生物表面活性剂对污泥脱水性能的影响＊

杨 麒，邓 晓，罗 琨，李小明，伍秀琼，钟 宇，曾光明

（1．湖南大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082；2湖南大学 环境生物与控制教育部重点实验室，湖南 长沙 410082；3．长沙学院 生物工程与环境科学系，湖南 长沙 410003）

污水生物处理过程会产生大量高含水率（一般≥99%）的污泥，其体积会随其含水率的降低而大大减少．为便于后续的运输及处理处置，在实际处理中应尽可能得到含固率较高的污泥．通常污泥脱水行为从两个方面考虑：脱水程度和脱水速率［1］．大量研究表明，在污泥脱水过程中，絮凝剂的使用能够明显改善污泥的脱水速率即脱水的难易程度，但却不能使最终泥饼的含水率降低，即不能提高污泥的脱水程度［2］．使用合适的表面活性剂，一方面其增溶作用和分散作用可使某些大分子的亲水性基团如胞外聚合物（EPS）转移至上清液中，从而改变了污泥絮体的大小和亲疏水性，使部分结合水转化成自由水；另一方面，其疏水结构的缔合作用破坏污泥絮体的胶体状松散结构，使污泥表面疏水化，毛细结合水和表面吸附水都得以脱除，从而提高污泥脱水程度［3］．当前化学表面活性剂对污泥脱水的影响已有很多研究［1－4］，但几乎没有关于生物表面活性剂用于污泥脱水前处理的研究．

研究表明生物表面活性剂除具有一般化学表面活性剂具有的降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等作用外，还因为某些通过化学合成难以得到的结构基团而具有耐温性、抗盐性强，可耐酸耐碱等优点，且其对环境危害小，合成过程简单、能耗低［5］．生物表面活性剂从20世纪中期开始快速应用，国内外已有了规模化生产．随着人们崇尚自然和环保意识的增强，生物表面活性剂将成为化学表面活性剂的理想替代品［6］．

本实验中生物表面活性剂选用的是当前国内外研究较多的一类生物表面活性剂——鼠李糖脂．由于其结构中含有糖环及羧基，鼠李糖脂兼具非离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂的特点［5］．研究发现在一定条件下阴－阳离子表面活性剂复配体系具有很高的表面活性［7］．通过生物和化学表面活性剂的复配，一方面可以发挥两种不同类型表面活性剂的优点，另一方面用易生物降解的生物表面活性剂取代化学表面活性剂，可以降低脱水后污泥的环境毒性．因此本文除研究鼠李糖脂对污泥脱水性能的影响外，还考察了鼠李糖脂与阳离子化学表面活性剂溴化十六烷基三甲铵（CTAB）复配对污泥脱水性能的影响．

1 实验部分

1．1 材料与仪器

污泥取自长沙市金霞污水处理厂的活性污泥，自然沉降2h后撇去上清液，浓缩污泥经0．71mm筛网过滤去除杂质，于4℃冰箱中保存备用，其特性如表1所示．为保证实验结果的可比性与可靠性，所有实验均在4～5d内完成．

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

主要化学试剂：生物表面活性剂鼠李糖脂，购于湖州紫金生物科技有公司，纯度为50%．化学表面活性剂选用的是阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）．

主要仪器设备：WHY－2S数显往返水浴恒温振荡器；CST304B毛细吸水时间测定仪；污泥抽滤脱水装置（包含SHZ－D 循环水式真空泵、稳压阀等）；LD5－10B型低速台式大容量离心机；DKN612C 高热鼓风干燥箱．

1．2 分析方法

1．2．1 污泥抽滤滤饼含水率的测定

将投加了表面活性剂的污泥在水浴恒温振荡器25 ℃条件下充分反应20min．取100mL 污泥分别倒入布氏漏斗中，经0．055 MPa真空抽滤后，测泥饼含水率．本实验中，根据操作要求不同抽滤时间分别选用15min和30min．抽滤15min后泥饼含水率作为脱水速率的评价指标；抽滤30min至基本不会再有水滴出时的含水率，用于表征污泥脱水程度．抽滤完成后将泥饼取出置于蒸发皿中，105 ℃烘箱中烘6～8h至质量恒定不变．再将烘干的干泥于干燥器中冷却后称重．根据质量差计算滤饼含水率．

1．2．2 污泥离心脱水实验

将50mL处理后的污泥泥样以及空白泥样分别移入离心管中，在转速为3 000r·min－1离心15min，30 min，45min．然后将离心后污泥上清液倾倒掉，并将离心管倒置30min．测离心管内污泥含固率．

1．2．3 污泥毛细吸水时间（CST）的测定

毛细吸水时间（Capillary Sunction Time，CST）是反映污泥脱水性能的重要参数，一般CST愈大，污泥的脱水性能愈差，反之脱水性能愈好［8］．

CST 由CST 仪测定．测试开始前保持塑板、不锈钢内缩圆筒等干燥．在底部塑板放置Whatman17＃滤纸，在滤纸上放置带有电触头的塑板，并将不锈钢内缩圆筒（直径18 mm）口径较小的一端朝下放入塑板圆孔中．旋转圆筒，缓缓轻压，让滤纸受力均匀．开启CST 测定仪，按下重启按钮，检查计数器读数为0．将原污泥样本或者调理过的污泥样本搅拌均匀后，立即加入CST 圆筒中，当计时终止后，CST 仪上显示的时间即为污泥的CST．每个样品至少测三遍，直至其所测数值相差不超过1s后取平均值并记录．

1．2．4 污泥比阻的测定

比阻（Specific Resistance to Filtration，SRF）是国内外广泛采用的衡量污泥过滤性能的综合指标．其物理意义是在单位过滤面积上单位泥饼干重所具有的阻力．比阻越大，说明污泥脱水性能越差，反之亦然．［9］

比阻计算公式［10］如下：

式中：P为过滤时的压力，本实验中设定为0．055 MPa；F为过滤面积，本实验中过滤面直径为70 mm；μ为动力粘滞度；b，C为参数，要通过实验测定；C为滤过单位体积的滤液在过滤介质上所截留的滤饼干重；b为过滤方程t／V＝bV＋a所代表的直线的斜率，t为过滤时间，V为滤液体积．

1．2．5 污泥沉降性能的测定

取100 mL 处理后的污泥及原污泥分别倒入100mL量筒中，静置．每隔15min记录一次污泥体积．

2 结果和讨论

2．1 生物表面活性剂对污泥脱水性能的影响

2．1．1 鼠李糖脂对污泥脱水后含水率的影响

分别向污泥中投加0．05g·g－1，0．10g·g－1，0．15g·g－1，0．20g·g－1，0．25g·g－1生物表面活性剂鼠李糖脂（本文投加量以表面活性剂与干污泥重量比定义，单位g·g－1）．不同鼠李糖脂投加量条件下，经3 000r·min－1离心30min及0．055 MPa抽滤30min脱水后污泥含水率的变化如图1所示．

原污泥离心及过滤后含水率分别为84．10%，70．55%．与原污泥相比，投加鼠李糖脂能不同程度降低污泥脱水后含水率．但随着投加量的增加，污泥脱水后含水率并不一直呈下降趋势．投加量小于0．10g·g－1时，脱水后污泥含水率随投加量的增加而降低；投加量大于0．10g·g－1时，脱水后污泥含水率随投加量的增加反而增加了．当投加量为0．10 g·g－1时，离心和过滤脱水后污泥含水率分别降至82．06%和62．95%．当投加量增加到0．25g·g－1时，离心脱水后污泥含水率和过滤滤饼含水率分别升高到82．98%和69．12%．因此，就脱水程度来说，鼠李糖脂最佳投加量为0．10g·g－1．

引起上述现象的原因是：表面活性剂的投加能使污泥表面的EPS 脱落和溶解［11］，增加了污泥絮体的分散程度，由此造成包含在污泥絮体间的部分水被释放出来，导致脱水后污泥含水率下降．但随着鼠李糖脂投加量的增加，其长疏链会发挥再絮凝作用，重新包裹水分，从而致使污泥脱水的含水率重新升高［3，12］．

图1 鼠李糖脂投加量对污泥脱水后含水率的影响Fig．1 Effect of rhamnolipid dose on the water contentof dewatered sludge cakes of activated sludge

2．1．2 鼠李糖脂投加量对污泥比阻及毛细吸水时间（CST）的影响

从投加鼠李糖脂后污泥比阻和CST 值的变化（如图2所示）可知，投加鼠李糖脂对污泥的脱水速率未起促进作用．

图2 鼠李糖脂投加量对污泥CST 及比阻的影响Fig．2 Effect of rhamnolipid dose on CST and SRF of activated sludge

当鼠李糖脂投加量为实现最佳脱水程度的0．10g·g－1时，污泥的比阻和CST 值分别由原污泥的3．13×1012m／kg，27．3s增至1．58×1013m／kg，48．8s，脱水速率明显降低．随着鼠李糖脂的投加量增加，污泥的比阻和CST 值均呈线性增加．因此，鼠李糖脂可提高污泥脱水程度，但会使污泥脱水更加困难，过程更慢．

污泥表面高浓度的EPS有助于污泥絮体的形成，同时也能提高污泥的抗剪切能力，从而增强污泥的过滤性能［13］．表面活性剂的加入会使污泥表面的EPS脱落和溶解［4］，因此过滤性能下降，CST 与比阻值变大．

2．1．3 鼠李糖脂投加量对污泥沉降性能的影响

图3为投加鼠李糖脂后污泥沉降体积随时间的变化趋势．从图中可以看到，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显．这是由于一方面表面活性剂会使EPS 从污泥表面脱落，从而改善了其沉降性能．但是另一方面，随着EPS的增加，污泥的相对疏水性逐步降低，导致污泥絮体的絮凝性能变差，污泥的沉降性能下降［14］．

图3 鼠李糖脂投加量对污泥沉降性能的影响Fig．3 Effect of rhamnolipid dose on settleability of activated sludge

2．2 生物表面活性剂与化学表面活性剂复配对污泥脱水的影响

通过生物和化学表面活性剂的复配，一方面可以发挥两种不同类型表面活性剂的优点，另一方面用易生物降解的生物表面活性剂取代化学表面活性，可以降低脱水后污泥的环境毒性．本实验中，投加量为0．10g·g－1时污泥脱水效果最好，能得到相对较干的污泥泥饼，且污泥比阻及CST 都没有上升得特别高．同时，先前的研究表明CTAB 与污泥干重比例为0．1∶1 时，污泥脱水能达到很好的效果［15，16］．因此后面的复配实验表面活性剂的总投加量均控制在0．10g·g－1，具体的加药方案如表2所示．

表2 加药方案Tab．2 The dosing solutions

2．2．1 生物表面活性剂与化学表面活性剂复配对污泥离心脱水的影响

经调理后的污泥在3000r·min－1转速下分别离心15min，30min，45min，去除上清液，测定污泥含水率，所得实验数据如图4所示．

图4 鼠李糖脂与CTAB复配对污泥离心后含固率的影响Fig．4 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on the solid content of activated sludge after centrifugation

无论是单独添加CTAB 或鼠李糖脂，或是鼠李糖脂与CTAB复配，离心后污泥含固率均比原污泥高．当CTAB 与鼠李糖脂复配比为3∶1，2∶1时，均较单独使用鼠李糖脂或CTAB 得到的离心污泥含固率高．离心15min时，CTAB 与鼠李糖脂以3∶1的比例复配得到的污泥含固率较单独投加鼠李糖脂含固率高出约8．7%，比单独使用CTAB 高出约4．2%．当CTAB 与鼠李糖脂复配比为1∶1时，离心污泥含固率比单独使用鼠李糖脂时高，但是比单独使用CTAB要低；当CTAB与鼠李糖脂复配比为1∶2，1∶3，即当复配中鼠李糖脂所占的比例较高时，离心污泥含固率无论是相对于单独投加鼠李糖脂还是CTAB时都要低．阴阳离子表面活性剂复配要使其达到最大增效作用，同等比例（其中一种只占总量少部分）是一种可提高配伍性的方法［17］．本实验中阳离子化学表面活性剂CTAB 为主配以生物表面活性剂鼠李糖脂，以2∶1或大于2∶1的比例复配使用能使离心脱水后的污泥含水率更低的结果与上述结论是相符的．

2．2．2 生物表面活性剂与化学表面活性剂复配对污泥过滤脱水的影响

经0．055MPa下抽滤15min，30min处理后泥饼的含水率如图5所示．抽滤15min时，原污泥的滤饼含水率为72．71%．CTAB 与鼠李糖脂复配比例为3∶1，2∶1，1∶1以及单独投加CTAB 时，抽滤15 min 后滤饼含水率比原污泥低，分别为68．14%，71．50%，71．52%；当CTAB 与鼠李 糖 脂比例为1∶2，1∶3以及单独投加鼠李糖脂时，滤饼含水率都大于原污泥的滤饼含水率，并且随着鼠李糖脂所占比例的增加得到的滤饼含水率越高．但是，抽滤时间增加到30min，复配表面活性剂的投加使得污泥滤饼含水率相比于原污泥均有大幅下降，复配比为3∶1，2∶1，1∶1时得到的滤饼含水率均较低，分别为60．50%，60．99%及61．28%．相比于单独使用CTAB（65．76%）或者鼠李糖脂（62．99%），两种表面活性剂复配能实现更好的脱水效果．

图5 鼠李糖脂与CTAB复配对过滤脱水污泥含水率的影响Fig．5 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on the water content of activated sludge after filtration

2．2．3 生物表面活性剂与化学表面活性剂复配对污泥沉降性能的影响

从图6 鼠李糖脂与CTAB 复配对污泥沉降性能的影响可以看到，加入表面活性剂能提高污泥的沉降性能．但相比于单独投加CTAB 或者鼠李糖脂，两者复配使用对污泥沉降没有显著的改善作用．

2．2．4 生物表面活性剂与化学表面活性剂复配对污泥CST 值的影响

从CST 的变化（图7）来看，鼠李糖脂的投加使污泥的CST 值明显增加，说明鼠李糖脂的加入恶化了污泥的脱水性能．与之相反，CTAB的加入则有利于污泥脱水性能的改善．当CTAB与鼠李糖脂复配比为3∶1，2∶1，1∶1时，污泥CST 值较原污泥的35．3s分别降低到30．8s，30．8s，30．4s，说明CTAB与生物表面活性剂的复配确实能改善污泥的脱水性能．但是，当复配比小于1∶1，也就是鼠李糖脂所占的比例为主时，污泥的CST 值明显增大了，并且随着鼠李糖脂比例的增加脱水性能会进一步恶化．

图6 鼠李糖脂与CTAB复配对污泥沉降性能的影响Fig．6 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on settleability of activated sludge

图7 鼠李糖脂与CTAB复配对污泥CST 值的影响Fig．7 Effect of the combination of rhamnolipid and CTAB on CST of activated sludge

由上述实验结果可以发现，阳离子化学表面活性剂CTAB不仅能使脱水后污泥含水率降低，也使污泥更易脱水．鼠李糖脂虽能明显降低污泥脱水后含水率，却会恶化污泥脱水的难易程度．相比于两者单独使用，CTAB与鼠李糖脂以适当的比例复配使用对污泥无论是脱水难易程度还是脱水后污泥含水率都有更好的效果．

基于生物表面活性剂的环境友好性，综合考虑鼠李糖脂与CTAB 复配对污泥脱水性能的改善效果，复配的比例以鼠李糖脂占1／3或1／3以下为宜．

3 结 论

1）鼠李糖脂的投加能使污泥脱水后含水率降低，但也会使污泥脱水速率变慢．就脱水程度来说，鼠李糖脂最佳投加剂量为0．10g·g－1（纯度为50%）．

2）生物表面活性剂鼠李糖脂与化学表面活性剂CTAB复配对污泥脱水效果比单独添加鼠李糖脂或者CTAB效果都好．当表面活性剂投加量相同时，CTAB与鼠李糖脂以3∶1，2∶1，1∶1的比例复配不仅能使脱水后的污泥含水率较两者单独投加时更低，同时也不会使脱水速率变慢．但随着混合表面活性剂中生物表面活性剂的比重进一步增加，污泥脱水性能逐步下降，因此复配的比例以鼠李糖脂占1／3或1／3以下为宜．

3）生物表面活性剂取代化学表面活性可降低脱水后污泥的环境毒性．从环保的角度，鼠李糖脂与CTAB复配应用于污泥的脱水是很好的选择．

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