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Mar 12, 2024

La deshidratación mejorada de lodos por un almidón.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 402 (2023) Cite este artículo 776 Accesos 1 Detalles de Altmetric Metrics La coagulación/floculación es una de las más utilizadas y rentables.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 402 (2023) Citar este artículo

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1 altmétrica

Detalles de métricas

La coagulación/floculación es uno de los métodos de pretratamiento más utilizados y rentables para mejorar la deshidratabilidad de los lodos. En este estudio, se utilizó un floculante catiónico a base de almidón modificado (St-CTA) junto con una arcilla popular, atapulgita (ATP), para el acondicionamiento de lodos activados por residuos. Las propiedades de deshidratación, incluido el contenido de humedad de la torta de filtración, la resistencia específica de filtración, el tiempo de succión capilar, la tasa de filtración y el coeficiente de compresibilidad, se midieron y compararon variando las dosis de St-CTA y ATP. Mediante la combinación del rendimiento aparente de la deshidratación y los cambios en los contenidos y distribuciones de las fracciones y componentes de la sustancia polimérica extracelular (EPS), los flóculos de lodo y las microestructuras de las tortas de lodo, se discutieron en detalle los mecanismos de deshidratación. St-CTA junto con ATP puede exhibir una deshidratación mejorada del lodo y el contenido de agua en la torta de lodo final puede reducirse de manera estable por debajo del 80% debido a los efectos sinérgicos de St-CTA y ATP. Además de la eficaz neutralización de carga de St-CTA, el ATP no sólo actúa como formador de esqueleto en el proceso de deshidratación de lodos, lo que hace que los flóculos de lodo sean más compactos y mejora la filtrabilidad y la permeabilidad, sino que también interactúa estrechamente con las proteínas del EPS del lodo que reduce el contenido de proteínas y mejora aún más el efecto de deshidratación. Este estudio proporciona una forma económica, ecológica y eficaz de mejorar aún más la deshidratabilidad de los lodos.

En los últimos años, con la mejora constante de la economía mundial, la escala del tratamiento de agua y aguas residuales ha aumentado notablemente y, en consecuencia, la descarga de lodos como subproducto del tratamiento de aguas residuales ha experimentado un crecimiento constante1. Sin embargo, los lodos crudos suelen contener más del 95% de agua2, cuyo elevado volumen provoca sus elevados costes de transporte y eliminación3. Por tanto, es de vital importancia reducir el volumen de lodos mediante los procesos de deshidratación para su tratamiento eficiente4.

Los lodos suelen ser acondicionados mediante algunos pretratamientos antes del exprimido mecánico para separar eficientemente el agua del lodo5. Los pretratamientos de lodos, que incluyen principalmente coagulación/floculación, oxidación, acidificación, formación de esqueleto, microondas y acondicionamiento ultrasónico, pueden convertir el agua adsorbida en la superficie y el agua hidratada interna en agua libre, en la que la coagulación/floculación se utiliza ampliamente en las aguas residuales. plantas depuradoras por su sencillez y eficacia6. Los coagulantes y floculantes tradicionales, como el cloruro de polialuminio, el sulfato poliférrico y la poliacrilamida catiónica (PAM), se utilizaron ampliamente porque pueden agregar eficazmente las partículas de lodo y lograr la separación sólido-líquido6. Sin embargo, los iones metálicos residuales y los monómeros altamente tóxicos de estos coagulantes y floculantes tradicionales pueden causar riesgos ambientales potenciales7. Además, es difícil lograr una deshidratación completa con la coagulación/floculación tradicional porque las materias orgánicas altamente hidratadas en el lodo, como la sustancia polimérica extracelular (EPS), que une grandes cantidades de agua, era difícil de destruir para liberar completamente la sustancia unida e intracelular. agua8,9. Además, las tortas de lodo altamente comprimibles se compactarían completamente bajo la alta presión mecánica, destruyendo los canales de drenaje, reduciendo la filtrabilidad y evitando que el agua interna se drene por completo6,10,11. Por lo tanto, la coagulación/floculación utilizada sola es difícil de cumplir con los altos requisitos de la deshidratación de lodos, y un proceso de acondicionamiento combinado eficaz y respetuoso con el medio ambiente con otros pretratamientos puede mejorar notablemente la deshidratabilidad de los lodos1,6,12,13.

Los procesos de acondicionamiento comúnmente combinados incluyeron acidificación-coagulación12, oxidación-coagulación13 y proceso de combinación de coagulación y construcción de esqueleto1. Entre ellos, la acidificación-coagulación y la oxidación-coagulación pueden destruir eficazmente el EPS y liberar el agua intracelular, pero no pueden mejorar la filtrabilidad de las tortas de lodo14. El proceso de combinación de coagulación y mejorador de esqueleto se basa en la coagulación y la adición de algunos mejoradores de esqueleto, como coadyuvantes de filtración, para acondicionar el lodo5. Algunos constructores de esqueletos, como la bentonita, las cenizas volantes y las cenizas de biomasa, están ampliamente disponibles y son económicos, además, contienen altos niveles de SiO2 con una buena resistencia mecánica4,15,16,17. Con el apoyo de los constructores de esqueleto, la torta de lodo contiene una microestructura rígida y porosa incluso bajo una alta presión mecánica, lo que reduce la compresibilidad del lodo, permitiendo que el agua contenida en las tortas de lodo se drene fácilmente y mejorando así la permeabilidad y la resistencia mecánica. de lodos para conseguir un alto contenido de sólidos en los lodos (>30% volumen de lodos secos)4,15,16,17. Por lo tanto, el proceso de combinación de coagulación y formador de esqueleto tiene las ventajas de un rendimiento de alto costo y facilidad de operación mediante la adición directa de floculantes y formadores de esqueleto sin ningún ajuste6,7; Además, las estructuras porosas y rígidas de los constructores del esqueleto pueden cambiar fácilmente la compresibilidad del lodo y mejorar aún más el rendimiento de deshidratación del lodo mediante este proceso de combinación.

El almidón es uno de los polisacáridos ecológicos y de bajo coste18. En este trabajo, se sintetizó un floculante catiónico eterificado a base de almidón con una alta densidad de carga, a saber, cloruro de almidón-3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio (St-CTA),19 en el que los grupos catiónicos de amonio cuaternario también pueden dañar eficazmente el tejido celular. estructuras e interactuar con EPS. Por tanto, St-CTA ha mostrado un efecto notable en la deshidratación de lodos según informes anteriores13,19. Además, se ha confirmado que algunas arcillas, como la montmorillonita y el caolín, son formadoras de esqueleto eficientes en combinación con varios floculantes para un acondicionamiento eficaz de los lodos17,20. La atapulgita (ATP), una arcilla popular en China, tiene las características de una alta superficie específica, una estructura rígida y porosa y buenas propiedades de adsorción de muchas materias orgánicas21,22. Por lo tanto, ATP, como constructor de esqueletos, estuvo aquí en combinación con St-CTA. Se evaluó el rendimiento de deshidratación de sus usos combinados para lodos activados por residuos con diferentes secuencias de dosificación y diversas relaciones de dosificación en términos de resistencia específica de filtración (SRF), contenido de humedad del revoque de filtración (FCMC), tiempo de filtración (TTF) y propiedades de flóculo. y microestructuras de tortas de lodos. Se investigaron los cambios en la distribución de EPS y la composición del lodo acondicionado en relación con la eficiencia de deshidratación final. También se discutieron en detalle los mecanismos sinérgicos de St-CTA y ATP. Por lo tanto, este trabajo propone un método de acondicionamiento combinado novedoso y económico para la deshidratación de lodos.

Antes del experimento de deshidratación, en primer lugar se estudiaron y compararon los efectos de tres secuencias de dosificación diferentes utilizando ATP molido o no molido en la deshidratación de lodos, es decir, ATP dosificado antes, juntos o después de St-CTA, como se muestra en las figuras de información de respaldo. S1, S2. Según la Fig. S1, el FCMC y el SRF del lodo después del acondicionamiento con esta combinación no tuvieron diferencias evidentes en las tres secuencias de dosificación diferentes. Sin embargo, St-CTA dosificado antes de ATP mostró un rendimiento de deshidratación ligeramente mejor al aumentar la dosis de ATP, por lo que el FCMC y SRF óptimos fueron alrededor de 79,50 % y 0,30 × 1012 m/kg, respectivamente, con una dosis de ATP de aproximadamente 10,00 kg/m3 (Fig. .T1e–f). Este hallazgo podría deberse a que el ATP podría combinarse fácilmente con los flóculos de lodo primarios formados por el St-CTA previamente alimentado para mejorar la filtrabilidad y permeabilidad de las tortas de lodo finales. De manera similar, la información de respaldo Fig. S2 no muestra cambios notables en el FCMC y SRF del lodo al usar ATP molido o no molido con un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 8,577 μm y 18,107 μm respectivamente (Fig. S2g). Sin embargo, se obtuvo un rendimiento de deshidratación ligeramente mejor utilizando ATP no molido cuando la dosis de ATP aumentó a 10,00 kg/m3 (Fig. S2e-f). En consecuencia, el proceso de acondicionamiento de ATP sin moler alimentado después de St-CTA fue altamente eficiente y conveniente, lo que se aplicó en los siguientes experimentos de deshidratación.

Los diversos procesos de acondicionamiento con diferentes dosis de St-CTA y ATP, denominados CS-ATP1—CS-ATP19, se llevaron a cabo en lodos y su rendimiento de deshidratación se muestra en las Figs. 1,2, Tabla 1 e información de respaldo Figs. T3-T5. Según las Figs. 1,2, Tabla 1 e información de respaldo Figs. S3-S5, el rendimiento de deshidratación de lodos acondicionados con St-CTA evidentemente mejoró individualmente, especialmente en el rango de dosis bajas, pero alcanzó una meseta cuando St-CTA se dosificó a la dosis óptima de 16,00 mg/gTSS o incluso se deterioró después de las dosis óptimas. específicamente, el FCMC se redujo de 97,86 a 82,52%, el SRF fue de 4,10 × 1012 a 0,57 × 1012 m/kg, el CST fue de 50,6 a 10,1 s, el TTF fue de 320 a 53 s, los coeficientes de compresibilidad fueron de 1,26 a 1,02, el volumen de filtrado fue de 32,1 a 95,0 ml y la velocidad de filtración fue de 0,2546 a 1,4218 m3/(m2 h) en la dosis óptima. Este hallazgo confirmó que la naturalización de la carga de St-CTA fue crucial para el proceso de acondicionamiento de lodos y que las cargas positivas excesivas podrían conducir a la reestabilización de las dispersiones coloidales de lodos (CS-ATP5, CS-ATP10 y CS-ATP15, Fig. 3)6 ,23,24. Además, St-CTA, un material a base de polisacáridos con una estructura de cadena rígida, aún podría actuar como un constructor esquelético para construir canales de drenaje, lo que favorecía la escorrentía del agua y, por lo tanto, mejoraba la deshidratación de lodos6. Basado en las Figs. 1,2, Tabla 1 e información de respaldo Figs. S3-S5, el rendimiento de deshidratación del lodo acondicionado con St-CTA junto con varias dosis constantes de ATP mejoró y mostró patrones similares a los de St-CTA solo debido a los efectos sinérgicos de St-CTA y ATP.

El rendimiento de deshidratación de lodos de St-CTA junto con ATP mediante el uso de diferentes dosis: (a) FCMC, (b) SRF, (c) CST y (d) TTF.

Los coeficientes de compresibilidad de lodos condicionados por St-CTA en conjunto con ATP utilizando diferentes dosis.

Los potenciales zeta de los sobrenadantes de lodos condicionados por St-CTA junto con ATP utilizando diferentes dosis.

Figuras 1, 2, Tabla 1 e información de respaldo Figs. S3-S5 muestran que el efecto condicionante del ATP utilizado únicamente fue bastante limitado (CS-ATP1-CS-ATP4) debido al ATP con una carga superficial negativa (Fig. 3), lo que concordaba con los informes anteriores1,4. Sin embargo, el ATP dosificado después de St-CTA podría mejorar aún más el rendimiento de deshidratación de St-CTA; específicamente, el FCMC se redujo de 82,52 a 76,99 % y los coeficientes de compresibilidad fueron de 1,02 a 0,79 condicionados por 16,00 mg/g de TSS de St-CTA en junto con una dosis óptima de ATP de 14,00 kg/m3 (CS-ATP14, Fig. 1, Tabla 1). Cuando la dosis de ATP aumentó aún más, la mejora en el rendimiento de deshidratación fue bastante limitada (Información de respaldo, Fig. S6), pero en consecuencia la masa de lodo resultante aumentó constantemente. Además, el ATP dosificado después de St-CTA también podría obviamente aliviar el efecto de reestabilización6,23,24. Cuando se administró una sobredosis de St-CTA a la dosis de 26,67 mg/gTSS, la FCMC mejoró del 88,88 al 76,71 % con la dosis de ATP de 14,00 kg/m3 (CS-ATP19, Fig. 1 y Tabla 1). Las partículas sólidas de ATP cargadas negativamente en la superficie podrían actuar como un constructor de esqueleto para reducir la compresibilidad del lodo y mejorar aún más la FCMC (Figs. 1a, 2), además, podrían neutralizar y combinar las cargas positivas excesivas de la sobredosis de St-CTA y, por lo tanto, debilitar el efecto de reestabilización6,23,24 (CS-ATP15, CS-ATP17 y CS-ATP 19, Fig. 3). Los compuestos formados de St-CTA y ATP pueden hacer que los flóculos sean rugosos y compactos (Información de respaldo, Fig. S7) debido a la estructura densa de ATP25. Sin embargo, el ATP tuvo menos mejora en algunos rendimientos de deshidratación, especialmente para CST después de la combinación de St-CTA (Fig. 1c), posiblemente debido al error en la determinación del volumen de filtración y CST26 causado por la disminución del tiempo de filtración y la torta de lodo que se rompió rápidamente en los procesos de deshidratación promovidos después de la adición de ATP.

Además, el rendimiento de deshidratación de esta combinación se ha comparado con un floculante comercial, PAM, que se utiliza actualmente en la planta de tratamiento de aguas residuales de Nanjing (Información complementaria, figura S8). Según la Fig. S8, la FCMC óptima obtenida por PAM fue del 84,81 % y fue mucho mayor que la del método de acondicionamiento combinado en este trabajo, aproximadamente del 76,99 % (CS-ATP14, Fig. 1 y Tabla 1), aunque PAM tuvo una menor dosis óptima de 5,33 mg/gTSS. La figura S8 todavía indica que St-CTA junto con ATP mostró una ventana de deshidratación efectiva más amplia, de aproximadamente 5,00 a 26,00 mg/g de TSS, que PAM, de aproximadamente 3,00 a 8,00 mg/g de TSS. La Tabla 2 comparó además su costo. En consecuencia, el costo del proceso de acondicionamiento óptimo (CS-ATP14) fue de solo 14,55 USD/tTSS, que fue inferior al PAM de aproximadamente 21,32 USD/tTSS en plantas acuáticas. Además del PAM, el rendimiento de deshidratación de esta combinación también se ha comparado aproximadamente con el de algunos coagulantes tradicionales, como FeCl3, cloruro de polialuminio (PAC) y CaO, según informes anteriores19,27,28. La FCMC óptima del lodo acondicionado solo con FeCl3 o PAC fue aproximadamente del 84%19,27, que fue notablemente mayor que con esta combinación. El CaO tuvo un buen efecto de deshidratación, pero el pH resultante del lodo acondicionado fue más alto y, por tanto, el tratamiento posterior fue complicado28.

En resumen, St-CTA seguido de la adición de ATP exhibió un rendimiento de deshidratación mejor y más estable debido a la neutralización de carga y los efectos de puente de St-CTA en conjunto con el efecto constructor de esqueleto de ATP y las dosis óptimas de St-CTA y Se obtuvieron aproximadamente 16,00 mg/gTSS y 14,00 kg/m3 de ATP, respectivamente.

Los tamaños y D2 de los flóculos de lodo acondicionados con diferentes dosis de St-CTA y ATP se muestran en la Fig. 4 según el análisis de imágenes7,29 (Fig. 5 e información de respaldo, Fig. S9). La Figura 4 muestra que los tamaños y D2 de los flóculos de lodo aumentaron con el aumento de la dosis de St-CTA al principio, pero luego disminuyeron después de alcanzar los valores máximos de 16,00 mg St-CTA/g TSS, incluso junto con ATP, debido al efecto de reestabilización6,23,24, que fue totalmente coherente con el rendimiento de deshidratación (Figs. 1,2, Tabla 1 e información de respaldo, Figs. S3-S5). Además, la adición de St-CTA hizo que la superficie de los flóculos de lodo pasara de ser relativamente lisa a rugosa y porosa debido al eficiente efecto de coagulación de St-CTA (Fig. 6c), lo que facilitó la agregación y compresión en la siguiente deshidratación mecánica. para eliminar aún más el agua del lodo. Además, la adición de ATP provocó que muchas más partículas sólidas pequeñas incrustadas en los flóculos de lodo (Fig. 6b, d), como formadores de esqueleto, posiblemente crearan canales de drenaje en las tortas de lodo formadas posteriormente y mejoraran aún más el rendimiento de deshidratación de lodo30.

Las propiedades de los flóculos de lodo producidos por St-CTA junto con ATP usando diferentes dosis: (a) tamaño promedio de flóculo (l) y (b) dimensión fractal 2D (D2).

Imágenes de microscopio óptico de flóculos de lodo: (a) lodo crudo y condicionado por (b) ATP, (c) St-CTA y (d) St-CTA junto con ATP en la dosis óptima respectiva, es decir, St-CTA es 16,00 mg/gTSS y el ATP es 14,00 kg/m3.

Imágenes SEM de flóculos de lodo: (a) lodo crudo y condicionado por (b) ATP, (c) St-CTA y (d) St-CTA junto con ATP en la dosis óptima respectiva, es decir, St-CTA es 16.00 mg/gTSS y ATP es 14,00 kg/m3.

Sin embargo, los tamaños y D2 de los flóculos de lodo tuvieron una tendencia de cambio contraria con el aumento de las dosis de ATP después de combinarlos con St-CTA (Fig. 4). La adición de ATP redujo el tamaño del flóculo posiblemente se debió a dos hechos. Una era que los flóculos de lodo primarios se romperían mediante la segunda mezcla rápida en el acondicionamiento de ATP después de St-CTA; La otra fue que parte del ATP no se combinó con los flóculos de lodo, y el ATP empleado tiene un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 18.107 μm, mucho más pequeño que los flóculos de lodo primarios, lo que provocó que el tamaño promedio aparente de los flóculos de lodo obtenido se volviera más pequeño (Fig. .4). Sin embargo, la estructura más densa del ATP dio como resultado estructuras internas más compactas de los flóculos de lodo y una mayor detección de D2s31. Consistentemente, la adición de ATP después de St-CTA podría beneficiar la mejora del rendimiento de deshidratación (Figs. 1, 2, Tabla 1 e información de respaldo Figs. S3-S5), lo que implicaba que los flóculos de lodo relativamente pequeños pero compactos causaban una buena propiedad de deshidratación (Fig. 4).

Los flóculos de lodo se agregaron aún más, se comprimieron y se formaron tortas de lodo bajo el siguiente prensado mecánico. La Figura 7 compara las morfologías superficiales de las tortas de lodo obtenidas sin y con acondicionamiento bajo varios tratamientos. La superficie de la torta de lodo sin acondicionamiento era relativamente lisa, plana y carecía de microporos (Fig. 7a). Después del acondicionamiento con St-CTA, ATP y su combinación, respectivamente, todas las superficies de las tortas de lodo se volvieron rugosas y microporosas, entre las cuales este cambio en la morfología de la superficie de la torta de lodo tratada con la combinación de St-CTA y ATP fue más evidente ( Figuras 7b-d). Estos huecos y estructura porosa podrían crear canales de drenaje en las tortas de lodo y mejorar la filtrabilidad y permeabilidad, lo que fue beneficioso para descargar aún más el agua interna del lodo30,32. Las morfologías superficiales observadas de las tortas de lodo fueron totalmente consistentes con sus correspondientes propiedades de flóculo de lodo (Fig. 4), coeficientes de compresión (Fig. 2 e información de respaldo Fig. S5 y rendimiento de deshidratación (Fig. 1, Tabla 1 e información de respaldo Figs. S3-S4). El St-CTA puede coagular y agregar eficientemente el lodo principalmente mediante la neutralización de la carga, y también el St-CTA parcial y el ATP actúan como formadores del esqueleto y pueden reducir la compresibilidad de las tortas de lodo. de St-CTA y ATP se atribuyó a sus efectos sinérgicos.

Imágenes SEM de tortas de lodo: (a) lodo crudo y condicionado por (b) ATP, (c) St-CTA y (d) St-CTA junto con ATP en la dosis óptima respectiva, es decir, St-CTA es 16,00 mg/gTSS y ATP es 14,00 kg/m3.

Según numerosos informes en la literatura33,34, el EPS es uno de los principales factores que afectan la eficiencia de deshidratación de lodos, pero el efecto del ATP sobre el EPS no se ha estudiado sistemáticamente. Se investigaron los efectos del ATP sobre las fracciones y componentes de EPS (Fig. 8). En cuanto a los lodos acondicionados únicamente por ATP (CS-ATP2 y CS-ATP4) y St-CTA individualmente (CS-ATP10 y CS-ATP15), respectivamente, los contenidos de TOC en tres facciones de EPS (S-, LB- y TB- EPS) casi disminuyeron (Fig. 8a). Estos hallazgos indicaron que St-CTA y ATP podrían inhibir el EPS. El S-EPS se agregaría y sedimentaría, mientras que parte del LB-EPS se convertiría en TB-EPS debido a la neutralización de carga y los efectos de floculación puente del St-CTA19 y las posibles interacciones del ATP, como el efecto de quelación entre el metal. iones en ATP y aquellas materias orgánicas35,36, que se discutirán en detalle en la siguiente sección. Sin embargo, la disminución adicional del contenido de TB-EPS podría deberse a que estaban demasiado unidos a las partículas de lodo para detectarlos con los métodos de medición utilizados actualmente7,37,38,39. Además, los contenidos de TOC en EPS disminuyeron continuamente con la dosis de ATP debido a sus interacciones mejoradas (CS-ATP2/CS-ATP4, CS-ATP10/CS-ATP12/CS-ATP14 y CS-ATP15/CS-ATP17). /CS-ATP19). Sin embargo, los contenidos de TOC en tres facciones de EPS habían aumentado ligeramente debido al efecto de reestabilización19,23,24, cuando se produjo una sobredosis de St-CTA (CS-ATP15).

El contenido de diferentes componentes de EPS en lodos acondicionados por St-CTA junto con ATP usando diferentes dosis: (a) TOC, (b) proteína (PN) y (c) polisacáridos (PS).

Además, St-CTA junto con ATP provocó que el contenido de TOC en esas tres facciones de EPS disminuyera aún más debido a su efecto sinérgico, lo que confirma el efecto de deshidratación superior de esta técnica combinada (Fig. 8a). En consecuencia, se obtuvo el proceso óptimo, es decir, CS-ATP14, en el que las dosis de ATP y St-CTA fueron 14,00 kg/m3 y 16,00 mg/g TSS, respectivamente. Los cambios en el contenido de TOC en EPS con las dosis de St-CTA y ATP coincidieron completamente con el rendimiento de deshidratación de lodos (Figs. 1, 2, Tabla 1 e información de respaldo, Figs. S3-S5). Se confirmó que la disminución del contenido de EPS era beneficiosa para mejorar la deshidratabilidad de los lodos33,34.

Las composiciones químicas del EPS incluyen principalmente PN, PS, ácido húmico, ácido fúlvico y ácido nucleico, entre los cuales PN y PS son dos importantes40. Los contenidos de PN y PS en diferentes fracciones de EPS del lodo condicionado por diferentes procesos CS-ATP se determinaron con más detalle en las Fig. 8b, c. La Figura 8b, c muestra que las tendencias de cambio en los contenidos de PN y PS fueron casi similares a las de TOC en tres fracciones de EPS con las dosis de St-CTA y ATP (Fig. 8a). De manera diferente, los contenidos de PN en las tres fracciones de EPS disminuyeron evidentemente, pero los de PS cambiaron de manera insignificante entre sí después de la adición de ATP, tanto en presencia como en ausencia de St-CTA (CS-ATP2/CS-ATP4, CS-ATP10 /CS-ATP12/CS-ATP14 y CS-ATP15/CS-ATP17/CS-ATP19). Este hallazgo indicó que el ATP actuó principalmente sobre el PN en lugar del PS, porque los hierros metálicos del ATP, como Al3+ y Fe3+, que inicialmente se unen al ATP con carga superficial negativa, se quelarían fácilmente con –NH2 y –COOH del PN, lo que resultaría en en la mayor agregación y precipitación de PN35,36. Además, la PN en S-EPS se inhibió sustancialmente en el proceso óptimo, es decir, CS-ATP14, lo que confirma los efectos sinérgicos eficientes de St-CTA y ATP.

Además, las fuertes correlaciones de Pearson entre los contenidos de PN, PS y TOC de diferentes fracciones de EPS y el FCMC y SRF de los lodos, como se muestra en la Tabla 3, también indicaron que los contenidos de PN, PS y TOC en el EPS estaban estrechamente relacionados con el rendimiento de deshidratación de los lodos41. En resumen, St-CTA junto con ATP podrían inhibir eficientemente el EPS y así mejorar efectivamente la deshidratación de los lodos.

Como se mencionó anteriormente, el EPS todavía contiene muchas otras sustancias orgánicas además de PN y PS. También se midieron los espectros 3D-EEM de diferentes fracciones de EPS en lodos antes y después del acondicionamiento con St-CTA y ATP con diferentes dosis (Información de respaldo, Figs. S10, S11). Según la literatura previa42,43, el espectro 3D-EEM se puede dividir principalmente en cinco regiones que representan diferentes sustancias, principalmente PN aromáticas (λex/em = 230/340 nm, Pico A), PN similares al triptófano (λex/em = 280 /350 nm, Pico B), ácido fúlvico (λex/em = 240/420 nm, Pico C) y sustancias de ácidos húmicos (λex/em = 350/440 nm y 270/450 nm, Picos D y E). En consecuencia, la Fig. 6 y la Tabla de información de respaldo S1 muestran el resumen de las intensidades de estos cinco picos característicos en diferentes fracciones de EPS.

Según la Fig. 9 y la Tabla de información de respaldo S1, las tendencias de los cambios en las intensidades de estos cinco picos característicos en diferentes fracciones de EPS con las dosis de St-CTA y ATP fueron aparentemente similares a las del TOC de las tres fracciones de EPS (Fig. .8a). Más detalladamente, las correlaciones de Pearson entre las intensidades de las diversas señales fluorescentes y la deshidratabilidad del lodo se muestran en la Tabla 3. La Tabla 3 indica que las sustancias similares a proteínas, incluidas las PN aromáticas (Pico A) y las PN similares al triptófano (Pico B), son ambos fuertemente relacionados con el rendimiento de deshidratación de lodos en las tres fracciones de EPS; sin embargo, el ácido fúlvico (pico C) y las sustancias de ácido húmico (picos D y E) están estrechamente asociados con el rendimiento de deshidratación de lodos sólo en S-EPS. Combinando el análisis de correlación de los contenidos de TOC, PS y PN en la Tabla 3, el S-EPS está estrechamente relacionado con el rendimiento de deshidratación de lodos19 y el PN en EPS en lugar del ácido húmico y el ácido fúlvico tiene un efecto dominante44,45,46.

Las intensidades de varios picos característicos 3D-EEM de (a) S-EPS, (b) LB-EPS y (c) TB-EPS en lodos acondicionados por St-CTA junto con ATP usando diferentes dosis.

Según la discusión antes mencionada, los mecanismos de deshidratación de lodos se describieron esquemáticamente en la Fig. 10. Las partículas de lodo con carga superficial negativa combinadas con EPS eran inicialmente pequeñas y dispersas, y contenían una gran cantidad de agua. Cuando se dosificaba St-CTA con carga positiva, St-CTA aglomeraría las partículas de lodo y también inhibiría eficientemente el EPS en conjunto mediante la neutralización de la carga y los efectos de floculación puente. La siguiente adición de ATP no sólo actuó como formador de esqueleto en las tortas de lodo aglomerado para mejorar la permeabilidad y filtrabilidad del lodo, sino que también quela eficazmente con las sustancias PN altamente hidrófilas en el EPS del lodo a través de los iones metálicos del ATP, con lo que juntos mejora de la deshidratabilidad de los lodos38,40,47.

Diagrama esquemático de los mecanismos de deshidratación de lodos mediante la combinación de St-CTA y ATP.

Además de los efectos sinérgicos antes mencionados de St-CTA y ATP que causan un desempeño eficiente en la deshidratación de lodos, el precursor de St-CTA, es decir, el almidón, y el ATP son materiales naturales con las características evidentes de respeto al medio ambiente, amplia fuente y bajo costo. costo. Por lo tanto, la combinación de St-CTA y ATP tuvo un alto costo en la deshidratación de lodos. Sin embargo, todavía existen algunas desventajas y desafíos en este método de acondicionamiento combinado en la aplicación futura. La adición de ATP aumentaría inevitablemente la masa total de lodo resultante y, por tanto, aumentaría la dificultad del tratamiento posterior. Además, St-CTA y ATP no pudieron destruir sustancialmente el EPS en el lodo y liberar completamente el agua unida, lo que hizo que fuera difícil mejorar aún más el rendimiento de deshidratación del lodo. Para reducir la dosis de formador de esqueleto y la masa de lodo resultante, se deben desarrollar floculantes de alto rendimiento, que se basen intrínsecamente en la relación estructura-actividad bien establecida6,7. Por lo tanto, los mecanismos de deshidratación deben estudiarse en detalle sobre la base de las características estructurales de los floculantes y también de los componentes clave del lodo, como la estructura secundaria de la proteína en el EPS48. Además, el método de preoxidación puede destruir completamente el EPS en el lodo13 y, por lo tanto, el proceso de combinación con la preoxidación fue factible para mejorar aún más el rendimiento de deshidratación del lodo.

Este estudio se centró principalmente en el uso de un floculante catiónico eterificado a base de almidón modificado, St-CTA, seguido de un material arcilloso, ATP, para acondicionar los lodos y mejorar su deshidratación; y se investigaron en detalle los mecanismos sinérgicos de deshidratación. Los principales resultados obtenidos se resumieron de la siguiente manera:

(1) Demostró que el ATP alimentado después de St-CTA muestra una eficiencia ligeramente mayor en la deshidratación de lodos que las otras dos secuencias de dosificación. Específicamente, el proceso de acondicionamiento de lodos con 16.00 mg/g TSS de St-CTA en conjunto con 14.00 kg/m3 de ATP tiene un rendimiento de deshidratación de lodos superior y un bajo costo de aproximadamente 14.55 USD/tTSS, además, el FCMC se redujo en consecuencia de 97,86 a 76,99% y los flóculos de lodo se compactaron con un D2 de aproximadamente 1,933. La utilización de este proceso de acondicionamiento combinado para la deshidratación de lodos tiene, por tanto, un potencial de aplicación prometedor.

(2) Sobre la base del análisis de los cambios en los contenidos y distribuciones de las fracciones y componentes de EPS en el lodo condicionado por St-CTA y ATP con diferentes dosis asociado con el análisis de correlación de Pearson, St-CTA y ATP podrían ambos inhibe el EPS, y el S-EPS está estrechamente relacionado con el rendimiento de deshidratación de lodos. Además, la combinación de St-CTA y ATP redujo eficientemente la PN en las tres fracciones de EPS totalmente de 6,09 a 3,01 mg/gTSS, las cuales exhibieron correlaciones significativas (p < 0,05) con los parámetros de deshidratación de SRF y FCMC, y PN en Por lo tanto, el EPS, en lugar del ácido húmico y el ácido fúlvico, tiene un efecto dominante en la deshidratación de lodos.

(3) El rendimiento superior de deshidratación de lodos de este proceso combinado por St-CTA y ATP se atribuyó a sus efectos sinérgicos. El St-CTA cargado positivamente podría agregar y coagular eficientemente las partículas de lodo y también inhibir eficientemente el EPS en conjunto mediante la neutralización de la carga y los efectos de floculación puente. La siguiente adición de ATP no sólo actuó como formador de esqueleto en las tortas de lodo aglomerado para mejorar su permeabilidad y filtrabilidad, lo que provocó que el coeficiente de compresión de las tortas de lodo se redujera de 1,26 a 0,79, sino que también quelaba eficazmente con las sustancias PN altamente hidrófilas en la EPS del lodo a través de los iones metálicos en ATP, mejorando así la deshidratación del lodo.

El almidón (St, peso molecular promedio en peso ~ 1,5 × 105 g/mol) se obtuvo de Binzhou Jinhui Corn Development Co., Ltd. El cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio (CTA, 60 % en peso en agua) se adquirió de Corporación Industrial Aladdin. Se sintetizó St-CTA con una proporción de masa de alimentación de St a CTA de 1:1,5, de la cual se determinó una densidad de carga de aproximadamente 1,875 mmol/g mediante titulación coloidal29,49. El ATP se adquirió de MESB (Meishibo), Changzhou, con un tamaño de partícula promedio [d(0,5)] de aproximadamente 18,107 μm obtenido mediante un analizador de tamaño de partículas por difracción láser (Mastersizer 2000, Malvern, Reino Unido). El ATP se secó completamente en un horno antes de su uso, cuyo potencial zeta se determinó que era aproximadamente -9,08 ± 0,09 mV. PAM (peso molecular promedio en peso de aproximadamente 1,0 × 107 g/mol y CD de 1,06 ± 0,13 mmol/g) se obtuvo de Dongying Nuoer Chemical Co., Ltd.

Se tomaron muestras de lodos activados de una planta de tratamiento de aguas residuales en Nanjing, que trata los lodos mediante el proceso de lodos activados y biorreactores de membrana. Las muestras se almacenaron en un refrigerador a 4 °C y la misma serie de experimentos utilizando el mismo lodo se completó en 7 días. Todas las propiedades fisicoquímicas del lodo, incluidos sus métodos de determinación detallados, se muestran en la Tabla de información de respaldo S2.

Los frascos de 250 ml se utilizaron para el acondicionamiento de 100 ml de suspensión de lodo a través de un mezclador de paletas programado de seis lugares modelo TA6 (Wuhan Hengling Tech. Co. Ltd.) a temperatura ambiente. El proceso de acondicionamiento detallado fue el siguiente. Se añadieron varios volúmenes de la solución de St-CTA recién preparada (4,0 g/l) a las suspensiones de lodo; la mezcla se agitó rápidamente a 250 rpm durante 1,0 min, seguido de una agitación lenta a 50 rpm durante 2,0 min; y luego se agregaron diferentes cantidades de ATP a las mezclas de lodos, las cuales se agitaron rápidamente a 250 rpm durante 30 s y luego una agitación lenta a 50 rpm durante 3,5 min. El lodo acondicionado se utilizó para experimentos posteriores para determinar el FCMC, SRF, el tiempo de succión capilar (CST), el coeficiente de compresión, las propiedades del flóculo, incluido el tamaño y la compacidad del flóculo, los potenciales zeta y las fracciones y componentes de las extracciones de EPS. Los métodos de caracterización antes mencionados se describen en detalle en la Tabla de información de respaldo S2. Cada experimento se midió por triplicado y los resultados finales representaron los valores promedio con un error relativo inferior al 5%.

FCMC y SRF son dos parámetros importantes para evaluar el rendimiento de deshidratación de lodos, donde SRF es la determinación de la resistencia específica del lodo bombeando el lodo acondicionado a través de un embudo Brinell de 0,05 MPa de presión. El filtrado extraído se recogió en una probeta medidora de 100 ml y la lectura de la probeta se registró cada 5 s desde el inicio del bombeo hasta que se rompió la torta de lodo o hasta alcanzar los 6,0 min. La torta de lodo se secó en una estufa a 105 °C y la FCMC se determinó de acuerdo con el informe anterior50. El FSR de los lodos se calculó de la siguiente manera7,49:

donde P (N/m2) representa la presión utilizada para la filtración, Sa (m2) muestra el área del papel de filtro utilizado para la extracción, b (s/m6) indica la pendiente de la curva de descarga del filtrado; μ es la viscosidad cinética y ω indica el peso seco por unidad de volumen de lodo en el medio filtrado.

La CST se midió utilizando un aparato CST (England Triton Electronics 304 m) para indicar la filtrabilidad del agua libre en el lodo51. El rendimiento de compresión de lodos se expresa mediante el coeficiente(s) de compresión de lodos, que se obtiene midiendo las resistencias específicas de los lodos bajo diferentes presiones de bombeo, es decir, 0,02, 0,03, 0,04 y 0,05 MPa según la ecuación. (2)47,52:

TTF se refiere al tiempo necesario para obtener un volumen de filtrado igual a la mitad del volumen de lodo bajo una presión de 0,05 MPa5,53. El volumen de filtración se refiere al volumen de filtrado en la probeta al final de la filtración. La tasa de filtrado (q), que indica la tasa de filtración, está determinada por la ley de Darcy según la ecuación. (3):

donde V es el volumen de filtrado (m3) que se lee en la probeta al final de la filtración, Sb es el área de filtración (m2) y t es el tiempo de filtración (h)53.

Se determinaron las propiedades del flóculo del lodo tratado, incluido el tamaño del flóculo (l) y la dimensión fractal bidimensional (D2), para estudiar los cambios microestructurales en el lodo acondicionado. Los flóculos de lodo se fotografiaron con una cámara digital Pentax Modelo Km equipada con un microscopio óptico (XTL-3400; Shanghai Caikon Optical Instrument Co., Ltd.) con un aumento fijo. l era la longitud característica del flóculo de lodo y la línea más larga que une dos puntos del contorno del objeto y pasa por el centroide. Como se mencionó en el estudio anterior7,29, la longitud característica proyectada l y el área proyectada (A) del flóculo de lodo se midieron mediante un software de análisis de imágenes (Image pro® Plus 6.0) y, en consecuencia, se obtuvo D2 mediante el método logarítmico. ajuste de la ecuación. (4).

Los flóculos de lodo acondicionados y sus tortas de lodo formadas después de un siguiente exprimido mecánico se liofilizaron a -60 °C durante 72 h y luego se observaron directamente sus morfologías superficiales mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, FEI Quanta 250).

El EPS en lodos se clasificó principalmente en EPS soluble (S-EPS), EPS débilmente ligado (LB-EPS) y EPS fuertemente ligado (TB-EPS)6, que se extraen mediante un método de extracción térmica ultrasónica modificado en este trabajo7,54 . Los detalles del método operativo son los siguientes: se centrifugaron 10 ml del lodo en un tubo a 3000 rpm durante 10,0 min, se extrajo el sobrenadante y se filtró a través de una membrana de filtro de 0,45 μm para obtener S-EPS. El lodo restante se resuspendió en 10 ml con una solución de NaCl de fracción de masa al 0,05 %, se sonicó a 20 kHz durante 2,0 min y luego se agitó en un agitador a 150 rpm durante 10,0 min, seguido de una centrifugación a 5000 rpm durante 10,0 min, se extrajo el sobrenadante. y se filtró a través de una membrana de 0,45 μm para obtener LB-EPS. El lodo restante se resuspendió en una solución de NaCl con una fracción de masa del 0,05 % hasta 10 ml, se sonicó a 20 kHz durante 3,0 min, se calentó en un baño de agua a 60 °C durante 30,0 min y luego se centrifugó a 8000 rpm durante 10,0 min para extraer el sobrenadante. y se filtró a través de una membrana de 0,45 μm para obtener TB-EPS.

El carbono orgánico total (TOC) en fracciones de EPS se midió mediante un analizador de carbono orgánico total (Aurora 1030 W, EE. UU.) para indicar las materias orgánicas disueltas en el lodo. Los contenidos de proteína (PN) se midieron utilizando un espectrómetro UV-2600A (Unico USA) con albúmina sérica bovina (BSA) como sustancia estándar55,56. Los tres extractos de EPS y la solución estándar de BSA se tiñeron con la solución preparada de Coomassie Brilliant Blue G-250 y la absorbancia de PN se midió mediante UV a 595 nm después de reposar durante 2,0 min. El contenido de polisacáridos (PS) se analizó mediante el método de la antrona57. Porque el PS puede reaccionar con la antrona formando una solución azul verdosa. El EPS y las soluciones estándar de glucosa preparadas se pueden calentar y hacer reaccionar con antrona y medir la absorbancia mediante UV a 620 nm.

Los espectros de la matriz de emisión de excitación tridimensional (3D-EEM) se midieron mediante un espectrofotómetro de fluorescencia F-7000 (Hitachi, Japón). Las condiciones experimentales específicas son las siguientes: la longitud de onda de la luz emitida varía de 250 a 550 nm en un incremento de 1 nm y el rango de longitud de onda de la luz de excitación es de 200 a 450 nm en un incremento de 5 nm. La velocidad de escaneo es de 2400 nm/min y los anchos de banda de las rendijas de emisión y excitación son de 5 nm38.

El análisis de correlación se llevó a cabo a través del módulo de cálculo del coeficiente de correlación de Pearson de IBM SPSS Statistics versión 22.0, que se utilizó principalmente para cuantificar la correlación entre los valores de FCMC o SRF y diferentes fracciones en EPS58 de lodo.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvención n.° 51978325).

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SHS realizó estos experimentos, analizó los resultados y escribió el manuscrito. HW, PH e YP realizaron estos experimentos y escribieron el manuscrito. HY es el autor correspondiente (Tel y Fax: 86-25-89681272, correo electrónico: [email protected]), diseñó los experimentos, revisó y editó el manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito.

Correspondencia a Hu Yang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Shen, S., Wei, H., Pan, Y. et al. La deshidratación mejorada del lodo mediante un floculante a base de almidón combinado con atapulgita. Representante científico 13, 402 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27749-3

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Recibido: 24 de noviembre de 2022

Aceptado: 06 de enero de 2023

Publicado: 09 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27749-3

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