电渗透耦合Fe2+-过硫酸钠污泥脱水过程中EPS的变化特性

为了考察电渗透耦合Fe~(2+)-过硫酸钠污泥深度脱水的机制,采用自制装置对市政污水处理厂的污泥进行了脱水研究。系统研究了在不同电压梯度、机械压力、过硫酸钠投加量、Fe~(2+)与过硫酸钠比例、阴阳极间距等操作条件下,污泥中胞外聚合物(EPS)的组成及分布对污泥脱水效果的影响。结果表明,电渗透耦合Fe~(2+)-过硫酸钠可以改善污泥的脱水效果,过硫酸钠经过Fe~(2+)和热活化作用产生的硫酸根自由基对污泥中EPS的破坏作用明显,从而造成EPS特性改变。其中,紧密型胞外聚合物(TB-EPS)中的蛋白质和多糖、松散型胞外聚合物(LB-EPS)中的蛋白质及各层EPS中的蛋白质/多糖与污泥脱水效果存在显著相关性;黏性胞外聚合物(S-EPS)和LB-EPS中的多糖与污泥脱水效果存在显著相关性。TB-EPS、LB-EPS及其中含有的蛋白质和多糖含量是影响污泥电渗透耦合Fe~(2+)-过硫酸钠脱水效果的主要因素。     

Fe(Ⅱ)活化过硫酸盐改善污泥脱水性能

针对污水处理厂剩余污泥脱水困难的问题,采用Fe~(2+)活化过硫酸钾高级氧化法提高剩余污泥脱水性能,使用污泥含水率和污泥比阻对调理前后污泥脱水效果进行分析;研究了过硫酸钾投加量、Fe~(2+)投加量、pH和反应时间对污泥调理效果的影响;探究了过硫酸盐调理污泥过程中溶解性有机物质和胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的变化特性。结果表明:过硫酸钾调理的最佳反应条件为pH=7.5,反应时间为20 min,过硫酸钾和Fe~(2+)的最佳投加量分别为15 mmol·L~(-1)和18 mmol·L~(-1),在此条件下,污泥含水率和污泥比阻值分别可达78.89%和0.3×10~(12) m·kg~(-1);污泥含水率和比阻的变化可能与污泥调理后絮体结构形态变化有关;调理污泥后,上清液中溶解性有机物质含量与过硫酸钾投加量呈显著正相关关系,而EPS不同组分中蛋白质和多糖含量在Fe~(2+)投加后均减少,表明Fe~(2+)的投加可以破坏污泥絮体,分解胞内物质;利用Fe~(2+)激活过硫酸钾所生成的硫酸根自由基可极大改善污泥的脱水性能。     

城市污水厂污泥化学调理深度脱水机理

城市污水厂剩余污泥脱水是当前实际生产中亟待解决的问题。考察了厦门市集美污水厂剩余污泥经FeCl3和CaO,投加量分别为污泥质量分数的0.5%～0.7%和1.0%～1.5%化学调理前后污泥粒度、形态及胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)的变化。结果表明,调理后污泥比阻降低86%,污泥颗粒之间细碎紧密,细菌表面变得粗糙,经板框压滤后含水率低于60%。由三维荧光光谱(three-dimensional emission and excitation matrixs,EEM)光谱分析可知,LB-EPS(loosely bound-EPS)同TB-EPS(Tightly bound-EPS)的荧光峰整体发生红移,出现位于IV区域的色氨酸类蛋白质荧光峰Ex/Em=313/380 nm。FeCl3和CaO的加入一方面破坏了污泥颗粒的细胞结构,使EPS大量溶出,细胞结合水变成表面吸附水;另一方面Fe3+和CaO水解,中和污泥负电荷,通过压缩双电层作用破坏污泥胶体颗粒的稳定,去除表面吸附水,大幅提高了污泥的脱水性能,利于进一步板框压滤脱水。     

电絮凝耦合DSA或过氧化氢强化污泥脱水性能的比较与机理分析

为解决电絮凝法调理污泥期间电场无法有效破解污泥絮体、改善污泥脱水问题,分别将电絮凝与尺寸稳定阳极 (DSA,Dimensionally-stable anodes) 电极、H₂O₂进行耦合,比较和分析2种耦合工艺对污泥过滤性能、絮体破解程度、胞外聚合物 (EPS) 组分改变和污泥脱水性能的差异。结果表明,电絮凝耦合H₂O₂形成的间接氧化体系中,由于电致·OH在非均相体系中能无选择性地破坏污泥絮体、破解污泥细胞并降解胞外聚合物 (EPS),从而促使阳极释放的铁离子通过吸附架桥、网捕等作用与絮体碎片和EPS片段重聚并沉淀,使15 min内污泥毛细吸水时间 (CST) 和污泥含水率 (MC) 分别下降了73.9%和31.4%;然而电絮凝耦合DSA直接氧化法同期的污泥CST和MC仅分别下降了64.9%和26.4%。此外,间接氧化法可以同时降解松散结合层 (LB-EPS) 和紧密结合层 (TB-EPS) ,破坏EPS蛋白质亲水基团与水的作用力,并改善传统电化学法主要降解LB-EPS的不足,实现了提高电化学方法在同步污泥破解与沉降脱水方面的双重效能。本研究结果可为电化学预处理改善污泥脱水提供参考。     

非规范堆放剩余污泥的脱水性能改善试验研究

以无锡市某生活垃圾卫生填埋场自然堆积的污泥为研究对象,探讨了Fenton试剂-聚合氯化铝(PAC)复配调理剂对污泥脱水性能改善的潜力。通过响应面法(RSM)和中心复合设计法(CCD)确定了调理剂投加量(以每克绝干污泥中的量计)的最优配比:Fe~(2+)为85mg/g,H_2O_2为70mg/g,PAC为68mg/g。借助Malvern MS3000激光粒度仪、三维荧光光谱(3D-EEM)、扫描电子显微镜(SEM)及傅立叶变换红外光谱(FT-IR)等分析技术揭示Fenton试剂-PAC复配调理剂的污泥脱水机制。结果表明,Fenton试剂-PAC复配调理剂促使污泥中胞外聚合物(EPS)氧化分解,污泥中溶解性胞外聚合物(S-EPS)、松散附着型胞外聚合物(LB-EPS)和紧密附着型胞外聚合物(TB-EPS)含量均大幅降低。按最优配比的调理剂投加时,抽滤后污泥含水率由90.57%降至77.31%。     

膜生物反应器中EPS对污泥絮体形成的影响及其膜污染特性研究

为了给减缓膜生物反应器(MBR)膜污染提供新思路,对MBR中EPS各组分对污泥聚集性能的影响及其膜污染特性进行研究。通过分析MBR中污泥的聚集性,发现原始污泥的聚集速率常数为0.0151,提取EPS后污泥的聚集速率常数为0.00181,由此可以看出EPS在污泥聚集的过程中起重要作用。为了进一步明确EPS各组分对MBR中污泥聚集性能的影响,利用扩展的DLVO理论研究MBR中EPS及其各组分对污泥聚集性能的影响,发现MBR中EPS里粘液的二级能量最小值大约为-0.94 KT,松散型EPS(LB-EPS)为-2.98 KT,紧密型EPS(TB-EPS)为-3.87 KT,说明TB-EPS在污泥聚集的过程中起重要作用。进一步通过三维荧光光谱及EPS浓度分析,发现EPS各组分浓度及结构的不同导致EPS各组分对污泥聚集性起不同的作用。通过吸附实验、原子力显微镜观察发现EPS各组分的膜污染速率为:上清液 < 粘液 < LB-EPS < TB-EPS,由此,可以推测出减少粘液和LB-EPS含量可有效降低膜污染,同时对污泥絮体结构影响较小。     

炭材料调理改善活性污泥脱水性能的影响机制

活性污泥中的胞外聚合物EPS含黏性蛋白类物质并高度亲水,调控污泥中溶解性EPS和溶解性蛋白类物质是改善污泥脱水的有效途径。通过使用不同炭材料调理污泥的方法来观察污泥脱水性能的变化,深入解析污泥絮体及EPS含量和组分的变化特征。结果表明：炭材料调理污泥可以改善其脱水性,且炭材料吸附容量越大对污泥脱水性改善效果越好;不同炭材料对污泥絮体影响效果不同,经过未改性活性炭（AC-0）、HNO3改性活性炭（AC-1）和石墨调理的污泥絮体粒径变大,经酸碱交替改性活性炭（AC-5）调理的污泥絮体粒径变小;炭材料调理后EPS中蛋白类的荧光峰A、B和腐殖酸、富里酸的荧光峰C、D都得到有效降低,且其对腐殖酸和富里酸的吸附效果比蛋白类物质要好,对低分子质量物质和中分子质量物质的吸附效果要好于对大分子质量物质的吸附效果。     

Fe2+活化过硫酸盐对市政污泥EPS性能的影响

针对污泥难以脱水、处理难度大的问题,通过过硫酸盐高级氧化技术联合造纸污泥作为骨架对市政污泥进行调理,以泥饼含水率、污泥比阻(SRF)、毛细吸水时间(CST)、胞外聚合物(EPS)中蛋白质和多糖的分布关系,以及滤饼和滤液中总氮、总磷含量为指标,研究Fe~(2+)活化过硫酸盐联合造纸污泥骨架构建体对EPS的影响。结果表明:将造纸污泥与市政污泥1∶2混合,再添加过硫酸盐和Fe~(2+),对污泥的调理效果最好,泥饼的含水率由74.52%降至69.57%,SRF降低了66.23%;蛋白质和多糖的分布关系为S-EPSLB-EPSTB-EPS,滤饼中总氮所占比例由94.60%下降至65.62%,EPS被有效破解,污泥脱水效果显著改善。     

Fe2+联合NaClO强化污泥脱水性能与作用机理

为了强化污泥脱水性能,采用亚铁离子(Fe²⁺)活化次氯酸钠(NaClO)氧化工艺改善其脱水效果,考察了Fe²⁺/NaClO体系中Fe²⁺和NaClO投加量、初始pH对污泥脱水性能的影响,并探究强化污泥深度脱水的作用机制。研究表明,初始pH为5.0、Fe²⁺和NaClO投加量(以总悬浮固体计)分别为48.61和39.04 mg·g^-1时,污泥的脱水性能最佳,污泥含水率和比阻分别由91.32%和11.81×10¹² m·kg^-1降低至71.74%和1.71×10¹² m·kg^-1。Fe²⁺/NaClO氧化体系使胞外聚合物(EPS)降解和部分细胞裂解,反应生成的强氧化性的·OH会降解松散附着型EPS (LBEPS)和紧密黏附型EPS (TB-EPS)中的蛋白质和多糖,改变蛋白质二级结构,导致蛋白质结构松散,暴露了更多的疏水位点,同时减少污泥表面的亲水性官能团,释放EPS结合水...     

好氧污泥强化造粒过程中EPS的分布及变化规律

通过在好氧颗粒污泥生长前期投加混凝剂的方式,考察混凝剂的投加对颗粒生长的影响,用三维荧光光谱法分析胞外多聚物(EPS)在颗粒生长过程中的变化规律及其与污泥特性的相关性。结果表明,强化造粒条件下的污泥完全颗粒化的时间比对照组提前12 d,其强度和比重也分别比对照组高出2.05%和0.032。对各形态EPS三维荧光光谱分析,发现生长期松散型胞外多聚物(LB-EPS)的峰点为溶解性微生物代谢产物,及少量的芳香蛋白类物质和腐殖酸类物质,颗粒成熟后溶解性微生物代谢产物和蛋白类物质的荧光强度均减小,腐殖酸类物质消失,而溶解型胞外多聚物(S-EPS)和紧密型胞外多聚物(TB-EPS)的峰点及强度在两阶段无明显变化。在颗粒生长过程中,LB-EPS中的蛋白质含量随颗粒生长逐渐升高,颗粒成熟后逐渐降低至稳定,而多糖含量基本保持在1~5 mg/g MLSS。与S-EPS、TB-EPS相比较,LB-EPS和污泥颗粒化有密切关系,且与SVI呈正相关性(相关系数r=0.812),与相对疏水性呈负相关性(相关系数r=-0.973)。     

典型化学条件对Fe~(2+)促进消化污泥凝聚性能的影响

以消化污泥为研究对象,研究了Fe~(2+)浓度、pH和离子强度等因素对Fe~(2+)促进消化污泥凝聚性能的影响,采用扩展的DLVO理论(EDLVO)探讨了污泥絮体凝聚过程中结合能的变化特征,并对典型条件下各层胞外聚合物(EPS)的三维荧光谱图(EEM)进行了分析。结果表明:Fe~(2+)促进消化污泥凝聚的最佳化学条件为Fe~(2+)浓度50 mmol·L~(-1),pH=7.57(原始值),离子强度0.01 mol·L~(-1)。在最佳Fe~(2+)浓度或pH下,Fe~(2+)促进污泥凝聚的主要作用为:增大Zeta电位、提高絮体粒径和密实程度、增强疏水性和降低污泥絮体间的能垒;在最佳离子强度下,提高絮体粒径和密实程度是促进污泥凝聚的主要作用;离子强度的增加并未降低污泥位能曲线的能垒。EEM证明,Fe~(2+)主要与污泥EPS中slime层结合以促进污泥凝聚,主要结合物为蛋白质A、可见富里酸和紫外富里酸。     

微波-高锰酸钾耦合调理城市剩余活性污泥

采用微波、微波-高锰酸钾耦合工艺对城市剩余活性污泥进行调理。结果表明:(1)微波辐射改善污泥脱水性能的适宜时间为100s,此时污泥比阻(SRF)降至4.49×10~(12) m/kg,较初始值减小63.79%,污泥破解度为2.97%,上清液中胞外聚合物(EPS)为236.11mg/L。(2)微波-高锰酸钾耦合工艺能有效破解污泥,但不利于污泥脱水;污泥破解的适宜高锰酸钾投量为100mg/g(以单位质量总固体计),此时污泥破解度为40.47%,上清液中EPS为542.83mg/L。(3)污泥经微波-高锰酸钾耦合调理后,30d累计产气量为284mL,较未处理污泥和微波辐射调理污泥分别高20.85%和14.06%。     

剩余污泥发酵液对黏性膨胀污泥特性的影响

为了解决剩余污泥碱性发酵液作为低碳氮比生活污水外加碳源时引发的黏性污泥膨胀问题,采用序批式反应器(SBR),以剩余污泥碱性发酵液为进水碳源,对黏性膨胀污泥的沉降性能及其影响因素之间的相关性进行了系统研究。结果表明：当进水COD值为300~350 mg·L⁻¹时,随着运行时间的推移,污泥容积指数(SVI)逐渐升高,最终达到540 mL·g⁻¹,此时发生污泥黏性膨胀现象;黏性膨胀污泥表面负电荷由0.62 mV累积到29.49 mV,相对疏水性(RH)从44%下降至19%,污泥容积指数(SVI)与Zeta电位、相对疏水性(RH)呈负相关(R²分别为0.837 71和0.678 54),与污泥粒径不相关;胞外聚合物总量从31 mg·g⁻¹提高至39 mg·g⁻¹,但LB-EPS/TB-EPS的比例从0.92增加至2.92;与TB-EPS相比较,LB-EPS与污泥容积指数(SVI)、Zeta电位、相对疏水性(RH)具有显著相关性(R²分别为0.892 88、0.885 29和0.776 68)。以上结果揭示了以发酵液为碳源引发的黏性膨胀污泥特性的变化规律,可为实际工程中以发酵液为碳源的黏性污泥膨胀问题提供借鉴。     

氧化-铁盐絮凝联合对调理改善污泥脱水性能的影响

实验对比考察了活性氯预氧化与铁盐(Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ))混凝改善市政污泥脱水性能。结果表明:预氧化可改善污泥脱水效果,氯投量为200 mg·g-1时污泥比阻(specific resistance to filtration,SRF)由5.3×109 m·kg-1降低至2.0×109 m·kg-1,进一增加氯投量,SRF反而升高;单独三价铁盐可明显改善污泥脱水性能,但二价铁效果有限;预氧化之后再投加Fe(Ⅲ)与Fe(Ⅱ),SRF较单独铁盐条件下分别降低40.3%和78.3%。进一步研究证实,预氧化可破坏污泥的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS),并导致胞内蛋白质和多糖的释放,且蛋白质和多糖含量与污泥脱水性能呈明显正相关性。活性氯预氧化与铁盐混凝联合调理可明显改善污泥脱水性能,且氧化与混凝的协同作用是其主要机制。     

磁性硅球对SBR活性污泥脱氮除磷性能的影响

为研究磁性硅球(Fe_3O_4@SiO_2)对序批式活性污泥反应器(SBR)污水处理系统中脱氮除磷性能的影响,建立了3个相同的SBR(编号依次为1号、2号和3号),在2号和3号反应器中分别投加0.5 g·L~(-1)的纳米Fe_3O_4和Fe_3O_4@SiO_2,1号反应器为不投加任何磁性材料的对照组。结果表明:Fe_3O_4@SiO_2对SBR中的污泥性能有显著的影响,3号反应器在运行20 d时,反应器内活性污泥结构完整,饱满密实,污泥粒径多集中分布在0.3～1.0 mm,颗粒化现象明显,而1号反应器无明显颗粒污泥,2号反应器虽能看到有少部分的颗粒污泥,但分布不均匀;Fe_3O_4@SiO_2对污泥胞外蛋白(PN)、胞外多糖(PS)的含量有促进作用,并能改善污泥的沉降性能,第70天时,3号反应器内PN和PS含量分别为318.89 mg·g~(-1)和28.51 mg·g~(-1),污泥沉降指数(SVI)为35.22 mL·g~(-1),性能优于1号和2号反应器;在除污方面,2号和3号反应器对污水总氮(TN)和总磷(TP)去除率比1号反应器分别提升了10.80%、15.20%和9.40%、12.40%,3号反应器表现出最高的脱氮除磷性能;此外,在典型周期内,3号反应器对氮素及磷的去除速率明显高于1号反应器,在240 min内,1号和3号反应器对TN去除速率分别为4.56 mg·(L·h)~(-1)和5.84 mg·(L·h)~(-1),对TP去除速率分别为0.44 mg·(L·h)~(-1)和0.51 mg·(L·h)~(-1)。由此可见,经SiO2包覆后所制备的Fe_3O_4@SiO_2,提高了其在水体的分散性,增大了与污泥的接触程度,极大促进了污泥经磁聚、吸附作用富集到其表面形成颗粒污泥,并利于脱氮除磷等微生物截留和附着,提高活性污泥反应系统的脱氮除磷效果和去除速率。以上结果可为进一步探索磁性纳米材料对SBR活性污泥脱氮除磷性能影响提供参考。     

利用好氧颗粒污泥处理水产循环养殖废水的研究

在序批式活性污泥反应器(SBR)中接种生物絮体,利用水产循环养殖废水培养好氧颗粒污泥。在溶解氧为6.4~7.1mg/L的条件下,培养出的好氧颗粒污泥平均粒径为150μm,SBR内挥发性悬浮固体(VSS)稳定在16.33~17.47g/L,总悬浮固体(TSS)稳定在17.25~18.57g/L,好氧颗粒污泥对水产循环养殖废水具有较好的处理效果,硝态氮、溶解性有机碳、溶解性磷酸盐去除率均在90%以上。好氧颗粒污泥中粗蛋白和粗脂肪含量均高于接种生物絮体。生物絮体内松散结合胞外聚合物(LB-EPS)含量比好氧颗粒污泥高,而紧密结合胞外聚合物(TB-EPS)含量比好氧颗粒污泥低,生物絮体与好氧颗粒污泥中胞外聚合物(EPS)的主要区别成分是多糖。     

活性污泥胞外聚合物在污水处理过程中的荧光特性

采用三维荧光光谱法对活性污泥的微生物代谢过程进行了分析。通过分析活性污泥进入内源呼吸过程的EPS中荧光性物质的变化规律,发现疏松结合的胞外聚合物(LB-EPS)荧光光谱的微生物代谢产物峰在内源呼吸前期就开始下降,下降比例为11%,而LB-EPS荧光光谱图中的类蛋白荧光峰和紧密结合的胞外物质(TB-EPS)荧光光谱图的类溶解性微生物代谢产物荧光峰在内源呼吸的后期下降,下降比例分别为18%和14%,在前期分别升高了34%和372%。另外,提出了通过疏松的胞外聚合物(LB-EPS)荧光偏移量来分析污水处理过程特性,得出荧光峰位置的偏移量与污水厂的出水COD、氨氮和污泥内源呼吸比具有很好的相关性,相关系数分别为0.943、0.825和0.941。     

工程规模下碱类型对污泥预处理效果及发酵产酸的影响

研究了工程规模下3种碱对剩余污泥热碱预处理效果以及厌氧发酵产酸的影响。结果表明,平均进泥浓度为70 g·L~(-1)时,氢氧化钠的预处理效果要优于混碱(Ca(OH)_2:NaOH=4:1)和过氧化钙,处理后污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)的平均浓度是预处理前的8.45倍,水解率达到64.26%。但是,使用过氧化钙进行预处理可以有效提高污泥的发酵产酸效果,产酸效率明显优于混碱和氢氧化钠,总挥发性脂肪酸(TVFAs)的平均浓度为7.93 g·L~(-1),产酸率(以COD计)为273.93 mg·g~(-1)VSS,且总酸中乙酸比例达到60.35%;发酵后平均TSS和VSS分别下降了24.42%和47.62%;同时,氨氮(NH_4~+-N)和总磷(TP)浓度最低,其平均浓度分别为286.33 mg·L~(-1)和17.42 mg·L~(-1)。此外,混碱组、过氧化钙组和氢氧化钠组污泥厌氧发酵的净利润分别为229.14、257.37和10.49元·t~(-1)(脱水污泥)。实验结果表明,热混碱和热过氧化钙预处理用于污泥厌氧发酵有望得到广泛的应用。     

生物酶-CTMAB/CPAM联合调理对活性污泥脱水性能的影响

采用单因子实验或响应曲面法分别研究了单一酶、复合酶以及复合酶-化学药剂联合的3种调理方式下污泥的脱水性能,并探讨了典型调理条件下污泥的Zeta电位、粒度和水分组成等变化特征。研究结果表明,复合酶、十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）和阳离子聚丙烯酰胺WD4960（WD4960）的单一调理和联合调理均能不同程度地释放污泥颗粒中的束缚水。污泥经0.13 g·g-1TS中温a-淀粉酶作用1 h后,再投加0.16 g·g-1 TS中性蛋白酶作用4 h,其胞外有机物（EPS）中多糖（PS）、蛋白质（PN）组分含量分别为最低值17.88、218.72 mg·g-1 VSS,但污泥絮体的Zeta电位和粒度均减小,脱水性能恶化。对于复合酶调理后的污泥,再投加0.5 g·g-1 TS CTMAB进行二次调理后,抽滤泥饼含水率降至64.66%;当投加9.64 g·kg-1 TS的WD4960进行二次调理时,污泥的毛细吸水时间（CST）为最小值16.3 s。其中,CTMAB通过电中和、改变污泥絮体的亲疏水性等作用改善复合酶调理后污泥的脱水性能,而WD4960通过电中和、粘附架桥的絮凝作用,但后者释放的束缚水较少。     

纳米Fe3O4短期与长期接触下对活性污泥特性的影响

通过短期与长期接触实验,探讨了纳米Fe_3O_4颗粒(Fe_3O_4 NPs)对于活性污泥除污效能、松散型胞外聚合物(LB-EPS)和紧密型胞外聚合物(TB-EPS)组分的影响,并利用高通量测序技术对活性污泥中微生物群落结构的变化进行了分析。结果表明:(1)短期接触实验中,投加Fe_3O_4 NPs的实验组COD去除率(81.56%)低于未投加Fe_3O_4 NPs的对照组(84.01%),氨氮去除率(53.98%)低于对照组(55.16%);但在LB-EPS与TB-EPS三维荧光光谱(EEM)中,均出现了色氨酸类与芳香族蛋白荧光峰。(2)长期接触实验中,实验组的平均COD去除率为91.67%,略高于对照组(90.75%),平均氨氮去除率(98.26%)与对照组(98.35%)相差不大。Fe_3O_4 NPs的投加对于活性污泥去除污染物方面并没有明显抑制,且脱氢酶含量提高。(3)长期接触实验后,拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度从29.05%降至26.25%;浮霉菌门(Planctomycetes)相对丰度从11.83%增加到16.76%。