表面活性剂调理下污泥中胞外聚合物分布与束缚水含量的关系

童震松，洪晨，邢奕，司艳晓，王志强，周亮

(北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083)

摘要：通过考察污泥调理过程中滤饼含水率、束缚水含量变化、EPS各层组分分布、傅里叶红外光谱等指标，研究表面活性剂作用下，胞外聚合物分布与束缚水含量的变化关系。研究结果表明：十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)的加入导致污泥中紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)含量降低，松散结合的胞外聚合物(LB-EPS)、黏液层胞外聚合物(S-EPS)含量升高，有效降低束缚水的含量，提高了污泥脱水效果。表面活性剂投加量为75 mg·g^-1时，污泥中束缚水含量降至1.58 g·g^-1，污泥滤饼含水率降至65.78%。在表面活性剂作用下，部分EPS水解生成小分子有机物，S-EPS中有机官能团的总量和种类都有明显增多。TB-EPS占污泥中EPS总量的大部分，其中，蛋白质、多糖与束缚水存在显著的正相关性，是影响污泥束缚水含量的主要因素。

关键词：污泥；表面活性剂；胞外聚合物；束缚水

中图分类号：X705          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)08-2913-07

Relationship between extracellular polymeric substances and bound water in sludge with surfactant conditioning

TONG Zhensong, HONG Chen, XING Yi, SI Yanxiao, WANG Zhiqiang, ZHOU Liang

(School of Civil and Environmental Engineering, University of science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: By exploring the index such as the water content of sludge cake, bound water content, component distribution in each layer of extracellular polymeric substances (EPS), Fourier transform infrared spectrometer, the influence of surfactant conditioning treatment on EPS and bound water in sludge was investigated. The results indicate that the addition of dodecyl dimethyl benzyl ammonium chloride (1227) reduces the content of tight bound EPS (TB-EPS), but increases the contents of loosely bound EPS (LB-EPS) and slime EPS. As a result, the addition of dodecyl dimethyl benzyl ammonium chloride cut down the bound water content and improves the sludge dewaterability. When the surfactant dosage is 75 mg·g^-1 the bound water content and water content of sludge cake are reduced to 1.58 g·g^-1 and 65.78%. Under sludge condition, the amount and type of organic-functional groups are improved obviously and hydrolysis of partly EPS generates small organic molecules. The proteins and polysaccharides in TB-EPS have significant positive correlation with the bound water in sludge and affect the content of bound water to a great degree.

Key words: sludge; surfactant; extracellular polymeric substance; bound water

从污水处理厂出来的剩余污泥的含水率非常高(达98%以上)，要实现污泥减量化、无害化、资源化，污泥脱水处理是首要环节^[1-2]。然而，城市生活污泥有机物含量高，其污泥絮体颗粒呈胶状结构且具有高度亲水性，易与水分子以不同的形式结合，这使得污泥中部分水分难以脱除^[3]。在水分布的研究中，较为详细的水形态划分方法是将污泥中的水分划分为自由水、间隙水、吸附水和结合水4种形态，但这种划分目前没有定量测定的方法，因此在大多数对水分的定量测定中，简单地将污泥中的水分划分为自由水和束缚水^[4]。自由水不受污泥絮体束缚，可通过浓缩或机械脱水易于从污泥中分离出来；而束缚水与污泥絮体牢固的结合，束缚在污泥内及污泥絮体之间，难以通过机械力去除^[5]。束缚水的存在与污泥中的胞外聚合物(EPS)有着密切的联系。EPS是附着于污泥细菌细胞表面的不溶性有机物，除细胞和水分外的第三大类活性污泥组成物质^[6-7]，占活性污泥总有机质的50%~90%^[8]。EPS通过连接微生物细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，具有很强的水分结合能力^[9]。EPS主要成分是蛋白质和多糖，两者占EPS总量的70%~80%^[10-11]。按污泥有机物与细胞相的结合程度，EPS可分为黏液层EPS(slime EPS，S-EPS)、松散结合的EPS (loosely bound EPS，LB-EPS)和紧密结合的EPS(tightly bound EPS，TB-EPS)^[12-13] 3个层组。Jin等^[5]认为EPS中的蛋白质和糖类等聚合组分在提高污泥絮体结合水分的能力方面有重大贡献。在污泥脱水的研究中，国内外许多学者的研究结果都表明：投加表面活性剂可以提高污泥脱水性能^[14-19]。Chen等^[14-15]认为：与传统的FeCl₃和CaO调理相比，表面活性剂(十二烷基甜菜碱)处理可促进污泥中胞外聚合物(EPS)的释放，明显提高污泥的脱水性和过滤性。Yuan等^[16]利用电解法和表面活性剂调理处理污泥，结果表明：表面活性剂的加入有利于提高污泥滤液中EPS浓度，减小污泥黏度和Zeta电位。李恺等^[20]认为：表面活性剂主要通过破坏污泥结构和溶出EPS来改善污泥脱水性能。易欣等^[21]的研究结果表明：生物表面活性剂(鼠李糖脂)显著降低污泥水解液的表面张力，促进悬浮固体的溶解和胞外酶的溶出，提高污泥液相中蛋白质和糖类的浓度。目前的研究大多集中在探讨表面活性剂调理下污泥中EPS(特别是S-EPS)对污泥脱水性能的影响，而在污泥中EPS各层组(S-EPS，LB-EPS，TB-EPS)与束缚水的相互关系的相关研究较少。为此，本文作者采用阳离子表面活性剂(十二烷基二甲基苄基氯化铵)调理污泥，研究了表面活性剂对污泥滤饼含水率、束缚水含量的影响，EPS各层组中蛋白质、多糖的变化趋势，分析了各层组EPS与束缚水的相关性，并通过红外光谱表征了S-EPS中存在的有机官能团及其变化。

1  材料和方法

1.1  材料

污泥取自北京小红门污水处理厂污泥脱水车间(含水率为86%~88%)，调节污泥含水率至95%左右，作为实验用污泥，分析污泥基本性质后放在4 ℃冰柜中保存。实验用污泥的性质如表1所示，所有试验均在48 h内完成。

污泥调理剂为阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，化学式C₂₁H₃₈NCl，相对分子质量为340.00。

其他实验药品为：碳酸钠、氢氧化钠、硫酸铜、酒石酸钠、钨酸钠、钼酸钠、浓磷酸、浓硫酸、硫酸锂、葡萄糖、甲酸、乙酸、丙酸，均为分析纯。牛血清白蛋白为生化试剂。

表1  实验用污泥的性质

Table 1  Properties of sludge used in experiment

1.2  实验仪器

实验仪器为电子分析天平，AB104-N 型，梅勒特-托利多仪器(上海)有限公司生产；智能型混凝搅拌仪，MY-3000-6型，梅宇电器有限公司生产；电热鼓风干燥箱，DGF 2500 3C 型，重庆华茂仪器有限公司生产；循环水式多用真空泵，SHB-III 型，郑州长城科工贸有限公司生产；差示扫描量热仪(DSC)，404 F3 Pegasus型，德国NETZSCH公司生产；傅里叶变换红外光谱仪，IR-408型，日本岛津公司生产。

1.3  试验方法

1.3.1  表面活性剂调理污泥

将100 mL实验用污泥倒入150 mL烧杯中，分别加入十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，在搅拌强度100 r/min下搅拌10 min，静置30 min。取50 mL调理后的污泥置于装有定量滤纸的布氏漏斗中(直径150 mm)，在真空压力为-0.055 MPa的负压下进行抽滤脱水，以30 s内无滤液流下为脱水终点。

1.3.2  分析方法

(1) 滤饼含水率按如下公式计算：

W_C=[(m₁-m₂)/m₁]×100%         (1)

式中：W_C为滤饼含水率；m₁为滤后污泥饼质量；m₂为污泥在105 ℃下烘干至恒质量的泥饼质量。

(2) 污泥束缚水含量。采用差示扫描量热(DSC)法^[22]测量污泥絮体颗粒中束缚水含量。取一定量抽滤脱水后的污泥滤饼样品放入NETZSCH 404 F3 Pegasus型DSC分析仪，污泥样品以5 ℃/min的速率降温至-30 ℃，然后再以同样的速率升温至室温。在样品冷冻过程中，样品会向外释放热量，出现一个明显的放热峰，在升温阶段表现出一个明显的吸热峰。在极限温度-30 ℃下，束缚水不冻结，样品测定过程中释放的热量对应于自由水的含量。在105 ℃下干燥测定的总水量，与自由水量的差值即为束缚水含量，计算公式如下^[4]：

W_B=W_T-△H/△H₀              (2)

式中：W_B为束缚水含量，g·g^-1(g·g^-1表示每克干污泥中物质的质量，下同)；W_T为总水分含量，g·g^-1；△H为样品DSC吸热能；△H₀为冰的标准熔化热能，334.7 kJ/kg。

(3) EPS提取采用离心和超声波法^[23]。取调理后的污泥30 mL，以3 000 r/min的转速离心15 min后，收集的上清液为黏液层胞外聚合物(S-EPS)；沉淀物稀释到原体积(30 mL)，然后再以7 400 r/min转速离心15 min，收集的上清液经0.45 μm滤膜，过滤后其中的有机物为松散结合的胞外聚合物(LB-EPS)；所剩沉淀物稀释到原体积(30 mL)，先用超声波(20 kHz，480 W)处理10 min，再以15 000 r/min的转速离心20 min，收集的上清液经0.45 μm滤膜，过滤后其中的有机物为紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)。

(4) EPS含量测定。试验中测定污泥上清液中EPS含量，包括蛋白质、多糖。采用Folin-酚(Lowry)法^[24]测定胞外蛋白质含量；采用蒽酮比色法^[25]测定多糖含量。

(5) 污泥滤液中有机官能团变化。污泥滤液用红外灯低温(45~55 ℃)烘干，并用KBr压片后用傅立叶变换红外光谱仪测定。

(6) 相关性分析。Pearson相关性采用SPSS18.0软件分析。

2  结果与讨论

2.1  表面活性剂调理后污泥滤饼含水率及水分组成变化

如图1所示，随着表面活性剂(1227)投加量的增多，调理后污泥的脱水性能明显提高。污泥滤饼含水率由表面活性剂投加量为0 mg·g^-1时的79.36%降至表面活性剂投加量为150 mg·g^-1时的62.15%，降幅达17.21%。其中，表面活性剂投加量由56.25 mg·g^-1升至75 mg·g^-1时，污泥滤饼含水率有较大幅度降低，由71.45%降至65.78%，下降了5.67%。表面活性剂投加量大于75.00 mg·g^-1后，污泥滤饼含水率降低的趋势变缓。

图1  表面活性剂调理后的污泥滤饼含水率

Fig. 1  Water content of sludge with surfactant conditioning

污泥滤饼含水率的降低是由于污泥中束缚水含量的减少。束缚水凭借分子间力结合在污泥絮体中^[26]，被认为是机械脱水的上限，不能通过机械方法脱去。束缚水含量对污泥脱水性能有关键性影响，Colin和Gazbar^[27]认为：束缚水含量可直接用于衡量机械脱水的难易程度，束缚水越多，机械脱水越难，反之则越容易。表面活性剂调理后，污泥滤饼中组成见表2，束缚水含量如图2所示。可见：投加表面活性剂可明显降低污泥中束缚水含量，表面活性剂投加量由0 mg·g^-1增至75 mg·g^-1时，束缚水质量分数由3.24 g·g^-1快速降至1.58 g·g^-1，降幅达51.23%，继续增加表面活性剂投加量，束缚水含量减小的幅度变缓。束缚水含量的变化趋势与污泥滤饼含水率的减小趋势(图1)相吻合，说明污泥滤饼含水率的降低是表面活性剂作用下污泥中束缚水释放出来的结果。最终，当表面活性剂投加量为150 mg·g^-1时，束缚水含量减少至1.31 g·g^-1，降幅为59.57%。另外，污泥中仍有约40%的束缚水未能释放出来，一个较为合理的原因是这部分束缚水与污泥絮体以更强的化学键相结合，不易与表面活性剂作用而被释放溶入污泥液相中。

表面活性剂调理释放了污泥中的束缚水，污泥滤饼中的固体、自由水和束缚水含量的相对比例发生明显变化。从表2可以看出：表面活性剂调理后，污泥滤饼中束缚水质量分数大幅降低，由未调理污泥滤饼的66.29%降低至表面活性剂投加量为150 mg·g^-1时的50.21%，固体物质质量分数由20.46%增至38.24%，可知：污泥滤饼中总固体所占比例的上升和总含水率的下降的决定性因素是束缚水含量的变化。束缚水含量决定了污泥的脱水效果，表面活性剂调理大大降低污泥中的束缚水含量，从而地改善了污泥脱水效果，使污泥滤饼含水率降低。污泥滤饼自由水的比例一直保持在11%~13%之间，没有显著地变化，可见：污泥滤饼中自由水的存在是脱水操作过程中由于机械脱水强度的原因没有被去除，自由水被机械力去除的程度取决于脱水装置，与污泥调理的程度基本无关。

2.2  污泥中EPS含量变化

EPS的高亲水性使得污泥絮体中含有较多的束缚水，导致脱水性能下降，分析污泥中各EPS层组的变化有助于明确表面活性剂作用下束缚水释放机理。图3所示为污泥中蛋白质和多糖的分布及在表面活性剂调理过程中的变化。原污泥中蛋白质和多糖主要分布在TB-EPS层中，分别占污泥总蛋白质和多糖的85.74%和85.55%；在LB-EPS层中，蛋白质和多糖分别占4.03%和4.12%；在S-EPS层中，蛋白质和多糖分别占10.23%和10.32%。原污泥中蛋白质和多糖在污泥各层EPS中的分布是不同的，主要分布在TB-EPS层中，而在LB-EPS层和S-EPS层则分布较少。

图2  污泥滤饼中束缚水含量

Fig. 2  Bound water content in sludge cake

表2  污泥滤饼组成成分

Table 2  Composition of sludge cake

图3  污泥中EPS分布

Fig. 3  EPS distribution in sludge

表面活性剂调理后，污泥各层EPS中蛋白质和多糖含量发生了明显的变化(图2)。当表面活性剂投加量≤75 mg·g^-1时，随着表面活性剂投加量的增多，污泥TB-EPS层中蛋白质、多糖含量不断降低，分别由3 045 mg/L和602 mg/L降至1 737 mg/L和421 mg/L，降幅分别达到42.96%和30.07%，继续增大表面活性剂的投加量，TB-EPS层中蛋白质、多糖含量的降低幅度变小并趋于平缓。与此相对应的是，LB-EPS层、S-EPS层中蛋白质、多糖的含量随表面活性剂投加量的增大而增多。LB-EPS层中蛋白质、多糖的含量分别由143 mg/L和29 mg/L升至374 mg/L和65 mg/L(表面活性剂投加量为56.25 mg·g^-1)，增幅分别达161.54%和124.14%；S-EPS层中蛋白质、多糖的含量分别由363 mg/L和73 mg/L升至561 mg/L和120 mg/L(表面活性剂投加量为56.25 mg·g^-1)，增幅分别达54.55%和64.38%，表面活性剂的投加量＞56.25 mg·g^-1后，增大药剂量对提高LB-EPS和S-EPS中蛋白质、多糖含量的促进作用变小。

表面活性剂具有分散、增溶作用，分散作用使污泥絮体对TB-EPS层、LB-EPS层的束缚作用减弱，部分TB-EPS转变为LB-EPS、S-EPS，LB-EPS转变为S-EPS；增溶作用将有高度水合性的不溶态EPS(TB-EPS、LB-EPS)转化为可溶态EPS(S-EPS)，从污泥絮体表面剥落进入污泥液相，EPS中原本结合的束缚水变为自由水，提高了污泥的脱水效果。这与表面活性剂作用下污泥中TB-EPS含量降低、LB-EPS和S-EPS含量升高的同时束缚水含量随之降低的结果相一致(见图2和图3)。

2.3  EPS对束缚水含量的影响

污泥各层组EPS的分布对束缚水含量有重要影响，各层EPS中蛋白质、多糖与束缚水含量的Pearson相关系数如表3所示。S-EPS层中蛋白质、多糖含量与束缚水含量呈负相关(R＞-0.887, p＜0.01及R＞-0.913，p＜0.01)。LB-EPS层中蛋白质、多糖含量与束缚水含量也呈负相关(R＞-0.917，p＜0.01及R＞-0.889，p＜0.01)。与S-EPS、LB-EPS相比，TB-EPS层中蛋白质、多糖与束缚水含量具有显著正相关(R＞0.976，p＜0.01及R＞0.983，p＜0.01)。

相关性分析表明，S-EPS，LB-EPS和TB-EPS均与束缚水有很强的相关性，S-EPS，LB-EPS层中蛋白质、多糖含量升高，或TB-EPS层中蛋白质、多糖含量降低时，可导致污泥中束缚水含量的降低。未调理污泥中，TB-EPS含量占总EPS含量的比例＞85%，且在表面活性剂作用下，TB-EPS层中蛋白质、多糖含量降低导致了S-EPS和LB-EPS层中蛋白质、多糖含量的升高(图3)，因此可以判断大部分束缚水结合在TB-EPS层中，TB-EPS含量的是影响污泥束缚水的主要因素。

表3  污泥各层组EPS中蛋白质、多糖与束缚水的Pearson相关系数(n=9)

Table 3  Coefficients of Pearson correlation between protein, polysaccharide and bound water

2.4  污泥S-EPS中有机官能团变化

不同量表面活性剂调理下所提取所得的污泥S-EPS的红外光谱如图4所示。未调理污泥中的S-EPS分别在3 394，2 926，1 636，1 428，1 088 cm^-1处出现较为明显的吸收峰，在3 394 cm^-1附近范围内出现的强宽峰可能是由于O—H伸缩振动引起的，表明S-EPS中有多糖的存在；在2 926 cm^-1处的吸收峰，是亚甲基上CH₂的对称伸缩振动，可能有脂类存在；在1 636 cm^-1处，可以看到一个强肩峰，这代表样品中存在C=O的伸缩振动，表明存在酰胺Ⅰ(蛋白质肽键)；1 428 cm^-1处出现一个小肩峰，是C=O的伸缩振动引起的，说明有羧基存在；1 088 cm^-1处产生的强肩峰表明了S-EPS中多聚糖类物质的存在，因为该范围内的吸收峰是C—O—C伸缩震动的表现。

投加表面活性剂后，红外图谱中大部分吸收峰  (3 394，1 636，1 428，1 088 cm^-1)的峰强大幅增加，官能团含量增多。酰胺、多(聚)糖(3 394，1 636，1 088 cm^-1)含量的增加说明在表面活性剂作用下，有大量蛋白质和多糖由不溶态转变为溶解态，进入污泥液相中，这与前面TB-EPS含量减少、S-EPS含量增多实验结果相一致。羧基(1 428 cm^-1处)含量的大幅增加表明，TB-EPS和LB-EPS在溶解剥落的同时还发生了水解，产生了羧酸、羧酸盐等小分子有机物，这与甄广印等^[28]的结果相一致。同时由图4 可以看出：当表面活性剂投加量≥37.5 mg·g^-1时，在1 511和1 348 cm^-1处附近出现2个新的特征峰。在1 511 cm^-1附近的小尖峰是酰胺Ⅱ(蛋白质肽键)的吸收峰，也有文献指出这可能是N—H振动及酰胺类的C=H伸展^[29]，新蛋白质肽键吸收峰的出现表明T-EPS和LB-EPS层中蛋白质的种类与S-EPS层存在差别，更多新的种类的蛋白质由不溶态变为可溶态，束缚水得到进一步释放。1 348 cm^-1处附近的小肩峰是由C=O弯曲振动及OH弯曲振动引起的，即存在羧酸、醇和酚类物质，表明EPS发生了进一步的水解。表面活性剂在溶解剥落污泥絮体上结合型胞外聚合物的同时，还具有促进污泥中大分子有机物(蛋白质、多糖)水解为相对分子质量较低的有机物的作用，促进污泥中束缚水的释放。

图4  污泥S-EPS的傅里叶红外谱图

Fig. 4  FTIR spectra of S-EPS

3  结论

(1) 阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)可有效降低污泥中束缚水的含量，提高污泥脱水效果。表面活性剂投加量为75 mg·g^-1时，束缚水含量由3.24 g·g^-1降至1.58 g·g^-1，降幅达51.23%，污泥滤饼含水率降至65.78%。

(2) 束缚水与TB-EPS层中蛋白质和多糖存在显著的正相关性，TB-EPS占污泥胞外聚合物总量的比例＞85%，是影响污泥束缚水的主要因素。表面活性剂作用下部分TB-EPS转变为LB-EPS、S-EPS，不溶态EPS转化为可溶态EPS从污泥絮体表面剥落进入污泥液相，束缚水得到释放。

(3) 表面活性剂的加入使污泥S-EPS层中有机官能团的总量和种类都有明显增多，羧酸(盐)、醇和酚类物质的出现表明EPS发生了一定程度的水解。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-08-10；修回日期：2013-10-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104009)；北京市科技新星计划项目(Z111106054511043)；北京市优秀人才培养项目(2012D009006000003)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-12-011 B)；昆明市科技计划项目(2012-02-09-A-G-02-0001)；广东省教育部产学研结合项目 (2011B090400629)

通信作者：邢奕(1976-)，男，山西太原人，副教授，从事市政污泥处理与资源化研究；电话：010-62332206；E-mail：xingyi@ustb.edu.cn