Effect of ultrasonic pretreatment on anaerobic digestion and its sludge dewaterability

To investigate the effect of ultrasonic pretreatment on anaerobic digestion and sludge dewaterability and further to probe into the influencing factors on sludge dewaterability, sludge flocs were stratified into four fractions: (1) slime; (2) loosely bound extracellular polymeric substances (LB-EPS); (3) tightly bound EPS (TB-EPS); and (4) EPS-free pellets. The results showed that ultrasonic pretreatment increased the anaerobic digestion efficiency by 7%–8%. Anaerobic digestion without ultrasonic pretreatment deteriorated the sludge dewaterability, with the capillary suction time (CST) increased from 1.42 to 47.3 (sec L)/g-TSS. The application of ultrasonic pretreatment firstly deteriorated the sludge dewaterability (normalized CST increased to 44.4 (sec L)/g-TSS), while subsequent anaerobic digestion offset this effect and ultimately decreased the normalized CST to 23.2 (sec L)/g-TSS. The dewaterability of unsonicated sludge correlated with protein (p = 0.003) and polysaccharide (p = 0.004) concentrations in the slime fraction, while that of sonicated sludge correlated with protein concentrations in the slime and LB-EPS fractions (p < 0.05). Fluorescent excitationemission matrix analysis showed that the fluorescence matters in the LB-EPS fraction significantly correlated with sludge dewaterability during anarobic digestion.     

碳氮比对活性污泥胞外聚合物的长期影响

以人工模拟废水为研究对象,采用4组SBR反应器（R₀,R₅,R₁₀和R₁₅）,重点考察了碳氮比（C/N）对胞外聚合物（EPS）含量及其组分（蛋白质（PN）、多糖（PS）和核酸（DNA））的影响.试验结果表明：C/N对EPS及其组分具有显著影响.随着C/N由0升高至15,EPS和紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）含量逐渐升高,而松散型胞外聚合物（LB-EPS）含量逐渐降低,EPS以TB-EPS为主（占77.4%~93.6%）.EPS和TB-EPS中的PN、PS和DNA含量随着C/N值升高而升高,LB-EPS中的PN、PS和DNA含量随C/N升高而降低.此外,随着C/N的增大,毛细吸水时间（CST）和污泥比阻（SRF）值显著增大,污泥的脱水性能变差.     

污泥胞外聚合物的提取方法及其对污泥脱水性能的影响

采用7种不同方法提取污泥胞外聚合物(EPS),并研究污泥不同层EPS剥离前后对污泥脱水性能的影响.结果表明,甲醛+NaOH和2%EDTA提取法对污泥中紧密结合的胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substances,TB-EPS)提取效率最高,总固体(SS)中的EPS提取量分别为128.9 mg.g-1和42.38 mg.g-1,但提取后细胞破裂严重,不能代表污泥EPS的真实含量,不宜采用.加热法较为温和,提取效率较高,总SS中EPS产量为21.97 mg.g-1.污泥剥离黏液层(Slime层)、松散结合的胞外聚合物(loosely bound extracellular polymeric substances,LB-EPS)和TB-EPS层后污泥的脱水性能大幅度改善,其中Slime层EPS含量越高污泥的脱水性能越差,当污泥EPS大量地释放到溶液中即Slime层时污泥的CST值大幅度升高,污泥的脱水性能变差.石湖墟和昂船舟污泥初始的毛细吸水时间(CST)为132.9 s和229.9 s,当剥离Slime层时这2种污泥的CST值分别为80.8 s和79.4 s,脱水性能得到明显改善.     

Enhanced anaerobic digestion and sludge dewaterability by alkaline pretreatment and its mechanism

To investigate the influences of alkaline pretreatment on anaerobic digestion (AD) and sludge dewaterability after AD, waste activated sludge was adjusted to different pH values (8, 9, 10, 11, 12) and placed at ambient temperature for 24 hr. The samples were then adjusted to the initial pH and subjected to 25 days of AD. The results showed that, when compared with the control (pH 6.8), total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS) reduction following pretreatment at pH 9-11 increased by 10.7%-13.1% and 6.5%-12.8%, respectively, while biogas production improved by 7.2%-15.4%. Additionally, significant enhancement of sludge dewaterability after AD occurred when pretreatment at pH 8-9 was conducted. The proteins and carbohydrates transferred from the pellet and tightly bound extracellular polymeric substances (TB-EPS) fractions to the slime and loosely bound EPS (LB-EPS) fractions after pretreatment and during the AD process, and the concentrations of proteins and carbohydrates in the slime fraction had a good linear relationship with the normalized capillary suction time (CST). During the AD process, the normalized CST was positively correlated with the organic materials in the loosely bound fraction of the sludge matrix (R^{2≥qslant 0.700, p < 0.01), while it was negatively correlated with the organic materials in the tightly bound fraction (R2≥qslant 0.702, p < 0.01). These results suggest that alkaline pretreatment could break the EPS matrix and release inner organic materials, thus influencing the efficiency of the AD process and dewaterability after AD.}     

Effects of acid,acid-ZVI/PMS,Fe(Ⅱ)/PMS and ZVI/PMS conditioning on the wastewater activated sludge(WAS)dewaterability and extracellular polymeric substances(EPS)

The effects of four conditioning approaches:Acid,Acid-zero-valent iron(ZVI)/peroxydisulfate(PMS),Fe(Ⅱ)/PMS and ZVI/PMS,on wastewater activated sludge(WAS) dewatering and organics distribution in supernatant and extracellular polymeric substances(EPS) layers were investigated.The highest reduction in bound water and the most WAS destruction was achieved by Acid-ZVI/PMS,and the optimum conditions were pH 3,ZVI dosage 0.15 g/g dry solid(DS),oxone dosage 0.07 g/g DS and reaction time 10.6 min with the reductions in capillary suction time(CST) and water content(Wc) as 19.67% and 8.49%,respectively.Four conditioning approaches could result in TOC increase in EPS layers and supernatant,and protein(PN) content in tightly bound EPS(TB-EPS).After conditioning,organics in EPS layers could migrate to supernatant.Polysaccharide(PS) was easier to migrate to supernatant than PN.In addition,Acid,Acid-ZVI/PMS or Fe(Ⅱ)/PMS conditioning promoted the release of some polysaccharides containing ring vibrations v P=O,v C-O-C,v C-O-P functional groups from TB-EPS.ESR spectra proved that both radicals of SO_4~-· and·OH contributed to dewatering and organics transformation and migration.CST value of WAS positively correlated with the ratios of PN/PS in LB-EPS and total EPS,while it negatively correlated with TOC,PN content and PS content in TB-EPS,as well as PS content in supernatant and LB-EPS.BWC negatively correlated to zeta potential and TOC value,PN content,and HA content in supernatant.     

芬顿试剂氧化对污泥脱水性能的影响

利用芬顿试剂调理污泥,以W_C(污泥滤饼含水率)和CST(毛细吸水时间)作为评价污泥脱水性能的指标,通过分析污泥中各层ρ(EPS)(EPS为胞外聚合物)和上清液中小分子有机物质量浓度来阐明污泥脱水性能的变化. 结果表明:芬顿试剂调理可促进EPS氧化分解,TB-EPS(紧密结合的胞外聚合物)破解转化为LB-EPS(松散结合的胞外聚合物)和S-EPS(上清液层胞外聚合物),大幅降低W_C和CST. 试验中当pH为4,w(H₂O₂)和 w(Fe2+)均为40 mg/g时,ρ(EPS)降低了33.04%,W_C和CST分别降至63.36%和28.7 s. Pearson相关性分析表明,ρ(TB-EPS)与W_C和CST均存在显著的正相关性(P＜0.01),是影响污泥脱水性能的重要因素,而ρ(LB-EPS)和ρ(S-EPS)与污泥脱水性能的相关性较低. 液相色谱分析表明,随着芬顿试剂投加量的增大,EPS等有机物分解程度增大,污泥上清液中小分子有机物种类明显增多,其质量浓度显著升高,ρ(甲酸)和ρ(乙酸)分别由原污泥的52.72、15.99 mg/L升至446.05、522.36 mg/L.      

Enhanced dewaterability of waste activated sludge by UV assisted ZVI-PDS oxidation

Ultraviolet（UV） assisted zero-valent iron（ZVI）-activated sodium persulfate（PDS） oxidation（UV-ZVI-PDS） was used to treat waste activated sludge（WAS） in this study.The dewaterability performance and mechanism of WAS dewatering were analyzed.The results showed that UV-ZVI-PDS can obtain better sludge dewatering performance in a wide pH range（2.0-8.0）.When the molar ratio of ZVI/PDS was 0.6,UV was 254 nm,PDS dosage was 200 mg/g TS（total solid）,pH was 6.54,reaction time was 20 min,the CST（capillary s...     

次氯酸钠与亚铁对污泥破解及脱水效果的影响

采用次氯酸钠（NaClO）与亚铁（Fe（II））结合处理污泥以提高污泥破解和脱水效能,考察了NaClO和Fe（II）投加量的影响,并通过定量和定性分析污泥中胞外聚合物质（EPS）的迁移转化,确定NaClO和Fe（II）对污泥脱水和破解的机制.试验结果表明,NaClO和Fe（II）投加量（以干泥固体计）分别为44 mg·g^-1和66 mg·g^-1时,污泥毛细吸吮时间（CST）从原泥的112 s下降到66.3 s.同时,NaClO/Fe（II）处理污泥能够使上清液中化学需氧量（COD）显著升高,并使污泥中紧密束缚型EPS（TB-EPS）和松散束缚型EPS（LB-EPS）转化成溶解性EPS（S-EPS）,导致S-EPS的溶解性有机碳（DOC）含量升高,而LB-EPS和TB-EPS的DOC含量降低.此外,NaClO/Fe（II）还能使污泥中有机物质矿化,使3种EPS中蛋白质类和腐殖酸类物质减少.NaClO和Fe（II）能够改善污泥脱水性能,强化污泥破解效果,利于污泥后续的处理处置.     

交替好氧/缺氧运行模式对生物脱氮效能及活性污泥胞外聚合物的影响

以实际生活废水为处理对象,考察了SBR工艺好氧/缺氧(O/A)和缺氧/好氧(A/O)运行模式对生物脱氮性能、胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)及其组分(蛋白质PN、多糖PS和核酸DNA)的影响.结果表明,O/A和A/O运行模式下,SBR工艺均获得了高效稳定的NH_4~+-N去除,去除率分别为97.5%和98.0%,且硝化速率与NH_4~+-N负荷呈现较好正相关性.交替缺氧/好氧运行模式对于EPS影响,A/O模式下EPS产量略高于O/A模式下,且运行模式对TB-EPS及其组分(PN、PS和DNA)产量无显著影响,但A/O模式下LB-EPS及其组分(PN和PS)产量均高于O/A模式下,倍数介于1.38~1.56之间.2种模式条件下,PS是TB-EPS和EPS的主要组分,而PN是LB-EPS的主要成分.EPS含量与污泥沉降性能具有良好的线性正相关.     

基质投加量对生物调理改善污泥脱水性能的影响

通过在剩余污泥中投加FeSO_4及S~0的生物基质进行生物调理的方法改善污泥脱水性质.在确定两者的投加质量比为7∶3(FeSO_4的质量以Fe~(2+)计)的条件下,分别投加质量为污泥干重的10%、15%、20%、25%、30%的混合基质,结果表明当基质投加量为污泥干重的20%时,污泥的脱水性能最佳.其中,毛细吸水时间(CST)较对照组降低了38.71%,粘度下降了81.91%,泥饼含固率为对照组的135.19%.同时,污泥中的胞外聚合物(EPS)总量有了显著的下降,污泥絮体中的有机质从与污泥细胞更紧密结合的紧密型EPS(TB-EPS)中释放到较外层的疏松型EPS(LB-EPS)中,且Zeta电位接近中性,从而使得污泥脱水性能得到改善.     

活性污泥TB-EPS的絮凝特性研究:絮体的成长、破碎与再凝聚

为了解活性污泥中紧密结合胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substances,TB-EPS)的絮凝特性,采用激光粒度仪在线监测技术考察了TB-EPS与高岭土生成絮体的过程以及絮体的破碎与再凝聚规律.结果表明,TB-EPS的主要组分为蛋白质和多糖聚合物,增加TB-EPS的投加量,絮体的粒径相应增大,悬浊液的剩余浊度降低.随着絮体破碎-再凝聚次数的增加,絮体的破碎因子升高而恢复因子降低,表明TB-EPS形成的絮体的强度逐渐降低,同时再凝聚的能力也逐渐降低.TB-EPS吸附高岭土的主要作用力为氢键作用,但在絮体形成过程中多糖聚合物之间的纠缠作用和蛋白质成分之间的疏水作用也可能发挥一定的作用.絮体的破碎是侵蚀和破裂同时作用的结果.     

鼠李糖脂-热对污泥厌氧发酵中脱水性能的影响

为了探究鼠李糖脂以及低温热水解预处理污泥厌氧发酵过程对污泥脱水性能的改变,利用毛细吸水时间（CST）表征脱水性能指标,有机物溶出、粒径分布以及三维荧光光谱分析阐明脱水性能变化机制.研究发现在厌氧发酵之前,预处理后污泥脱水性能均会降低;厌氧发酵之后原污泥脱水性能降低,经过热水解的污泥脱水性能改善;粒径分布变化表明粒径减小是预处理污泥脱水性能变差的部分原因,发酵之后粒径增大对于污泥脱水性能改善不明显.溶解性有机物（SCOD）、溶解性碳水化合物（SC）以及溶解性蛋白质（SP）的溶出情况发现粒径的减小是由于预处理手段对污泥的有效破解.三维荧光平行因子分析（PARAFAC）表明,污泥预处理且厌氧发酵前后溶解性有机质（DOM）均包含类腐殖酸C1（386nm/462nm）和C3（342nm/438nm）、酪氨酸类蛋白C2（278nm/306nm）以及色氨酸类蛋白C4（290nm/358nm）.其中,类腐殖酸的增多是热水解污泥脱水性能变差的主要原因,厌氧发酵之后酪氨酸蛋白的积累是原污泥脱水性能变差的原因,类腐殖酸的分解是热水解污泥发酵后改善的原因.     

生物淋滤中硫粉对污泥EPS组分和脱水性的影响

为探讨生物淋滤过程中污泥的脱水性能及其与胞外聚合物（EPS）中蛋白质（PN）、多糖（PS）的关系,以硫粉（S⁰）作为底物,设计了不同S⁰投量（0,2,4,6,8g/L）+10%接种物的实验组进行10d淋滤实验.结果表明：溶解态PN、PS含量和污泥比阻（SRF）在淋滤0~2d降低,之后呈上升趋势,结合态PN、PS含量在淋滤0~8d呈下降趋势,之后略微上升,且S⁰投加量越大,上述变化趋势越明显.统计结果发现,SRF与溶解态PN、PS有显著的正相关性（R=0.861、0.875,P<0.01）.说明不同S⁰投加量导致溶解态PN、PS含量变化从而影响了污泥脱水性能,其中溶解态PS的变化对污泥脱水性能作用更大.S⁰投量为8g/L、淋滤时间为2d时,污泥脱水效果最佳,S⁰投量为2g/L、淋滤时间6d效果次之,SRF分别比原污泥降低58%和54%,又由于后者重金属去除率高于前者,推荐S⁰ 2g/L,温度30℃,淋滤时间6d,pH值降至2.66为最适工艺条件.     

以FAS+S0为底物的生物沥浸对污泥EPS组分和脱水性能的影响

为研究以硫酸亚铁铵（FAS）+硫粉（S0）为底物的生物沥浸过程中,污泥的脱水性能及其与胞外聚合物（EPS）中蛋白质（PN）、多糖（PS）的关系,设计了新鲜污泥、新鲜污泥+10%接种物、新鲜污泥+10%接种物+（0,2,4,6 g/L）FAS+（0,2,4,6 g/L）S0的3个实验组进行10 d沥浸实验。结果表明:投加量为4g/L FAS+2 g/L S0,沥浸时间为6 d时污泥脱水性能最佳,污泥比阻（SRF）和黏度较原始污泥分别下降了83.11%和65.74%。EPS中溶解态PN、PS和结合态PN、PS的含量都随沥浸实验的进行而改变,其中溶解态PS与黏度、SRF呈显著负相关（R分别为-0.813、-0.813,P<0.05）,说明溶解态PS的含量是影响污泥脱水性能的主要因素。进一步分析得出,溶解态PS总量随沥浸时间延长而升高,其中疏水性PS的占比随之增加,污泥脱水性相应改善。     

基于Fe3+/EDTA-2Na的类芬顿对剩余污泥脱水性能的影响

剩余污泥的高含水率限制了对其后续处理以及资源化利用. 为了改善污泥脱水性能,利用Fe3+/EDTA-2Na类芬顿试剂作为调理剂强化污泥脱水,通过粒径分析、差示扫描量热仪(DSC)、傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对剩余污泥进行表征,探究其强化脱水机理. 结果表明:经过氧化调理后的污泥泥饼含水率降至67.8%,并有62.32%的结合水得以释放. 污泥胞外聚合物(EPS)结构被氧化破解,紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)中的多糖和蛋白质浓度显著减少;污泥絮体减小,但从SEM图可以看出絮体结构变得规整、平滑,且出现不规则孔洞,增加了污泥水分的输送通道,改善了污泥的脱水性能. FTIR分析表明,氧化处理后的污泥清液中水的吸收峰变小,多糖和蛋白质对应的吸收峰增强,而富里酸对应的峰消失. 研究显示,基于Fe3+/EDTA-2Na类芬顿的污泥调理可以高效氧化破解污泥,提高污泥脱水性能.      

盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响

为探讨盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响,采用三维荧光(3D-EEM)和傅里叶变换红外(FTIR)技术,研究了不同盐度下升流式厌氧污泥流化床(UASB)中污泥的松散结合型胞外聚合物(LB-EPS)与紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)的变化规律,并分析了LB-EPS和TB-EPS与污泥沉降性间的关系.结果表明,进水盐度由0逐渐增加至8%,厌氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量分别由4.94和12.25 mg·g~(-1)(以VSS计)增加至41.47和43.04 mg·g~(-1)(以VSS计);LB-EPS和TB-EPS中蛋白(PN)和多糖(PS)含量的比值分别由3.2和3.8降低至1.8和2.3;污泥容积指数(SVI)与LB-EPS、TB-EPS均正相关;3D-EEM光谱显示,色氨酸蛋白和芳环蛋白荧光峰存在于不同盐度下LB-EPS和TB-EPS中,类胡敏酸荧光峰仅存在于盐度高于4%的TB-EPS中;FTIR分析表明,进水盐度的增加导致LB-EPS和TB-EPS中PS的C—O组分相对含量增加.     

活性污泥与消化污泥的脱水特性及粒径分布

对活性污泥和消化污泥的脱水特性和粒径分布进行了研究,分析了2种污泥胞外聚合物（EPS）含量的差异以及生物相的变化特征和机理.结果表明,表征脱水性能好坏的毛细吸收时间（CST）,新鲜活性污泥为9.84 s,消化污泥增加到607.5 s,消化污泥固体颗粒从悬浮液分离所需的时间变长,脱水性能变差.其原因一方面是消化过程使EPS中蛋白质和多糖降解,另一方面是大大降低了消化污泥中原生动物数量,减少了促进微生物凝聚的EPS物质向污泥中的释放.消化污泥EPS含量为123 mg/g（以干污泥计,下同）,比EPS含量为540 mg/g的活性污泥减少了77%.EPS的降解使较大的污泥颗粒分解成较小的污泥颗粒,活性污泥占体积最大的颗粒粒径是133 μm,消化污泥下降到44.6 μm,活性污泥的平均粒径是132.6 μm,消化污泥仅为70.48 μm,结果导致消化污泥脱水性能变差.     

Fenton氧化联合氧化钙调理对污泥脱水的机理研究

探讨了使用Fenton氧化联合氧化钙全过程(第一阶段:使用硫酸调节污泥p H值;第二阶段:投加Fe2+;第三阶段:投加H2O2;第四阶段:投加氧化钙)对污泥脱水效果及物理化学性质的影响.结果表明,酸化处理可以改变絮体的大小,降低Zeta电位,分散絮体,同时去除部分胞外聚合物(EPS),进而改善了污泥脱水性能.此外,在Fenton氧化的过程中,污泥颗粒、Zeta电位、EPS和比阻(SRF)均呈现逐渐减少的趋势,同时生成氢氧化铁胶体会覆盖在污泥颗粒表面,形成保护性的硬壳,进而使污泥的脱水性能大幅提高.当加入氧化钙时,形成稳定的刚性的结构使污泥颗粒重新聚合,促使生成多孔的脱水通道.中试结果阐明,Fenton氧化过程是实现污泥的深度脱水的关键,并表明各个阶段污泥脱水过程中产生的滤液水质状况.总的来说,本研究提供了在高压下实现污泥深度脱水的新思路,包括:絮体酸溶分散与重聚-保护性氧化-骨架构建.由此看来,Fenton氧化联合氧化钙是一种相对温和且有效的污泥调理方法.     

自养菌和异养菌胞外聚合物对活性污泥絮凝特性的影响

为探讨自养菌和异养菌胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的差异及其对活性污泥表面及絮凝特性的影响,研究了有机负荷为0、0.30和0.74 kg·kg-1·d-1时,污泥松散附着胞外聚合物(loosely bound EPS,LB-EPS)和紧密粘附胞外聚合物(tightly bound EPS,TBEPS)的组分含量、形态、表面特性以及絮凝性能的差异,并就LB-EPS与TB-EPS对污泥絮凝特性影响的作用机理进行了探讨.结果表明,有机负荷越高,多糖含量越高,EPS总量及蛋白质含量越低.由三维荧光光谱测定结果可知,类富里酸物质为异养菌而非自养菌的代谢产物,且有机负荷越高,TB-EPS中的类富里酸荧光峰强度越大.自养和异养污泥的絮凝机理不同,自养活性污泥通过自养菌菌体自身生物絮凝作用形成密实的污泥絮体,LB-EPS与TB-EPS对其絮体形态、表面及絮凝特性影响较小;异养活性污泥絮体形态在TB-EPS提取后发生明显改变,TB-EPS在异养活性污泥絮体聚集时发挥着主要作用.包裹着LB-EPS的污泥表面负电荷多且疏水性差,不利于异养污泥生物絮凝.有机负荷越高,污泥表面Zeta电位负电性越强,相对疏水性(relative hydrophobity,RH)越小,污泥稳定性越差.     

柠檬酸钠强化剩余污泥酶水解和酸化的研究

厌氧条件下,研究了阳离子络合剂柠檬酸钠(SC)对剩余污泥酶水解和酸化的影响.结果表明:络合剂SC提高了污泥酶水解和酸化的效率,溶解性蛋白质和碳水化合物溶出量增加,SC的最佳投加剂量为0.432 g·g-1(以TS计,下同).络合剂SC可以提高污泥中短链脂肪酸(SCFAs)的积累量,同时减少达到最大SCFAs积累的时间,缩短厌氧消化时间.空白对照组和蛋白酶组的总SCFAs积累量分别在反应第7 d和第6 d达到最大值,而SC+蛋白酶组(SC 0.432 g·g-1)在反应第2 d就达到了最大值.从酶活性的变化和SEM图可知,SC的投加破坏了EPS的网络结构,原来被束缚、隐藏于污泥基体中的水解酶得到释放,从而提高了污泥水解速率.