CN112694640B - 一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，包括以下步骤：步骤S1：活性污泥的收集；步骤S2：活性污泥的初步处理；步骤S3：胞外高分子聚合物的回收；步骤S4：阳离子交换树脂的分离；步骤S5：活性污泥的二次处理；步骤S6：胞内高分子聚合物的回收。本发明能最大程度地回收剩余污泥中胞内与胞外高分子聚合物，胞内与胞外高分子聚合物的总提取量高；同时，不会对所提取的胞内与胞外高分子聚合物产生化学污染，达到环境保护和资源回收双重效果，还可使得活性污泥的减量效果明显；胞内与胞外高分子聚合物均为生物高分子，利用其各自特性，可作为吸附剂、土壤改良剂、生物絮凝剂、增稠剂等，扩展市政活性污泥资源化的途径。

Description

一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法
技术领域
本发明涉及污水处理资源化领域，具体涉及一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法。
背景技术
污水处理厂产生大量的剩余污泥，其处理处置是亟待解决的问题，且资源化是未来污水处理发展的必然方向。污泥处理处置的方法主要是土地填埋、污泥堆肥、干化焚烧、资源回收等。在所有的处置方法中，可以从源头解决的只有资源利用，污泥资源化可实现污泥减量，为剩余污泥的后续处理减负。近年来，从剩余污泥中回收高分子物质成为热点研究方向，主要因为高分子物质具有极高的附加值，在水处理、农业、园艺、造纸工业、医疗、建筑施工等各个行业有广阔的应用前景。
目前，在污水处理领域，回收剩余污泥中高分子物质，关注对象包括藻酸盐等胞外聚合物，常用的提取方法有加热法、高温碳酸钠法、甲醛-氢氧化钠法、甲酰胺-氢氧化钠法、EDTA法、超声波法、离子交换法(如阳离子交换树脂CER法)以及硫酸法等。同时，聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)等胞内聚合物亦具有极大的回收潜力，常用的提取方法有有机溶剂法、酶法、化学试剂法、机械破碎法、超临界流体萃取法、生物提取法等。
然而，传统方法只回收胞外或者胞内中单一高分子物质，或者一股脑地，同步提取回收可能存在的胞内与胞外高分子物质。至今，未见分步回收剩余污泥中胞内与胞外高分子物质的研究报道。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法。
本发明的技术方案是这样的：
一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，包括以下步骤：
步骤S1：活性污泥的收集，所述活性污泥包括普通活性污泥、好氧颗粒污泥或厌氧颗粒污泥中的一种或多种；
步骤S2：活性污泥的初步处理，经浓缩装置处理后的活性污泥，加入阳离子交换树脂，使活性污泥中胞外聚合物从细胞体表面解离；
步骤S3：胞外高分子聚合物的回收，经阳离子交换树脂作用后的悬浊液通过分离装置进行固液分离，对固液分离后的清液进行透析处理，去除盐以及小分子杂质，然后进行干燥处理，获得胞外高分子聚合物粉末；
步骤S4：阳离子交换树脂的分离，步骤S3中经阳离子交换树脂作用后的悬浊液通过分离装置进行固液分离，对固液分离后的固体中的阳离子交换树脂，采用尼龙筛网进行过滤，然后再对阳离子交换树脂进行清洗处理，以达到回收再利用，同时得到不含阳离子交换树脂的悬浊液；
步骤S5：活性污泥的二次处理，将步骤S4中的不含阳离子交换树脂的悬浊液，加入表面活性剂溶液中，进行充分搅拌均匀后，再边搅拌边进行超声处理；
步骤S6：胞内高分子聚合物的回收，经步骤S5超声处理后的悬浊液由分离装置进行固液分离，且固液分离后的清液再进行透析处理，去除盐以及小分子杂质，然后进行干燥处理，获得胞内高分子聚合物粉末。
所述浓缩装置和分离装置均为离心机、沉淀池或膜组件中的任意一种。
所述干燥处理的形式为风干、烘干或冷冻干燥中的一种或多种。
所述超声破碎装置采用探头式超声波破碎装置或槽式超声波破碎装置。
步骤S2中，所述阳离子交换树脂的粒度为300～1500微米。
步骤S3中，所述透析处理中透析袋的截留分子量为100～14000道尔顿。
步骤S4中，所述尼龙滤网的开孔大小为30～2000微米。
步骤S5中，所述表面活性剂为生物表面活性剂、阴离子型表面活性剂或阳离子表面活性剂中的一种或多种。
步骤S5中，所述超声处理中超声波的输出功率为1～200瓦，且超声时间为0～60分钟。
步骤S3和步骤S6中，所述透析处理的透析次数为1～4次，且每次透析的时间为1～12小时。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，该方法能最大程度地回收剩余污泥中胞内与胞外的高分子聚合物，且总提取量高于同步提取胞内与胞外高分子物质的方法或者单一的提取方法；同时，不会对所提取的高分子物质产生化学污染；另外，达到环境保护和资源回收双重效果；另外，通过回收剩余污泥中高分子聚合物，使得活性污泥减量效果明显，胞内与胞外高分子聚合物作均为生物高分子，利用各自特性，可作为吸附剂、土壤改良剂、生物絮凝剂、增稠剂等，扩展市政活性污泥资源化的途径。
附图说明
图1为本发明实施例提供的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的胞外高分子聚合物粉末进行回收的流程图。
图3为本发明实施例提供的胞内高分子聚合物粉末进行回收的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1至图3所示：为本发明实施例提供的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，包括以下步骤：
步骤S1：活性污泥的收集，所述活性污泥包括普通活性污泥、好氧颗粒污泥或厌氧颗粒污泥中的一种或多种；
步骤S2：活性污泥的初步处理，经浓缩装置处理后的活性污泥，加入阳离子交换树脂，使活性污泥中胞外聚合物从细胞体表面解离；
步骤S3：胞外高分子聚合物的回收，经阳离子交换树脂法作用后的悬浊液通过分离装置进行固液分离，对固液分离后的清液在3500道尔顿的透析袋中按体积比9:1进行透析处理，去除盐以及小分子杂质，然后进行干燥处理，获得胞外高分子聚合物粉末；
步骤S4：阳离子交换树脂的分离，步骤S3中经阳离子交换树脂作用后的悬浊液通过分离装置进行固液分离，对固液分离后的固体中的阳离子交换树脂，采用尼龙筛网进行过滤，然后再对阳离子交换树脂进行清洗处理，以达到回收再利用，同时得到不含阳离子交换树脂的悬浊液；
步骤S5：活性污泥的二次处理，将步骤S4中的不含阳离子交换树脂的悬浊液，加入表面活性剂溶液中，进行充分搅拌均匀后，再边搅拌边进行超声处理；
步骤S6：胞内高分子聚合物的回收，经步骤S5超声处理后的悬浊液由分离装置进行固液分离，且固液分离后的清液再进行透析处理，去除盐以及小分子杂质，然后进行干燥处理，获得胞内高分子聚合物粉末。
所述浓缩装置和分离装置可均为离心机、沉淀池或膜组件中的任意一种。
所述干燥处理的形式为风干、烘干或冷冻干燥中的一种或多种。
所述超声破碎装置采用探头式超声波破碎装置或槽式超声波破碎装置。
步骤S2中，所述阳离子交换树脂的粒度为300～1500微米。
步骤S3中：所述透析处理中透析袋的截留分子量为100～14000道尔顿。
步骤S4中，所述尼龙滤网的开孔大小为30～2000微米。
步骤S5中，所述表面活性剂为生物表面活性剂、阴离子型表面活性剂或阳离子表面活性剂中的一种或多种。
步骤S5中，所述超声处理中超声波的输出功率为1～200瓦，且超声时间为0～60分钟。
步骤S3和步骤S6中，所述透析处理的透析次数为1～4次，且每次透析的时间为1～12小时。
由于阳离子交换树脂对细胞体破损小，经离子交换作用引发絮体解散，可实现胞外高分子物质与细胞体的高效分离，从而回收胞外高分子物质；同时，通过超声波机械破壁作用，可破坏细胞膜，溶出细胞体内的高分子物质；同时，利用表面活性剂可增强超声波的空化效应、降低溶液表面张力、增加高分子溶解度、破坏细胞膜等特性，从而加剧胞内高分子物质的溶出；基于此，本发明提出，第一步，用阳离子交换树脂法提取污水处理厂剩余污泥(主要由微生物细胞和胞外聚合物构成)中胞外高分子；第二步，采用超声波法或表面活性剂强化超声波法作用于已提取了胞外高分子的污泥(主要由微生物细胞构成)；从而，实现胞内高分子与胞外高分子的分步提取。
本发明实施例提供的一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，具体包括以下步骤：
1)取适量污泥于50mL离心管中于5145rpm下离心20min，移去上清液，然后取8g离心污泥(0.7g干重)；
2)加入100mL超纯水和一定量的钠型阳离子交换树脂，搅拌4h；
3)于离心机中使用50mL离心管在5145rpm转速下离心20min，取上清液于3500道尔顿的透析袋中透析24h后冷冻干燥；
4)获得胞外高分子聚合物粉末，经DNA、RNA检测，不能检出，表明获得的高分子聚合物主要为胞外物质；
5)取第3步中剩余的离心污泥，用孔径为250微米的尼龙筛网滤除阳离子交换树脂；
6)取去除阳离子交换树脂的污泥于50mL离心管中于5145rpm下离心20min，移去上清液，然后取8g离心污泥；
7)加入0.1g/L生物表面活性剂(环境友好型表面活性剂)鼠李糖脂超纯水溶液100mL，在磁力搅拌器上以500rpm的转速搅拌3h，然而在输出功率为100W的情况下进行超声处理，脉冲1s停2s，超声15min。
8)于离心机中使用50mL离心管在10000rpm下离心20min，取上清液于3500道尔顿的透析袋中，透析液与清液按照9：1的体积比，透析24h后在真空冷冻干燥机中冷冻干燥(72h)；
9)获得胞内高分子聚合物粉末，经DNA、RNA检测，含量较高，且超声后污泥的显微图中观测到细胞明显的破碎，表明获得的高分子聚合物主要为胞内物质。
高分子物质的常见提取方法(如碱法、酸法、酸碱结合法等)需外加化学物质，易存在化学试剂污染，且细胞破碎率较高，难以分别回收胞内与胞外高分子物质，而本发明采用的阳离子交换树脂法及超声波法不需外加化学物质，选用环境友好型表面活性剂也不会污染提取的高分子物质。同时，本发明的方法，可使污泥减量化效果显著，从而为剩余污泥的后续处理减轻负担。
本发明提出通过阳离子交换树脂法和表面活性剂强化超声波法分两步提取剩余污泥中胞内和胞外的高分子物质，最大程度地实现剩余污泥中的高分子物质资源回收。
胞内高分子有聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、蛋白质等，胞外高分子如胞外聚合物、多糖、藻酸盐等，分步回收胞内高分子聚合物与胞外高分子聚合物，从利用各自特性角度，实现污泥中高分子物质回收的高附加值。具体支撑这一想法的方法，即为采用阳离子交换树脂和表面活性剂强化超声波分步法，分步提取胞内与胞外高分子物质。
传统方法，如超声波法或表面活性剂强化超声波法，一股脑地，同步提取可能存在的胞内与胞外高分子物质；而阳离子交换树脂法只能提取回收胞外高分子物质。
本发明实施例提供的一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，首先用阳离子交换树脂提取污水处理厂剩余污泥(主要由微生物细胞和胞外聚合物构成)中胞外高分子，进一步，采用超声波法或表面活性剂强化超声波法作用于已提取了胞外高分子的污泥(主要由微生物细胞构成)，实现胞内高分子的提取。
本发明达到的突出效果如下：
a)相比传统方法(单一法)，高分子物质(包括胞内与胞外)的提取量进一步加大；
b)由于分步提取胞内高分子与胞外高分子，将为开发剩余污泥中回收高分子提供新出路，因为胞外高分子与胞内高分子具有不同的特性(特征有机官能团)，相当于两步提取法不仅是简单的增大提取量，而且每步提取高分子物质不同；
c)随着剩余污泥中高分子物质的提取(资源回收)增加，剩余污泥自然实现减量，并且注意到第二步(超声波法或表面活性剂强化超声波法)中细胞大部分破碎(细胞膜与细胞壁破裂)，将有利于提取胞内与胞外高分子后的污泥，进行厌氧消化产甲烷(传统剩余污泥直接厌氧消化过程中，因细菌细胞膜或细胞壁未破裂，而这种大块有机体，难以被产甲烷菌直接利用。)。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：活性污泥的收集，所述活性污泥包括普通活性污泥、好氧颗粒污泥或厌氧颗粒污泥中的一种或多种；
步骤S2：活性污泥的初步处理，经浓缩装置处理后的活性污泥，加入阳离子交换树脂，使活性污泥中胞外聚合物从细胞体表面解离；
步骤S3：胞外高分子聚合物的回收，经阳离子交换树脂作用后的悬浊液通过分离装置进行固液分离，对固液分离后的清液进行透析处理，去除盐以及小分子杂质，然后进行干燥处理，获得胞外高分子聚合物粉末；
步骤S4：阳离子交换树脂的分离，步骤S3中经阳离子交换树脂作用后的悬浊液通过分离装置进行固液分离，对固液分离后的固体中的阳离子交换树脂，采用尼龙筛网进行过滤，然后再对阳离子交换树脂进行清洗处理，以达到回收再利用，同时得到不含阳离子交换树脂的悬浊液；
步骤S5：活性污泥的二次处理，将步骤S4中的不含阳离子交换树脂的悬浊液，加入表面活性剂溶液中，进行充分搅拌均匀后，再边搅拌边进行超声处理；
步骤S6：胞内高分子聚合物的回收，经步骤S5超声处理后的悬浊液由分离装置进行固液分离，且固液分离后的清液再进行透析处理，去除盐以及小分子杂质，然后进行干燥处理，获得胞内高分子聚合物粉末。
2.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，所述浓缩装置和分离装置均为离心机、沉淀池或膜组件中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，所述干燥处理的形式为风干、烘干或冷冻干燥中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，所述超声处理采用探头式超声波破碎装置或槽式超声波破碎装置。
5.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，步骤S2中，所述阳离子交换树脂的粒度为300～1500微米。
6.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，步骤S3中，所述透析处理中透析袋的截留分子量为100～14000道尔顿。
7.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，步骤S4中，所述尼龙筛网的开孔大小为30～2000微米。
8.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，步骤S5中，所述表面活性剂为生物表面活性剂、阴离子型表面活性剂或阳离子表面活性剂中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，步骤S5中，所述超声处理中超声波的输出功率为1～200瓦，且超声时间为15～60分钟。
10.根据权利要求1所述的剩余污泥中胞内与胞外高分子分步回收的方法，其特征在于，步骤S3和步骤S6中，所述透析处理的透析次数为1～4次，且每次透析的时间为1～12小时。
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