Fenton 法改善剩余污泥脫水性能的研究

陳小英，鄭林虹，邱高順

（1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108；2.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

Fenton 法改善剩余污泥脫水性能的研究

陳小英1，鄭林虹1，邱高順2

（1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108；2.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

研究了Fenton法對污泥脫水性能的改善情況，結(jié)果表明，調(diào)整反應(yīng)體系pH為3，H2O2和Fe2+投加量分別為24g/kgDS、1.2g/kgDS，處理1h后，污泥比阻（SRF）、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率等指標(biāo)均有明顯下降，F(xiàn)enton法可以明顯改善污泥的脫水性能。

Fenton法；結(jié)合水率；脫水性能

污泥中特殊的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)及高度親水性一直是污泥脫水的障礙，F(xiàn)enton試劑分解產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性HO·自由基，可以氧化破解污泥胞外聚合物甚至是細(xì)胞體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，釋放內(nèi)部水分，改善污泥脫水性能，同時氧化還原性的惡臭物質(zhì)，減少臭氣釋放，氧化滅菌，達(dá)到穩(wěn)定化。本研究擬利用Fenton試劑調(diào)理剩余污泥，考察pH、Fe2+、H2O2以及處理時間四個反應(yīng)條件對污泥SRF（污泥比阻）、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率的影響，得出Fenton法調(diào)理污泥的適宜條件，以期為后續(xù)處理處置提供良好的脫水條件。

1 材料與方法

1.1 實驗用污泥

以福州市某污水處理廠濃縮池污泥為研究對象。將污泥樣品置于4℃恒溫冷藏柜中保存，以防污泥變質(zhì)，冷藏的泥樣48h內(nèi)分析完畢。實驗污泥的基本性質(zhì)如下表所示：

實驗污泥基本性質(zhì)一覽表

1.2 試劑與儀器

主要試劑：硫酸亞鐵FeSO4·7H2O，30%H2O2，濃硫酸H2SO4，氫氧化鈉NaOH，均為分析純，實驗用水均為蒸餾水。

主要儀器：六聯(lián)攪拌器（JJ-4）；真空干燥箱（DZF-6050）；循環(huán)水真空泵（SHZ-III）；電子天平（FA2004）；酸度計（PHS-3C）。

1.3 實驗方法

取500mL供試污泥于燒杯中，按方案分別加入相應(yīng)劑量藥劑，將燒杯置于六聯(lián)電動攪拌器上進(jìn)行攪拌，使藥劑與泥樣迅速反應(yīng)，充分混勻，攪拌一定時間后，取樣分析測定。

1.4 分析方法

（1）污泥濾餅含水率測定方法：真空抽濾后污泥泥餅含水率的測定，執(zhí)行《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T221-2005）標(biāo)準(zhǔn)中含水率測定的重量法[2]。

（2）污泥濾餅結(jié)合水率測定方法：本研究采用的機(jī)械脫水設(shè)備為真空泵，基于結(jié)合水為機(jī)械脫水的上限這一假設(shè)，由此將本研究中的結(jié)合水做如下定義：真空壓力維持為0.5MPa的條件下抽濾泥樣，直至30s內(nèi)濾餅不再有水濾出為止，濾除的水分為自由水，仍保持在泥餅中的水分即為結(jié)合水，此時真空抽濾達(dá)到飽和[2]。將

調(diào)理前后結(jié)合水相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化作為改善污泥脫水效果的評價指標(biāo)，指標(biāo)計算過程如下。

式中：m0為抽濾前濕污泥重，g；m1為抽濾后泥餅重，g；m2為烘干后泥餅重，g。

（3）比阻（SRF）測定方法：采用真空抽濾法，真空壓恒定，記錄不同時刻（t）的濾液體積（v），利用線性回歸求出t-v線的斜率，分別測定原污泥及濾餅的含固量，根據(jù)比阻公式計算出相應(yīng)數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對污泥脫水性能的影響

在pH值為1.0～6.9范圍內(nèi)考察pH值對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 初始pH對污泥脫水性能的影響

由圖1顯示，隨著pH值降低，SRF、濾后含水率及結(jié)合水率均先呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)pH = 3達(dá)到較低值，此時繼續(xù)減小pH，SRF、濾后含水量及結(jié)合水率反而回升；直到pH = 1時，三個指標(biāo)出現(xiàn)不同的變化趨勢：SRF繼續(xù)升高，濾后含水率及結(jié)合水率降至實驗pH范圍內(nèi)的最低值。對于降低SRF、濾后含水率及結(jié)合水率的最佳pH值降為3。因為pH主要影響著Fenton反應(yīng)的中間產(chǎn)物，在較高pH條件下，水中的OH-會與鐵離子形成絡(luò)合物，削減了游離態(tài)鐵離子的濃度導(dǎo)致Fenton氧化的效率降低，氧化破解污泥效果不佳，未能成功提升污泥脫水性能；而當(dāng)pH過低時，中間產(chǎn)物FeOOH2+的形成速率減緩，進(jìn)而導(dǎo)致Fe2+和HO·自由基的產(chǎn)率下降，從而限制反應(yīng)進(jìn)行[3]。

研究表明，F(xiàn)enton反應(yīng)的最佳pH范圍是2～4。本次實驗所得結(jié)果與報道基本一致，同時考慮到成本與設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，確定Fenton試劑調(diào)理實驗污泥的最佳pH為3，可使SRF、濾后含水率及結(jié)合水率由處理前的2.140×1012m/kg、71.5%、13.13%分別下降到處理后的0.59×1012m/kg、64.84%、6.65%。

2.2 Fe2+投加量對污泥脫水性能的影響

在FeSO4·7H2O投加量為0～4.5g/kgDS的范圍內(nèi)，考察FeSO4·7H2O投加量對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 Fe2+投加量對污泥脫水性能的影響

從圖2可以看出，當(dāng)Fe2+投加量低于1.2g/kgDS，SRF、濾后含水率及結(jié)合水率均隨著Fe2+投加量的增加而逐漸減小，直到達(dá)到一個極小值，當(dāng)投加量高于1.5g/kgDS后，又緩慢回升，最后趨于穩(wěn)定。Fe2+離子在Fenton反應(yīng)中充當(dāng)催化劑的角色，用量較少，但在反應(yīng)體系中對HO·自由基的生成卻起到非常重要的作用。若Fe2+投加量不足，H2O2無法分解產(chǎn)生充足的自由基，且由于污泥本身復(fù)雜的成分，有機(jī)物及無機(jī)雜質(zhì)等都會不同程度地抑制Fenton循環(huán)反應(yīng)過程降低反應(yīng)效率，甚至終止反應(yīng)影響處理效果；投加足夠量的Fe2+離子，可使Fenton氧化生成HO·自由基的量增多，對污泥結(jié)構(gòu)的氧化破解效果加強(qiáng)，污泥的脫水性能得到提升，但是如果Fe2+投加量超過所需，一方面造成瞬間產(chǎn)生大量HO·自由基局部含量急劇升高，影響污泥中有機(jī)物的充分氧化，另一方面Fe2+投加量過高時，多余的Fe2+還原H2O2的同時自身氧化為Fe3+，消耗系統(tǒng)中可供氧化的有效H2O2，減削Fenton試劑的氧化能力[4]。

投加1.2g/kgDS與1.5g/kgDS的Fe2+，反應(yīng)1h后，使SRF

由處理前的2.140×1012m/kg分別降至0.72×1012m/kg及0.58×1012m/kg，濾后含水率從處理前的71.5%分別減少到62.8%及64.3%，濾后結(jié)合水率由處理前的13.13%分別下降到處理后的7.44%和7.36%，均達(dá)到理想的改善效果，因而結(jié)合成本綜合考慮，確定Fenton試劑調(diào)理實驗污泥脫水的最適宜Fe2+投加量為1.2g/kgDS。

2.3 H2O2投加量對污泥脫水性能的影響

在H2O2投加量在2.5～40.0g/L的范圍內(nèi)，考察H2O2投加量對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 H2O2投加量對污泥脫水性能的影響

H2O2投加量是直接影響污泥破解效果的關(guān)鍵因素。分析圖3得知，濾后泥餅含水率、結(jié)合水率因H2O2投加量增加而緩慢降低，最后趨于平緩；SRF首先隨著H2O2投加量上升而快速下降，當(dāng)投加量達(dá)到24g/kgDS時，SRF由1.60×1012m/kg降至0.65×1012m/kg，繼續(xù)加大H2O2投入量后又出現(xiàn)緩慢回升現(xiàn)象。

通過實驗得出，H2O2投加量分別為17g/kgDS、24g/kgDS、29g/kgDS，經(jīng)過1h的反應(yīng)后，SRF由處理前的2.140×1012m/kg分別降至0.715×1012m/kg、0.645×1012m/kg、0.58×1012m/kg，濾后含水率從處理前的71.5%分別減少到64.2%、64.43%、63.35%，濾后結(jié)合水率由處理前的13.13%分別下降到處理后的7.80%、7.36%、7.47%，均能實現(xiàn)較理想的調(diào)理效果，綜合考慮效果與成本，實驗確定Fenton試劑調(diào)理實驗污泥脫水的H2O2的最佳投加量24g/kgDS。

2.4 處理時間對污泥脫水性能的影響

在上述條件下，考察處理時間對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 處理時間對污泥脫水性能的影響

圖4反映了處理時間對污泥脫水性能的影響。開始階段，污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率均快速下降，0.5h后降低幅度減緩，在1h時，均達(dá)到低值，而延長處理時間，則出現(xiàn)小幅上升趨勢。開始的反應(yīng)階段，剛加入Fe2+和H2O2，污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率就大幅度降低。

經(jīng)過0.5h、1h以及1.5h的反應(yīng)后，SRF由處理前的2.140×1012m/kg分別降至0.49×1012m/kg、0.645×1012m/kg、0.58×1012m/kg，濾后含水率從處理前的71.5%分別削減到65.66%、65.11%、66.91%，濾后結(jié)合水率由處理前的13.13%分別下降到處理后的7.55%、7.04%、7.58%，均實現(xiàn)了較理想的調(diào)理效果，綜合考慮效果與成本，實驗選定1h為Fenton試劑調(diào)理實驗污泥脫水的最適宜處理時間。

3 結(jié)論

Fenton試劑調(diào)理剩余污泥的最適宜pH為3，當(dāng)H2O2和Fe2+投加量分別為24g/kgDS和1.2g/kgDS，污泥經(jīng)Fenton氧化處理1h后，污泥SRF、濾后泥餅含水率、結(jié)合水率均明顯降低，污泥的脫水性能改善明顯，有利于后續(xù)處理處置。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.城市污水處理廠污泥檢驗方法（CJ.T221-2005）[S].

[2]Vaxelaire J，Cezac P.Moisture distribution in activated sludge：a review [J]. Water Res.，2004，38（9）：2214-2229.

[3]宋相國，張盼月，董金華，等. Fenton氧化處理剩余污泥的作用機(jī)制[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2009，32（7）：64-67.

[4]潘勝，黃光團(tuán)，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.

Study on Improvement of Performance of Residual Sludge Dewater by Fenton Process

CHEN Xiao-ying, ZHENG Lin-hong, QIU Gao-shun

X703

A

1006-5377（2015）08-0051-03