微波聯(lián)合Fenton試劑對污泥脫水性能的影響研究

陳小英， 尤曉燕， 邱凌峰

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州　350116)

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微波聯(lián)合Fenton試劑對污泥脫水性能的影響研究

陳小英， 尤曉燕， 邱凌峰

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州350116)

將微波輻射應(yīng)用于污泥脫水， 研究污泥在不同微波輻射強度和輻射時間后污泥比阻、 泥餅含水率和溶解性化學(xué)需氧量的變化， 探討微波輻射對污泥結(jié)構(gòu)破壞的相關(guān)機理. 結(jié)果表明， 微波輻射可明顯改善污泥脫水性能， 微波輻射能越高， 最佳微波輻射時間越短， 低強度短時間的微波輻射難以改變污泥性質(zhì). 微波聯(lián)合Fenton試劑能提高污泥脫水性能， 先微波后投加Fenton試劑比先投加Fenton試劑后微波效果更好.

污泥; 脫水;Fenton試劑; 微波輻射

0　引言

隨著環(huán)境保護意識的加強， 城市污水處理受到越來越廣泛關(guān)注， 而隨之增加的剩余污泥及其造成的環(huán)境污染也不容忽視[1-2]， 如何高效脫水已成為污泥處理處置的關(guān)鍵. 微波輻射污泥時， 由于交變電場的作用， 污泥內(nèi)部的極化偶離子會在微波電場中發(fā)生激烈的振動， 引起摩擦， 使吸收的微波能迅速轉(zhuǎn)化成熱能， 從而改變污泥的理化性質(zhì)[3]. 鑒于微波加熱速度快、 熱效高、 熱量立體傳遞、 設(shè)備體積小等[4]優(yōu)點， 微波破解污泥成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的污泥脫水預(yù)處理方式. 田禹等[5]研究污泥結(jié)構(gòu)被破壞的程度是影響污泥脫水性能好壞的重要因素； 楊國友等[6]得出生石灰與微波協(xié)同作用可以強化污泥脫水， 比單獨投加生石灰提高了約3.8%；FangLin等[7]分析表面胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances，EPS)中DNA濃度能較好地指示微波輻射下污泥細(xì)胞壁開始破裂的時刻， 并且EPS中蛋白質(zhì)的濃度與污泥脫水性能并無直接關(guān)系. 然而， 單獨的微波破解污泥的高能耗、 低效益制約著該技術(shù)的快速發(fā)展. 本試驗先研究微波輻射預(yù)處理對污泥過濾脫水性能的改善效果， 并從溶解性化學(xué)需氧量(solutechemicaloxygendemand,SCOD)濃度的變化分析微波脫水機理， 再加入價格低廉的Fenton試劑聯(lián)合處理， 分析污泥脫水性能的變化規(guī)律， 確定改善污泥脫水性能的最佳加藥條件.

1　材料與方法

1.1污泥的來源與特性

實驗污泥來自福州市閩侯大學(xué)城污水處理廠濃縮池， 取回的污泥樣品， 如未及時進行實驗， 則置于4 ℃恒溫冷藏柜中保存， 以防變質(zhì). 測得濃縮污泥泥餅含水率為78.2%左右， 污泥比阻為0.346×109s2·g-1， 上清液中SCOD為65mg·L-1.

1.2實驗方法

1) 微波輻射實驗. 實驗裝置是利用改造后的家用微波爐里放置一個5L的錐形瓶. 取1 000mL污泥置于5L錐形瓶中， 采用400、 600和800W微波輻射功率， 分別破解10、 30、 60、 120、 240、 480s后， 考察污泥脫水性能及其相關(guān)性能的變化情況.

2) 微波聯(lián)合Fenton試劑實驗. 實驗中Fenton試劑加藥條件為:H2O2(DS)和Fe2+(DS)投加量分別為24mg·g-1(干泥)和1.5mg·g-1(干泥)[8]， 并且不調(diào)節(jié)pH值， 取200mL污泥樣品， 加入0.37gH2O2和0.023g硫酸亞鐵， 快攪(400r·min-1)3min， 慢攪(60r·min-1)7min后， 靜置20min， 以保證氧化充分. 微波強度為600W·L-1， 微波時間為120s的微波處理聯(lián)合Fenton試劑對污泥脫水作用確定兩者的聯(lián)用順序.

3) 實驗儀器與藥品. 實驗儀器有SHZ-O(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵、 格蘭仕WD900CSL23-2Ⅱ型微波加熱器和TDZ5-WS臺式低速離心機. 實驗用水為去離子水， 實驗藥品均為分析純.

4) 主要指標(biāo)分析方法. 污泥比阻采用布式漏斗法測定， 將微波輻射后的污泥倒入布氏漏斗中， 打開真空泵， 在0.05MPa真空度下進行定壓抽濾， 直至濾餅龜裂真空度破壞時結(jié)束， 記錄抽濾時間和濾液體積， 計算污泥比阻. 泥餅含水率使用恒重法測定， 將經(jīng)過循環(huán)水式真空泵脫水后的污泥泥餅若干稱重， 再將其放入105 ℃烘箱中烘干至恒重稱重， 測泥餅含水率. 對破解后污泥進行離心， 然后取上清液測定SCOD.

2　結(jié)果與討論

2.1微波預(yù)處理對污泥脫水性能的影響

1) 微波對污泥比阻和含水率的影響. 經(jīng)不同微波處理后污泥的脫水指標(biāo)變化結(jié)果如圖1～2所示， 隨著時間的增加，SRF呈先降低到一定值再升高的趨勢， 不同微波功率輻射后的污泥脫水性能相對于原污泥都有不同程度的提高， 并且不同功率輻射條件下適宜的輻射時間也不同， 輻射能量越強， 污泥脫水性能改善所需時間越短. 在400、 600、 800W微波強度的最佳輻射時間分別為240、 120、 60s， 污泥比阻各自降低到0.190×109、 0.181×109、 0.145×109s2·g-1， 比原污泥比阻值分別降低了45.0%、 47.7%、 58.1%. 由此可見， 適宜的微波輻射明顯改善了污泥的脫水性能， 在微波場作用下， 帶負(fù)電的污泥顆粒以及偶極子的水分子運動加速， 相互碰撞的頻率增加， 從而破壞污泥顆粒的絮體穩(wěn)定性， 致使污泥膠體系統(tǒng)脫穩(wěn)[9]， 脫穩(wěn)顆粒相互凝聚為較大粒徑的絮體， 且污泥中水的分布狀態(tài)發(fā)生變化， 提高污泥的沉降性能和脫水性能[10]. 800W微波輻射60s時， 同真空度下的污泥過濾速度最快、 抽濾時間最短、SRF為最低值的現(xiàn)象表明， 在微波輻射引起污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞的初始階段污泥脫水性能最佳[11]， 800W微波輻射120s后SRF值大幅度升高主要在于污泥中微生物細(xì)胞壁完全破裂后， 胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出導(dǎo)致比阻增加、 脫水性能變差.

綜合圖1和圖2可知， 污泥經(jīng)400、 600、 800W微波強度輻射了各自最適宜的時間后， 污泥的泥餅含水率由原污泥的78.2%降低到68.5%、 67.5%和63.8%. 適宜的微波輻射可顯著改善污泥的脫水性能， 降低泥餅含水率， 但是高強度和長時間的微波輻射反而使污泥比阻增大， 水分脫除難度提升， 過濾脫水性能降低. 如輻射功率為800W時， 輻射時間在120s后，SRF由0.145×109s2·g-1增加到0.195×109s2·g-1， 脫水性能惡化， 相應(yīng)的泥餅含水率也由63.8%驟然升高到68.8%. 而利用400和600W·L-1微波輻射能處理污泥時， 在短時間內(nèi)污泥的脫水性能改善不太明顯， 說明低強度和短時間的微波輻射難以改變污泥的Zeta電位和破壞污泥表面雙電層結(jié)構(gòu)， 從而不能使污泥顆粒脫穩(wěn)、 絮凝， 不足以從根本上改善污泥的性質(zhì). 這可能是因為污泥吸收功率和吸收比率與微波輸出功率呈線性正相關(guān)[6]， 微波輸出功率高， 污泥吸收功率也隨之升高， 因此微波輻射使污泥及其水分子不斷轉(zhuǎn)動， 破壞污泥原本的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 最大幅度減少污泥中超膠體顆粒的數(shù)量， 從而使污泥絮體進一步凝聚， 出現(xiàn)污泥顆粒粗大化現(xiàn)象， 提升了污泥的脫水性能， 降低泥餅含水率.

2) 微波對SCOD的影響. 活性污泥中生物絮體構(gòu)成了懸浮固體的主要成分， 可通過測定污泥上清液的SCOD值的變化來衡量污泥的破解程度. 微波輻射可以有效破壞污泥的細(xì)胞壁及絮體空間結(jié)構(gòu)， 同時將長鏈有機大分子破解成短鏈有機小分子， 使其由難溶轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇埽?從而使SCOD值增加. 不同微波輻射能以及輻射時間的不同對SCOD的影響見圖3. 從圖3可以得出： 隨著微波輻射能的增加， 污泥中SCOD含量逐漸增加， 在800W微波強度下破解10、 60、 240s的SCOD含量分別為300、 436、 506mg·L-1， 這是因為微波對污泥的長時間輻射后， 細(xì)胞破碎程度大幅度提高， 胞內(nèi)物質(zhì)逐漸流出， 導(dǎo)致SCOD含量的增加. 通過提高微波輻射功率和輻射時間， 可促進污泥的破解， 使污泥中大部分松散附著的和緊密附著的胞外聚合物溶解到上清液中， 從而釋放了污泥成分中的結(jié)合水， 降低污泥顆粒間的粘滯力， 有利于污泥顆粒的絮凝. 并且隨著微波輻射持續(xù)進行， 污泥吸收的微波輻射能越高， 微波破解效率會逐漸升高， 污泥上清液的SCOD含量也逐漸上升.

2.2微波聯(lián)合Fenton對污泥脫水性能的影響

LiuHuan等[12]研究表明，F(xiàn)enton試劑具有的強氧化性能有效破解污泥， 有效提高污泥的絮凝性， 從而對污泥脫水性能有一定的提高， 按實驗方法中的2), 微波聯(lián)合Fenton對污泥脫水性能的影響見圖4. 由圖4得出： 先微波破解再投加Fenton試劑后的SRF為0.12×109s2·g-1， 然而先投加Fenton試劑后微波破解的SRF為0.159×109s2·g-1， 與單獨使用微波破解的0.181×109s2·g-1分別降低了0.061×109s2·g-1、 0.022×109s2·g-1， 這表明先微波破解更有利于降低污泥比阻值， 并且600W·L-1的輻射能、 120s的破解時間再聯(lián)合Fenton試劑對污泥的脫水性能改善效果優(yōu)于800W·L-1和60s的單獨微波處理后的污泥脫水性能. 表明經(jīng)過微波破解的物理振動作用和Fenton試劑的化學(xué)絮凝作用的相互聯(lián)合作用極大地提高了污泥的脫水性能.

Houghton等[13]認(rèn)為EPS的存在導(dǎo)致了剩余污泥的難脫水性能. 微波輻射破壞了EPS結(jié)構(gòu)， 使污泥顆粒脫穩(wěn)， 脫水性能改善， 然而長時間的微波輻射使污泥微生物細(xì)胞壁開始受到胞內(nèi)水分子的機械性撞擊而破裂， 在細(xì)胞壁完全破壞后的一段時間內(nèi)， 胞內(nèi)物質(zhì)在污泥顆粒表面產(chǎn)生水化作用， 污泥黏度增加， 脫水性能開始惡化. 在細(xì)胞壁完全破裂后投加Fenton試劑， 一方面， 由于Fenton試劑對破解后的污泥進行調(diào)理時， 羥基自由基具有強氧化性， 對這些釋放出的內(nèi)含物進行氧化降解的同時發(fā)生了污泥絮體EPS的部分氧化和重組[14]， 從而減少漂浮物， 提高了污泥脫水性能； 另一方面，F(xiàn)e2+能夠在帶負(fù)電荷的未破解的細(xì)胞表面架橋， 產(chǎn)生了絮凝作用， 出現(xiàn)污泥顆粒粗大化現(xiàn)象， 促進污泥脫水性能的改善.Karr等[14]認(rèn)為超膠體(1～100μm)顆粒數(shù)量是影響污泥過濾性能的主要因素之一， 超膠體顆粒所占的比例越少， 脫水效果越好. 微波-Fenton試劑聯(lián)合處理可減少污泥中超膠體顆粒的數(shù)量， 進而提高污泥的脫水性. 因此先微波后投加Fenton試劑對改善污泥脫水性能更有利.

3　結(jié)論

高強度微波輻射在短時間內(nèi)能迅速破壞污泥的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 顯著改善脫水性能. 400、 600和800W·L-1微波輻射改善污泥脫水性能最適宜的時間分別為240、 120和60s， 污泥的SRF比原污泥分別降低了45%、 47.7%、 58.1%， 污泥的泥餅含水率分別降低了12.4%、 13.7%、 18.5%， 實現(xiàn)了快速提高污泥的脫水性能. 高微波輻射能(800W·L-1)對改善污泥的脫水性能有顯著作用， 但當(dāng)輻射時間超過60s時， 污泥的脫水性能則迅速惡化. 微波-Fenton聯(lián)合處理比單獨微波破解和單獨投加Fenton試劑更能提高污泥脫水性能. 對微波-Fenton聯(lián)合的加藥次序進行了研究, 結(jié)果表明， 先微波后投加Fenton試劑比先投加Fenton試劑后微波更有利于污泥脫水. 因此在微波輻射后添加Fenton試劑進行物化結(jié)合作用來提高污泥脫水性能， 該方法比加強微波輻射能和增加微波輻射時間, 能更好地提高污泥脫水性能， 從而實現(xiàn)低耗電、 高節(jié)能的污泥脫水目的.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

ImprovementonsewagesludgedewateringbymicrowaveradiationcoalitionwithFenton’sreagent

CHENXiaoying,YOUXiaoyan,QIULingfeng

(CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

Microwaveradiationwasstudiedinimprovementonsewagesludgedewateringforthedifferentmicrowaveradiationintensityandradiationtimeaftermicrowaveradiation.TheeffectoftheprehydrolysiswasinvestigatedbySRF,mudcakecontentandSCOD,discussingtherelatedmechanismofthemicrowaveradiationdamagetothesludgestructure.Theresultshowedthatmicrowaveradiationcanobviouslyimprovetheperformanceofsludgedewatering,andthehigherthemicrowaveradiationenergy,theshortertheoptimalmicrowaveradiationtime.Lowintensityinashortperiodoftimeofmicrowaveradiationisnotenoughtofundamentallyimprovethepropertiesofthesludge.MicrowavecombinedFentonreagentforsludgedewateringstudyprovethatthesludgewasfirstlypretreatedbymicrowaveandthenusingFentonreagentbetterthanusingFentonreagentfirst．

sludge；dewatering;Fentonreagent;microwaveradiation

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0134

1000-2243(2016)01-0134-04

2015-01-26

邱凌峰(1971-)， 副教授， 主要從事水污染控制和微生物方面的研究，fzuniqlf@sina.com

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2014J01181)

TU992.3

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