β-環(huán)糊精在活性污泥調(diào)理中的應(yīng)用

　　對(duì)于以活性污泥法為主的城鎮(zhèn)污水處理廠，污泥處理系統(tǒng)的建設(shè)投資約占污水處理廠總投資的20%~40%，污泥處理運(yùn)營費(fèi)約占污水處理廠總運(yùn)營費(fèi)的20%~30%，可見，污泥處理是污水處理的重要組成部分。已有研究和實(shí)踐表明，即使是脫水后的泥餅，其含水率都高達(dá)80%左右，給后續(xù)的填埋或焚燒處置帶來困難。因此，如何提高污泥的脫水性能一直是困擾污水處理廠的一個(gè)難題。為改善其脫水性能，污泥脫水前必須進(jìn)行調(diào)理，通過調(diào)理改變污泥的組織結(jié)構(gòu)，降低污泥的比阻(SRF)，從而改善污泥的脫水性能，便于后續(xù)處理處置。污泥化學(xué)調(diào)理效果可靠，設(shè)備簡單，操作方便，被長期廣泛采用。在化學(xué)調(diào)理中，無機(jī)鹽類絮凝劑用量大，易產(chǎn)生二次污染。合成有機(jī)高分子絮凝劑聚丙烯酰胺PAM具有用量少效率高絮凝速度快等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究和應(yīng)用較多，但其殘留物不易被生物降解對(duì)微生物絮凝效果差。環(huán)糊精(CDs)是由環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(CGT)作用于淀粉產(chǎn)生的一組以α-1，4糖苷鍵結(jié)合的環(huán)狀低聚糖，具有非還原性、無毒性。一般常見的有α-CD、β-CD、γ-CD，分別由6、7、8個(gè)葡萄糖單元結(jié)合而成的錐筒狀分子。其中β-CD最易制得，應(yīng)用也最廣泛。β-CD具有一個(gè)腔體為疏水性，外表面為親水性的圓柱結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖1，環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的諸多羥基都是吸附絡(luò)合的活性基，因此，環(huán)糊精在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多，但對(duì)環(huán)糊精在污泥調(diào)理方面的研究報(bào)道較少。

　　該研究以東北某城市污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥為研究對(duì)象，對(duì)比研究了PAM和β-CD對(duì)污泥調(diào)理后的脫水效果，以期為環(huán)糊精在污泥脫水中的應(yīng)用提供參考。

　　1、材料與方法

　　1.1 污泥的來源及性質(zhì)

　　污泥取自東北某城市污水處理廠濃縮池出口;曝氣池混合液取自曝氣池出口。曝氣池混合液檢測結(jié)果，見表1。

　　由表1可知，該污水處理廠的活性污泥濃度及污泥沉降比偏高，MLVSS/MLSS值為0.6，與正常值相比略小，SVI值在100~150之間?？梢?，污泥的沉降性能較差;濃縮池出口污泥的SRF值為5.92×10¹³m/kg，屬于難過濾污泥。

　　1.2 主要試劑與儀器

　　試劑：β-CD(分析純)，PAM(分析純);儀器：六聯(lián)電動(dòng)攪拌器(JJ-4)，真空泵(JY7142)，電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-0)。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　1.3.1 污泥調(diào)理

　　取250mL原污泥于1000mL燒杯中，加入一定量的調(diào)理劑，置于六聯(lián)恒溫(25℃)電動(dòng)攪拌機(jī)上快速攪拌1min后，進(jìn)行慢速攪拌5min，關(guān)閉攪拌機(jī)。調(diào)理完成后，取經(jīng)過調(diào)理的污泥100mL，進(jìn)行SRF測定。

　　1.3.2 SRF測定

　　在布氏漏斗上(直徑65~80mm)放置濾紙，用水潤濕，貼緊周底;將經(jīng)過調(diào)理的污泥加入布氏漏斗中，開動(dòng)真空泵，讀取真空泵壓力表的示數(shù)，開始起動(dòng)秒表，并記下開始時(shí)計(jì)量管內(nèi)的濾液;間隔一定時(shí)間記下計(jì)量瓶內(nèi)相應(yīng)的濾液量;過濾結(jié)束后，關(guān)閉閥門取下濾餅放入稱量瓶內(nèi)稱重;將稱重后的濾餅和稱量瓶置于烘箱內(nèi)105℃的烘干至恒重后稱重。SRF的計(jì)算公式見式(1)。

　　式中，P為過濾壓力，N/m2;A為過濾面積，m2;μ為濾液的動(dòng)力黏度，Pa?s;ω為單位體積濾液所對(duì)應(yīng)的濾餅干固體質(zhì)量，kg/m3);b為過濾方程t/V=bV+a所代表的直線的斜率，s?m-6;t為過濾時(shí)間，s;V為濾液體積，m3。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 β-CD最佳調(diào)理?xiàng)l件的確定

　　2.1.1 攪拌強(qiáng)度對(duì)調(diào)理效果影響

　　混凝過程中的水利條件對(duì)絮凝體的形成影響極大。整個(gè)混凝過程可以分為混合和反應(yīng)兩個(gè)階段?；旌想A段的要求是使藥劑迅速均勻地?cái)U(kuò)散到全部水中以創(chuàng)造良好的水解和聚合條件，使膠體脫穩(wěn)并借顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)和紊動(dòng)水流進(jìn)行凝聚。反應(yīng)階段的要求是使混凝劑的微粒通過絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝體。反應(yīng)階段的攪拌強(qiáng)度或水流速度應(yīng)隨著絮凝體的結(jié)大而逐漸降低，以免結(jié)大的絮凝體被打碎。

　　①混合階段攪拌速度的影響。在pH為7，溫度為25℃，反應(yīng)階段慢速攪拌時(shí)間為5min(速度為30r/min)，混合階段快速攪拌時(shí)間為1min的條件下，向活性污泥中加入15mL濃度為0.2%的β-CD混凝劑溶液，考察快速攪拌速度對(duì)污泥調(diào)理效果的影響，結(jié)果見圖2。

　　由圖2可見，SRF隨著攪拌速度的加快先降低后升高。攪拌速度從120r/min增加到150r/min，污泥比阻降低了35.4%，而攪拌速度繼續(xù)增加至160r/min時(shí)，SRF反而開始升高。這是因?yàn)橛袡C(jī)混凝劑在水中的形態(tài)不像無機(jī)鹽混凝劑那樣受時(shí)間的影響，混合的作用主要是使實(shí)際在水中均勻地分散，混合反應(yīng)可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，不宜進(jìn)行過劇烈的攪拌；如果攪拌不充分，則藥劑分散程度不夠。

　?、诜磻?yīng)階段攪拌速度的影響。在pH為7，溫度為25℃，混合階段快速攪拌時(shí)間為1min(速度為150r/min)，反應(yīng)階段慢速攪拌時(shí)間為5min的條件下，向活性污泥中加入15mL濃度為0.2%的β-CD混凝劑溶液，考察慢速攪拌速度對(duì)污泥調(diào)理效果的影響，結(jié)果見圖3。

　　由圖3可見，攪拌速度從30增加到50r/min，SRF降低了63.16%，而攪拌速度從50增加到70r/min，SRF反而升高了76.10%。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)階段，如果攪拌強(qiáng)度適宜，則β-CD的架橋網(wǎng)捕作用發(fā)揮充分，進(jìn)而有利于β-CD與活性污泥的菌膠團(tuán)顆粒之間通過吸附螯合反應(yīng)所形成穩(wěn)定的絮體穩(wěn)定;若攪拌強(qiáng)度不夠，則反應(yīng)不徹底，難以形成穩(wěn)定的絮體;若攪拌過于激烈就可能打碎已經(jīng)形成的穩(wěn)定絮體或影響其架橋作用，從而減弱其絮凝效果。

　　2.1.2 pH對(duì)污泥脫水性能的影響

　　在溫度為25℃，混合階段快速攪拌時(shí)間為1min(速度為150r/min)，反應(yīng)階段慢速攪拌時(shí)間為5min(速度為50r/min)的條件下，向活性污泥中加入15mL濃度為0.2%的β-CD混凝劑溶液，考察污泥初始pH對(duì)污泥調(diào)理效果的影響，結(jié)果見圖4。

　　由圖4可見，SRF隨著pH的增加而先快速降低后緩慢增加。這是由于β-CD外表面的羥基不飽和，其與活性污泥顆粒的吸附實(shí)際上是表面絡(luò)合配位作用。吸附在表面后，仍會(huì)從溶液中吸取羥基，繼續(xù)其水解沉淀過程，直至飽和成為氫氧化物凝膠，因此，溶液酸性條件不利于絮體的生成。而堿度過大，生成的絮體顆粒過大，過濾時(shí)泥餅的阻力增大，SRF也會(huì)略有升高。當(dāng)pH為7時(shí)，SRF最小。2.2β-CD和PAM的調(diào)理效果對(duì)比在pH為7，溫度為25℃，混合階段快速攪拌時(shí)間為1min(速度為150r/min)，反應(yīng)階段慢速攪拌時(shí)間為5min(速度為50r/min)的條件下，對(duì)比研究PAM和β-CD投加量對(duì)污泥調(diào)理效果的影響，結(jié)果見圖5、6。

　　由圖5可見，β-CD的投加量為8.52mg/g?干污泥時(shí)，SRF為2.95×10¹³m/kg，與原始污泥相比，SRF降低了50.17%;當(dāng)投加量繼續(xù)增加到30.66mg/g?干污泥時(shí)，SRF降低至0.53×10¹³m/kg，與原始污泥相比，SRF降低了91.05%;投加量達(dá)到39.18mg/g?干污泥時(shí)，SRF反而增加到0.78×10¹³m/kg。這是由于β-CD表面為羥基，污泥泥粒表面帶負(fù)電荷，所以β-CD的混凝機(jī)理以吸附架橋?yàn)橹?，如果投加量過小，則絮體形成的少且不密實(shí);隨著絮凝劑用量的增加，吸附量隨之增大，有利于架橋，粒徑增大;調(diào)理劑用量的增加雖有利于架橋，但投加量過多，易出現(xiàn)膠體保護(hù)現(xiàn)象。

　　由圖5和圖6的對(duì)比分析可見，使用PAM對(duì)活性污泥進(jìn)行調(diào)理時(shí)，其最佳投加量為10.22mg/g?干污泥，此時(shí)，SRF為0.45×10¹³m/kg;在最佳投加量時(shí)，該活性污泥均可由不易脫水污泥轉(zhuǎn)變?yōu)槊撍阅苤械鹊奈勰?。在兩種調(diào)理劑投加量相同時(shí)，PAM的調(diào)理效果略優(yōu)于β-CD。但PAM的殘留單體有毒，且不易生物降解。研究結(jié)果表明，β-CD是一種較好的污泥調(diào)理劑，而且在后續(xù)研究和應(yīng)用中可通過基團(tuán)修飾、改性或與其他調(diào)理劑復(fù)配使用，進(jìn)一步改善污泥脫水性能，應(yīng)用前景廣闊。

　　3、結(jié)論

　　(1)用β-CD對(duì)活性污泥進(jìn)行調(diào)理，在溫度為25℃，pH為7，150r/min快速攪拌時(shí)間1min，50r/min慢速攪拌5min，投加量為30.66mg/g?干污泥時(shí)，對(duì)活性污泥的調(diào)理效果最佳。

　　(2)在相同調(diào)理?xiàng)l件下，β-CD和PAM的最佳投加量分別為30.66mg/g?干污泥和10.22mg/g?干污泥，PAM的調(diào)理效果略優(yōu)于β-CD。

　　(3)β-CD無毒易得，可將不易脫水污泥轉(zhuǎn)變?yōu)槊撍阅苤械鹊奈勰?，是一種較好的污泥調(diào)理劑，有望在改善污泥脫水性能方面得到廣泛應(yīng)用。(來源：黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院)