采用树脂法从剩余污泥中提取微生物絮凝剂

李向蓉¹，戴晓晴²，王春晖¹，亓万琦¹，张姣³，赵建夫¹，张志强¹

(1. 同济大学 环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海，200092；

2. 同济大学 土木工程学院，上海，200092；

3. 上海城市管理职业技术学院 土木工程与交通学院，上海，200432)

摘要：采用阳离子交换树脂(CER)法从剩余污泥中提取微生物絮凝剂(MBF)，对各种影响因素进行系统研究。研究结果表明：污泥pH对MBF的提取和絮凝效果影响较大，在中性或偏碱性条件下提取的MBF表现出较高的絮凝率；污泥质量浓度越高，所提取的絮凝率物质越多；随着搅拌强度和树脂投加量的增大，CER法所提取MBF的絮凝率呈现增大的趋势；随着提取时间的延长，所得MBF的絮凝率呈现先增大后降低的趋势。通过正交实验获得树脂法从剩余污泥中提取MBF的优化工艺条件如下：污泥质量浓度为9 g/L，搅拌速度为650 r/min，树脂投加量为60 g/g VSS，提取时间为3 h，所提取MBF对高岭土悬浊液的絮凝率接近50%。树脂法可用于从剩余污泥中直接提取MBF，在降低MBF生产成本的同时实现污泥的资源化利用。

关键词：阳离子交换树脂；剩余污泥；微生物絮凝剂；絮凝率

中图分类号：X705             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)01-0411-06

Microbial flocculant extraction from excess sludge by cation exchange resin method

LI Xiangrong¹, DAI Xiaoqing², WANG Chunhui¹, QI Wanqi¹, ZHANG Jiao³, ZHAO Jianfu¹, ZHANG Zhiqiang¹

(1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,

College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;

3. School of Civil Engineering and Transportation, Shanghai Technical College of Urban Management, Shanghai 200432, China)

Abstract: Microbial flocculant (MBF) extraction from excess sludge of municipal wastewater treatment plant by the cation exchange resin (CER) method was systematically investigated. The results show that MBF extracted from neutral or alkalescent sludge has higher flocculating activity than that from acid sludge. Increasing sludge concentration is beneficial to the MBF extraction. The flocculating activity of the extracted MBF can be enhanced by increasing the stirring intensity or the added CER dose. However, with the extending of extraction time, the flocculating activity of the extracted MBF increases and reaches a peak, and then decreases. Through the orthogonal experiment project, the optimal process conditions of MBF extraction from excess sludge by the CER method is obtained as follows. Sludge mass concentration is 9 g/L, stirring velocity is 650 r/min, resin dose is 60 g/g, and the extracting time is 3 h. Under this condition, the flocculating activity of the extracted MBF can be improved to about 50%. Therefore, the CER method is feasible to extract MBF from excess sludge, which can save the cost of MBF production, as well as realize the resource reuse of excess sludge.

Key words: cation exchange resin; excess sludge; microbial flocculant; flocculating rate

微生物絮凝剂(microbial flocculant，简称MBF)是由微生物产生的可使液体中不易沉降的悬浮颗粒、菌体细胞及胶体颗粒等凝聚沉淀的特殊高分子物质^[1]。MBF主要成分包括多糖、蛋白质和核酸等^[2]，具有高效、无毒、可生物降解、无二次污染等特点^[3]，已有关于其在水处理、食品加工、发酵等行业的应用报道^[4]。制备MBF的常用方法是利用纯菌株在特定培养基和培养条件下好氧发酵^[1]，其高成本和苛刻的培养条件限制了其进一步扩大应用。剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体^[5]。菌胶团是由微生物分泌的天然有机高分子物质将微生物包覆成的黏性团块^[6]。这些天然有机高分子物质主要构成剩余污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substances，简称EPS)。EPS与MBF成分及功能相似，并在形成污泥絮体和改善污泥沉降性能等方面有重要作用^[7]：因此，若能直接从剩余污泥中提取出这些絮凝性物质作为MBF，则不仅大大降低MBF的生产成本，而且可实现剩余污泥的资源化利用。在此，本文作者拟采用阳离子交换树脂(cation exchange resin，简称CER )法从城市污水处理厂剩余污泥中提取出具有絮凝率的天然有机高分子物质作为絮凝剂试样，研究污泥性质(pH、质量浓度)和树脂提取作用参数(搅拌强度、提取时间、树脂投加量)等对所提取絮凝剂试样絮凝率的影响，并通过正交试验确定树脂法从剩余污泥中提取MBF的优化工艺条件。

1  实验

1.1  剩余污泥

剩余污泥取自上海市某城市污水处理厂的二沉池回流污泥。该厂采用(厌氧/缺氧/好氧池水曝气生物滤池(A²/O-BAF)处理工艺，日处理水量5.7×10⁴ m³，回流污泥质量浓度为5.3~7.6 g/L，w(VSS)/w(SS)= 63.8%~67.4%，pH为6.8~7.6。将取回的剩余污泥在4 ℃下保藏备用，2 d内用完。

1.2  MBF的CER提取法

选取国产001×7型强酸性苯乙烯阳离子交换树脂作为处理树脂。强酸性苯乙烯阳离子交换树脂是在苯乙烯一二乙烯苯共聚基体上带有磺酸基(—SO₃H) 的离子交换树脂，结构如图1所示，它具有交换容量高、交换速度快、机械强度好等特点。对其进行预处理，得到氢型阳离子交换树脂。

CER的预处理：将阳离子交换树脂置于饱和食盐溶液中浸泡18~20 h，再水洗至流出的水不带黄色，然后用质量分数为2%~4%的NaOH溶液浸泡2~4 h后水洗至pH为6.5~7.5，最后用质量分数为5%的盐酸浸泡4~8 h后水洗至pH为6.5~7.5，待用。

图1  001×7型强酸性苯乙烯阳离子交换树脂化学结构

Fig.1  Structure of 001×7 strong acid styrene cation exchange resin

实验中所采用的树脂提取搅拌器为吉特JJ-6六联电动搅拌器。将阳离子交换树脂处理后的污泥样品通过Thermo Multifuge X1R高速离心机，在温度为4 ℃、转速为3 000 r/min下离心10 min得到的上清液即为絮凝剂试样。分别考察树脂法作用参数(提取pH、搅拌强度、提取时间、树脂投加量)和污泥质量浓度等对从剩余污泥中所提取絮凝剂试样的絮凝率影响。

采用正交试验，进一步研究树脂法作用参数(提取时间、搅拌强度和树脂投加量)和污泥质量浓度对从剩余污泥中所提取絮凝剂试样的絮凝率的综合影响。

正交试验采用四因素、三水平正交设计表 L9 (3⁴)。选取提取时间、搅拌强度、污泥质量浓度、树脂投加量作为正交试验的四因素，并根据单因素试验的结果，确定正交试验的因素水平，见表1。

表1  水平因素

Table 1  Level of factors

1.3  絮凝率的测定方法

在100 mL比色管中加入0.4 g高岭土、3 mL CaCl₂(1%)溶液和2 mL絮凝剂试样，定容至100 mL。以0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH将其调至pH为4，混匀后静置5 min，然后用移液器吸取其上清液5 mL于比色管中，用分光光度计(HACH, DR 2800)在波长550 nm下测其吸光度(B)^[8]。以不加絮凝剂试样，相同操作条件下的高岭土悬浊液的吸光度作对照(A)。絮凝率(E)计算公式为：

E=[(A-B)/A]×100%               (1)

1.4  分析方法

污泥SS和VSS均采用标准方法测定^[9]。MBF的多糖质量浓度采用苯酚-硫酸法测定，用甘露糖作为标准物质^[3]；蛋白质质量浓度用Bradford法测定，用牛血清蛋白作为标准物质^[10]；核酸质量浓度采用二苯胺法测定，用小牛胸腺DNA作为标准物质^[11]。MBF质量浓度用多糖、蛋白质与核酸质量浓度之和表示。

2  结果与讨论

2.1  污泥pH对树脂法提取MBF絮凝率的影响

以0.1 mol/L HCl和0.1 mol/L NaOH将剩余污泥(6.3 g/L)调至pH为4~9，在树脂投加量分别为10 g/g VSS和20 g/g VSS、搅拌速度为500 r/min条件下连续提取3 h得到污泥样品；然后，在温度为4 ℃、搅拌速度为3 000 r/min低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察污泥pH对树脂法提取MBF的影响，结果如图2所示。

图2  污泥pH对CER法提取MBF的影响

Fig.2  Effect of sludge pH on MBF extraction from excess sludge by CER method

污泥pH的变化会影响大分子有机物的电性，从而影响提取效果^[12]。从图2可以看出：在偏酸性条件下所提取MBF的絮凝率较低，而中性或偏碱性条件则有利于提取到絮凝率较高的MBF。这可能与具有絮凝率的有机高分子物质的等电点大多在酸性范围有关^[13-14]。在偏酸性条件下，有机高分子物质之间的静电斥力很小，它们通过疏水作用、氢键作用以及范德华力发生聚集并黏附在污泥絮体上，导致提取的MBF偏少以及絮凝率偏低。在中性和偏碱性条件下提取的MBF的絮凝率较高，主要是由于树脂呈强酸性，碱性条件有利于离子交换反应进行。剩余污泥的自然pH为6.8~7.6，故选择污泥自然pH为后续实验条件。

2.2  污泥质量浓度对树脂法提取MBF絮凝率的影响

用40 g/g VSS、搅拌速度为500 r/min的树脂法对剩余污泥(原泥质量浓度为6.5 g/L)分别连续提取1，2，4和5 h后，以温度为4 ℃和搅拌速度12 000 r/min(因污泥质量浓度较高，较低的离心机转速会导致离心不均匀，故选择12 000 r/min的离心转速)低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察污泥质量浓度对树脂法提取MBF的影响，结果如图3所示。

图3  污泥质量浓度对CER法提取MBF的影响

Fig.3  Effect of sludge concentration on MBF extraction from excess sludge by CER method

由图3可见：在絮凝剂试样投加量(体积分数)均为2%的情况下，随着污泥质量浓度的升高，除过长提取时间(4 h)外，各提取时间(1~3 h)所得MBF的絮凝率均呈现先升高后降低的趋势；与短时间提取相比，长时间提取达到絮凝效果最优的污泥质量浓度较低，4 h提取时间在低污泥质量浓度(3.3 g/L)时所得MBF絮凝率最高，而1 h提取时间则在高污泥质量浓度(16.7 g/L)时所得MBF絮凝率最高。这可能是随着污泥质量浓度的升高，所提取的MBF质量浓度增大，导致MBF投加量超过其最佳投加量而使絮凝率下降。并且可能因连续搅拌提取时间过长，细胞内物质溶出，导致絮凝率降低。为此，对从不同质量浓度的剩余污泥中提取出的MBF的化学组成进行分析，结果见图4。

由图4可知：多糖、蛋白质、核酸为MBF的主要组成成分^[15]；随着污泥质量浓度的增大和提取时间的延长，通过树脂法提取出的MBF质量浓度随之升高。从图3和图4可见：随着长时间的提取和污泥质量浓度的增大，因提取所得MBF质量浓度增大，导致MBF投加量超过其最佳投加量而使絮凝率下降。其原因是：絮凝剂的投加过量使高岭土颗粒因吸附了高分子聚合物而带上同种电荷，因同种电荷排斥而重新分散稳定，导致絮凝率降低，处理效果下降。Christensen等^[16]也发现最佳的絮凝剂剂量是与胶体表面的最少电荷及聚集形成大絮凝体的趋势有关。提取1 h和2 h时，蛋白质为主要成分，多糖、核酸质量浓度次之；而提取4 h和5 h时，随着污泥质量浓度的升高，核酸成为其主要成分，表明细胞内物质溶出严重，导致絮凝率降低。

图4  从不同质量浓度污泥中提取的MBF的成分分析

Fig.4  Composition of MBF extracted from excess sludges of various concentrations by CER method

2.3  搅拌速度对树脂法提取MBF絮凝率的影响

用40 g/g VSS树脂投加量对剩余污泥(7.6 g/L)在不同搅拌强度下分别连续提取1，2和4 h得到污泥样品，然后在温度为4 ℃、搅拌速度为3 000 r/min时低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察搅拌速度对树脂法提取MBF的影响，结果如图5所示。

图5  搅拌速度对MBF絮凝率的影响

Fig.5  Effect of stirring intensity on MBF extraction from excess sludge by CER method

由图5可知：随着搅拌速度的增大和提取时间的延长，所提取的絮凝剂的絮凝率越来越高；当提取时间为1 h 和2 h时，所提取的絮凝剂试样的絮凝率随转速的增幅一直较大；当提取时间为4 h，搅拌速度由200 r/min 增大到500 r/min时，所提取的絮凝剂试样的絮凝率增幅较大，之后随着转速的继续增大，絮凝率变化幅度较小；当搅拌速度为800 r/min时，1，2和4 h所提取的絮凝剂试样的絮凝率分别是200 r/min时的2.9，2.3和1.8倍，可见搅拌强度对CER法提取MBF的絮凝效果有重要影响。因提高搅拌速度，提取所得MBF质量浓度升高，导致絮凝率提高^{[15, 17]}。当搅拌速度达到600 r/min，提取时间由2 h提高到4 h时，所提取的MBF的絮凝率变化不大。这可能是在较高搅拌速度下，MBF的提取率随着时间的延长而下降所致^[17]。

2.4  树脂投加量对树脂法提取MBF絮凝率的影响

在树脂投加量为10~80 g/g VSS，搅拌速度为500 r/min条件下，对剩余污泥(6.4 g/L)进行树脂提取，分别连续搅拌0.5，1.0，2.0，3.0，4.0和6.0 h，然后在温度为4 ℃、搅拌速度为3 000 r/min下低温高速离心，取其上清液为絮凝剂试样，考察树脂投加量对树脂法提取MBF的影响，结果如图6所示。

图6  树脂投加量对MBF絮凝率的影响

Fig.6  Effect of CER dose on MBF extraction from excess sludge by CER method

由图6可知：随着树脂投加量的增大，CER法所提取MBF的絮凝率基本呈上升趋势；对于10 g/g VSS的树脂投加量，提取0.5 h的絮凝率仅为7.5%；对于60 g/g VSS的树脂投加量，提取3 h的絮凝率达到53.1%。提高树脂投加量，有利于提高MBF的絮凝率。因CER法基于的假设是剩余污泥中具有絮凝率的天然有机高分子物质能够结合2价阳离子，从而维持污泥絮体的三维空间结构^{[9, 18]}；阳离子交换树脂首先通过化学作用移去污泥絮体中的2价阳离子，从而破坏了污泥絮体的三维空间结构，使天然有机高分子物质变成类似可溶的物质，再通过物理离心作用(高速离心提供的剪切力)将其分离出来。提高树脂投加量，使得参与离子交换的树脂质量浓度提高，能提取出更多的具有絮凝率的物质^[17]，MBF质量浓度增加，絮凝率升高。随着时间的延长，提取所得MBF的絮凝率呈现先增加后降低的趋势。提取0.5~2.0 h时，在40 g/g VSS树脂投加量后提取的MBF的絮凝率变化较小；提取6 h的MBF的絮凝率基本上比提取3 h和4 h的低。这可能是因为连续搅拌提取时间过长，细胞内物质溶出，导致絮凝率降低：因此，从提取成本考虑，树脂投加量应为40~60 g/g VSS，提取时间为3~4 h。

2.5  树脂法用于从剩余污泥提取MBF的正交试验

采用正交试验，进一步考察树脂法作用参数(提取时间、搅拌速度和树脂投加量)和污泥质量浓度对从剩余污泥中所提取絮凝剂试样絮凝率的综合影响。试验结果见表2。

在正交试验表中，极差R能够反映各因素对试验指标的影响程度，k_i表示各列(不同因素)对应于同一水平试验指标的平均值。通过极差R分析(见表2)可知：污泥质量浓度对所提取的絮凝剂试样絮凝效果影响显著，搅拌速度和树脂投加量对所提取的絮凝剂试样絮凝效果影响一般显著，而时间对所提取的絮凝剂试样絮凝效果影响较小。根据表2中k_i(i=1, 2, 3)，得出采用树脂法从剩余污泥中提取MBF的优化工艺如下：污泥质量浓度为9 g/L，搅拌速度为650 r/min，树脂投加量为60 g/g VSS，提取时间为3 h。此时，所提取的MBF对高岭土悬浊液的絮凝率接近50%。

表2  树脂法从剩余污泥提取MBF的正交试验方案和结果

Table 2  Orthogonal experiment projects and results of MBF extraction from excess sludge by CER method

3  结论

(1) 以城市污水处理厂的剩余污泥为原料，通过阳离子树脂交换、低温高速离心从剩余污泥中提取出MBF，其对高岭土悬浊液具有良好的絮凝效果。

(2) 中性或偏碱性条件下有利于MBF的提取。所提取的MBF主要成分为蛋白质、多糖和核酸。污泥质量浓度越高，所提取的絮凝率物质越多。对于从不同质量浓度污泥中提取出的MBF，投加剂量可随污泥质量浓度升高而减少。随着搅拌强度和树脂投加量的增大，CER法所提取的MBF的絮凝率呈现出升高的趋势，但从提取成本考虑，树脂投加量和搅拌强度不应过大。随着提取时间的延长，所得MBF的絮凝率呈现先增加后降低的趋势。

(3) 通过正交实验获得阳离子交换树脂法从剩余污泥中提取MBF的优化工艺如下：污泥质量浓度为9 g/L，搅拌速度为650 r/min，树脂投加量为60 g/g VSS，提取时间为3 h。在此优化工艺下，所提取的MBF对高岭土悬浊液的絮凝率接近50%。

参考文献：

[1] Salehizadeh H, Shojaosadati S. Extracellular biopolymeric flocculants: Recent trends and biotechnological importance[J]. Biotechnology Advances, 2001, 19(5): 371-385.

[2] Bala S S, Yan S, Tyagi R, et al. Extracellular polymeric substances (EPS) producing bacterial strains of municipal wastewater sludge: Isolation, molecular identification, EPS characterization and performance for sludge settling and dewatering[J]. Water Research, 2010, 44(7): 2253-2266.

[3] LIU Weijie, YUAN Hongli, YANG Jinshui, et al. Characterization of bioflocculants from biologically aerated filter backwashed sludge and its application in dying wastewater treatment[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(9): 2629-2632.

[4] WANG Shugang, GONG Wenxin, LIU Xianwei, et al. Production of a novel bioflocculant by culture of Klebsiella mobilis using dairy wastewater[J]. Biochemical Engineering Journal, 2007, 36(2): 81-86.

[5] 高廷耀, 顾国维, 周琪. 水污染控制工程下册[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 2007: 364-365.

GAO Tingyao, GU Guowei, ZHOU Qi. Water pollution control engineering[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press, 2007: 364-365.

[6] XIA Siqing, ZHANG Zhiqiang, WANG Xuejiang, et al. Production and characterization of a bioflocculant by proteus mirabilis TJ-1[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(14): 6520-6527.

[7] Li X, Yang S F. Influence of loosely bound extracellular polymeric substances (EPS) on the flocculation, sedimentation and dewaterability of activated sludge[J]. Water Research, 2007, 41(5): 1022-1030.

[8] ZHANG Zhiqiang, LIN Bo, XIA Siqing, et al. Production and application of a novel bioflocculant by multiple-microorganism consortia using brewery wastewater as carbon source[J]. Journal of Environmental Sciences, 2007, 19(6): 667-673.

[9] 国家环境保护局. 水和废水监测分析方法[ M]. 4版. 北京: 中国环境出版社, 2002: 105-108.

Environmental Protection Agency of China. Water and wastewater analyzing methods[M]. 4th ed. Beijing: China Environmental Science Press, 2002: 105-108.

[10] Bradford M M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding[J]. Analytical Biochemistry, 1976, 72(1/2): 248-254.

[11] Adav S S, Lee D J. Extraction of extracellular polymeric substances from aerobic granule with compact interior structure[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 154(1/2/3): 1120-1126.

[12] 周健, 罗勇, 龙腾锐, 等. 胞外聚合物, Ca²⁺及pH值对生物絮凝作用的影响[J]. 中国环境科学, 2004, 24(4): 437-441.

ZHOU Jian, LUO Yong, LONG Tengrui, et al. Effects of extracellular polymeric substances, Ca²⁺ and pH on bioflocculation[J]. China Environmental Science, 2004, 24(4): 437-441.

[13] Jahn A, Nielsen P H. Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) from biofilms using a cation exchange resin[J]. Water Science and Technology, 1995, 32(8): 157-164.

[14] Sesay M L, Zcengiz G, Dilek S F. Enzymatic extraction of activated sludge extracellular polymers and implications on bioflocculation[J]. Water Research, 2006, 40(7): 1359-1366.

[15] YU Guanghui, HE Pinjing, SHAO Liming, et al. Stratification structure of sludge flocs with implications to dewaterability[J]. Environ Sci Technol, 2008, 42(21): 7944-7949.

[16] Christensen J R, Srensen P B, Hansen J A. Mechanisms for overdosing in sludge conditioning[J]. Journal of Environmental Engineering, 1993, 119(1): 159-171.

[17] Frlund B, Palmgren R, Keiding K, et al. Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin[J]. Water Research, 1996, 30(8): 1749-1758.

[18] Nomura T, Araki S, Nagao T, et al. Resource recovery treatment of waste sludge using a solubilizing reagent[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2007, 9(1): 34-39.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2011-11-25；修回日期：2012-03-12

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008218)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(0400219210)；教育部留学回国人员科技启动基金资助项目(2012年)

通信作者：张志强(1980-)，男，江西南昌人，副教授，硕士生导师，从事水污染控制与资源化研究；电话：021-65981831；E-mail: zhiqiang@tongji.edu.cn