紫外光－Fenton法處理剩余污泥

任晶晶，許延營，孫德棟，王玲玲，馬　春，董曉麗，張新欣

（1.大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連　116034；2.青島水務(wù)集團有限公司，山東青島　266000）

紫外光－Fenton法處理剩余污泥

任晶晶1，許延營2，孫德棟1，王玲玲1，馬春1，董曉麗1，張新欣1

（1.大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連116034；2.青島水務(wù)集團有限公司，山東青島266000）

利用紫外光（UV）－Fenton法氧化處理城市剩余污泥，并通過測量污泥破解率、上清液的SCOD、多聚糖、蛋白質(zhì)以及總氮濃度表征污泥的破解情況，測量污泥過濾比阻（SRF）表征污泥脫水性能的變化。結(jié)果表明，pH為3、反應(yīng)時間為2h，H2O2投加量為4g／L和Fe2＋投加量為0.06g／L是紫外光－Fenton氧化處理供試污泥的適宜條件。在適宜處理條件下，污泥破解率為20.8%，污泥破解后，微生物細胞內(nèi)有機物釋放到溶液中，使污泥上清液中的SCOD由126mg／L增加到848mg／L，多聚糖質(zhì)量濃度由33.4mg／L增加到119mg／L，蛋白質(zhì)量濃度由41.2mg／L增加到82.6mg／L。總氮含量增加了1.62倍。SRF由8.58×109s2／g下降至3.99×109s2／g。紫外光－Fenton反應(yīng)在有效破解污泥的同時，提高了污泥的脫水性能，有利于污泥的減量化。

剩余污泥；紫外光；Fenton試劑；預(yù)處理

0　引　言

隨著世界各國城市化進程的加快和生活水平的提高，生活污水和工業(yè)廢水的排量日益增多，城市污水處理廠的污泥產(chǎn)量也隨之增加?；钚晕勰喾ㄊ乾F(xiàn)今世界上污水處理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛及成熟的技術(shù)，但其最大的缺點就是產(chǎn)生大量的剩余污泥［1］。污泥中的有機物、重金屬及病原菌寄生蟲等對環(huán)境造成了巨大的壓力，因此，污泥的處理已經(jīng)成為當(dāng)前十分重要的問題［2］。

Fenton和類Fenton反應(yīng)在生活污水和特種廢水處理中已得到深入研究［3］。其中紫外光－Fenton（光－Fenton）反應(yīng)通過紫外光和Fe2＋共同催化H2O2分解，在酸性條件下生成具有強氧化性能的羥基自由基·OH［4］，·OH降解水中的有機物。光－Fenton反應(yīng)在紫外光和鐵鹽的共同催化下進行，大大提高了·OH的產(chǎn)率［5］，同時減少了亞鐵鹽和H2O2的投加量。Tokumura等［6］考察了光－Fenton對城市污泥的破解；Tony等［7］研究了光－Fenton對給水廠污泥的調(diào)理。類Fenton氧化處理污泥不需要增加其他合成有機物質(zhì)，因此增加了污泥的生態(tài)安全性。本實驗利用紫外光－Fenton反應(yīng)氧化處理剩余污泥，研究了紫外光－Fenton對剩余污泥的破解情況，為污泥的后續(xù)處理提供良好的基礎(chǔ)［8］。

1　材料與方法

1.1材料

本實驗所用的剩余污泥取自大連凌水河污水處理廠CAST工藝中經(jīng)過濃縮后的剩余污泥，取回后進行過濾，待污泥沉降穩(wěn)定后，放到4℃冰箱中保存。其污泥質(zhì)量濃度約為7～14g／L，pH約為7。

過氧化氫（H2O2），分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O），優(yōu)級純，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司。

紫外燈，大連旭日石英玻璃廠；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；紫外分光光度計，上海第三分析儀器廠；微波消解儀，汕頭市環(huán)海工程總公司制造的美的牌微波爐。

1.2方法

取12g／L的污泥50mL于石英燒杯中，向污泥中投加一定量的Fe2＋，調(diào)節(jié)pH，再加入H2O2。將石英燒杯拿到通風(fēng)櫥中，將燒杯放在攪拌器上，打開紫外燈，使污泥在紫外光下進行反應(yīng)且保持每次試驗時紫外燈與燒杯的距離不變，距離為20cm。經(jīng)過一定時間后將反應(yīng)停止，分別改變Fe2＋和H2O2的質(zhì)量濃度、pH以及反應(yīng)時間等條件，過濾取其反應(yīng)之后的上清液和剩余污泥進行各項參數(shù)的測試和分析。

1.3參數(shù)與測定方法

采用重量法測定污泥的破解率，采用重鉻酸鉀法測定SCOD［9］，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮［10］，采用苯酚－硫酸法測定多糖質(zhì)量濃度［11］，采用考馬斯亮藍染色法測定蛋白質(zhì)量濃度［12］，采用布氏漏斗法測定SRF［13］。

2　結(jié)果與討論

2.1過氧化氫投加量對污泥破解效果的影響

污泥質(zhì)量濃度12g／L、pH＝3、反應(yīng)時間2h、Fe2＋投加量為0.06g／L，過氧化氫投加量從2g／L增加到8g／L，測試不同投加量的過氧化氫對污泥破解率的影響，結(jié)果如表1所示。

表1　H2O2投加量對污泥破解率的影響Tab.1　Effect　of　H2O2concentration　on　SS dissolution　ratio

由表1可知，隨著H2O2投加量的增加，污泥破解率先呈上升趨勢后趨于平緩。當(dāng)H2O2投加量低于4g／L時，隨著H2O2的增加，破解率快速變大。這是由于隨著H2O2的增加，F(xiàn)enton反應(yīng)中的·OH也隨之增加［14］。當(dāng)H2O2投加量大于4g／L時，過量的H2O2將Fe2＋氧化成Fe3＋，結(jié)果既消耗了H2O2又抑制了·OH的產(chǎn)生［15］。因此，選擇H2O2投加量為4g／L。

2.2Fe2＋投加量對污泥SCOD的影響

污泥質(zhì)量濃度12g／L、pH＝3、反應(yīng)時間2h、H2O2投加量4g／L，F(xiàn)e2＋投加量從0.02g／L增加到0.08g／L，測試Fe2＋投加量對污泥上清液中SCOD的影響，實驗結(jié)果如表2所示。

表2　Fe2＋投加量對污泥SCOD的影響Tab.2　Effects　of　Fe2＋concentration　on　SCOD of　sewage　sludge

從表2中可以看出，當(dāng)Fe2＋的投加量從0.02g／L增加到0.06g／L時，污泥上清液中的SCOD逐漸增大，說明Fe2＋的投加量對污泥EPS的破解有很大的促進作用。當(dāng)Fe2＋的投加量增加到0.08g／L時，F(xiàn)e2＋的投加量增加對污泥的促進能力減弱，這是因為Fe2＋過高時，F(xiàn)e2＋還原H2O2的同時自身也被氧化，消耗了H2O2［16］。因此，選擇Fe2＋投加量為0.06g／L。

2.3預(yù)處理對污泥脫水性能的影響

污泥質(zhì)量濃度12g／L、pH＝3、Fe2＋投加量為0.06g／L，過氧化氫投加量為4g／L，時間變化從0開始至2.5h，測試預(yù)處理對污泥脫水性能的影響，實驗結(jié)果如表3所示。

表3　反應(yīng)時間對污泥比阻值的影響Tab.3　Effects　of　reaction　time　on　sludge　specific　resistance concentration　in　sewage　sludge

由表3可知，紫外光－Fenton反應(yīng)中污泥的比阻隨著時間延長而降低，表示污泥的脫水性能提高了。當(dāng)反應(yīng)時間達到2h后，比阻的變化趨于平穩(wěn)。SRF由初始的8.58×109s2／g下降至3.99×109s2／g。污泥的脫水性能與污泥胞外聚合物的破解情況有關(guān)，表明紫外光－Fenton反應(yīng)能夠有效破解污泥，顯著提高了污泥的脫水性能［14］。

2.4預(yù)處理對污泥上清液中蛋白質(zhì)、多糖質(zhì)量濃度的影響

污泥質(zhì)量濃度12g／L、pH＝3、Fe2＋投加量為0.06g／L，H2O2投加量為4g／L，測試污泥上清液中蛋白質(zhì)及多糖質(zhì)量濃度變化情況，結(jié)果如圖1所示。

圖1　反應(yīng)時間對污泥蛋白質(zhì)及多糖質(zhì)量濃度的影響Fig.1　Effects　of　reaction　time　on　protein　and　sugar concentration　in　sewage　sludge

由圖1可知，多糖及蛋白的質(zhì)量濃度隨時間的增長而變大，反應(yīng)至2.5h，多糖從最開始的33.4mg／L升至118.9mg／L，增加了2.56倍。這是由于多聚糖結(jié)構(gòu)相對簡單，容易被進一步分解且更容易被釋放到液相中。反應(yīng)至2.5h時，蛋白質(zhì)由最初的41.2mg／L增大到82.6mg／L，增加了一倍左右。這是因為在反應(yīng)過程中，紫外光－Fenton試劑破壞了微生物的細胞壁及細胞膜，胞內(nèi)及胞外物質(zhì)釋放到液相中［17］，使蛋白質(zhì)量濃度增加。

2.5初始pH對污泥性質(zhì)的影響

污泥質(zhì)量濃度12g／L、時間為2.5h、Fe2＋投加量為0.06g／L，H2O2投加量為4g／L，從pH＝1升至pH＝6。測試pH對污泥上清液SCOD的影響以及總氮的變化情況。

2.5.1初始pH對污泥SCOD的影響

不同初始pH條件下，經(jīng)過紫外光－Fenton氧化后，污泥上清液的SCOD變化如表4所示。

表4　pH對污泥SCOD的影響Tab.4　Effects　of　pH　on　SCOD　of　sewage　sludge

從表4可以看出，隨著pH增大，SCOD先增大后減小，并且在pH＝3時達到最大，說明此時污泥的破解效果最好。當(dāng)pH大于3時，SCOD緩慢下降，這是由于當(dāng)pH較高時，使Fe2＋降低或失去催化作用，會抑制·OH的生成。而pH較低時，不利于Fe3＋轉(zhuǎn)化為Fe2＋，從而降低了Fenton反應(yīng)的氧化能力［18］。

2.5.2初始pH對污泥總氮的影響

不同初始pH條件下，經(jīng)過紫外－Fenton氧化后，污泥上清液總氮的變化如表5所示。

表5　pH對污泥總氮的影響Tab.5　Effects　of　pH　on　TN　of　sewage　sludge

從表5中可以看出，由于污泥中含有一些含氮有機物，在紫外光－Fenton的作用下，隨著污泥的破解，促進了污泥中N的釋放，使上清液中總氮質(zhì)量濃度增大［18］，由34.4mg／L增加到98.9mg／L。

3　結(jié)　論

紫外光－Fenton氧化剩余污泥的最適pH為3，反應(yīng)時間2h，H2O2的最適投加量為4g／L，F(xiàn)e2＋的最適投加量為0.06g／L。

在最適條件下，紫外光－Fenton能有效破解污泥，污泥破解率為20.8%，污泥上清液中的SCOD由126mg／L增加到848mg／L，多聚糖質(zhì)量濃度由33.4mg／L增加到119mg／L，蛋白質(zhì)量濃度由41.2mg／L增加到82.6mg／L。總氮含量增加了1.62倍。

通過紫外光－Fenton反應(yīng)，SRF由8.58× 109s2／g下降至3.99×109s2／g。紫外光－Fenton反應(yīng)在有效破解污泥的同時，提高了污泥的脫水性能。

［1］ANDREWSJP，ASAADIM，CLARKEB，etal.PotentiallytoxicelementreleasebyFentonoxidation ofsewagesludge［J］.WaterScienceTechnology，2006，54（5）：197－205.

［2］唐明星.城市污水處理廠污泥現(xiàn)狀及處理對策［J］.山西建筑，2011，37（14）：192－193.

［3］RAMINN，MAHMOODA，HASANA，etal.ComparativestudyofFenton’sreagentperformance indisinfectionofrawwasterandactivatedsludgeeffluent［J］.DesalinationandWaterTreatment，2012，37（1）：108－113.

［4］ERDENG，F(xiàn)ILIBELIA.EffectsofFentonpretreatmentonwasteactivatedsludgeproperties［J］.Clean－Soil，Air，Water，2011，39（7）：626－632.

［5］NEYENSE，BAEYENSJ.AreviewofclassicFenton’speroxidationasanadvancedoxidationtechnique［J］.JournalofHazardMaterials，2003，98（1／2／3）：33－50.

［6］TOKUMURAM，SEKINEM，YOSHINARIM，etal.Photo－Fentonprocessforexcesssludgedisintegration［J］.ProcessBiochemistry，2007，42（4）：627－633.

［7］TONYMA，ZHAOYaqian，TAYEBAM.ExploitationofFentonandFenton－likereagentsasalternativeconditionersforalumsludgeconditioning［J］.JournalofEnvironmentalSciences，2009，21（1）：101－105.

［8］李娟，張盼月，曾光明，等.Fenton氧化破解剩余污泥中的胞外聚合物［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30（2）：475－478.

［9］黃毅.微波密封消解法測定CODCr值［J］.上海環(huán)境科學(xué)，1996，18（5）：32－34.

［10］國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：243－257.

［11］CHISHTISS，HASNAINSN，KHANMA，etal.Studiesontherecoveryofsludgeprotein［J］.WaterResearch，1992，26（2）：241－248.

［12］沈榮，盛國平，俞漢.活性污泥胞外聚合物中蛋白質(zhì)的探針分析方法［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，28（1）：192－194.

［13］柏承志，孫德福.改善剩余污泥活性污泥過濾性能的研究［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報，1992，9（4）：21－25.

［14］周煜，張愛菊，張盼月，等.光－Fenton氧化破解剩余污泥和改善污泥脫水性能［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2011，5（11）：2602－2604.

［15］潘勝，黃光團，譚學(xué)軍，等.Fenton試劑對剩余污泥脫水性能的改善［J］.凈水技術(shù)，2012，31（3）：26－31.

［16］薛勇，蔣寶軍.Fenton法在污水處理中的應(yīng)用與研究進展［J］.廢水處理，2011，29（8）：60－63.

［17］張艷萍，彭永臻，王淑瑩，等.污泥好氧消化的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，5（10）：9－13.

［18］陳傳好，謝波，任源，等.Fenton試劑處理廢水中各影響因子的作用機制［J］.環(huán)境科學(xué)，2000，21（5）：93－96.

SewagesludgetreatedbyUV－Fenton

RENJingjing1，XUYanying2，SUNDedong1，WANGLingling1，MAChun1，DongXiaoli1，ZHANGXinxin1
（1.SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering，DalianPolytechnicUniversity，Dalian116034，China；2.QingdaoWaterGroupCompanyLimited，Qingdao266000，China）

ExcesssewagesludgewasoxidizedbyUV－Fentonreactionandcharacterizedby concentrationsofsolublechemicaloxygendemand（SCOD），polysaccharide，proteinandTNofsludge supernatant.Thesludgedewaterabilitywasdescribedbyspecificresistancetofiltration（SRF）.ResultsshowedthattheSSdissolutionratiocouldreachto20.8%undertheoptimalconditionsas follows：pH＝3，reactiontime2h，H2O2dosage4g／L，F(xiàn)e2＋dosage0.06g／L.Aftertreatment，the concentrationsofSCOD，polysaccharideandproteinofthesludgesupernatantwasincreasedfrom 126，33.4and41.2to848，118.9and82.6mg／L，respectively.TheTNconcentrationwasincreased by1.62timesandSRFconcentrationwasdecreasedfrom8.58×109to3.99×109s2／g.Thesludge dewaterabilitywasobviouslyenhancedwhilethesewagesludgewasefficientlydisintegratedby UV－Fentonoxidation，whichwasbenefitforfurthersewagesludgereduction.

sewagesludge；UV；Fenton；pre－treatment

X703.1

A

1674－1404（2015）02－0114－04

2014－03－17.

任晶晶（1988－），女，碩士研究生；通信作者：孫德棟（1970－），男，副教授.