La deshidratabilidad mejorada del lodo por un almidón.

Apr 28, 2023

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

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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 a base de almidón modificado catiónico (St-CTA) junto con una arcilla popular, atapulgita (ATP), para el acondicionamiento de lodos activados por desechos. 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 de deshidratación aparente 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 deshidratabilidad 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 neutralización de carga eficiente de St-CTA, el ATP no solo actúa como un constructor de esqueleto en el proceso de deshidratación de lodos, lo que hace que los flóculos de lodos sean más compactos y mejore la filtrabilidad y la permeabilidad, sino que también interactúa estrechamente con las proteínas en EPS de la 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 tiene 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 lo tanto, es de vital importancia reducir el volumen de lodos por los procesos de deshidratación para su tratamiento eficiente4.

Los lodos generalmente se acondicionan mediante algunos pretratamientos antes del prensado mecánico para separar eficientemente el agua de los lodos5. 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 es ampliamente utilizada en las aguas residuales. 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, la coagulación/floculación tradicional es difícil de lograr una deshidratación completa porque las materias orgánicas altamente hidratadas en el lodo, como la sustancia polimérica extracelular (EPS), que une grandes cantidades de agua, eran difíciles de destruir para liberar completamente el agua unida e intracelular. agua8,9. Además, las tortas de lodo altamente comprimibles se compactarían completamente bajo la alta presión mecánica, lo que provocaría la destrucción de los canales de drenaje, la reducción de la filtrabilidad y el drenaje del agua interna atrapada 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 los procesos de acondicionamiento combinados con otros pretratamientos, respetuosos con el medio ambiente y efectivos, pueden mejorar notablemente la deshidratabilidad de los lodos1,6,12,13.

Los procesos de acondicionamiento comúnmente combinados incluyen acidificación-coagulación12, oxidación-coagulación13 y proceso combinado 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 combinado de coagulación y formador de esqueleto se basa en la coagulación y la adición de algunos formadores de esqueleto, como auxiliares 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 del esqueleto, la torta de lodo contiene una microestructura rígida y porosa incluso bajo una alta presión mecánica, lo que reduce la compresibilidad del lodo, permite que el agua contenida en las tortas de lodo se drene fácilmente y, por lo tanto, mejora la permeabilidad y la resistencia mecánica. de lodos para lograr un alto contenido de sólidos en los lodos (> 30% volumen de lodos secos)4,15,16,17. El proceso combinado 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 costo18. En este trabajo, se sintetizó19 un floculante catiónico eterificado a base de almidón con una alta densidad de carga, a saber, cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio (St-CTA) de almidón, en el que los grupos catiónicos de amonio cuaternario también pueden dañar eficazmente el tejido celular. estructuras e interactuar con EPS. St-CTA ha mostrado así un efecto notable en la deshidratación de lodos según informes anteriores13,19. Además, algunas arcillas, como la montmorillonita y el caolín, se han confirmado como formadores de esqueleto eficientes en combinación con diversos floculantes para un acondicionamiento eficaz de los lodos17,20. La attapulgita (ATP), una arcilla popular en China, tiene las características de un área de superficie específica alta, una estructura rígida y porosa y buenas propiedades de adsorción a muchas materias orgánicas21,22. ATP, como constructor de esqueletos, estaba aquí junto con St-CTA. El rendimiento de deshidratación de sus usos combinados para lodos activados por desechos con diferentes secuencias de dosificación y varias proporciones de dosificación se evaluó en términos de resistencia específica de filtración (SRF), contenido de humedad de la torta de filtración (FCMC), tiempo de filtración (TTF), propiedades de flóculos y microestructuras de tortas de lodo. Se investigaron los cambios en la distribución y composición de EPS del lodo acondicionado en relación con la eficiencia de deshidratación final. Los mecanismos sinérgicos de St-CTA y ATP también se discutieron en detalle. Por lo tanto, este trabajo propone un nuevo método de acondicionamiento combinado económico para la deshidratación de lodos.

Antes del experimento de deshidratación, se estudiaron y compararon en primer lugar los efectos de tres secuencias de dosificación diferentes usando ATP molido o sin moler en la deshidratación del lodo, es decir, ATP dosificado antes, junto o después de St-CTA, como se muestra en las Figs. S1, S2. De acuerdo con la Fig. S1, FCMC y SRF de lodo después de acondicionado por 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 con el aumento de la dosis de ATP, por lo que el FCMC y SRF óptimos fueron de alrededor del 79,50 % y 0,30 × 1012 m/kg, respectivamente, con la dosis de ATP de aproximadamente 10,00 kg/m3 (Fig. . S1e–f). Este hallazgo podría deberse a que el ATP podría combinarse fácilmente con los flóculos de lodos primarios formados por el St-CTA previamente alimentado para mejorar la filtrabilidad y la permeabilidad de las tortas de lodos finales. De manera similar, la información de apoyo, la Fig. S2, no muestra cambios notables en FCMC y SRF del lodo al usar ATP molido o no molido con un tamaño promedio de partículas 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, por 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 apoyo Figs. S3–S5. Según las Figs. 1, 2, Tabla 1 e Información de apoyo Figs. S3–S5, el rendimiento de deshidratación del lodo acondicionado con St-CTA individualmente mejoró evidentemente, especialmente en el rango de dosis bajas, pero alcanzó una meseta cuando se dosificó St-CTA 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%, SRF fue de 4.10 × 1012 a 0.57 × 1012 m/kg, CST fue de 50.6 a 10.1 s, 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 tasa de filtración fue de 0,2546 a 1,4218 m3/(m2 h) a la dosis óptima. Este hallazgo confirmó que la naturalización de la carga de St-CTA fue crucial para el proceso de acondicionamiento del lodo y que las cargas positivas excesivas podrían conducir a la reestabilización de las dispersiones coloidales del lodo (CS-ATP5, CS-ATP10 y CS-ATP15, Fig. 3)6 ,23,24. Además, el St-CTA, un material a base de polisacáridos con una estructura de cadena rígida, aún podía actuar como un constructor de esqueleto para construir canales de drenaje, lo que favorecía la escorrentía del agua y, por lo tanto, mejoraba la deshidratación del lodo6. Basado en las Figs. 1, 2, Tabla 1 e Información de apoyo 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 usando diferentes dosis: (a) FCMC, (b) SRF, (c) CST y (d) TTF.

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

Los potenciales zeta de los sobrenadantes de lodo acondicionados por St-CTA en conjunto con ATP usando diferentes dosis.

Figuras 1, 2, Tabla 1 e Información de apoyo Figs. S3–S5 muestran que el efecto acondicionador del ATP utilizado solo fue bastante limitado (CS-ATP1–CS-ATP4) debido a que el ATP tiene una carga superficial negativa (Fig. 3), lo que concuerda 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 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 apoyo, Fig. S6) pero, en consecuencia, la masa de lodo resultante aumentó constantemente. Además, el ATP dosificado después de St-CTA también podría aliviar obviamente el efecto de reestabilización6,23,24. Cuando se sobredosificó St-CTA a la dosis de 26,67 mg/gTSS, el FCMC mejoró de 88,88 a 76,71 % a la dosis de ATP de 14,00 kg/m3 (CS-ATP19, Fig. 1 y Tabla 1). Las partículas sólidas de ATP con carga negativa en la superficie podrían actuar como un constructor de esqueleto para reducir la compresibilidad del lodo y mejorar aún más el FCMC (Figs. 1a, 2), además, podrían neutralizar y combinar las cargas positivas excesivas de St-CTA sobredosificado y así debilitar el efecto reestabilizador6,23,24 (CS-ATP15, CS-ATP17 y CS-ATP 19, Fig. 3). Los compuestos formados de St-CTA y ATP pueden hacer que los flóculos se vuelvan ásperos y compactos (Información de apoyo, Fig. S7) debido a la estructura densa de ATP25. Sin embargo, ATP tuvo menos mejoras 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 se rompió rápidamente en los procesos de deshidratación promovidos después de la adición de ATP.

Además, el rendimiento de deshidratación de esta combinación se comparó con un floculante comercial, PAM, que se usa actualmente en la planta de tratamiento de aguas residuales en Nanjing (Información de apoyo, Fig. S8). De acuerdo con la Fig. S8, el FCMC óptimo obtenido por PAM fue del 84,81 % y fue mucho mayor que el del método de acondicionamiento combinado en este trabajo aproximadamente 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 aún más su costo. En consecuencia, el costo del proceso de acondicionamiento óptimo (CS-ATP14) fue de solo 14,55 USD/tTSS, que fue menor que el PAM alrededor de 21,32 USD/tTSS en plantas de agua. Además de PAM, el rendimiento de deshidratación de esta combinación también se ha comparado aproximadamente con algunos coagulantes tradicionales, como FeCl3, cloruro de polialuminio (PAC) y CaO, según informes anteriores19,27,28. La FCMC óptima de los lodos acondicionados con FeCl3 o PAC solos fue de alrededor del 84 %19,27, que fue notablemente superior a la de esta combinación. El CaO tuvo un buen efecto de deshidratación, pero el pH resultante del lodo acondicionado fue más alto y el tratamiento posterior se complicó28.

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 ATP se obtuvieron alrededor de 16,00 mg/gTSS y 14,00 kg/m3, 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 apoyo, 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 a 16,00 mg St-CTA/g TSS, incluso en combinación con ATP, debido al efecto de reestabilización6,23,24, que fue totalmente consistente con el rendimiento de deshidratación (Figs. 1,2, Tabla 1 e Información de apoyo Figs. S3–S5). Además, la adición de St-CTA hizo que la superficie de los flóculos de lodo pasara de ser relativamente lisa a áspera y porosa debido al efecto de coagulación eficiente de St-CTA (Fig. 6c), que facilitó la agregación y compresión en la siguiente deshidratación mecánica. para eliminar aún más el agua del lodo. Además, la adición de ATP hizo que partículas sólidas mucho más pequeñas se incrustaran en los flóculos de lodo (Fig. 6b, d), como constructores del esqueleto, para posiblemente crear canales de drenaje en las tortas de lodo formadas posteriormente y mejorar aún más el rendimiento de deshidratación del lodo30.

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

Imágenes de microscopio óptico de flóculos de lodo: (a) lodo crudo y acondicionado 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.

Imágenes SEM de flóculos de lodo: (a) lodo crudo y acondicionado 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 hizo que el tamaño del flóculo fuera más pequeño posiblemente debido a dos hechos. Una era que los flóculos de lodo primarios se romperían por la segunda mezcla rápida en el acondicionamiento de ATP después de St-CTA; El otro 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 obtenidos se volviera más pequeño (Fig. . 4). Sin embargo, la estructura más densa de ATP dio como resultado estructuras internas más compactas de 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, y Figs. S3-S5 de información de apoyo), lo que implicaba que los flóculos de lodo relativamente pequeños pero compactos causaron una buena propiedad de deshidratación (Fig. 4).

Los flóculos de lodo se agregaron, comprimieron y 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 sin microporos (Fig. 7a). Después del acondicionamiento con St-CTA, ATP y su combinación, respectivamente, 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 ( Fig. 7b–d). Estos vacíos y estructura porosa podrían crear canales de drenaje en las tortas de lodo y mejorar la filtrabilidad y la permeabilidad, lo que fue beneficioso para descargar más el agua interna del lodo30,32. Las morfologías superficiales observadas de las tortas de lodo fueron totalmente consistentes con sus propiedades de flóculo de lodo correspondientes (Fig. 4), coeficientes de compresión (Fig. 2 e Información de apoyo Fig. S5 y rendimiento de deshidratación (Fig. 1, Tabla 1 e Información de apoyo Figs. S3-S4). El St-CTA puede coagular y agregar el lodo de manera eficiente principalmente por neutralización de carga, y también el St-CTA parcial y el ATP actuaron como formadores del esqueleto y pueden reducir la compresibilidad de las tortas de lodo. Además, el rendimiento de deshidratación superior de la combinación de St-CTA y ATP se atribuyó a sus efectos sinérgicos.

Imágenes SEM de tortas de lodo: (a) lodo crudo y acondicionado 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 en las fracciones y componentes de EPS (Fig. 8). En cuanto a los lodos acondicionados solo con 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 se redujeron (Fig. 8a). Estos hallazgos indicaron que tanto St-CTA como ATP podrían inhibir el EPS. El S-EPS se agregaría y se asentaría, mientras que parte del LB-EPS se convertiría en TB-EPS debido a la neutralización de carga y los efectos de floculación puente de St-CTA19 y las posibles interacciones de ATP, como el efecto de quelación entre el metal iones en ATP y esas materias orgánicas35,36, que se discutirán en detalle en la siguiente sección. Sin embargo, la disminución adicional de los contenidos de TB-EPS podría deberse a que estaban demasiado unidos a las partículas de lodo para detectarse 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, el contenido de TOC en tres facciones de la EPS había aumentado ligeramente debido al efecto de reestabilización19,23,24, cuando se sobredosificó St-CTA (CS-ATP15).

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

Además, St-CTA junto con ATP hizo que los contenidos de TOC en esas tres facciones de EPS disminuyeran 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 los contenidos 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 apoyo Figs. S3–S5). Se confirmó que la disminución del contenido de EPS es beneficiosa para mejorar la deshidratabilidad de los lodos33,34.

Las composiciones químicas de EPS incluyen principalmente PN, PS, ácido húmico, ácido fúlvico y ácido nucleico, en el que PN y PS son dos importantes40. Los contenidos de PN y PS en diferentes fracciones de EPS del lodo acondicionado por diferentes procesos CS-ATP se determinaron con más detalle en la Fig. 8b,c. Las Figuras 8b,c muestran 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 forma 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 la PN en lugar de sobre la PS, porque los hierros metálicos en el ATP, como el Al3+ y el Fe3+ que inicialmente se unen al ATP con carga superficial negativa, se quelarían fácilmente con el –NH2 y el –COOH de la PN, lo que daría como resultado 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 lodos, como se muestra en la Tabla 3, también indicaron que los contenidos de PN, PS y TOC en EPS estaban estrechamente relacionados con el rendimiento de deshidratación de lodos41. En resumen, St-CTA junto con ATP podría inhibir eficientemente el EPS y, por lo tanto, mejorar efectivamente la deshidratabilidad 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 apoyo, 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 aromática (λex/em = 230/340 nm, Pico A), PN similar al triptófano (λex/em = 280 /350 nm, Pico B), ácido fúlvico (λex/em = 240/420 nm, Pico C) y sustancias ácidas húmicas (λex/em = 350/440 nm y 270/450 nm, Picos D y E). En consecuencia, la Fig. 6 y la Tabla de información de apoyo 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 apoyo S1, las tendencias de cambio 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 la PN aromática (Pico A) y la PN similar al triptófano (Pico B) son ambos fuertemente relacionados con el rendimiento de deshidratación de lodos en las tres fracciones de EPS; sin embargo, las sustancias de ácido fúlvico (Pico C) y ácido húmico (Picos D y E) están estrechamente asociadas con el rendimiento de deshidratación de lodos solo en S-EPS. Combinando el análisis de correlación de los contenidos de TOC, PS y PN en la Tabla 3, S-EPS está estrechamente relacionado con el rendimiento de deshidratación de lodos19 y el PN en EPS en lugar de ácido húmico y 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.

De acuerdo con 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 dosificó St-CTA con carga positiva, St-CTA aglomeraría las partículas de lodo y también inhibiría eficientemente el EPS a través de la neutralización de carga y los efectos de floculación de puente. La siguiente adición de ATP no solo actuó como un constructor de esqueleto en las tortas de lodo aglomerado para mejorar la permeabilidad y la filtrabilidad del lodo, sino que también se unió de manera efectiva con las sustancias PN altamente hidrofílicas en el EPS del lodo a través de los iones metálicos en ATP, por lo tanto juntos mejora de la deshidratabilidad de los lodos38,40,47.

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

Además de los efectos sinérgicos antes mencionados de St-CTA y ATP que causan un rendimiento 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, fuente amplia y baja costo. Por lo tanto, la combinación de St-CTA y ATP tuvo un rendimiento de 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 lo 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 dificultó mejorar aún más el rendimiento de deshidratación del lodo. Para reducir la dosis de constructor de esqueleto y la masa de lodo resultante, se deben desarrollar floculantes de alto rendimiento, que se basan 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 de los lodos, como la estructura secundaria de la proteína en EPS48. Además, el método de preoxidación puede destruir por completo el EPS en el lodo13 y, por lo tanto, el proceso combinado con la preoxidación fue factible para mejorar aún más el rendimiento de la deshidratación del lodo.

Este estudio se centró principalmente en el uso de un floculante a base de almidón modificado eterificado catiónico, St-CTA, seguido de un material de arcilla, ATP, para acondicionar el lodo y mejorar la deshidratación del lodo; y los mecanismos de deshidratación sinérgicos se investigaron en detalle. Los principales resultados obtenidos se resumen 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 por 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 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 acondicionado con St-CTA y ATP con diferentes dosis asociadas con el análisis de correlación de Pearson, St-CTA y ATP podrían inhibe el EPS, y S-EPS está estrechamente relacionado con el rendimiento de deshidratación de lodos. Además, la combinación de St-CTA y ATP redujo de manera eficiente la PN en las tres fracciones de EPS 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 EPS en lugar de ácido húmico y 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 a través de la neutralización de carga y los efectos de floculación de puente. La siguiente adición de ATP no solo actuó como un constructor de esqueleto en las tortas de lodo aglomerado para mejorar su permeabilidad y filtrabilidad, causando que el coeficiente de compresión de las tortas de lodo se redujera de 1.26 a 0.79, sino que también se quelaron efectivamente con las sustancias PN altamente hidrofílicas en la EPS del lodo a través de los iones metálicos en ATP, mejorando así la deshidratabilidad 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 Aladino. Se sintetizó St-CTA con una proporción de masa de alimentación de St a CTA de 1:1,5, cuya densidad de carga se determinó aproximadamente en 1,875 mmol/g mediante titulación coloidal29,49. El ATP se adquirió de MESB (Meishibo), Changzhou, con un tamaño medio de partícula [d(0,5)] de aproximadamente 18,107 μm obtenido mediante un analizador de tamaño de partícula por difracción láser (Mastersizer 2000, Malvern, Reino Unido). El ATP se secó por completo en un horno antes de su uso, cuyo potencial zeta se determinó en 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 desechos 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 se completó la misma serie de experimentos utilizando el mismo lodo en 7 días. Todas las propiedades fisicoquímicas del lodo, incluidos sus métodos de determinación detallados, se muestran en la Tabla de información complementaria S2.

Los frascos de 250 ml se usaron para el acondicionamiento de 100 ml de suspensión de lodo a través de un mezclador de paletas programado de seis posiciones modelo TA6 (Wuhan Hengling Tech. Co. Ltd.) a temperatura ambiente. El proceso de acondicionamiento detallado fue como sigue. 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 usó para experimentos posteriores para determinar FCMC, SRF, tiempo de succión capilar (CST), coeficiente de compresión, propiedades de los flóculos, incluidos el tamaño y la compacidad de los flóculos, 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 apoyo 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 mediante el bombeo del lodo acondicionado a través de un embudo Brinell de presión de 0,05 MPa. El filtrado extraído se recogió en una probeta 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 lodos se secó en una estufa a 105 °C y se determinó la FCMC de acuerdo con el informe anterior50. El SRF del lodo 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 del lodo se expresa por el coeficiente (s) de compresión del lodo, que se obtiene midiendo las resistencias específicas del lodo 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 requerido para obtener un volumen de filtrado igual a la mitad del volumen de lodo bajo la presión de 0,05 MPa5,53. El volumen de filtración se refiere al volumen de filtrado en el cilindro de medición al final de la filtración. La tasa de filtrado (q), que indica la tasa de filtración, está determinada por la ley de Darcy de acuerdo con la ecuación. (3):

donde V es un volumen de filtrado (m3) que se lee en el cilindro de medición al final de la filtración, Sb es un 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 Model 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 unía dos puntos del contorno del objeto y pasaba 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 por medio de un software de análisis de imágenes (Image pro® Plus 6.0), y en consecuencia se obtuvo D2 por el método logarítmico. ajuste de la Ec. (4).

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

El EPS en el lodo se clasificó principalmente en EPS soluble (S-EPS), EPS ligado libremente (LB-EPS) y EPS ligado fuertemente (TB-EPS)6, que se extraen mediante un método de extracción térmica ultrasónica modificada en este trabajo7,54. . Los detalles del método de operación 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 un filtro de membrana de 0,45 μm para obtener S-EPS. El lodo restante se resuspendió a 10 ml con 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 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 de fracción de masa al 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 filtrado a través de una membrana de 0,45 μm para obtener TB-EPS.

El carbono orgánico total (TOC) en las fracciones de EPS se midió con un analizador de carbono orgánico total (Aurora 1030 W, EE. UU.) para indicar la materia orgánica disuelta en el lodo. Los contenidos de proteína (PN) se midieron utilizando un espectrómetro UV-2600A (Unico USA) con albúmina de suero bovino (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. Los contenidos de polisacáridos (PS) se analizaron por el método de la antrona57. Porque PS puede reaccionar con antrona a una solución azul-verde. EPS y soluciones estándar de glucosa preparadas pueden calentarse y reaccionar con antrona y la absorbancia medida por UV a 620 nm.

Los espectros de matriz de emisión de excitación tridimensional (3D-EEM) se midieron con un espectrofotómetro de fluorescencia F-7000 (Hitachi, Japón). Las condiciones experimentales específicas son las siguientes: la longitud de onda de la luz emitida oscila entre 250 y 550 nm con incrementos de 1 nm y la longitud de onda de la luz de excitación oscila entre 200 y 450 nm con incrementos de 5 nm. La velocidad de exploración 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 mediante el 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 las diferentes fracciones en el lodo EPS58.

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

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Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvención no. 51978325).

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Shaohang Shen, Yu Pan, Pan Hu y Hu Yang

Escuela de Tecnología e Ingeniería Ecológica, Instituto de Tecnología de Shanghái, Shanghái, 201418, República Popular China

hua wei

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SHS realizó estos experimentos, analizó los resultados y escribió el manuscrito. HW, PH y YP realizaron estos experimentos y escribieron el manuscrito. HY es el autor correspondiente (Tel & Fax: 86-25-89681272, E-mail: [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 deshidratabilidad mejorada del lodo por un floculante a base de almidón combinado con atapulgita. Informe científico 13, 402 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27749-3

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Recibido: 24 noviembre 2022

Aceptado: 06 enero 2023

Publicado: 09 enero 2023

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

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