超声法从剩余污泥中提取微生物絮凝剂的研究

张志强，李向蓉，张 姣，夏博宇

（1.同济大学 环境科学与工程学院，上海200092；2.同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092；3.上海城市管理职业技术学院 土木工程与交通学院，上海200432；4.上海财经大学附属中学，上海200090）

微生物絮凝剂（microbial flocculant，MBF）是由微生物产生的可使液体中不易沉降的悬浮颗粒、菌体细胞及胶体颗粒等凝聚沉淀的特殊高分子物质［1］.MBF主要成分包括多糖、蛋白质和核酸等［2］，具有高效、无毒、可生物降解、无二次污染等特点，可成为人工合成有机高分子絮凝剂潜在的替代物［3］，已有关于其在水处理、食品加工、发酵等行业的应用报道［4］.制备MBF的常用方法是利用纯菌株在特定培养基和培养条件下好氧发酵［1］，其高成本和苛刻的培养条件限制了其进一步的扩大应用.因此，如何进一步降低MBF生产成本、提高生产效率，成为制约其推广应用的瓶颈.国内外很多学者对此问题进行了研究，如日本学者 Kurane［5］、Fujita［6］和国内学者马放［7］、王曙光［4］等利用廉价原料和有机废弃物作为产絮菌的碳、氮源或替代培养基以降低MBF的生产成本；笔者也研究了利用啤酒废水作为廉价碳源制备新型微生物絮凝剂，从而降低MBF的生产成本［8］.

剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体［9］.它是污水生物处理的副产物，其处理已成为城市污水处理厂运行的沉重负担.污泥中含有大量 MBF产生菌［1］，它们在降解污水中有机物时产生的絮凝性物质与MBF成分及功能相仿.因此，若成功从剩余污泥中提取出这些天然絮凝性物质作为MBF，则不仅可大大降低MBF的生产成本，还可实现剩余污泥的资源化利用.目前，国内外相关的研究文献报道较少.本文采用超声法从城市污水处理厂剩余污泥中提取出具有絮凝活性的天然有机高分子物质作为絮凝剂试样.首先，分析了pH值和温度对絮凝活性的影响；其次，研究了超声波作用参数（时间、脉冲方式和功率等）和污泥浓度对所提取絮凝剂试样絮凝活性的影响；最后，对MBF的化学成分进行了分析.

1 实验材料和方法

1.1 剩余污泥

剩余污泥取自上海市某城市污水处理厂的二沉池回流污泥.该厂采用 A2/O－BAF（缺氧－厌氧－好氧－曝气生物滤池）处理工艺，日处理水量5.7×104m3，回流污泥质量浓度7.5～9.5g·L－1，挥发性悬浮颗粒物质量（VSS）与悬浮颗粒物质量（SS）的比值为62.0%～68.0%，pH 值为6.8～7.5.将取回的剩余污泥在4℃下保藏备用，2d内用完.

1.2 MBF的超声提取法

前期研究结果表明，相比其他频率超声波，20 kHz超声波表现出超声频率低、超声时间短和所提取MBF絮凝效率高等优势.因此，本文采用20kHz超声波进行研究，超声设备为上海生析超声仪器有限公司的20kHz的超声波细胞破碎仪.将超声处理后的污泥样品通过Thermo Multifuge X1R高速离心机，在4℃，12 000r·min－1下离心10min得到的上清液即为絮凝剂试样.分别考察pH值、温度、超声波作用参数（时间、脉冲方式和功率）和污泥浓度等对从剩余污泥中所提取絮凝剂试样的絮凝活性影响.考察pH值对絮凝剂试样的絮凝活性影响时，以0.1mol·L－1的 HCl和0.1mol·L－1的 NaOH将高岭土悬浊液调至3～10的pH值；考察温度对絮凝剂试样的絮凝活性影响时，用水浴锅加热高岭土悬浊液的温度至15～60℃.

1.3 絮凝率的测定方法

在100mL比色管中加入0.4g高岭土，3mL质量浓度为1%的CaCl2溶液，2mL絮凝剂试样，定容至100mL.以0.1mol·L－1的 HCl和0.1mol·L－1的NaOH将其调至一定的pH值，混匀后静置5 min，然后用移液器吸取其上清液5mL于比色管中，用分光光度计（HACH，DR 2800）在550nm下测其吸光度［8］（B）.以不加絮凝剂试样，相同操作条件下的高岭土悬浊液的吸光度作对照（A）.以絮凝率（E）来表示絮凝活性，计算方法如下：

1.4 分析方法

污泥SS和VSS均采用标准方法测定［10］.MBF的多糖含量采用苯酚 硫酸法测定，用甘露糖作为标准物质［11］；蛋白质含量用Bradford法测定，用牛血清蛋白作为标准物质［12］；核酸含量采用二苯胺法测定，用小牛胸腺DNA作为标准物质［13］.MBF总量用多糖、蛋白质与核酸含量之和表示.

2 结果与讨论

2.1 pH值对MBF絮凝活性的影响

用20kHz，210W的超声波对剩余污泥（质量浓度为8.1g·L－1）连续超声30s后，以4℃，12 000r·min－1低温高速离心10min，取其上清液为絮凝剂试样.将絮凝剂试样投加到高岭土悬浊液中，考察pH值对絮凝剂试样絮凝效果的影响，结果如图1所示.

图1 pH值对絮凝剂试样絮凝效果的影响Fig.1 Effect of pH value on the flocculating activity of MBF

从图1可以看出，随着混和液pH值的逐渐增加，投加相同剂量的絮凝剂试样后，其絮凝率基本呈现逐渐降低的趋势.在碱性和中性条件下，高岭土悬浊液在絮凝剂投加前、后的吸光度值差异较小，絮凝率均较低；随着pH值往酸性方向变化，高岭土悬浊液在絮凝剂投加前、后的吸光度值差异变大，絮凝率越来越高.由此可知，pH值对絮凝活性的影响较大，偏酸性条件有利于絮体形成，而中性或碱性条件不利于絮体形成.因pH能通过改变酸碱度来改变絮凝剂大分子和胶体颗粒的表面电荷、带电状态、中和电荷能力，从而影响它们之间的靠近和吸附行为.高岭土表面带负电荷，因此，偏酸性环境可以中和其表面的负电荷，从而有利于絮凝沉淀.当pH值为4.0时，絮凝效果较好，故选择pH值4.0为后续实验条件.

2.2 温度对MBF絮凝活性的影响

用20kHz，210W的超声波对剩余污泥（质量浓度为8.1g·L－1）连续超声30s后，以4℃，12 000r·min－1低温高速离心10min，取其上清液为絮凝剂试样.将絮凝剂试样投加到高岭土悬浊液中，考察温度对絮凝剂试样絮凝效果的影响，结果如图2所示.

图2 温度对絮凝剂试样絮凝效果的影响Fig.2 Effect of temperature on the flocculating activity of MBF

由图2可知，温度在15～60℃范围内变化时，絮凝率有很大的变化.随着温度的升高，高岭土悬浊液在絮凝剂投加前、后的吸光度值差异先变大后缩小，絮凝率也呈现先增加后降低的趋势.温度为15～25℃时，分子热运动较慢，高岭土悬浊液空白值偏低，其在絮凝剂投加前、后的吸光度值差异较小，MBF的絮凝率较低；30～40℃时，分子热运动逐渐加速，高岭土悬浊液空白值变大，其在絮凝剂投加前、后的吸光度值差异变大，MBF的絮凝率快速上升，并在40℃时达到最大68.9%；随着温度的继续升高，分子热运动进一步加速，高岭土悬浊液空白值随之变大，但高岭土悬浊液在絮凝剂投加前、后的吸光度值差异有所缩小，MBF的絮凝率逐渐下降.在较低温度下，MBF絮凝活性可能受到抑制；而在较高温度下，MBF中起絮凝作用的有机高分子物质可能因高温变性降低絮凝活性.MBF适宜工作温度范围为35～40℃.考虑到正常情况下（非冬季）实际处理水温一般在20℃左右，故选择温度20℃为后续实验条件.

2.3 脉冲方式对超声法提取MBF的影响

超声波脉冲方式是指超声波每次辐射时间与间歇时间的工作情况，脉冲1s是指超声波每次辐射时间与间歇时间均为1s的脉冲方式.用20kHz，210 W的超声波对剩余污泥（质量浓度为7.9g·L－1）进行超声，分别在连续超声、1s脉冲、4s脉冲、8s脉冲条件下超声1，2，3，5和7min，然后在4℃，12 000r·min－1低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察超声波脉冲方式对超声法提取MBF的影响，结果如图3所示.

图3 脉冲方式对超声法提取MBF的影响Fig.3 Effect of pulse style on MBF extraction by ultrasonic method

由图3可知，4种超声脉冲方式所提取的絮凝剂试样均有一定的絮凝效果，而不超声直接提取的絮凝剂试样絮凝率非常低（6.7%）.在短时间（1min）内，连续超声、脉冲4s和脉冲8s方式均比脉冲1s方式超声所提取絮凝剂试样的絮凝效果要好，这是由于脉冲1s方式单次超声作用持续时间过短会导致超声效率下降.当延长超声时间至2min，可发现脉冲1s方式与其他脉冲方式所提取絮凝剂试样的絮凝率相当.继续延长超声时间，所有脉冲方式所提取絮凝剂试样的絮凝率均呈现出一定的下降趋势.由此可见，超声法提取MBF的超声时间不宜过长，1～3min内较适宜，这与周集体等人的研究结果相似，即长时间的超声会破坏所提取絮凝剂试样的絮凝活性［8］.超声的机械水力剪切作用有利于将絮凝性物质与菌体进行分离；超声同时可以形成化学自由基，对污泥具有破解作用［14］.长时间、高强度的超声会将大分子聚合物降解为没有絮凝活性的小分子有机物，表现为絮凝剂试样的絮凝率降低；此外，过长的超声时间导致细胞破碎的可能性增大，细胞内的物质溶出也会影响所提取絮凝剂试样的絮凝效果.

2.4 功率对超声法提取MBF的影响

用20kHz超声波对剩余污泥（质量浓度为8.1 g·L－1）在不同功率下分别连续超声0.5，1，2和4.0min后，在4℃，12 000r·min－1低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察超声波功率对超声法提取MBF的影响，结果如图4所示.

图4 功率对超声法提取MBF的影响Fig.4 Effect of power on MBF extraction by ultrasonic power

由图4可知，随着超声波功率的增大，絮凝率基本为先升高后逐渐降低的趋势.低功率下提取的絮凝剂试样絮凝率低，当功率由180W增至210W时絮凝率迅速上升；当功率由210W增至270W时絮凝率缓慢增加，所提取的絮凝剂试样絮凝效果好；270W以后絮凝率迅速下降.可见，超声功率过低或者过高均不利于MBF的提取.因超声法主要是通过超声波声场产生的强烈振动、空化效应和搅拌作用使得污泥絮体分散，同时使部分结合较弱的高分子物质在剪切力的作用下分离而进入液相溶液，当功率较低时，超声辐射能不足以有效破解污泥，超声波所产生的剪切力无法完全使细胞表面的高分子絮凝活性物质脱落，从而影响提取效率；当功率较高时，会产生更多的化学自由基，使某些敏感活性物质变性或分解为小分子物质，从而失去絮凝活性［14］.

2.5 污泥浓度对超声法提取MBF的影响

用20kHz，210W的超声波对不同质量浓度的剩余污泥（原污泥质量浓度为7.5g·L－1）分别连续超声0.5，1.0，2.0，3.0，4.0和5.0min后，以4 ℃，12 000r·min－1低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察污泥质量浓度对超声法提取MBF的影响，结果如图5所示.

从图5可见，随着污泥质量浓度的增加，絮凝率基本呈现降低的趋势；超声提取MBF时间不宜太长，以1～3min为宜.考察浓度范围内，在絮凝剂试样投加量体积分数均为2%的情况下，从较低浓度污泥中提取到的MBF表现出较高的絮凝率；污泥质量浓度在7.5g·L－1内所提取的絮凝剂试样絮凝效果均较好.在超声波能量足以穿透污泥层的情况下，理论上污泥质量浓度越高，相同体积的污泥可提取的絮凝活性物质也越多，较浓污泥得到的絮凝率反而较低，可能是由于不同浓度的污泥提取的絮凝剂试样的投加量（体积分数为2%）超过了其最佳投加量所致，后面以絮凝剂投加剂量实验进行验证.

图5 污泥质量浓度对超声法提取MBF的影响Fig.5 Effect of sludge concentration on MBF extraction by ultrasonic method

2.6 MBF成分分析与剂量对絮凝剂试样絮凝效果的影响

用20kHz，210W的超声波对剩余污泥（原泥质量浓度9.5g·L－1）连续超声1min后，在4℃，12 000r·min－1低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察MBF的化学组成及其絮凝活性，结果如图6和表1所示.

图6 MBF的化学组成与絮凝效果Fig.6 Composition and flocculating efficiency of the extracted MBFs

由图6和表1可知，不同质量浓度的污泥通过超声法提取出的MBF，蛋白质、多糖、核酸的质量分数基本一致，分别平均约占MBF总量的53%，31%，16%.由此可见，蛋白质为MBF的主要成分，多糖次之，核酸的含量最低，这与之前一些学者所得的结论一致［15］.随着污泥浓度的增加，提取到的MBF的总量也在升高.絮凝活性随着污泥质量浓度的增加先增加到达峰值后逐渐降低，污泥质量浓度为2.49g·L－1，絮凝率为29.42%；污泥质量浓度为3.32g·L－1，絮凝率达到最大值为52.46%；之后随着污泥质量浓度的升高，絮凝率逐渐降低，污泥质量浓度为20.75g·L－1时，絮凝率仅为20.73%.可能因不同浓度的污泥提取的MBF的投加量（体积分数为2%）超过了其最佳投加量所致.因此，对不同浓度污泥提取的MBF投加剂量对絮凝剂试样絮凝效果的影响进行了试验研究，结果见表2.

表1 MBF中各成分的质量分数Tab.1 Percentage of each component in the extracted MBFs

表2 MBF剂量对絮凝效果的影响Tab.2 Effect of MBF dosage on its flocculating efficiency

由表2可见，随着污泥质量浓度的成倍增加及MBF投加量成比例的降低，所得的絮凝率在46.4%～58.7%之间变化，变化幅度不大.污泥质量浓度为3.8g·L－1，MBF的投加量为2mL时，絮凝率为58.7%；污泥质量浓度为7.6g·L－1，MBF的投加量为1mL时，絮凝率为47.0%.MBF的絮凝机理主要是因为吸附中和架桥［1］，过高的MBF剂量容易造成高岭土颗粒因吸附了高分子聚合物而带上同种电荷，因同种电荷排斥而重新分散稳定，导致絮凝率降低，处理效果下降.因此，对于不同浓度的污泥提取的MBF，需要投加相应剂量而得到最佳的絮凝效果.

3 结论

以城市污水处理厂的剩余污泥为原料，通过超声波破碎、低温高速离心从剩余污泥中提取出MBF，其对高岭土悬浊液具有良好的絮凝活性.MBF在偏酸性条件和35～40℃范围内表现出较高的絮凝活性.超声时间过长或超声功率过大，都会使絮凝活性物质失去活性，超声时间以1～3min为宜，超声功率以210～270W为宜.污泥浓度越高，所提取的MBF浓度越高；对于从不同浓度污泥提取的MBF获得最佳絮凝效果的投加剂量也不相同.MBF的主要组成成分为蛋白质，其次为多糖和核酸.

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