吐温80与氢氧化钠耦合污泥溶胞及生物水解酸化特性研究_吕学斌
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表1 原污泥的上清液和 EPS 中蛋白质和 DNA 浓度 Table 1 Concentrations of protein and DNA in
吐温 80 与 氢 氧化 钠耦合 污 泥溶胞 及生物水 解 酸 化 特性 研究
吕学斌， 支苏丽， 张云霞， 张书廷
*
天津大学环境科学与工程学院， 天津 300072 摘 要: 采用吐温 80 与氢氧化钠耦合进行污泥溶胞， 当污泥溶胞时间为 15 min 时， 污泥上清液中蛋 白 质 与 DNA 浓
显示细胞 壁 已得到有 效 破 解， 胞 内 的 蛋 白 质 与 DNA 溶出 进入 水 度较初始上清液中分别提高了 32. 5 倍和 15. 8 倍， 相。而且， 溶胞后污泥的水解酸化过程中挥发性脂肪酸( VFAs) 和氨 氮 产量 随着 吐温 80 浓度 的 增 大 和 酸化 时 间的 延长 而 增 加 ， 这表明吐温 80 的加入促进了水解酸化菌对蛋白质和碳水化合物的分解。酸化进行 24 h 时， 不同 条 件 下系统的 pH 均达到 7. 4 左右， 此后系统进入稳定运行阶段。 关键词: 吐温 80 ; 氢氧化钠; 污泥溶胞; 水解酸化 中图分类号: X799. 3 文献标识码: A DOI: 10. 3969 / j． issn． 1674 － 991X． 2011. 06. 079
Research on Characteristic of Biological Hydrolysis and Acidification of Excess Sludge after Lysis by Combining Tween80 and Sodium Hydroxide
L Xuebin，ZHI Suli，ZHANG Yunxia，ZHANG Shuting
Fig． 1
图1
溶胞后污泥水解酸化试验装置 acidification after sludge lysis
The experimental device for hydrolysis and
水解酸化 试 验 分 4 组 进 行: 第 1 组 单 独 调 污泥 初始 pH 为 11. 5 ， 作为对照组; 其余 3 组先 投加吐温 80 ， 1 和 2 g / L， 投加量分别为 0. 1 ， 反应 15 min 后 再 调节 pH 为 11. 5 。经过 30 min 充 分溶胞 后， 按照 接 种泥∶ 溶胞泥 为 200 ∶800 分 别 加 入 水解酸化 反应器 中， 温度设为 36 ℃ ， 厌氧水解酸化时间为 72 h， 考察 水解酸化过程 中 挥 发 性 脂肪 酸 ( VFAs ) ， 氨 氮 及 pH 的变化情况。 1. 3 分析方法 污泥上清液 pH 采用雷 磁 pHS － 3C 精密 pH 计 COD Cr 采 用 KDB － Ⅲ 型 COD 微 波 消 解 进行测 定， 仪
第6 期
吕学斌等: 吐温 80 与氢氧化钠耦合污泥溶胞及生物水解酸化特性研究
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年来， 越来越多的研究开始着眼于污泥源头减量化， 与之 相 应 的 技 术 研 发 也 日 益 成 为 国 内 外 的 研 究 热点。 通 常， 污泥源 头 减量化 包括 溶胞 阶段和 生物 转 ［1 ］ 化阶段， 溶胞 是 速 率 限 制 步 骤 。 因此， 高 效低 成 本污泥细胞溶解及其降解转化技术是实现剩余污泥 减量化的关键所在。目前常用的污泥溶胞方法包括 臭氧溶胞法
［8 ］
+ 硫酸亚铁铵滴定方法测定， 蛋白质和 DNA 浓
［9 ］ 度的测定分别采用 Folin － 酚试剂 法 ( Lowry ) 和二 ［9 ］ ［10 ］ 苯胺法 ， 氨氮参照国家环境保护标准 方法 进 行
测定。
1
1. 1
材料及方法
装置
［11 ］ 胞外聚 合物 ( EPS ) 提 取 采 用 热 处理方法 : 将
溶胞后污泥用厌氧水解酸化试验装置( 图 口 瓶， 污泥 体 积 为 1 000 mL， 反应器置于水浴槽中， 通过恒温电加 热棒控制反应器内温 度为 ( 36 ± 1 ) ℃ ， 采 用 磁力搅 拌器( 天津 市欧 诺 仪 器 仪 表有 限公司 ) 对 反应 物 连 续搅拌。取样时， 从氮气入口通入氮气， 利用氮气压 力将污泥样从取样口压出， 每次取样约 80 mL。 1. 2 试验方法 取一定 量的污泥， 用 5 mol / L NaOH 调节初 始 pH 为 11. 5 ， 在吐温 80 投加量为 100 mg / L 的条件下 对污泥进行溶胞处理， 测 定 不同 时 间 下 污泥 上 清 液 pH， 蛋白质和 DNA 的浓度变化。
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环境工程技术学报
第1 卷
初始温度为 110 ℃ ， 以 10 ℃ / min 升 温 至 150 ℃ ， 保 5 min 。 VFAs 、 、 、 、 持 浓度为乙醇 乙酸 丙酸 异丁酸 丁 酸、 异戊酸和戊酸浓度的总和。
给出了污泥 破 壁 前上 清 液 和 污泥 EPS 中的 蛋 白 质 和 DNA 的浓度 值。 这 些 浓度 值 是 判 断 污泥溶胞效 果的背景数据。
School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072 ，China
Abstract : Tween80 coupled with sodium hydroxide was used to promote the effect of sludge lysis． When the sludge lysis time was 15 min，the concentrations of protein and DNA in the supernatant were respectively 32． 5 and 15． 8 times higher than those in the initial supernatant． This indicated that the cell wall had been cracked and the intracellular protein and DNA had been extracted into the supernatant． Moreover，the concentrations of VFAs and NH3 N increased with the increase of the concentration of Tween80 and time during the acidification of the sludge after lysis． The results showed that the addition of Tween80 could contribute significantly to the hydrolyzing effect of proteins and carbohydrates by acidification bacteria． After 24 h of acidification，the pH under different conditions was close to 7． 4 ，and then the system went into a stable operation． Key words: Tween80 ; sodium hydroxide; sludge lysis; hydrolysis and acidification 近 年 来， 随着 我 国 经 济 的 高速 发 展 和 城 市 化 进 程的加快， 污水处理厂急速增加， 与此相伴产生了大 量的剩余污泥。 由 于 污泥 无 害 化处理处 置成 本 高， 且处理不当会形成新的污染， 因此， 剩余污泥的处理 处置己成为我国城市化过程中亟待解决的重大环境 问题。 剩余污泥处理与处置的首要原则就是污泥源头 减量。传统的污泥减量 主 要采 用 浓 缩、 脱 水 和 干燥 降低污泥的含水率， 进而减少污泥容积， 以便后续的 污泥运输和处 置。 这 种 传 统 的污泥 末 端 处理技术， 处理费用昂贵， 且 无 法 从 根 本 上 减 少 污泥的 干 物 质 ， 量 对后续的污泥处置依然带来巨大压力。因此， 近
Vol． 1 ，No． 6 Nov． ， 2011
环 境 工 程 技 术 学 报 Journal of Environmental Engineering Technology
第 1 卷， 第6 期 2011 年 11 月
文章编号: 1674 － 991X( 2011 ) 06 － 0474 － 05
收稿日期: 2011 － 04 － 25 基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863 计划) 项目( 2007AA06Z347 ) xbltju@ tju． edu． cn 作者简介: 吕学斌( 1980 —) ， 男， 讲师， 博士， 主要从事污泥减量以及生物质能源转化与利用方面的研究， zhangst@ tju． edu． cn * 责任作者: 张书廷( 1956 —) ， 男， 教授， 博士， 主要从事污泥减量以及生物质能源转化与利用方面的研究，
预处理过的活性污泥移至装有磷酸盐缓冲液锥形瓶 中， 用 80 ℃ 的水 浴 加 热 处理， 每 10 min 取 样 1 次， 将取出的 混 合物 于 10 000 r / min 下 离 心 15 min， 上 清液为含有 EPS 的溶液。 VFAs 浓度测 定 方法［12］: 取 适 量污泥 混 合液 于 10 000 r / min 下 离 心 30 min， 取 上 清 液用 0. 45 μm 的滤膜进行真空抽滤， 滤 液用 25% 的 偏 磷 酸溶液 调 节 pH 小 于 3 。 采 用 气 相色 谱 仪 ( SP － 6890 ) ， 氢火 AT － FFAP 毛 细 色 谱柱 ( 30 m × 0. 32 mm 焰检测器， × 0. 5 μm) 进行气 相色 谱 测 定 ( 均 由 山 东 鲁 南瑞 虹 化工仪器有限公司制造) 。试 验 设 定 柱 头 压 为 0. 12 MPa， 氢气压为 0. 5 MPa， 空气压 为 1. 1 MPa， 气化室 和检测器的温度 均 为 220 ℃ 。 柱 温 采 用 程 序升 温，
吐温 80 与 氢 氧化 钠耦合 污 泥溶胞 及生物水 解 酸 化 特性 研究
吕学斌， 支苏丽， 张云霞， 张书廷
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天津大学环境科学与工程学院， 天津 300072 摘 要: 采用吐温 80 与氢氧化钠耦合进行污泥溶胞， 当污泥溶胞时间为 15 min 时， 污泥上清液中蛋 白 质 与 DNA 浓
显示细胞 壁 已得到有 效 破 解， 胞 内 的 蛋 白 质 与 DNA 溶出 进入 水 度较初始上清液中分别提高了 32. 5 倍和 15. 8 倍， 相。而且， 溶胞后污泥的水解酸化过程中挥发性脂肪酸( VFAs) 和氨 氮 产量 随着 吐温 80 浓度 的 增 大 和 酸化 时 间的 延长 而 增 加 ， 这表明吐温 80 的加入促进了水解酸化菌对蛋白质和碳水化合物的分解。酸化进行 24 h 时， 不同 条 件 下系统的 pH 均达到 7. 4 左右， 此后系统进入稳定运行阶段。 关键词: 吐温 80 ; 氢氧化钠; 污泥溶胞; 水解酸化 中图分类号: X799. 3 文献标识码: A DOI: 10. 3969 / j． issn． 1674 － 991X． 2011. 06. 079
Research on Characteristic of Biological Hydrolysis and Acidification of Excess Sludge after Lysis by Combining Tween80 and Sodium Hydroxide
L Xuebin，ZHI Suli，ZHANG Yunxia，ZHANG Shuting
Fig． 1
图1
溶胞后污泥水解酸化试验装置 acidification after sludge lysis
The experimental device for hydrolysis and
水解酸化 试 验 分 4 组 进 行: 第 1 组 单 独 调 污泥 初始 pH 为 11. 5 ， 作为对照组; 其余 3 组先 投加吐温 80 ， 1 和 2 g / L， 投加量分别为 0. 1 ， 反应 15 min 后 再 调节 pH 为 11. 5 。经过 30 min 充 分溶胞 后， 按照 接 种泥∶ 溶胞泥 为 200 ∶800 分 别 加 入 水解酸化 反应器 中， 温度设为 36 ℃ ， 厌氧水解酸化时间为 72 h， 考察 水解酸化过程 中 挥 发 性 脂肪 酸 ( VFAs ) ， 氨 氮 及 pH 的变化情况。 1. 3 分析方法 污泥上清液 pH 采用雷 磁 pHS － 3C 精密 pH 计 COD Cr 采 用 KDB － Ⅲ 型 COD 微 波 消 解 进行测 定， 仪
第6 期
吕学斌等: 吐温 80 与氢氧化钠耦合污泥溶胞及生物水解酸化特性研究
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年来， 越来越多的研究开始着眼于污泥源头减量化， 与之 相 应 的 技 术 研 发 也 日 益 成 为 国 内 外 的 研 究 热点。 通 常， 污泥源 头 减量化 包括 溶胞 阶段和 生物 转 ［1 ］ 化阶段， 溶胞 是 速 率 限 制 步 骤 。 因此， 高 效低 成 本污泥细胞溶解及其降解转化技术是实现剩余污泥 减量化的关键所在。目前常用的污泥溶胞方法包括 臭氧溶胞法
［8 ］
+ 硫酸亚铁铵滴定方法测定， 蛋白质和 DNA 浓
［9 ］ 度的测定分别采用 Folin － 酚试剂 法 ( Lowry ) 和二 ［9 ］ ［10 ］ 苯胺法 ， 氨氮参照国家环境保护标准 方法 进 行
测定。
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材料及方法
装置
［11 ］ 胞外聚 合物 ( EPS ) 提 取 采 用 热 处理方法 : 将
溶胞后污泥用厌氧水解酸化试验装置( 图 口 瓶， 污泥 体 积 为 1 000 mL， 反应器置于水浴槽中， 通过恒温电加 热棒控制反应器内温 度为 ( 36 ± 1 ) ℃ ， 采 用 磁力搅 拌器( 天津 市欧 诺 仪 器 仪 表有 限公司 ) 对 反应 物 连 续搅拌。取样时， 从氮气入口通入氮气， 利用氮气压 力将污泥样从取样口压出， 每次取样约 80 mL。 1. 2 试验方法 取一定 量的污泥， 用 5 mol / L NaOH 调节初 始 pH 为 11. 5 ， 在吐温 80 投加量为 100 mg / L 的条件下 对污泥进行溶胞处理， 测 定 不同 时 间 下 污泥 上 清 液 pH， 蛋白质和 DNA 的浓度变化。
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环境工程技术学报
第1 卷
初始温度为 110 ℃ ， 以 10 ℃ / min 升 温 至 150 ℃ ， 保 5 min 。 VFAs 、 、 、 、 持 浓度为乙醇 乙酸 丙酸 异丁酸 丁 酸、 异戊酸和戊酸浓度的总和。
给出了污泥 破 壁 前上 清 液 和 污泥 EPS 中的 蛋 白 质 和 DNA 的浓度 值。 这 些 浓度 值 是 判 断 污泥溶胞效 果的背景数据。
School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072 ，China
Abstract : Tween80 coupled with sodium hydroxide was used to promote the effect of sludge lysis． When the sludge lysis time was 15 min，the concentrations of protein and DNA in the supernatant were respectively 32． 5 and 15． 8 times higher than those in the initial supernatant． This indicated that the cell wall had been cracked and the intracellular protein and DNA had been extracted into the supernatant． Moreover，the concentrations of VFAs and NH3 N increased with the increase of the concentration of Tween80 and time during the acidification of the sludge after lysis． The results showed that the addition of Tween80 could contribute significantly to the hydrolyzing effect of proteins and carbohydrates by acidification bacteria． After 24 h of acidification，the pH under different conditions was close to 7． 4 ，and then the system went into a stable operation． Key words: Tween80 ; sodium hydroxide; sludge lysis; hydrolysis and acidification 近 年 来， 随着 我 国 经 济 的 高速 发 展 和 城 市 化 进 程的加快， 污水处理厂急速增加， 与此相伴产生了大 量的剩余污泥。 由 于 污泥 无 害 化处理处 置成 本 高， 且处理不当会形成新的污染， 因此， 剩余污泥的处理 处置己成为我国城市化过程中亟待解决的重大环境 问题。 剩余污泥处理与处置的首要原则就是污泥源头 减量。传统的污泥减量 主 要采 用 浓 缩、 脱 水 和 干燥 降低污泥的含水率， 进而减少污泥容积， 以便后续的 污泥运输和处 置。 这 种 传 统 的污泥 末 端 处理技术， 处理费用昂贵， 且 无 法 从 根 本 上 减 少 污泥的 干 物 质 ， 量 对后续的污泥处置依然带来巨大压力。因此， 近
Vol． 1 ，No． 6 Nov． ， 2011
环 境 工 程 技 术 学 报 Journal of Environmental Engineering Technology
第 1 卷， 第6 期 2011 年 11 月
文章编号: 1674 － 991X( 2011 ) 06 － 0474 － 05
收稿日期: 2011 － 04 － 25 基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863 计划) 项目( 2007AA06Z347 ) xbltju@ tju． edu． cn 作者简介: 吕学斌( 1980 —) ， 男， 讲师， 博士， 主要从事污泥减量以及生物质能源转化与利用方面的研究， zhangst@ tju． edu． cn * 责任作者: 张书廷( 1956 —) ， 男， 教授， 博士， 主要从事污泥减量以及生物质能源转化与利用方面的研究，
预处理过的活性污泥移至装有磷酸盐缓冲液锥形瓶 中， 用 80 ℃ 的水 浴 加 热 处理， 每 10 min 取 样 1 次， 将取出的 混 合物 于 10 000 r / min 下 离 心 15 min， 上 清液为含有 EPS 的溶液。 VFAs 浓度测 定 方法［12］: 取 适 量污泥 混 合液 于 10 000 r / min 下 离 心 30 min， 取 上 清 液用 0. 45 μm 的滤膜进行真空抽滤， 滤 液用 25% 的 偏 磷 酸溶液 调 节 pH 小 于 3 。 采 用 气 相色 谱 仪 ( SP － 6890 ) ， 氢火 AT － FFAP 毛 细 色 谱柱 ( 30 m × 0. 32 mm 焰检测器， × 0. 5 μm) 进行气 相色 谱 测 定 ( 均 由 山 东 鲁 南瑞 虹 化工仪器有限公司制造) 。试 验 设 定 柱 头 压 为 0. 12 MPa， 氢气压为 0. 5 MPa， 空气压 为 1. 1 MPa， 气化室 和检测器的温度 均 为 220 ℃ 。 柱 温 采 用 程 序升 温，
