改良Fenton體系對疏浚底泥脫水性能的影響

田宇等

摘要：Fenton體系可有效降解污泥中的胞外聚合物（EPS），改良污泥脫水性能。針對高有機質(zhì)含量、高黏粒含量的超保水性污染底泥，傳統(tǒng)的絮凝脫水已不能滿足需求，系統(tǒng)研究了改良Fenton體系對疏浚底泥脫水性能的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)enton體系與無機改良劑聯(lián)用時，生石灰效果最佳，優(yōu)于石膏和粉煤灰；當生石灰加入量為1 %時，底泥比阻最小，為6.19×1012 m/kg，比阻減小率為55.70 %。將Fenton體系與CPAM聯(lián)用，底泥脫水性明顯最優(yōu)；當濃度為0.1%的CPAM投入量為50 mg/L時，比阻為0.83×1011 m/kg，比阻減小率可達99.37 %，比僅使用Fenton處理的效果提高了91.54%。

關(guān)鍵詞：疏浚底泥；Fenton；比阻；脫水性能

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2015）03-0502-04

Abstract：Fenton system can degrade EPS in the sludge effectively and improve the performance of sludge sedimentation and flocculation.The traditional technology is not suitable for the sludge of super water retention with high organic and clay contents.In this paper，the effects of improved Fenton system on the dredged sludge dehydration were investigated.The results showed that （1） quick lime has better effects than gypsum and fly ash when the Fenton system is combined with inorganic modifier；（2） when the quick lime amount is 1%，the SRF of dredged sludge is the lowest with a value of 6.19×1012 m/kg and the SRF reduction efficiency is 55.70%；（3） sludge dehydration effect is the best when Fenton system is combined with CPAM；and （4） when the amount of 0.1% CPAM is 50 mg/L，the SRF is 0.83×1011 m/kg and the SRF reduction efficiency is 99.37%，which is about 91.54% higher than that treated by Fenton system only.

Key words：dredged sludge；Fenton；SRF；dehydration performance

在疏挖后盡快對疏浚底泥進行脫水處理，是疏浚過程中實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化以及資源化的必要過程，不僅可以解決堆放疏浚底泥時造成的資源浪費問題，也可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)解決底泥的“減量化”問題時采用的脫水工藝一般以堆場自然沉降為主，輔以加入絮凝劑處理。但是對于高有機質(zhì)含量、高黏粒含量的超保水性污染底泥[1]，由于其中存在較多胞外聚合物（EPS）[2-3]，傳統(tǒng)脫水工藝的處理效果并不明顯，需要在脫水工藝前加入調(diào)質(zhì)工藝。

Fenton體系[4]是一種強氧化性體系，廣泛應用于生活污水處理、特種廢水處理和城市污泥處理領(lǐng)域，而應用于疏浚底泥脫水處理相對較少。鐘恒文等[5]將Fenton體系應用于處理城市生活污泥中，發(fā)現(xiàn)體系中Fe2+濃度與pH值的差異導致城市生活污泥中難分解產(chǎn)物及EPS、VSS降解效率略有差別，其對生活污泥中一般化學反應較難去除的污染物有著較好的去除效果。馬俊偉等[6]將Fenton體系與應用最廣泛的調(diào)理劑陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）聯(lián)用，應用于城市污泥脫水，并結(jié)合泥餅含水率、COD、顆粒粒徑等多個指標對改良Fenton體系的脫水性能進行表征，發(fā)現(xiàn)經(jīng)聯(lián)合調(diào)理后，F(xiàn)enton的強氧化性與CPAM的強絮凝性可以充分結(jié)合，優(yōu)于Fenton體系單一處理。楊斌等[7]研究了生石灰與粉煤灰等無機物對城市生活污泥的脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)在污泥脫水時添加定量無機改良劑，可以使污泥比阻降低90%以上，有效改善底泥脫水性能[8]。

本文以滇池外海北部的疏浚重度污染底泥為研究對象，在Fenton處理底泥時添加 CPAM以及無機改良劑（生石灰、石膏、粉煤灰），結(jié)合底泥過濾比阻和濾液水質(zhì)指標，分別考察Fenton體系及改良Fenton體系對滇池底泥脫水性能的影響。

1 試驗分析

1.1 主要試劑和原料

主要試劑：氯化亞鐵，濃硫酸，30%雙氧水，重鉻酸鉀，硫酸銀，硫酸亞鐵，硫酸亞鐵銨，CPAM，無機改良劑（生石灰、粉煤灰、石膏）。

原料：云南滇池疏浚底泥，其主要參數(shù)見表1。

1.2 試驗步驟與方法

（1）將滇池底泥配制成含水率為95 %的泥漿，用H2SO4調(diào)節(jié)pH 值，加入定量Fe2+溶液與30 % H2O2，調(diào)節(jié)一定的H2O2/Fe2+摩爾比。

（2）將體系混合均勻后置于恒溫水浴振蕩器上，在一定溫度下震蕩后，測試底泥比阻[9-10]。利用激光衍射粒度分析儀（MS2000）測量經(jīng)Fenton處理前后粒徑變化規(guī)律。

（3）使用Fenton體系與改良劑聯(lián)合處理底泥。先將底泥進行Fenton處理，再分別投加生石灰、石膏、粉煤灰三種改良劑（投加量以干基記），分別測定改良后的比阻變化。endprint

（4）測定經(jīng)以上處理方式的濾液水質(zhì)。使用紫外可見分光光度計（Spectrum 756PC）濁度儀（HANNA HI93703-11）測定濾液透光率及濁度；通過過濾稱重法與重鉻酸鉀法測定濾液中SS與COD值[11]。

（5）烘干濾餅，并利用掃描電子顯微鏡（JSM6380LV）觀察其斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fenton體系對滇池疏浚底泥脫水性能的影響

滇池底泥經(jīng)Fenton處理前后，各項指標的對比數(shù)據(jù)見表2。經(jīng)測試，F(xiàn)enton體系對底泥的最佳投加方式為pH=6.2，T=25 ℃，H2O2為10 mg/g，H2O2/Fe2+=8∶1，t=10 min。可以看出，經(jīng)Fenton處理后，底泥的比阻由13.25×1012 m/kg降至10.41×1012 m/kg，減小率達21.43 %；濾液濁度下降，透光率上升；底泥顆粒的平均粒徑由5.52 μm降至4.605 μm，經(jīng)強氧化處理之后粒徑有所減小。此外，濾液中的多糖含量由63 mg/L上升至124 mg/L，表明Fenton將疏浚底泥的EPS降解，產(chǎn)生的分子量較小的多糖溶于清液。

2.2 Fenton體系與無機改良劑聯(lián)用對底泥比阻的影響

滇池底泥在經(jīng)Fenton處理后的比阻為10.41×1012 m/kg，分別引入無機改良劑后，底泥的比阻均隨著投加量的增加呈先減小后增大的趨勢。聯(lián)用生石灰，投加量為1 %時，相對于原泥比阻減少率最高，為55.20 %；聯(lián)用石膏，投加量為0.5%時，比阻為8.42×1012 m/kg，減至最小，較未處理時減小率為36.45 %；聯(lián)用粉煤灰作為改良劑較前兩種效果較差，在投加量0.25 %時，比阻為9.10×1012 m/kg。

對比單獨采用三種無機改良劑與分別聯(lián)用Fenton體系聯(lián)用處理疏浚底泥的效果（表3），可以看出，三種無機改良劑單獨作用于底泥時，其比阻減小量相對聯(lián)用情況以及Fenton單獨處理情況均有所降低。可見，聯(lián)用處理對底泥沉降性能的改善效果比單獨使用時更佳。

生石灰主要原料為CaO，遇水形成微溶于水的氫氧化鈣，形成的絡合物在底泥沉降脫水過程中能起到填充料的作用，在架橋現(xiàn)象中充當骨架，促使底泥顆?；?，降低底泥的黏度，增加滲透系數(shù)，讓自由水更容易透過，從而提高底泥在Fenton處理后的沉降效率。同理，以硫酸鈣為主要成分的石膏也起到支撐骨架的作用，加快自由水的脫除。粉煤灰顆粒粒徑較小、比表面積相對較大，因而吸附性較強，在脫水時可以起到與底泥顆粒電性中和和吸附架橋的作用，破壞底泥膠體顆粒的穩(wěn)定，使分散的小顆粒之間相互聚集形成大顆粒，僅加入少量就可以起到應有作用[13]。而生石灰和石膏在少量時比阻隨加入量增加而降低，但是超過一定值之后，比阻反而升高。

2.3 Fenton體系與CPAM聯(lián)用后對底泥比阻的影響

CPAM是可以與Fenton體系聯(lián)合使用的一種改良劑，其本身是一種用處極廣的絮凝劑，使用濃度為0.1%的CPAM處理底泥，最佳量為50 mg/L，可將底泥比阻降至8.83×1011 m/kg。若使用Fenton體系處理滇池底泥后使用CPAM進行絮凝處理，在最佳投加量時，底泥比阻可達0.83×1011 m/kg，對比未處理底泥減小了99.37 %，較僅使用Fenton處理時比阻減小率達91.54 %。

將Fenton體系與CPAM聯(lián)用后再與前文所提無機改良劑（生石灰、石膏、粉煤灰）聯(lián)用，其比阻與未處理底泥比阻減小率見圖2。

向Fenton+CPAM體系中投加脫水效果最佳的加入量分別為：1%生石灰，0.5%石膏，0.125%粉煤灰。但是結(jié)果顯示，聯(lián)用處理后底泥的比阻反而略有上升，分別上升至3.4×1012 m/kg、3.66×1012 m/kg、5.14×1012 m/kg。這表明無機改良劑不但沒有起到促進底泥比阻降低的作用，反而阻礙了Fenton體系與CPAM聯(lián)用的效果。究其原因，CPAM屬于有機長鏈高分子絮凝劑，其對疏浚底泥體系有吸附架橋、電中和作用，有利于對底泥體系的絮凝脫水作用[12，14]。但是CPAM對于高有機質(zhì)含量、高黏粒含量的超保水性污染底泥作用效果不佳。經(jīng)Fenton體系處理后，底泥顆粒中較難被絮凝的胞外聚合物（EPS）被強氧化性分解，產(chǎn)生多糖等小分子。分解后的顆粒經(jīng)CPAM吸附架橋及電中和作用后，較單獨使用Fenton體系或CPAM處理比阻均有較大幅度降低。Fenton體系與無機改良劑聯(lián)用時會在體系中形成骨架，而在使用CPAM后，其自身分子已可以充當骨架作用，此時再加入的無機改良劑會附著在底泥分子上，反而不利于比阻的減小和結(jié)合水的脫除。

2.4 經(jīng)改良劑處理后Fenton體系對過濾水質(zhì)的影響

從圖3-圖5可以看出，底泥經(jīng)Fenton處理后，濾液透明度均高于原泥，透光率達98 %以上；濾液濁度只有0.4 NTU。與CPAM聯(lián)用后，上清液的濁度幾乎與僅使用Fenton處理相似，均在0.5 NTU以下；但是Fenton及其改良體系與無機改良劑聯(lián)用后濁度均有不同程度上升。這是由于所選用的無機改良劑的分子較輕較小，若不能充分與底泥相結(jié)合，會有一部分浮于上清液中，導致濁度上升；但此類改良濁度仍均達到國家二級排放標準。

底泥脫水過濾后的清液COD為64 mg/L，經(jīng)Fenton處理后與經(jīng)Fenton+CPAM處理后COD呈遞減變化，分別為48 mg/L與32 mg/L。在此復配的基礎(chǔ)上加入無機改良劑（生石灰、石膏、粉煤灰）后，COD值不降反升，分別上升至80 mg/L、72 mg/L、144 mg/L，見圖6。這說明加入定量無機改良劑后會有一部分改良劑原料浮于過濾清液中，影響清液的指標。

2.5 經(jīng)改良后Fenton體系對泥餅斷面形貌的影響

圖7為抽濾泥餅的截面掃描電鏡圖，可以看出，原泥中由于EPS的存在，表現(xiàn)為孔隙結(jié)構(gòu)分布不均，顆粒間黏合力較強。經(jīng)過Fenton處理后，顆粒間黏結(jié)力降低，顆粒粒徑減小，孔隙率增大，因此脫水性能提升。Fenton聯(lián)用生石灰，與單獨使用Fenton體系，濾餅斷面形貌變化不大，這是因為生石灰等無機改良劑更多的是起到支撐骨架的作用，并不改變顆粒的水和雙電層結(jié)構(gòu)，不能有效改變顆粒的團聚結(jié)構(gòu)。Fenton體系與CPAM聯(lián)用，F(xiàn)enton體系降解EPS，CPAM壓縮顆粒雙電層結(jié)構(gòu)，疏浚底泥出現(xiàn)絮團結(jié)構(gòu)，濾餅斷面出現(xiàn)比Fenton單獨處理更大的孔洞，致使底泥在抽濾脫水時滲透速率大大加快，有效提升了底泥的脫水性能。endprint

3 結(jié)論

（1）Fenton體系可有效降低疏浚底泥比阻、提高淤泥的脫水性能，將Fenton與一些改良劑聯(lián)用可以進一步減小底泥比阻，增強脫水性能。

（2）當Fenton體系與生石灰聯(lián)用時，加入量為1%時，比阻減少率最大可達55.70%；當Fenton與CPAM聯(lián)用時，比阻減少最大可達93.71%。Fenton與CPAM的聯(lián)用效果要明顯強于生石灰等無機改良劑。

（3）若Fenton與CPAM聯(lián)用后繼續(xù)與生石灰等無機改良劑聯(lián)用，底泥比阻會升高，影響底泥脫水效果。[HJ1.67mm]

參考文獻（References）：

[1] 李寶，丁士明，范成新，等.滇池福保灣底泥內(nèi)源氮磷營養(yǎng)鹽釋放通量估算[J].環(huán)境科學，2008，29（1）：114-120.（LI Bao，DING Shi-ming，F(xiàn)AN Cheng-xin.Estimation of releasing fluxes of sediment nitrogen and phosphorus in Fubao Bay in Dianchi Lake[J].Environmental Science，2008，29（1）：114-120.（in Chinese））

[2] Wingender J，New T R，F(xiàn)lemming H C，editors.Micro2 bial Extracellular Plymeric Substances ：Characterization，Structure and Function[M].Berlin：Springer，1999.

[3] Kang S M，Kishimoto M，Shioya S，et al.Dewatering characteristics of activated sludges and effect of extracellular polymer[J].Ferment Bioeng， 1989，68 （2）：117-122.

[4] Naoki Abe，Yue-Qin Tang.，et al.Development of an efficient process for the treatment of residual sludge discharged from an anaerobic digester in a sewage treatment plant[J].Bioresource Technology，2011，10：1-4.

[5] 鐘恒文.生污泥的Fenton氧化處理[J].中國給水排水，2003，19（8）：46-47.（ZHONG Heng-wen.sludge of Fenton oxidation treatment[J].China Water&Waste Water，2003，19（8）：46-47.（in Chinese））

[6] 馬俊偉，劉杰偉，曹芮，等.Fenton 試劑與CPAM聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水效果的影響研究[J].環(huán)境科學，2013，34（9）：3538-3543.（MA Jun-wei，LIU Jie-wei，CAO Rui.Sludge Dewaterability with combined conditioning using fenton's reagent and CPAM[J].Environmental Science，2013，34（9）：3538-3543.（in Chinese））

[7] 楊斌，楊家寬，唐毅，等.粉煤灰和生石灰對生活污水污泥脫水影響研究[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2007，30（4）：98-99.（YANG Bin，YANG Jia-kuan，TANG Yi.Effect of fly ash and quick lime on sanitary sewage[J].Environmental Science & Technology，2007，30（4）：98-99.（in Chinese））

[8] Jennifer L，Dalton，Kevin H，Gardner，et al.Properties of Portland cement made from contaminated sediments[J].Resources Conservation and Recycling，2004，41（3）：227-241.

[9] 謝敏，施周，李淑展.污泥脫水性能參數(shù)-比阻檢測的若干問題研討[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2006，29（3）：15-16.（XIE Min，SHI Zhou，LI Shu-zhan.Sludge dewatering performance parameters[J].Environmental Science & Technology，2006，29（3）：15-16.（in Chinese））

[10] 王力.利用磷石膏，粉煤灰和電石渣固化城市污水處理廠污泥試驗研究[D].重慶大學，2012.（WANG Li.Solidification of sludge from municipal wastewater treatment plants with phosphogypsum，fly ash and carbide slag[D].Chongqing University ，2012.（in Chinese））

[11] Gaudy A F.Colorimetric determination of protein and carbohydrate[J].Industrial Water Wastes，1962，7：17-22.

[12] 劉宏.CPAM 污泥脫水絮凝劑的制備，性能及機理研究[D].重慶大學，2007.（LIU Hong.Study on synthesis and properties and mechanism of sludge dewatering flocculant CPAM[D].Chongqing University ，2007.（in Chinese））

[13] Gaudy A F.Colorimetric determination of protein and carbohydrate[J].Industrial Water Wastes，1962，7：17-22.

[14] Qian J W，Xiang X J，Yang W Y，et al.Flocculation performance of different polyacrylamide and the relation between optimal dose and critical concentration[J].European polymer journal，2004，40（8）：1699-1704.endprint