Fenton 法改善剩余污泥脱水性能的研究

2015-12-03陈小英郑林虹邱高顺

中国环保产业 2015年8期

关键词：泥饼水率投加量

陈小英，郑林虹，邱高顺

（1.福州大学环境与资源学院，福州 350108；2.福建省交通科学技术研究所，福州 350004）

Fenton 法改善剩余污泥脱水性能的研究

陈小英1，郑林虹1，邱高顺2

（1.福州大学环境与资源学院，福州 350108；2.福建省交通科学技术研究所，福州 350004）

研究了Fenton法对污泥脱水性能的改善情况，结果表明，调整反应体系pH为3，H2O2和Fe2+投加量分别为24g/kgDS、1.2g/kgDS，处理1h后，污泥比阻（SRF）、滤后泥饼含水率、结合水率等指标均有明显下降，Fenton法可以明显改善污泥的脱水性能。

Fenton法；结合水率；脱水性能

污泥中特殊的菌胶团结构及高度亲水性一直是污泥脱水的障碍，Fenton试剂分解产生的强氧化性HO·自由基，可以氧化破解污泥胞外聚合物甚至是细胞体结构物质，释放内部水分，改善污泥脱水性能，同时氧化还原性的恶臭物质，减少臭气释放，氧化灭菌，达到稳定化。本研究拟利用Fenton试剂调理剩余污泥，考察pH、Fe2+、H2O2以及处理时间四个反应条件对污泥SRF（污泥比阻）、滤后泥饼含水率、结合水率的影响，得出Fenton法调理污泥的适宜条件，以期为后续处理处置提供良好的脱水条件。

1 材料与方法

1.1 实验用污泥

以福州市某污水处理厂浓缩池污泥为研究对象。将污泥样品置于4℃恒温冷藏柜中保存，以防污泥变质，冷藏的泥样48h内分析完毕。实验污泥的基本性质如下表所示：

实验污泥基本性质一览表

1.2 试剂与仪器

主要试剂：硫酸亚铁FeSO4·7H2O，30%H2O2，浓硫酸H2SO4，氢氧化钠NaOH，均为分析纯，实验用水均为蒸馏水。

主要仪器：六联搅拌器（JJ-4）；真空干燥箱（DZF-6050）；循环水真空泵（SHZ-III）；电子天平（FA2004）；酸度计（PHS-3C）。

1.3 实验方法

取500mL供试污泥于烧杯中，按方案分别加入相应剂量药剂，将烧杯置于六联电动搅拌器上进行搅拌，使药剂与泥样迅速反应，充分混匀，搅拌一定时间后，取样分析测定。

1.4 分析方法

（1）污泥滤饼含水率测定方法：真空抽滤后污泥泥饼含水率的测定，执行《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T221-2005）标准中含水率测定的重量法[2]。

（2）污泥滤饼结合水率测定方法：本研究采用的机械脱水设备为真空泵，基于结合水为机械脱水的上限这一假设，由此将本研究中的结合水做如下定义：真空压力维持为0.5MPa的条件下抽滤泥样，直至30s内滤饼不再有水滤出为止，滤除的水分为自由水，仍保持在泥饼中的水分即为结合水，此时真空抽滤达到饱和[2]。将

调理前后结合水相对质量分数的变化作为改善污泥脱水效果的评价指标，指标计算过程如下。

式中：m0为抽滤前湿污泥重，g；m1为抽滤后泥饼重，g；m2为烘干后泥饼重，g。

（3）比阻（SRF）测定方法：采用真空抽滤法，真空压恒定，记录不同时刻（t）的滤液体积（v），利用线性回归求出t-v线的斜率，分别测定原污泥及滤饼的含固量，根据比阻公式计算出相应数值。

2 结果与讨论

2.1 pH对污泥脱水性能的影响

在pH值为1.0～6.9范围内考察pH值对污泥SRF、滤后泥饼含水率、结合水率的影响，结果如图1所示。

图1 初始pH对污泥脱水性能的影响

由图1显示，随着pH值降低，SRF、滤后含水率及结合水率均先呈现下降趋势。当pH = 3达到较低值，此时继续减小pH，SRF、滤后含水量及结合水率反而回升；直到pH = 1时，三个指标出现不同的变化趋势：SRF继续升高，滤后含水率及结合水率降至实验pH范围内的最低值。对于降低SRF、滤后含水率及结合水率的最佳pH值降为3。因为pH主要影响着Fenton反应的中间产物，在较高pH条件下，水中的OH-会与铁离子形成络合物，削减了游离态铁离子的浓度导致Fenton氧化的效率降低，氧化破解污泥效果不佳，未能成功提升污泥脱水性能；而当pH过低时，中间产物FeOOH2+的形成速率减缓，进而导致Fe2+和HO·自由基的产率下降，从而限制反应进行[3]。

研究表明，Fenton反应的最佳pH范围是2～4。本次实验所得结果与报道基本一致，同时考虑到成本与设备运行环境，确定Fenton试剂调理实验污泥的最佳pH为3，可使SRF、滤后含水率及结合水率由处理前的2.140×1012m/kg、71.5%、13.13%分别下降到处理后的0.59×1012m/kg、64.84%、6.65%。

2.2 Fe2+投加量对污泥脱水性能的影响

在FeSO4·7H2O投加量为0～4.5g/kgDS的范围内，考察FeSO4·7H2O投加量对污泥SRF、滤后泥饼含水率、结合水率的影响，实验结果如图2所示。

图2 Fe2+投加量对污泥脱水性能的影响

从图2可以看出，当Fe2+投加量低于1.2g/kgDS，SRF、滤后含水率及结合水率均随着Fe2+投加量的增加而逐渐减小，直到达到一个极小值，当投加量高于1.5g/kgDS后，又缓慢回升，最后趋于稳定。Fe2+离子在Fenton反应中充当催化剂的角色，用量较少，但在反应体系中对HO·自由基的生成却起到非常重要的作用。若Fe2+投加量不足，H2O2无法分解产生充足的自由基，且由于污泥本身复杂的成分，有机物及无机杂质等都会不同程度地抑制Fenton循环反应过程降低反应效率，甚至终止反应影响处理效果；投加足够量的Fe2+离子，可使Fenton氧化生成HO·自由基的量增多，对污泥结构的氧化破解效果加强，污泥的脱水性能得到提升，但是如果Fe2+投加量超过所需，一方面造成瞬间产生大量HO·自由基局部含量急剧升高，影响污泥中有机物的充分氧化，另一方面Fe2+投加量过高时，多余的Fe2+还原H2O2的同时自身氧化为Fe3+，消耗系统中可供氧化的有效H2O2，减削Fenton试剂的氧化能力[4]。

投加1.2g/kgDS与1.5g/kgDS的Fe2+，反应1h后，使SRF

由处理前的2.140×1012m/kg分别降至0.72×1012m/kg及0.58×1012m/kg，滤后含水率从处理前的71.5%分别减少到62.8%及64.3%，滤后结合水率由处理前的13.13%分别下降到处理后的7.44%和7.36%，均达到理想的改善效果，因而结合成本综合考虑，确定Fenton试剂调理实验污泥脱水的最适宜Fe2+投加量为1.2g/kgDS。

2.3 H2O2投加量对污泥脱水性能的影响

在H2O2投加量在2.5～40.0g/L的范围内，考察H2O2投加量对污泥SRF、滤后泥饼含水率、结合水率的影响，结果如图3所示。

图3 H2O2投加量对污泥脱水性能的影响

H2O2投加量是直接影响污泥破解效果的关键因素。分析图3得知，滤后泥饼含水率、结合水率因H2O2投加量增加而缓慢降低，最后趋于平缓；SRF首先随着H2O2投加量上升而快速下降，当投加量达到24g/kgDS时，SRF由1.60×1012m/kg降至0.65×1012m/kg，继续加大H2O2投入量后又出现缓慢回升现象。

通过实验得出，H2O2投加量分别为17g/kgDS、24g/kgDS、29g/kgDS，经过1h的反应后，SRF由处理前的2.140×1012m/kg分别降至0.715×1012m/kg、0.645×1012m/kg、0.58×1012m/kg，滤后含水率从处理前的71.5%分别减少到64.2%、64.43%、63.35%，滤后结合水率由处理前的13.13%分别下降到处理后的7.80%、7.36%、7.47%，均能实现较理想的调理效果，综合考虑效果与成本，实验确定Fenton试剂调理实验污泥脱水的H2O2的最佳投加量24g/kgDS。

2.4 处理时间对污泥脱水性能的影响

在上述条件下，考察处理时间对污泥SRF、滤后泥饼含水率、结合水率的影响，结果如图4所示。

图4 处理时间对污泥脱水性能的影响

图4反映了处理时间对污泥脱水性能的影响。开始阶段，污泥SRF、滤后泥饼含水率、结合水率均快速下降，0.5h后降低幅度减缓，在1h时，均达到低值，而延长处理时间，则出现小幅上升趋势。开始的反应阶段，刚加入Fe2+和H2O2，污泥SRF、滤后泥饼含水率、结合水率就大幅度降低。

经过0.5h、1h以及1.5h的反应后，SRF由处理前的2.140×1012m/kg分别降至0.49×1012m/kg、0.645×1012m/kg、0.58×1012m/kg，滤后含水率从处理前的71.5%分别削减到65.66%、65.11%、66.91%，滤后结合水率由处理前的13.13%分别下降到处理后的7.55%、7.04%、7.58%，均实现了较理想的调理效果，综合考虑效果与成本，实验选定1h为Fenton试剂调理实验污泥脱水的最适宜处理时间。