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1、阳离子表面活性剂对污泥脱水性能影响研究_图文

1、阳离子表面活性剂对污泥脱水性能影响研究_图文

第31卷第6期 2008年6月

I|:诧尉鹳矗求
Environmental Science&Technology

V01.31 No.6 Jun. 2008

阳离子表面活性剂对污泥脱水性能影响研究

鹿雯,张登峰,王盼盼, 胡开林
(昆明理T大学环境科学与工程学院,国家环境保护工业废物循环利用丁程技术中心,云南昆明650093)

摘要:研究了两种含有不同长度疏水链的阳离子表面活性剂十六烷摹三甲基溴化铵(crMAB)和四甲基溴化铵(TMAB)对活性污

泥脱水性能的影响,探讨了两种表面活性剂的作用机理。实验数据表明,在同样的投加量下.CTMAB比TMAB能更有效地改善泻泥的脱

水性能。结果表明,与TMAB相比,投加约为泥样下质量25%的CTMAB可以释出更多污泥胞外聚合物总量.约为231mg/L;污泥毛细吸

水时间(CST)可缩短为73s左右,离心后污泥上清液浊度降至15.9.离心后污泥含水率为73.2%;CTMAB和TMAB对污泥沉降性能的改

善不是非常明娃:

关键词:m离f表面活性剂;污泥;脱水性能

中图分类号:X703 文献标志码:A

文章编号:1003-6504(2008)06-0035---05

Effect of Cationic Surfactants on Sludge Dewaterability
LU Wen, ZHANG Deng-feng,WANG Pan—pan,HU Kai—lin
(State Enyimnment Protection Centre of Engineering and Technology of Industrial Waste Circular Utility, School of Environment Science an.d Technology,Kunming University of Science and Technology,Kunming
650093.China)

Abstract:Effects of two cationic surfactants including CTMAB and TMAB with different length of hydrophobe on dewaterability of sludge were discussed.The functionary mechanism of tWO cationic surfactants was studied.Experimental
s锄e results indicated that CTMAB Call improve dewaterabitity of sludge evidently rather than TMAB under the condition of
additive quantity.Results also showed that when additive quantity of CTMAB was 25%of dry weight of sludge,the quanti哆 of extracellular polymeric substance of sludge was released more than TMAB and was about 231mg/L and capillary sop time (CST)of sludge can be reduced to 73s.After centrifugal effect.the turbulence of top lean liquid of sludge Was reduced t0 15.9 and water content of sludge was only 73.2%.The effect of CTMAB and TMAB on sedimentation of sludge Was unevidently.
Key words:cationic surfactant;sludge;dewaterability

城市污水和丁业废水的处理过程中会产生大量 含水率很高(通常>99.5%)的剩余污泥,如果再进行深 度处理,污泥量还会增加。由于活性污泥絮体是由水 中悬浮固体经不同方式凝聚而成,具有结构松散、形 状高度不规则、比表面积大、空隙率高等特点。由于活 性污泥颗粒的特殊结构和高度亲水性,中小尺寸的污 泥絮体形成的大颗粒絮体中包含了间隙水和表面水 等大量难以脱去的水分,增加了脱水难度。目前,污泥 脱水处理已经成为污泥处理和处置过程中非常重要 的前处理环节。
实际中常通过投加化学药剂来改善污泥的脱水 性能,但很多研究表明【11。常用的无机混凝剂(Fe3+)和 有机高分子絮凝剂(PAM),只能提高污泥的脱水速 度,而不能提高污泥的脱水程度,即只能增加脱水速 度,不能提高脱水程度。表面活性剂由于其特殊的亲

水性和疏水性的两亲结构,可以改变污泥絮体结构和 絮体的表面性质,使污泥中更多的水转化为易被脱除 的自由水,从而达到改善污泥脱水性能的目的。
1试验部分
1.1试验材料 活性污泥取自某城市污水处理厂二沉池中的回
流污泥。受试污泥pH为7.38,含水率为99.26%,为了 避免污泥理化性质随时间的变化影响实验数据的真 实可靠,所有实验均在3d内完成。 1.2试验药品
牛血清蛋白和考马斯亮蓝,(上海伯奥生物科技 有限公司),规格均为生化试剂。甲基溴化铵(TMAB) (国药集团化学试剂有十六烷基三甲基溴化铵 (CTMAB)和四限公司),葡萄糖(天津东升化学试剂

收稿日期:2(}07-06--20;修回2007--09-10 作者简介:鹿雯(1982一),女,硕士研究生,研究方向为水污染控制,(手机)13700613912(电子信箱)dangdangwen@163.tom。

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厂),钼酸铵(国药集团化学试剂有限公司)等试剂规 格均为分析纯。 1.3试验仪器
752型紫外可见分光光度计(上海光谱仪器有限 公司);TG328A(S)型分析天平(上海精密科学仪器有 限公司):KL-009(1I)笔式高精度酸度计(福建省福
安市科立龙电子有限公司);,JJ—l型精密增力电动混 凝搅拌器(江苏金坛市富华仪器有限公司);DHG一 9203型电热鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公 司);800电动离。fl,机(江苏金坛市富华仪器有限公 司),GDS-3A光电式浑浊度仪(无锡科达仪器厂)。 1.4试验方法
1.4.1污泥调理 在6个1000mL的烧杯中各加入800mL的受试
污泥,然后分别依次加入约为污泥干重5%、10%、 15%、20%、25%、30%的CTMAB和TMAB阳离子型表 面活性剂,与空白泥样对比。将加入表面活性剂的泥 样在转速为350ffmin下搅拌2min,再在50r/min下搅 拌10 min,促使表面活性剂和泥样充分混匀反应。 1.4.2污泥沉降实验
分别取100mL经表面活性剂调理过的泥样和空 白泥样移人100mL量筒中,每隔5min记录一次污泥 沉降体积。
1.4.3污泥毛细吸水时间(capillary sop time,CST) 的测定
分别取20mL经表面活性剂调理过的泥样和空 白泥样移入直径为20ram的有机玻璃圆柱,通过滤纸 产生的毛细吸水压力从污泥中吸收水分,以滤纸润湿 半径20mm所用时间计为CST值。 1.4.4污泥离心性能测定
分别将50mL经表面活性剂调理过的泥样和空 自泥样移入10mL离心管内,在转速为3000ffmin下 分别离心5min,10min,20min,30min,40min后,测定 并记录上清液浊度。 1.4.5污泥离心脱水实验
将离心后污泥上清液倾出后,倒置30min,将离心 管及离心后的污泥一起放在105—110。C的烘箱内烘干 至恒重,取出放入十燥器内冷却30min,用分析天平称 量,记录称重,代入下式计算121
口:(1-w2-w,,)x100%

WI--Wo
式中:p一污泥含水率,%;盱离心管干重,g;w广污
泥离心后称重质量(离心管+样重),g;w2-污泥烘干后
称重质量(离心管+样重),g。 1.4.6污泥上清液中EPS含量测定

采用考马斯亮蓝染色法,以牛血清蛋白为标准蛋 白测定胞外蛋白质含量㈣;采用苯酚一硫酸比色法,以 葡萄糖为标准样品测定胞外糖含-量141;采用定磷法,以 钼酸铵为标准样品测定核酸含量151,在与污泥脱水相 同的外界条件下,绘制上述指标的标准曲线。

2试验结果与分析

2.1对污泥上清液中胞外聚合物含量影响

2.1.1对上清液中胞外蛋白含量的影响

上清液胞外蛋白质含量‘于表面活性剂投加量之

间的关系见图l,由图l可知:当CTMAB投加量从o%

增至25%时,上清液中胞外蛋白质含量从15mg/L递

增至88.4mg/L,随后投加量增大至30%,胞外蛋白含 量增幅不明显;TMAB对上清液胞外蛋白质含量的影

响趋势类似于CTMAB,只是相同投加量下,释出的胞

外蛋白含量略小于CTMAB,当TMAB投加量为30%

时,对应的胞外蛋白质含量约为83.1ing/t,。随着两种

表面活性剂投加量的增加,污泥生物体中更多的蛋白

质从污泥表面脱去,使得上清液中蛋白质含量随之增

加。笔者认为,蛋白质具有胶体粒子的双电层结构,其

表面带有很多如一NH。+、-COO一、一CONH。、一oH、一SH

等高度亲水的极性基团,使污泥絮体外表面吸附了大

量的水分子,增加了细胞粘附水的量,还会在蛋白质

的表面形成一层密度较厚的水膜,加入表面活性剂后,

蛋白质从污泥中脱出,上清液中的胞外蛋白质含量增

大,减少污泥表面亲水基团数量,降低粘附水含量,降

低了污泥亲水性,从而有利于改善污泥脱水性能。





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表面}iI;们:投加釜/%

图1表面活性剂投加髓对蛋白质含时的影响 Fig.1 Effect ofsurfactant dosage on protein content

2.1.2对上清液中胞外核酸含量的影响

上清液胞外核酸含量与表面活性剂投加量之间

的关系见图2。由图2可知:当CTMAB投加量从0%

增至25%时,上清液中胞外核酸含量从9.8mg/L迅速

递增至86.8mg/L,投加量为30%,核酸含量缓慢增至

90.3mg/L;投加量相同时,投加TMAB对应的核酸含

量均小于CTMAB;当TMAB投加量从o%增至30%

时,核酸含量从9.Smg/L迅速递增至80.7mg/L。随着

CTMAB和TMAB投加量的增加,上清液中核酸含量

有逐渐增大并趋于缓和的趋势。因为表面活性剂破坏

 万方数据

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鹿雯,等 阳离子表面活性剂对污泥脱水性能影响研究

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了污泥中微生物的细胞壁结构,使得细胞表面和细胞 内的核酸大量溢出。由于核酸是非常容易降解的物 质,释出的核酸不断溶解,所以随着投加量的增加,溶 解到上清液中核酸的量趋于平缓。









,一.∞暑\捌缸澎蜒Il,甓烬■ o 0



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30

表向活性刺投加量/%

图2表血活件齐玎投加错对核酸含鞋的影响 Fig.2 Effect ofsurfactant dosage on nucleic acid content
2.1.3对上清液中胞外糖含量的影响 上清液胞外糖与表面活性剂投加量之间的关系
见图3,由图3可知:上清液中胞外糖的含量均随着 CTMAB和TMAB投加量的增多而增大;CTMAB投 加量从O%递增至30%时,对应的胞外糖含量从

10.8mg/L增大到57.5mg/L;当TMAB投加量从0%递 增至30%时,对应的胞外糖含量从10.8mg/L增大到 53.6mg/L;投加量相同,CTMAB相比TMAB能使污 泥中微生物释出更多胞外糖。由于胞外糖会增加EPS 中硫酸根(sOP)、磷酸根(POP)和羧基(-COOH)等负 电荷官能团的含量,在氨基数量一定的条件下,中和能 力增大,导致污泥的表面电荷Zeta增大,与水分子之 间的极性作用增强,从而减弱污泥的疏水性;另外,有 研究表明161,碳水化合物对絮体的水结合能力强,随着 上清液中多糖含量的增加,可以降低污泥絮体与水的 结合能力,增强疏水性,有利于改善污泥脱水性能。

加∞如∞如加m 。一.警l/竭把舞末型I}l甏蟮』 o
表面洒忭刺投加量/% 幽3农向活竹:刑投加键对胞外糖含艟的影响 Fig.3 Effect ofsurfactant dosage on carbohydrate content
2.2对污泥过滤性能的影响 2.2.1对CST的影响
CST测定具有设备简单,操作方便,重复性好的 优势,特别适用于调理剂的选择和剂量的测定,通常 作为评价污泥脱水性能的重要指标。研究认为{71,污泥 脱水性能取决于CST和结合水的含量两个关键因 素。不同CTMAB和TMAB投加量对CST的影响见

图4。根据图4可知:当CTMAB和TMAB的投加量 <15%时。污泥的CST呈上升趋势,分别约为115s和 132s,但是当TMAB投加量增加到25%,CST随投加 量的增加趋于平缓并保持在140s左右;而CTMAB 在投加量大于15%时,CST开始逐渐下降,在投加量 为25%时慢慢趋于平衡,约为73s,表明CTMAB可以 明显改善污泥的过滤性能。

∞~卜∞U

鲫加 ∞ ∞加 o

表【fii活忡刺投加量/%
图4表囱活性剂投加昔对毛细吸水时间的影响 Fig.4 Effect ofsurfactant dosage On CST

CST主要受到EPS和污泥絮体结构的影响,污泥

表面的EPS不仅有利于污泥絮体的形成,同时也可以

增强污泥的过滤性能【8J。在污泥样品中加入表面活性

剂可使EPS从污泥表面脱落,在表面活性剂的增溶作

用下,大量溶解EPS;同时表面活性剂的分解作用可

以使污泥絮体分散解体,释放出絮体内部的结合水,

有利于改善污泥的脱水性能。但是大量的EPS溶出,

会增加污泥粘度,会减小污泥的过滤性能,也不易于

脱水191。



2.2.2对污泥离心性能的影响

实际生产中,通常采用泥样离心后的上清液浊度

和污泥含水率评价污泥离心性能。

(1)TMAB、CTMAB调理后上清液浊度不同。

TMAB和CTMAB投加量下,上清液浊度随污泥离心

时间的关系分别如图5和6所示,由图可知:随着离心

时间的不断增加。离心后上清液的浊度都趋于降低,而

且浊度值趋于接近,说明污泥经调理后,CTMAB比

TMAB更能增加污泥的脱水效率和增强污泥的最终可

脱水程度,比起常规絮凝剂潜在优势更为明显。

型 爱 疑 蠼 』
∞加∞如们如加m

讥琵离·C,t/min
幽5 TMAB投加艟对毛细吸水时间的影响 Fig.5 Effect ofqlMAB dosage Oil turbidity by centrifugation

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污抛离心t/min

图6 CTMAB投加链对离心后卜清液浊度的影响
Fig.6 Effect ofCTMAB dosage on turbidity by centrifugation

(2)TMAB、CTMAB调理后污泥含水率。不同投 加量的TMAB和CTMAB对离心后污泥含水率的影

响见图7,由图7可知:经TMAB调理过的污泥,当投

加量从0%增至20%时,污泥含水率降幅较大,从 99.2%减至96.5%,当投加量继续增大到30%,污泥含

水率变化显著基本维持在96.4%左右。经CTMAB调

理过的污泥的含水率随着投加量的递增而持续下降,

投加量从o%提高到30%时,对应的含水率从992%降 至94.7%。分析认为:由于污泥表面EPS的脱落和溶

解导致污泥絮体分散程度增加,从而使污泥的含水率 不断降低;另外因CTMAB长疏水链发挥再絮凝作

用,使污泥絮体重新吸附大量间隙水,也是导致污泥

含水降低的关键因素。

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寥谆*如赠孵 % ”






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衷嘶活性刺投加量/%

图7表面活性荆投加鞋对离心后污泥含水率的影响 Fig.7 Effect ofsurfactant dosage on water contained in sludge by centrifugation

2.2.3 TMAB、CTMAB调理后污泥沉降性能 不同TMAB和CTMAB投加量下,沉降污泥体
积与污泥沉降时间的关系分别见图8和9。由图可知: 当投加量<5%时,经表面活性剂调理过后的泥样的沉 降性能和空白泥样的沉降性能相似。随着投加量逐渐 增大,TMAB改善污泥沉降性能不明显,而CTMAB 能稍微改善污泥沉降性能。笔者认为:一方面由于污 泥表面EPS中不利于污泥沉降的核酸和多糖含量不 断减小,加强悬浮液中胶体颗粒的布朗运动,使得污 泥表面Zeta电位减少,易于絮凝沉淀;另一方面, CTMAB的长链结构使其具有良好的吸附架桥功能, 同时由于表面活性剂本身所带的正电荷可以中和污 泥表面的负电荷,减小了污泥间的静电斥力,增强污

泥的可压缩性,从而改善污泥沉降I生能。
120 100
80 60 40 20

加 ∞

鼬 ∞ 加







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40

50

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污泥沉降t/rain

图9 CTMAB投加髓对污泥沉阶体积的影响 Fig.9 Effect ofCTMAB dosage on sedimentated sludge volume

3结论

(1)阳离子表面活性剂依靠静电引力和范德华力 吸附于活性污泥表面。
(2)烷基i甲基型表面活性剂在活性污泥表面上 的吸附能力随着疏水基基团中的碳链长度的增加而 增强,实验中所用的两种阳离子表面活性剂属于此类 结构。
(3)阳离子表面活性剂通过分散作用使污泥絮体 结构分散解体,释放出原絮体内部的结合水;通过增 溶作用溶解有高度水和作用的EPS,降低了结合水含 量,提高了污泥的脱水程度和脱水速率。
(4)CTMAB在污泥表面的吸附量要比TMAB 大,被吸附的阳离子表面活性剂有助于降低气一液和 固一液之间的界面张力,使得更多的EPS易于从污泥 表面脱落。
(5)CTMAB相比TMAB能更好地改善活性污泥 的脱水性能。

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tant improving activated sludge dewaterability and its mech-
anism【J】.Environmental Science,2000,21(5):97-108.(in Chinese)

(上接第32页)
4结论
(1)利用生产磷酸的废渣磷石膏作为原料联产两 种重要的无机盐:硫酸钡和氯化钙,实现了资源的综 合利用,避免“j废”污染环境。符合可持续性发展战 略方针。
(2)产品的产率高,质量好。硫酸钡产品的纯度优于 GB/2899-89的一级品标准,氯化钙产品纯度优于 HG/T2327-92的一级品标准。
(3)采用湿法生产工艺,生产能耗较低,生产设备 是常用的化工生产设备,便于投资生产。
【参考文献】
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鹿雯, 张登峰, 王盼盼, 胡开林, LU Wen, ZHANG Deng-feng, WANG Pan-pan, HU Kai-lin 昆明理工大学环境科学与工程学院,国家环境保护工业废物循环利用工程技术中心,云南昆明 ,650093
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