超聲波對底泥中腐殖酸的分解作用

張春雷,陳鳳蘭,宋懷輝,李曉東

(河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

超聲波對底泥中腐殖酸的分解作用

張春雷,陳鳳蘭,宋懷輝,李曉東

(河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

針對超聲波對污染底泥中腐殖酸的作用,研究超聲波作用時間、作用功率、底泥水土質(zhì)量比、腐殖酸初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)等影響因素對超聲波作用下腐殖酸的分解規(guī)律。結(jié)果表明:超聲波可以促進(jìn)底泥中腐殖酸的分解,被分解的腐殖酸主要是土顆粒結(jié)合態(tài)的腐殖酸。超聲作用會促進(jìn)孔隙水中腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,但隨著超聲波的繼續(xù)作用,孔隙水中的腐殖酸會逐漸被分解。在一定的超聲波功率范圍內(nèi),超聲波功率對腐殖酸的分解影響不明顯,泥漿的水土質(zhì)量比越大對底泥中腐殖酸的去除越有利。在實際工程應(yīng)用中應(yīng)以小功率、長時間、高水土質(zhì)量比的超聲條件組合才能取得較好的效果。

超聲波;底泥;腐殖酸;分解

在河湖的治理工程中,底泥清淤已經(jīng)成為水質(zhì)改善的常用內(nèi)源去除手段。而在底泥中通常含有大量的有機(jī)質(zhì),如杭州西湖底泥中的有機(jī)質(zhì)達(dá)到25.53%[1],云南滇池底泥中的有機(jī)質(zhì)約為8%[2]。有機(jī)質(zhì)在底泥中經(jīng)微生物作用,很快就會分解為腐殖質(zhì)[3],而腐殖質(zhì)的主要成分為穩(wěn)定狀態(tài)的腐殖酸。為了減少疏浚底泥的占地并將其轉(zhuǎn)化為土資源進(jìn)行再生利用,固化資源化方法以其處理效果好、處理成本低的優(yōu)點,已經(jīng)在國內(nèi)眾多的底泥處理工程中得到應(yīng)用[4]。然而在對底泥進(jìn)行固化處理時,腐殖酸的存在會顯著降低固化處理的效果,根據(jù)朱偉等[5]的研究,當(dāng)腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3.62%時,腐殖酸的增加使底泥的固化效果呈直線下降趨勢,當(dāng)腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3.62%時,固化處理的效果就變得非常差。因此,如何降低底泥中的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響底泥固化資源化處理的關(guān)鍵問題。

針對底泥中有機(jī)質(zhì)的去除,筆者根據(jù)超聲空化對有機(jī)質(zhì)的作用原理,探索利用超聲波作為底泥中有機(jī)質(zhì)的去除工具。目前超聲波已經(jīng)在污水和污泥的處理中得到較多的研究和應(yīng)用[6-7],還被用來處理污染土壤和污染底泥中的重金屬和難降解有毒有機(jī)污染物[8-9],也有對水中天然有機(jī)質(zhì)作用的研究報道[10-11],但是對于底泥中有機(jī)質(zhì)的去除效果的研究還未見報道。筆者利用腐殖酸作為有機(jī)質(zhì)摻加到底泥中,采用室內(nèi)試驗的方法研究超聲波功率、超聲波作用時間、泥漿水土質(zhì)量比以及腐殖酸初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)對腐殖酸去除效果的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用的底泥采自深圳大鵬灣,其物理化學(xué)指標(biāo):干基含水率為65.7%,土顆粒比重為2.74,容重為14.6 kN/m3,大于75 μ m顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%,5～75μ m顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%,小于5μ m顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34%,孔隙水中TC、IC、TOC的質(zhì)量濃度分別為17.91mg/L、4.48mg/L、13.43mg/L,干泥中TC、IC、TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.18%、0.95%、0.23%,由于底泥中初始的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,采用人工添加腐殖酸的方法來配制含有機(jī)質(zhì)底泥。采用的腐殖酸為化學(xué)純黑褐色粉末,分子式為C9H9NO6,分子量為 227.17。底泥顆粒主要為粉粒和粘粒(占94%),粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。

1.2 試驗方法

本研究主要考慮超聲波作用時間、超聲波作用功率、底泥水土質(zhì)量比、腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(腐殖酸質(zhì)量/干泥質(zhì)量)4個因素的影響,試驗方案見表1。試驗前按照表1中腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水土質(zhì)量比,在底泥中加入腐殖酸溶液,調(diào)整成不同腐殖酸和水土質(zhì)量比的泥漿,攪拌20min使其充分混合后,放在陰涼處密封放置3d以上,每次試驗取樣前攪拌均勻。

表1 試驗方案

根據(jù)試驗設(shè)計配比,每次取200 g調(diào)配好的泥漿,放入500mL燒杯中供超聲波作用。超聲波發(fā)射儀采用寧波新芝生物科技股份有限公司生產(chǎn)的JY98-III型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(最大功率為950W、頻率為21～25kHz),參數(shù)設(shè)置為溫度25℃、振幅15 μ m、作用時間3s、間歇時間1s。設(shè)置完成后,將燒杯置于超聲波隔音箱中,插入超聲波探針至液面下20mm,設(shè)定不同的超聲時間和超聲功率進(jìn)行處理。超聲結(jié)束后,拔出探針,從隔音箱中取出燒杯,接下來將燒杯靜置24h,取出上清液和風(fēng)干底泥采用島津TOC-VCPN(帶SSM-5000)儀器分別分析水樣和干泥中TC和IC的質(zhì)量分?jǐn)?shù),二者之差即為TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù),筆者用TOC指標(biāo)來反映腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。

圖1 TOC隨超聲波作用時間的變化

圖2 底泥中TOC去除率隨超聲波作用時間的變化

2 超聲波作用時間的影響

干泥和孔隙水中TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨超聲波作用時間的變化如圖1所示。由圖1可見,隨著超聲波作用時間的增加,干泥中的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈直線下降趨勢,表明隨著超聲波作用時間的增加,顆粒吸附的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)直線減少。而孔隙水中TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在超聲波作用25min之前隨時間的增加而增加,表明在超聲波作用的前期階段時,顆粒上的腐殖酸一部分會進(jìn)入到孔隙水中。當(dāng)作用時間超過25min以后,孔隙水中的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)也開始下降,這表明隨著超聲波作用時間的增加,孔隙水中的腐殖酸也被分解掉。對底泥和孔隙水中的TOC總?cè)コ孰S超聲時間的變化進(jìn)行分析,結(jié)果見圖2。由圖2可見,隨著超聲時間的延長,總的腐殖酸去除率呈線性增加趨勢。根據(jù)超聲波空化作用的原理,在泥漿中局部會產(chǎn)生5 000℃的溫度和500個大氣壓的壓力[12],在這樣的條件下,會對有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生熱解和氧化作用[10],底泥中腐殖酸的超聲分解符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程,回歸系數(shù)達(dá)到0.99。當(dāng)超聲波作用40min時,TOC的去除率呈線性增長的趨勢,在進(jìn)一步的研究中還需要對更長的超聲波作用時間進(jìn)行試驗,以找到最佳的超聲波作用時間。

3 超聲波作用功率的影響

超聲功率是指單位時間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向單位面積的平均聲能量,筆者對190 W、380W、570W和760W 4個功率作用下超聲波對底泥中有機(jī)質(zhì)的作用效果進(jìn)行試驗,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,在4種超聲波功率下干泥的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎不變,孔隙水中的TOC在570W以前也幾乎不變,在功率高于570W以后稍有增長。這一現(xiàn)象表明超聲波功率增大對有機(jī)質(zhì)的分解作用不顯著。陳偉[13]的研究發(fā)現(xiàn),超聲功率對降解效果的影響與有機(jī)物的性質(zhì)有關(guān),聲功率對疏水性、易揮發(fā)的有機(jī)物的降解影響較小,但對親水性、難揮發(fā)的有機(jī)物的降解率影響較大,而底泥中大量含有的腐殖酸、富里酸等腐殖質(zhì)都屬于疏水性難降解有機(jī)質(zhì),因此超聲功率對其分解影響不大。在實際工程應(yīng)用中應(yīng)以小功率、長時間的作用會取得較好的去除效果,同時采用小的功率也會節(jié)省電能。

圖3 TOC隨超聲波功率的變化

4 底泥水土質(zhì)量比的影響

泥漿的濃度會影響超聲波空化作用的效果,對水土質(zhì)量比分別為10、20、30和40的 4種泥漿下超聲波對有機(jī)質(zhì)的去除效果進(jìn)行試驗,結(jié)果見圖4。由圖4可見,隨著水土質(zhì)量比的增加,干泥中TOC的去除量在增加,而孔隙水中的TOC質(zhì)量濃度普遍高于超聲波作用前,但是隨著水土質(zhì)量比的增加,孔隙水中TOC質(zhì)量濃度越來越接近于超聲波作用前。由圖5可見,底泥中腐殖酸的去除率隨水土質(zhì)量比的增大在水土質(zhì)量比小于20之前變化不大,當(dāng)水土質(zhì)量比超過20以后,TOC去除率隨水土質(zhì)量比的增加而快速增長,表明泥漿越稀越有利于腐殖酸的分解。但是過量的水分會使需要處理的尾水量增大,因此在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際條件選用較高含水量的泥漿。

圖4 TOC隨水土質(zhì)量比的變化

圖5 底泥中TOC的去除率隨水土質(zhì)量比的變化

5 腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖6 TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

對4種不同腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下經(jīng)過超聲波作用前后TOC的變化量進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,當(dāng)腐殖酸初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時干泥中的TOC達(dá)到最大,當(dāng)腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5%時,就沒有去除效果。而孔隙水中TOC的去除效果隨腐殖酸初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎沒有變化。目前關(guān)于溶液中污染物初始濃度對超聲降解反應(yīng)的影響,不同研究者有不同的結(jié)論,文獻(xiàn)[14-15]認(rèn)為有機(jī)物降解速度隨溶液初始濃度的升高而下降;文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)有機(jī)物的降解速度隨溶液初始濃度的升高而增大;還有研究表明,溶液的初始濃度對反應(yīng)速度影響不大[17]。對底泥中腐殖酸濃度對超聲波分解的影響還需要進(jìn)行深入的研究。

6 結(jié) 論

a.超聲波可以促進(jìn)底泥中腐殖酸的分解,分解部分主要是土顆粒結(jié)合態(tài)的腐殖酸,底泥中腐殖酸的超聲分解符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程。

b.在超聲波作用下,干泥中的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)會減小,孔隙水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會增大,隨著超聲波作用的加強(qiáng),孔隙水中的腐殖酸也逐漸被分解。

c.在一定的超聲波功率范圍內(nèi),超聲波功率對腐殖酸的分解影響不明顯,泥漿的水土質(zhì)量比越大對底泥中腐殖酸的去除越有利,腐殖酸濃度較低時,超聲波的作用效果比較明顯。

d.在實際工程應(yīng)用中應(yīng)以小功率、長時間、高水土質(zhì)量比的超聲條件組合才能取得較好的效果。

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Decomposition of humic acid in dredged sediment under ultrasound treatment

ZHANG Chun-lei,CHEN Feng-lan,SONG Huai-hui,LI Xiao-dong
(Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to examine the effect of ultrasound on the humic acid(HA)in dredged sediment,the factors of ultrasound action time,power,water to soil mass ratio,and initial HA content in the decomposition properties of HA were studied.Test results showed that ultrasound could expedite decomposition of the HA in sediment,and the decomposed partswere mainly bound by soil particles.The HA content in pore water increased,at first,under ultrasound treatment,but it decreased as the ultrasound treatment continued due to composition.The ultrasound power had no obvious effect on the decomposition of HA up to a certain power value.The larger the water to soil mass ratio was,the more beneficial it was to HA decomposition.In practice,low power,a long duration,and a high water to soil mass ratio could achieve greater HA elimination.

ultrasound;sediment;humic acid;decomposition

X53

A

1004-6933(2010)02-0070-04

水利部公益性行業(yè)科研專項(200701045,200801065);海洋公益性行業(yè)科研專項(200705006);河海大學(xué)自然科學(xué)基金(2008427611)

張春雷(1978—),男,講師,博士,從事固體廢棄物控制方面的教學(xué)和科研工作。E-mail:chunleizhang@hhu.edu.cn

(收稿日期:2009-07-01 編輯:徐 娟)