一种投加微生物絮凝剂改善活性污泥脱水性能的方法

技术领域

本发明涉及一种投加微生物絮凝剂改善活性污泥脱水性能的方法，专注于一种产絮菌的分离、纯化和 筛选，及其在活性污泥脱水中的应用，属于环境工程和污泥处理技术领域。

背景技术

活性污泥是市政污水处理的副产品，随城市和工业污水处理规模的扩张，剩余污泥产量逐年增加。2010 年我国污水厂产泥约2170万t(以含水率80％计)，大量污泥的无害化处置日益成为环保领域的一大难题。 剩余污泥含水率高，脱水性能差，含有大量难降解有机物、重金属，以及少量病原微生物和寄生虫卵等， 通常达不到后续填埋、焚烧处置的要求，导致污泥运输成本和处置难度过高。

较高的含水率是制约污泥减量化与资源化的主要制约因素，采取物理、化学或生物方法调理污泥以改 善脱水效果，是减少污泥体积、降低处置和再利用成本的有效途径。目前已有将电解、酸处理、超声、微 波、冷融等物理手段应用于污泥脱水，但物理脱水方法能耗、费用过高，限制了其在水处理领域的大规模 推广。化学氧化技术也逐渐应用于提高污泥的脱水效果，例如，由Fe²⁺和H₂O₂组成的强氧化性溶液Fenton 试剂，应用于调理污泥可有效降解有机物，溶解和破坏EPS结构，释放细胞内部水。

投加化学调理剂(例如，铝盐、聚丙烯酰胺、表面活性剂等)调理污泥，也能够改变污泥的絮体结构， 达到改善污泥的脱水性能的目的。污泥化学调理操作简单、效果稳定，在实际污水处理实践中被广泛使用。 其中，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是使用最广泛的一种化学型絮凝剂，但是，CPAM产生难降解的中间 产物，且具有神经毒性和致癌性，会导致水体的二次污染；无机絮凝剂如聚合氯化铝(PAC)等会造成水 中铝浓度升高，诱发老年痴呆症等疾病，生态健康风险上升。

微生物絮凝剂(Microbial flocculants，MBF)指微生物代谢过程中分泌的具有絮凝活性的天然高分子 物质，包括酸性多糖、蛋白质、脂肪和核酸等成分。相对传统的有机和无机絮凝剂，微生物絮凝剂由于具 有成本低廉、高效安全等优势，成为近年来受到普遍关注的环境友好型水处理剂。诸多研究借助光谱、色 谱等分析化学手段，研究微生物絮凝剂的纯化、官能团及组分鉴定，并对其絮凝机理作出推测，或以絮凝 剂发酵动力学特征为切入点，探讨微生物絮凝剂生产和活性优化。微生物絮凝剂在重金属废水，厌氧废水， 低温废水、印染废水等的应用均达到良好处理效果，但在改善污泥脱水方面的涉及较少，且鲜有克雷伯氏 菌产微生物絮凝剂调理污泥的报道。

已有专利CN101367597A公开了一种用于污泥脱水的絮凝剂及污泥脱水方法，涉及的絮凝剂为聚合氯 化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)复合而成，为典型的无机-有机复合絮凝剂，应用于调理污泥脱水时生 产成本高，又无法避免传统絮凝剂应用中带来的二次污染和健康风险等问题。微生物絮凝剂与有机高分子 絮凝剂CPAM类似，链状结构可有效促进架桥的形成，分子上的活性基团(-OH-，-COO-，-CONH₂-，-NH- 等)为悬浮颗粒提供吸附位点，破坏污泥胶体的分散结构，颗粒凝聚并相互结合成较大絮体。另外，微生 物絮凝剂通过范德华力和氢键作用，压缩胶体表面双电层，在吸附架桥和压缩双电层的联合作用下，达到 改善剩余活性污泥脱水效果的目的。

活性污泥含水率高，盐度高，且微生物群落组成复杂。污泥盐度对微生物生长和胞内脂类含量密切相 关，间接影响微生物絮凝剂的活性，对污泥脱水效果的影响显著。已公开专利(CN101225405A)涉及一 种微生物絮凝剂的生产和使用方法，以淀粉废水和复合氮源培养微生物，所选菌种为纯化后光密度为 1.5～1.8的克雷伯氏菌属种子液，并将产生的微生物絮凝剂用于高浊度废水处理。该专利未涉及克雷伯氏菌 产絮凝剂在污泥脱水中的应用，且直接扩大培养纯化后的菌株会受污泥盐度等特性的影响，其絮凝活性收 到一定程度的制约。本发明涉及的菌种分离、筛选自污水处理厂浓缩池，并将其发酵产生的微生物絮凝剂 用于该污水厂污泥处理，对污泥环境适应性良好，更好地保证改善污泥脱水效果。

发明内容

1.发明目的

本发明专利针对城市和工业污水处理厂剩余污泥脱水性能差、泥饼后续处理处置成本较高的现状，克 服传统无机和有机高分子絮凝剂在应用中引发的环境风险，提供一种投加微生物絮凝剂调理污泥的方法， 以改善剩余活性污泥的脱水性能，在避免二次污染等问题的同时，达到实现污泥减量化、资源化处置的目 的。

2.技术方案

本发明专利提供一种投加微生物絮凝剂改善活性污泥脱水性能的方法，主要的技术方案如下：

(1)污泥微生物的分离纯化

污泥样品稀释10²～10⁸的不同浓度梯度后，用涂布平板法将污泥微生物接种于琼脂培养基。接种后在 25～30℃恒温培养箱中培养2～3d，在平板培养基上分离得到多种微生物菌落。平板划线法挑取菌落于培 养皿进行扩大培养。重复上述步骤，经3～5次分离纯化后得不同菌落形态的微生物，接种到斜面培养基上， 于4℃冰箱储藏。

(2)絮凝剂产生菌的筛选

分离纯化后的菌株接种在液体培养基中，接种后的培养液在25～40℃恒温摇床振荡培养2～3d，在 4000～5000r/min离心15～30min以去除细胞体，上清液即为液体微生物絮凝剂。以发酵上清液对2～5g/L 高岭土悬浊液的絮凝率(Fr)为指标，筛选得稳定的高活性絮凝剂产生菌。

(3)微生物絮凝剂的提取

取纯化、筛选后的产絮凝剂菌株从斜管培养基，接种至装有50mL液体培养基的锥形瓶，置于25～40℃ 恒温摇床发酵，100～200r/min的转速下振荡发酵培养2～3d。发酵液在4000～5000r/min离心30min，上清 液旋蒸后投加2～4倍体积的冷冻的无水乙醇，于4℃冰箱中静置12～24h。4000～5000r/min离心30min， 沉淀粗品溶于去离子水中，投加2％的氯化十六烷基吡啶(CPC)，微生物絮凝剂和十六烷基吡啶的复合沉 淀重新溶解于0.5mol/L的NaCl溶液，加入2～4倍体积的预冷的无水乙醇，沉淀析出后用丙酮洗涤2～3次， 冷冻干燥得纯化后的微生物絮凝剂固体样品。

(4)投加微生物絮凝剂调理污泥脱水

上述步骤直接从污泥样品中纯化、筛选得到克雷伯氏菌，考察其应用在调理活性污泥时，在改善污泥 脱水性能方面的效果。活性污泥样品投加微生物絮凝剂后，在磁力搅拌器400～500r/min快搅30～60s， 100～200r/min慢搅3～6min，移至污泥比阻仪，在0.04～0.2MPa的真空度条件下恒压抽滤。

3.本发明的创新性

本发明专利涉及的一种投加微生物絮凝剂改善活性污泥脱水性能的方法，与现有的剩余污泥脱水方法、 工艺相比，创新性如下：

(1)本发明直接从污水厂活性污泥筛选微生物絮凝剂产生菌，产絮凝剂菌株来源广泛，涂布平板 法接种后在25～30℃恒温培养箱中培养2～3d，重复纯化3～5次即可分离、纯化大量不同类型的菌株， 菌株生长代谢快，分离纯化的周期短，易于操作，可适应规模化生产。

(2)以菌株对高岭土悬浊液的絮凝率(Fr)为指标，从上述步骤纯化后的菌株中，筛选的高活性 MBF产生菌对高岭土悬浊液的絮凝率在90％以上。高岭土悬浊液与污泥的絮凝脱水结果保持高度一 致性，保证筛选的菌株在实际应用于污泥调理时对脱水的改善效果。

(3)絮凝率Fr测定时，并未选择去离子水而是选取新鲜培养基为空白，有效排除液体培养基本身 絮凝作用对MBF絮凝活性的干扰，更准确地反映微生物絮凝剂的活性。

(4)筛选得到的产絮菌在温度为25～40℃，100～200r/min的转速下振荡发酵培养2～3d，微生物絮 凝剂培养温度为常温条件，转速和能耗较低而易于实现，相对化学絮凝剂的生产成本大大降低。

(5)纯化后的絮凝剂产生菌对pH值、温度等保持良好的絮凝稳定性，在pH值为4～8范围内絮凝 活性在80％以上，在温度为20～60℃的范围内保持在60％以上，对外界条件如污泥pH负荷等表现良 好的耐受性，微生物絮凝剂具有广泛的应用范围。

(6)本专利涉及的微生物絮凝剂样品提取采取冷冻乙醇析出法，简便易行且耗时较短，絮凝剂产 量高，1000mL发酵上清液可提取出约1.68g的絮凝剂粗品。

(7)投加克雷伯氏菌絮凝剂调理活性污泥后，污泥比阻(SRF)和含水率分别降低至4.66×10¹²m/kg 和83.74％，污泥脱水性能显著改善，且微生物絮凝剂的脱水效果优于无机絮凝剂硫酸铝、聚合氯化铝 (PAC)等，脱水后污泥运输和处理费用减少。

(8)本专利首次将克雷伯氏菌生产的微生物絮凝剂(MBF)应用于活性污泥脱水，并对污泥脱水 效果具有显著改善作用，该污泥脱水方法投资运行成本低廉，可为剩余污泥处理处置提供新的思路。。

(9)筛选的产絮凝菌对污泥盐度、pH值等适应性良好，更好地保证改善污泥脱水效果。且具有易 生物降解、高效无毒等突出优点，可避免化学絮凝剂的二次污染等问题，是具有广阔的应用前景的新 型高效絮凝剂。

附图说明

附图1为絮凝剂产生菌株的扫描电镜(SEM)形态。

附图2为微生物絮凝剂的pH和热稳定性。

附图3为污泥比阻测定装置示意图。

附图4为微生物絮凝剂(MBF)调理对污泥脱水效果的影响。

附图5为微生物絮凝剂(MBF)与常规絮凝剂的污泥脱水效果比较。

具体实施方式

本发明所述的一种投加微生物絮凝剂以改善剩余活性污泥脱水性能的方法，具体实施运行时，供试污 泥样品取自长三角地区某城市生活污水厂浓缩池，该污水厂采用A²/O脱氮除磷处理工艺，设计流量为10 万t/d，实际进水为6万t/d，剩余废弃污泥产量40～45t/d。废水主要为生活污水(70％～80％)，工业废水 主要是电子厂、铜锌电镀厂、蓄发电池生产厂产生的废水，浓缩池污泥脱水工艺：投加聚丙烯酰胺(PAM) 调理后，进行带式压滤脱水。供试污泥基本特征如表1。

表1供试污泥样品基本特征

污泥样品在无菌操作台上，依次稀释不同浓度梯度(10²～10⁸)，涂布平板法将污泥中微生物接种于1 和II不同类型的琼脂培养基上，其中培养基I组成：KCl0.5g/L、NaNO₃2g/L、FeSO₄0.01g/L、K₂HPO₄1g/L、 MgSO₄0.5g/L、蔗糖30g/L、琼脂20g/L；培养基II组成：牛肉膏3g/L、蛋白胨10g/L、NaCl5g/L、琼脂 20g/L，120℃高压蒸汽灭菌30min。接种后培养皿倒置，在28℃生化培养箱恒温培养48h，在平板培养 基上分离得到多种微生物菌落。平板划线法挑取菌落于玻璃培养皿，重复上述步骤4次，得不同形态分离 纯化后的微生物菌株，接种到斜面培养基上，于4℃冰箱储藏。

液体培养基I组成：KCl0.5g/L、NaNO₃2g/L、FeSO₄0.01g/L、K₂HPO₄1g/L、MgSO₄0.5g/L、蔗糖30g/L； 液体培养基II组成：牛肉膏3g/L、蛋白胨10g/L、NaCl5g/L，120℃高压蒸汽灭菌30min。从斜面培养 基上挑取纯化菌株，接种在灭菌后的液体培养基I和II中，37℃恒温摇床振荡培养50h，5000r/min离心 30min，离心后的上清液对4g/L高岭土悬浊液的絮凝率(Fr)为指标，筛选高活性絮凝剂产生菌。

经上述分离、筛选步骤由培养基I培养得到高活性絮凝剂，对高岭土悬浊液的絮凝活性为91.70％，菌 株在琼脂培养基上呈乳白色菌落，革兰氏染色阴性，过氧化氢酶反应呈阳性，扫描电镜下菌体形态呈规则 的短杆状(附图1)。经16S rDNA基因序列及菌株形态鉴定，鉴定菌株为克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella  pneumoniae)，GenBank序列号为CP000647，同源度高达99％。

克雷伯氏菌的发酵液在5000r/min离心30min以去除细胞体，上清液在旋转蒸发仪上蒸发至体积为原 体积的1/4，加入2倍体积的冷冻的无水乙醇，于4℃冰箱中静置18h，5000r/min离心30min，沉淀粗品 溶于水后，边搅拌边加入2％的氯化十六烷基吡啶，微生物絮凝剂和十六烷基吡啶的复合沉淀重新溶解于 0.5mol/L的NaCl溶液，加入3倍体积的预冷的无水乙醇，沉淀析出后用丙酮洗涤2次，冷冻干燥得纯化 后的微生物絮凝剂，每1000mL发酵上清液经冷乙醇法可提取出约1.68g的絮凝剂粗品。

实施例1

振荡培养后的发酵液在5000r/min离心30min，上清液即为液体微生物絮凝剂，将分离、筛选的克雷 伯氏菌产絮凝剂应用于处理4g/L高岭土悬浊溶液。过60目筛的0.4g高岭土、5mL的CaCl₂(1％)溶液 和2mL发酵上清液混合于250mL烧杯，加去离子水至100mL，磁力搅拌器400r/min快搅1min，150r/min 慢搅5min，转移至100mL量筒内静置5min。在紫外分光光度计550nm波长下测定上层清液吸光度(A)， 选取新鲜培养基代替发酵液，测定处理后的高岭土悬浊液吸光度作为对照(A₀)絮凝率(Fr)计算公式如 下：

$\mathrm{Fr}=\frac{A_0-A}{A_0}\times 100\%---\left(1\right)$

式中，Fr-絮凝率，％；A-发酵上清液处理后高岭土悬浊液的吸光度；A₀-新鲜培养基处理后高岭 土悬浊液的吸光度。

克雷伯氏菌生产的微生物絮凝剂对高岭土悬浊液絮凝效果显著，处理后的高岭士颗粒凝聚程度提高， 悬浊液浊度降低，且处理高岭土的絮凝稳定性良好，在pH为4～8、温度为20～60℃的范围内均保持高的 絮凝活性(附图2)，可适应污泥负荷、pH值等条件的变化，在pH＝4～8的范围内活性在82.77％以上，且 pH＝7时的絮凝率最高(Fr＝91.70％)。

实施例2

将克雷伯氏菌属絮凝剂应用于调理污泥，以改善污泥的脱水性能。25mL待测污泥样品投加0～5mL微 生物絮凝剂，在磁力搅拌器400r/min快搅60s，150r/min慢搅5min，移至污泥比阻测定装置(附图3)，恒 定真空度0.05MPa的条件下过滤，记录过滤时间t和相应的滤液体积V。选取污泥比阻(SRF)和含水率表 征污泥脱水效果，含水率采用重量法测定。污泥比阻(Specific resistance in filtration，SRF)表示恒定压力 下过滤时，单位质量污泥在单位过滤面积上的阻力.污泥比阻愈大，过滤性能愈差，污泥比阻计算见式(2)：

$\mathrm{SRF}=\frac{2\mathrm{bP}{A}^2}{\mathrm{\mu C}}---\left(2\right)$

式中，P为过滤压强，N/m²；A为过滤面积，m²；μ为滤液粘度，N·s/m²；C为单位体积滤液在过滤介 质上截留的干固体重量，kg/m³，1/C＝C_i/(100-C_i)-C_f/(100-C_f)；C_i为原泥含水率，％；C_f为抽滤后泥饼 含水率，％；b为过滤方程t/V＝bV+a所示直线的斜率，t为过滤时间，s；V为滤液体积，m³。

投加不同量的克雷伯氏菌MBF调理污泥，可显著改善其絮凝脱水性能(附图4)。在3mL投加量下， 污泥比阻由原泥的11.64×10¹²m/kg降低至调理后的4.66×10¹²m/kg，含水率由原泥98.86％降低至调理后的 83.74％。附图5为克雷伯氏菌生产的微生物絮凝剂(MBF)和化学絮凝剂在调理污泥脱水方面的对比，活 性污泥中加入等量(1％，w/v)的硫酸铝，聚合氯化铝(PAC)，阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)。MBF调 理后污泥比阻降低至调理后的4.66×10¹²m/kg，比阻降低率高达59.97％，Al₂(SO₄)₃和PAC调理污泥比 阻分别为6.04×10¹²m/kg、5.25×10¹²m/kg，微生物絮凝剂调理后污泥脱水效果明显优于无机絮凝剂硫酸铝 和聚合氯化铝(PAC)，与有机絮凝剂CPAM脱水效果接近。