duì)污泥過濾脫水的影響

經(jīng)0．055MPa下抽濾15min，30min處理后泥餅的含水率如圖5所示．抽濾15min時(shí)，原污泥的濾餅含水率為72．71%．CTAB 與鼠李糖脂復(fù)配比例為3∶1，2∶1，1∶1以及單獨(dú)投加CTAB 時(shí)，抽濾15 min 后濾餅含水率比原污泥低，分別為68．14%，71．50%，71．52%；當(dāng)CTAB 與鼠李 糖 脂比例為1∶2，1∶3以及單獨(dú)投加鼠李糖脂時(shí)，濾餅含水率都大于原污泥的濾餅含水率，并且隨著鼠李糖脂所占比例的增加得到的濾餅含水率越高．但是，抽濾時(shí)間增加到30min，復(fù)配表面活性劑的投加使得污泥濾餅含水率相比于原污泥均有大幅下降，復(fù)配比為3∶1，2∶1，1∶1時(shí)得到的濾餅含水率均較低，分別為60．50%，60．99%及61．28%．相比于單獨(dú)使用CTAB（65．76%）或者鼠李糖脂（62．99%），兩種表面活性劑復(fù)配能實(shí)現(xiàn)更好的脫水效果．

圖5 鼠李糖脂與CTAB復(fù)配對(duì)過濾脫水污泥含水率的影響Fig．5 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on the water content of activated sludge after filtration

2．2．3 生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑復(fù)配對(duì)污泥沉降性能的影響

從圖6 鼠李糖脂與CTAB 復(fù)配對(duì)污泥沉降性能的影響可以看到，加入表面活性劑能提高污泥的沉降性能．但相比于單獨(dú)投加CTAB 或者鼠李糖脂，兩者復(fù)配使用對(duì)污泥沉降沒有顯著的改善作用．

2．2．4 生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑復(fù)配對(duì)污泥CST 值的影響

從CST 的變化（圖7）來看，鼠李糖脂的投加使污泥的CST 值明顯增加，說明鼠李糖脂的加入惡化了污泥的脫水性能．與之相反，CTAB的加入則有利于污泥脫水性能的改善．當(dāng)CTAB與鼠李糖脂復(fù)配比為3∶1，2∶1，1∶1時(shí)，污泥CST 值較原污泥的35．3s分別降低到30．8s，30．8s，30．4s，說明CTAB與生物表面活性劑的復(fù)配確實(shí)能改善污泥的脫水性能．但是，當(dāng)復(fù)配比小于1∶1，也就是鼠李糖脂所占的比例為主時(shí)，污泥的CST 值明顯增大了，并且隨著鼠李糖脂比例的增加脫水性能會(huì)進(jìn)一步惡化．

圖6 鼠李糖脂與CTAB復(fù)配對(duì)污泥沉降性能的影響Fig．6 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on settleability of activated sludge

圖7 鼠李糖脂與CTAB復(fù)配對(duì)污泥CST 值的影響Fig．7 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on CST of activated sludge

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，陽離子化學(xué)表面活性劑CTAB不僅能使脫水后污泥含水率降低，也使污泥更易脫水．鼠李糖脂雖能明顯降低污泥脫水后含水率，卻會(huì)惡化污泥脫水的難易程度．相比于兩者單獨(dú)使用，CTAB與鼠李糖脂以適當(dāng)?shù)谋壤龔?fù)配使用對(duì)污泥無論是脫水難易程度還是脫水后污泥含水率都有更好的效果．

基于生物表面活性劑的環(huán)境友好性，綜合考慮鼠李糖脂與CTAB 復(fù)配對(duì)污泥脫水性能的改善效果，復(fù)配的比例以鼠李糖脂占1／3或1／3以下為宜．

3 結(jié) 論

1）鼠李糖脂的投加能使污泥脫水后含水率降低，但也會(huì)使污泥脫水速率變慢．就脫水程度來說，鼠李糖脂最佳投加劑量為0．10g·g－1（純度為50%）．

2）生物表面活性劑鼠李糖脂與化學(xué)表面活性劑CTAB復(fù)配對(duì)污泥脫水效果比單獨(dú)添加鼠李糖脂或者CTAB效果都好．當(dāng)表面活性劑投加量相同時(shí)，CTAB與鼠李糖脂以3∶1，2∶1，1∶1的比例復(fù)配不僅能使脫水后的污泥含水率較兩者單獨(dú)投加時(shí)更低，同時(shí)也不會(huì)使脫水速率變慢．但隨著混合表面活性劑中生物表面活性劑的比重進(jìn)一步增加，污泥脫水性能逐步下降，因此復(fù)配的比例以鼠李糖脂占1／3或1／3以下為宜．

3）生物表面活性劑取代化學(xué)表面活性可降低脫水后污泥的環(huán)境毒性．從環(huán)保的角度，鼠李糖脂與CTAB復(fù)配應(yīng)用于污泥的脫水是很好的選擇．

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