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污水处理技术篇:怎样提高污泥水解速率

添加时间:2020/04/26

  厌氧消化因能发作生物气(如甲烷和氢气)等能源物质而被广博使用于污泥巩固和污泥减量经过,其寻常包罗水解、酸化和甲烷化3个设施(Bouškováetal.,2005).目前,探究职员越来越体贴污泥水解和酸化经过中短链脂肪酸(SCFAs)的发作,因其不光能够行动生物脱氮除磷经过中微生物所需的碳源物质(Maureretal.,1997),同时还能够行动合成可降解塑料-聚羟基烷酸的原料(Lemosetal.,2006).颗粒有机物的水解是厌氧消化经过的限速设施(Guoetal.,2007),低功用的水解会耽误消化岁月,最终导致工艺负荷低落、运转不巩固和管理用度推广(Gavalaetal.,2003),所以,研发普及污泥水解速度的技巧具有主要的事理.

  Cadoret等(2002)指出,污泥水解功用除受酶活影响外,还取决于酶轮廓活性部位正在污泥基体中的散布,并提出胞外聚会物(EPS)阻隔低落了酶和底物的接触机缘,同时低落了底物的扩散功用,故酶正在污泥管理经过中的使用功用不高.探究证明,卵白酶、脂肪酶、淀粉酶等能够加快污泥的水解,但外源性酶寻常被牵制、吸同意湮没正在污泥基体中,从而低落了酶的水解活性(Luoetal.,2011).Wawrzynczyk等(2008)指出,推广酶和底物的接触机缘和面积,能够普及污泥的水解功用.EPS是污泥絮体的主要构成局部,要紧是由碳水化合物、卵白质、腐殖酸等构成,污泥中的这些有机物要紧是由金属离子通过桥接用意维系正在沿途的.络合剂具有螯合金属离子的用意,其能够通过络合Ca2+、Mg2+、Fe2+等金属离子败坏污泥的收集布局,从而开释出卵白质、碳水化合物、腐殖酸等物质,正本被牵制、湮没于污泥基体中的水解酶也获得开释,水解活性得以外达,从而鼓动有机物的进一步降解(Wawrzynczyketal.,2008).

  目前,邦外里针对络合剂对盈余污泥酶水解的探究已有合联报道,而对待后续酸化经过的根蒂探究尚鲜有报道.为此,笔者探究了络合剂柠檬酸钠(SC)对盈余污泥酶水解和后续酸化经过的影响,以期为污泥管理技巧的探究和本质使用供应模仿和参考.

  试验所用盈余污泥取自长沙市第二污水管理厂(邦桢污水管理厂)二重池,污泥先经30min重淀,去除上清液,再经0.71mm的筛网过滤管理去除杂质后,置于4℃的冰箱中生存备用.试验所用污泥根基性子为:pH值6.9,TCOD8700mg-L-1,SCOD100mg-L-1,TSS10.2g-L-1,VSS6.9g-L-1,融化性卵白质73.0mg-L-1,融化性碳水化合物14.2mg-L-1.

  络合剂为二水合柠檬酸钠.酶选用由上海杰辉生物科技有限公司供应的中性卵白酶、α-淀粉酶2种工业酶,其根基性子永别为:中性卵白酶酶活5000U-g-1,最适pH值7.0~7.8,最适温度40~50℃;α-淀粉酶酶活6000U-g-1,最适pH值5.5~7.5,最适温度50~60℃.

  TSS/VSS采用重量法测定;COD采用微波密封消解,重铬酸钾法测定,个中,SCOD为离心(转速为10000r-min-1)10min后上清液的化学需氧量,TCOD为污泥悬浮液的总化学需氧量;上清液中的卵白质采用Folin-酚法测定,以牛血清卵白为轨范物;融化性糖采用苯酚-硫酸法实行测定,以葡萄糖为轨范物;NH+4-N采用纳氏试剂分光光度法测定.上清液中的卵白酶生机采用Folin-酚试剂比色法测定,以牛血清卵白为轨范物;淀粉酶生机采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定(Pineta1.,1995).

  SCFAs采用Agilent6890NGC型气相色谱仪测定,领悟前提为:色谱柱型号DB-FFAP(30m×0.25mm×0.25mm),检测器为氢火焰检测器FID,载气(N2)流速为2.6mL-min-1,进样量为1.0mL,分流比为10∶1,进样器温度为250℃,检测器温度为300℃.悉数经过采用序次升温,肇端炉温为70℃,一连运转3min,再以20℃-min-1的速率升温5.5min,然后正在180℃下停止3min,一个样品的悉数运转岁月为11.5min.

  SC对污泥酶水解影响:设立2批次测验(每批次包罗6个测验组),各批次均取400mL污泥,永别投加卵白酶、淀粉酶0.06g-g-1(以TS计,下同),SC以粉末方法投加,SC的投加量永别为0、0.144、0.288、0.432、0.576、0.864g-g-1,随后向各锥形瓶中通入氮气约4min以一律驱除残留氛围,加塞置于50℃水浴振荡器上反响,4h后取样测定水解产品及卵白酶和淀粉酶的活性,并实行领悟.同时设定空缺比照组,除不加酶和SC外,其它前提与测验组均相似.

  SC对污泥产酸影响:设立4组测验,各组均取400mL污泥,先投加卵白酶0.06g-g-1,SC以粉末方法投加,每组SC的投加量永别为0、0.144、0.432、0.864g-g-1,随后向各锥形瓶中通入氮气约4min以一律驱除残留氛围,加塞置于50℃水浴振荡器上反响,反响安装正在此前提下反响12d,每天对酸化产品SCFAs实行测定.同时设定空缺比照组,除不加酶和SC外,其它前提与测验组均相似.

  原污泥中的融化性卵白质和碳水化合物浓度较低(融化性卵白质73.0mg-L-1,融化性碳水化合物14.2mg-L-1),证明个中的有机物要紧以固体形态存正在,融化性有机质的含量较低.空缺比照组(不加酶也不加SC)反响4h后,污泥中的融化性卵白质和碳水化合物浓度永别推广至400.0和79.0mg-L-1.正在水解酶的用意下,跟着污泥胶团的解聚和胞外聚会物的水解,巨额有机质由固相迁移至液相,成为融化性物质.

  图1为卵白酶和淀粉酶组测验(均投加酶0.06g-g-1)正在分别SC投加量下(0、0.144、0.288、0.432、0.576、0.864g-g-1),反响4h后污泥中卵白质和碳水化合物浓度随SC投加量的改观处境.由图可知,只投加水解酶(不投加SC)时,融化性卵白质由原污泥的73.0mg-L-1永别推广至1250.0mg-L-1(卵白酶组)和1407.0mg-L-1(淀粉酶组),融化性碳水化合物由正本的14.2mg-L-1永别推广至244.0mg-L-1(卵白酶组)和194.0mg-L-1(淀粉酶组).污泥的要紧因素是卵白质,此探究中淀粉酶和卵白酶鼓动污泥水解的后果差不众,其原由如下:

  一方面,Pinnekamp(1989)指出,碳水化合物和卵白质的可生物降解率永别为52.24%和39.70%,卵白质的可生物降解性较差,其水解正在污泥水解经过中是限速设施.正在较短的岁月内,碳水化合物的水解功用高于卵白质.另一方面,EPS中碳水化合物大概与卵白质相维系,从而变成碳水化合物-碳水化合物、碳水化合物-卵白质、卵白质-卵白质相维系的布局,败坏个中任何一种物质,与其相维系的另一物质也会随之融化出来(Sesayetal.,.,2006).

  投加SC后,溶出的有机物进一步普及,当SC投加量为0.432g-g-1时,融化性卵白质永别推广至2186.0mg-L-1(卵白酶组)和2172.0mg-L-1(淀粉酶组),融化性碳水化合物永别推广至433.-L-1(卵白酶组)和444.0mg-L-1(淀粉酶组).污泥是由很众分别的微生物包埋正在聚会物构成的收集中变成的,这些聚会物便是EPS(罗琨等,2010),其要紧构成物是卵白质和碳水化合物(Goeletal.,.,1998).EPS的收集布局要紧是通过轮廓带负电荷的基团如COOH-、SO42-等与金属离子的维系仍旧其巩固性(Morgan-Sagastumeetal.,.,2005).SC是一种很强的阳离子络合剂,其能络合EPS中Ca2+、Mg2+等金属离子,从而败坏污泥絮体布局,进而鼓动卵白质、碳水化合物和腐殖质等有机物的溶出,并转化为液相中可溶性有机物.

  SC的投加量为0~0.432g-g-1时,融化性卵白质和碳水化合物的浓度不绝推广,一直普及SC的投加量,其浓度仅有小幅度的上升.由此可知,SC投加量抵达必定值后,再通过推广SC的投加量来鼓动污泥水解的用意并不分明.归纳推敲管理功用和经济本钱,本探究中SC的最佳投加剂量为0.432g-g-1.

  污泥的水解速度要紧取决于水解酶的活性,以及污泥中水解酶与底物的接触水准.污泥中邦有的及投加的水解酶会被吸附、包埋于污泥基体中,从而低落了水解酶的活性.图2所示为分别SC投加量下,反响4h后水解酶活性的改观处境.正在必定浓度限度内,跟着SC的投加,水解酶活性不绝普及,这大概是因为SC的投加鼓动了水解酶的开释,正本被牵制、湮没于污泥基体中的水解酶活性得以外达.当SC投加量为0.432g-g-1时,污泥上清液中的卵白酶活性由正本的2.25U-mL-1推广到4.30U-mL-1,而淀粉酶活性则由4.50U-mL-1推广到6.99U-mL-1.一直普及SC的投加量,卵白酶的活性改观不大,而淀粉酶的活性呈小幅度的降落趋向(SC投加量为0.864g-g-1时,卵白酶活性为4.20U-mL-1,淀粉酶活性降落到6.16U-mL-1).测验选用的卵白酶最适pH值为7.0~7.8,淀粉酶最适pH值为5.5~7.5.SC是一种强碱弱酸盐,具有必定的缓冲才气,其溶液具有弱碱性.

  当SC的投加量为0.432g-g-1时,卵白酶组溶液的pH值为7.42,淀粉酶组为7.54(数据图未列出).普及SC的投加量,溶液pH值升高,超越了淀粉酶的最适pH值,从而导致其活性的降落,这也正好说明SC投加量抵达必定值(0.432g-g-1)后,再通过推广SC的投加量来鼓动污泥水解的用意并不分明.Watson等(2004)的探究也证明,产甲烷反响器中β-葡萄苷酶和卵白酶的活性随络合剂(硫化物)投加量的推广不绝普及,当硫化物的浓度抵达600mg-L-1时,该两种酶活性达最高值.

  图3为反响4h后,污泥中氨氮浓度随SC投加量的改观处境.正在水解酶的催化用意下,污泥中的含氮物质——要紧为卵白质转化为二肽、氨基酸,氨基酸进一步转化为氨(Shanablehetal.,.,2001).所以,卵白质不绝溶出的同时,污泥液相中的氨氮浓度也不绝普及.只投加水解酶(不投加SC)时,氨氮浓度由原污泥的60.0mg-L-1永别推广至182.0mg-L-1(卵白酶组)和167.0mg-L-1(淀粉酶组).当SC投加量为0.432g-g-1时,氨氮浓度永别推广至245.0mg-L-1(卵白酶组)和243.0mg-L-1(淀粉酶组).

  卵白质和碳水化合物是盈余污泥的要紧构成因素,脂肪含量很少,根基能够大意.卵白质的可生化降解性较差,其水解正在污泥消化经过中是限速设施,肯定了此经过中有机物的降解水准(刘常青等,2008).SC的投加普及了卵白质的降解速度,一方面是因为SC的投加促使更众的卵白质融化到液相,其降解速度高于固相中的卵白质.另一方面,SC的投加败坏了EPS的收集布局,水解酶获得开释,从而推广了其与底物的接触机缘,卵白质的转化功用获得普及.

  污泥酸化经过中发作的SCFAs与融化性卵白质和碳水化合物含量是慎密合联的(Yuetal.,2003),所以,融化性有机物越众,发作的SCFAs也越众.图4为空缺(不加酶也不加SC)、卵白酶(0.06g-g-1,以TS计,下同)和SC+卵白酶组(SC0.144、0.432和0.864g-g-1,卵白酶0.06g-g-1)发作的总SCFAs.由图可知,卵白酶和SC+卵白酶组发作的总SCFAs高于空缺比照组,最大SCFAs堆集量永别抵达1499和1788mg-L-1(以COD计)(SC0.432g-g-1),永别是空缺比照组的2.33和2.78倍.SC的投加促使巨额固相有机物融化到液相,同时也推广了污泥中水解酶含量.大分子融化性有机物,如卵白质和碳水化合物等正在水解酶的用意下获得高效水解,为酸化经过供应了更众的酸化底物,从而导致SCFAs的巨额堆集.

  SC的投加能够省略抵达最大SCFAs堆集的岁月,缩短厌氧消化岁月.空缺比照组和卵白酶组的总SCFAs堆集量永别正在反响第7d和第6d抵达最大值,而SC+卵白酶组永别正在反响第3d(SC0.144g-g-1)、第2d(SC0.432g-g-1)和第4d(SC0.864g-g-1)就抵达了最大值.随后,正在SCFAs打发菌如甲烷菌等的用意下,天生的SCFAs不绝被降解.由图4可知,SC的投加量越大,SCFAs转化降解速度越慢.SC低投加量时(SC0.144g-g-1),SCFAs的浓度随岁月降落很疾;而SC投加量为0.864g-g-1时,SCFAs的浓度降落速度趋于平缓.这大概是因为高浓度的SC对产甲烷菌的活性有遏抑用意,使SCFAs发作甲烷的途径受到局部,从而低落了SCFAs的转化速度.

  图5为污泥经分别管理反响4h后的SEM图,50μm扫描电镜下侦察各样管理后污泥的微观布局.原污泥要紧是以完美的絮体布局为骨架,污泥轮廓笼罩着一层网状的聚会物,污泥之间被丝状的粘性物质结合着,轮廓松散、腻滑(图5a).经水解酶管理后的污泥颗粒变得更细,聚会物构成的收集布局被败坏,显示了藐小的絮体(图5b).经由SC和酶合伙管理后的污泥聚会物的网状布局被进一步败坏,结合正在污泥絮体间的丝状粘性物质不睹了,显示了更为藐小的絮状碎片(图5c).这解说正在SC和酶的合伙用意下,污泥中占要紧因素的絮体物质——EPS的布局被败坏,EPS中的卵白质和碳水化合物不绝溶出,改动为可溶性物质,从而改观了污泥的布局.

  1)络合剂SC普及了污泥酶水解和酸化的功用,融化性卵白质和碳水化合物浓度大幅度普及,本探究中SC的最佳投加剂量为0.432g-g-1.

  2)络合剂SC能够普及污泥中SCFAs的堆集量,同时省略抵达最大SCFAs堆集的岁月,缩短厌氧消化岁月.空缺比照组和卵白酶组的总SCFAs堆集量永别正在反响第7d和第6d抵达最大值,而SC+卵白酶组(SC0.432g-g-1)正在反响第2d就抵达了最大值.

  3)SC可以败坏EPS的收集布局,正本被牵制、湮没于污泥基体中的水解酶获得开释,从而普及了污泥水解速度.

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