不同预处理方法对污泥脱水中氨基酸种类和含量的影响规律及机理研究

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在城镇生活污水处理过程中会产生大量的剩余活性污泥(Waste activated sludge,WAS),这是生物法处理生活污水不可避免的缺点。目前超声、热、臭氧和酸/碱调理等预处理方式及其耦合方法常用于污泥脱水性能的研究。然而,大多数研究侧重于研究污泥中蛋白质种类和含量的变化对污泥脱水性能的影响,而忽视了不同预处理条件下产生的氨基酸对污泥脱水性能的影响。本文研究了不同预处理条件下污泥中氨基酸种类和含量的变化,及其与其他反映污泥脱水性能指标之间的关联性,以及氨基酸影响污泥脱水性能的作用机理尤其重要。本文的主要研究内容包括:1、不同调理方式对剩余活性污泥脱水性能影响的研究利用超声、热、臭氧和酸/碱预处理方法调理剩余活性污泥,探究不同调理方式对污泥脱水性能的影响。研究结果发现:(1)超声预处理会恶化污泥的脱水效果,且随着超声能量密度从0.1 W/mL逐渐增大到0.4 W/mL,污泥的CST(毛细吸水时间,Capillary Suction Time)和SRF(污泥比阻,Specific Resistance to Filtration)逐渐增大,污泥的粒径逐渐减小,污泥LB-EPS(松散型胞外聚合物,Loosely-bound EPS)中蛋白质和多糖的含量逐渐增加。(2)热处理随着温度升高,污泥的CST和SRF显著增大。污泥中的TB-EPS(紧密结合型胞外聚合物,Tightly-bound EPS)随着温度的升高逐渐转化为S-EPS(溶解性胞外聚合物,Soluble EPS),且TB-EPS中多糖和蛋白质含量降低,而S-EPS中多糖和蛋白质含量升高。同样地,随着温度的升高,污泥颗粒减小。(3)随着臭氧剂量不断增大,同样地,污泥的SRF和CST呈现出逐渐增大的趋势。此外,污泥TB-EPS中蛋白质和多糖含量逐渐减少,S-EPS中蛋白质和多糖含量逐渐增加。但臭氧调理对污泥粒径的影响并不明显。臭氧调理主要通过改变污泥的Zeta电位和S-EPS中蛋白质的含量使污泥的脱水性能变差,臭氧调理使污泥释放出带负电的蛋白质引起污泥表面负电荷增强从而恶化污泥的脱水性能。(4)酸处理能明显改善污泥的脱水性能,相较于原泥,污泥SRF降低了78.3%,污泥CST减小了29.3%,污泥的过滤性能明显得到了改善。相反,碱处理能够明显恶化污泥脱水性能,且相较于超声、热、臭氧预处理,碱处理对污泥的恶化作用最明显。2、不同调理方式对污泥中污氨基酸种类和含量的影响规律通过研究不同调理方式得出不同调理方式后污泥中氨基酸种类和含量的变化发现超声、热、臭氧和酸/碱调理都对污泥中亲水性氨基酸含量的影响非常显著;当超声强度为0.1 W/mL时,污泥中释放的氨基酸含量达到最高值;在50℃热处理时,亲水性氨基酸的含量会快速增加;臭氧剂量在0.01 g/(g TS)时,污泥中释放出的氨基酸含量达到最大值;pH=2的酸性条件调理使污泥中亲水性氨基酸的含量大幅降低,总氨基酸的含量也减少,而pH=10的碱性条件调理对氨基酸含量增大的影响高于其他调理方式引起污泥中氨基酸含量的变化。通过皮尔逊相关性分析,结果表明不同调理方式后污泥中氨基酸含量与污泥脱水性特性之间存在显著相关性,且影响污泥脱水性能的核心氨基酸为三种亲水性氨基酸:甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸。甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸的含量均与CST,SRF,S-EPS和LB-EPS中色氨酸类蛋白质含量,与S-EPS中总蛋白质和多糖含量呈现正相关关系。3、影响污泥脱水性能的核心氨基酸对污泥固液相亲水性的影响规律外加甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸3种氨基酸(0.2 mol/L)能使污泥固相表面接触角减小且苏氨酸对污泥表面接触角的影响最显著,使污泥接触角从85.00°减小到66.23°;甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸3种氨基酸(0.2 mol/L)能显著增加污泥液相中含碳的亲水性官能团的比例,相较于原泥,亲水性官能团的比例从60.2%分别升高到69.4%、94.8%和63.1%。其中丝氨酸对污泥中C-OH含量的影响最大,C-OH的含量从48.8%升高到64.9%。采用Derjaguin-Landan-Venvey-Overbeek(DLVO)理论对加入三种亲水性氨基酸前后,污泥颗粒间的范德华能(WLW),静电作用能(WEL)、水合作用能(WAB)和污泥颗粒间的总相互作用能(WTOT)。3种氨基酸都能使WAB急剧增加,污泥颗粒之间的排斥增加,与原泥相比,加入氨基酸后的污泥表现出更高的能垒,污泥颗粒间更难以相互接近,因此污泥的脱水效果变差。
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