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Fenton絮凝聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥脫水性能影響

  隨著城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展,所產(chǎn)生的城市生活污水與工業(yè)廢水愈來(lái)愈多。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用活性污泥法處理工藝,污水處理后產(chǎn)生大量污泥。城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥主要是膠狀結(jié)構(gòu)且高度親水,因而含水率高且一般難以降低。此外,剩余污泥成分復(fù)雜,若處理不當(dāng),會(huì)對(duì)水源和大氣造成嚴(yán)重的二次污染,對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)久且難以修復(fù)的破壞。近年來(lái),環(huán)保問(wèn)題日益受到重視,污泥處理標(biāo)準(zhǔn)愈來(lái)愈嚴(yán)格,污泥產(chǎn)量居高不下,因而,污泥處理已成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)課題。

  為了減輕后續(xù)污泥處理構(gòu)筑物的負(fù)荷,通常要對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理以利于脫水。污泥調(diào)理方法按作用介質(zhì)可分為物理法、化學(xué)法和生物法?;瘜W(xué)法因其操作簡(jiǎn)單、成本低廉、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前城鎮(zhèn)污水處理廠廣泛采用的污泥調(diào)理方法,其中投加有機(jī)高分子絮凝劑在化學(xué)調(diào)理中最為常用。實(shí)驗(yàn)表明,污泥絮體中胞外聚合物(EPS)的大量存在是污泥難以脫水的重要因素,而有機(jī)高分子絮凝劑對(duì)降低EPS的含量沒(méi)有顯著的效果,因此阻礙了污泥繼續(xù)深度脫水,調(diào)理后的污泥含水率仍高達(dá)75%~80%。Fenton反應(yīng)是一種高級(jí)氧化技術(shù),氧化性極強(qiáng),能將一般有機(jī)物完全氧化為無(wú)機(jī)態(tài),被認(rèn)為是污泥調(diào)理的替代方法。此外,F(xiàn)enton氧化能夠有效破解并降解污泥絮體外壁的EPS。研究證明,F(xiàn)enton氧化可以改善污泥的脫水性能,但該反應(yīng)缺乏效率,且成本較高。

  鑒于絮凝和Fenton氧化單獨(dú)調(diào)理對(duì)于污泥脫水性能的改善各有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也各具局限性,且兩種調(diào)理方法對(duì)于污泥的脫水機(jī)制不同,故采用Fenton絮凝聯(lián)合處理技術(shù)調(diào)理污泥,研究對(duì)污泥脫水效果的影響,并與絮凝、Fenton氧化單獨(dú)調(diào)理的優(yōu)劣進(jìn)行比較,為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

  一、實(shí)驗(yàn)

  1.1 試劑和儀器

  FeSO4·7H2O,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,30%H2O2,分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司,考馬斯亮藍(lán),分析純,上海麥克林生化科技有限公司,苯酚,分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司,陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺P(AMDMCMAPTAC)(CPAM)為實(shí)驗(yàn)室自制。

  1.2 污泥脫水

  室溫下,取100mL污泥置于500mL燒杯中,用0.1mol/LNaOH和0.1mol/LHCl調(diào)節(jié)pH,加入一定量的FeSO4·7H2O,攪拌15min,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2,攪拌10min,F(xiàn)enton反應(yīng)一定時(shí)間,加入定量的CPAM稀釋溶液,用玻璃棒快速攪拌15次,慢速攪拌30次,混合均勻后靜置10min,然后進(jìn)行抽濾。測(cè)量污泥濾餅含水率、污泥比阻(SRF),收集濾液,測(cè)量上清液剩余濁度、蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度、溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)。

  原泥取自南京市某城鎮(zhèn)污水處理廠生化池污泥,基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

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  1.3 污泥脫水性能的測(cè)定

  測(cè)定濾餅的含水率(P),計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

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  式中:m0為濾紙質(zhì)量,將濾紙置于培養(yǎng)皿中,在烘箱中105℃烘2h后稱(chēng)得的質(zhì)量,m1為濕濾餅和濾紙的質(zhì)量和,將抽濾后的濾餅和濾紙一起于培養(yǎng)皿中稱(chēng)得的質(zhì)量,m2為干濾餅和濾紙的質(zhì)量和,將裝有濾餅和濾紙的培養(yǎng)皿置于烘箱中105℃烘2h后稱(chēng)得的質(zhì)量。

  上清液剩余濁度使用2100Q便攜式濁度儀測(cè)定,污泥比阻采用布氏漏斗抽濾法測(cè)定,多糖的測(cè)定采用蒽酮硫酸比色法,蛋白質(zhì)的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)染色法,溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)采用重鉻酸鉀法測(cè)定。

  二、結(jié)果與討論

  2.1 絮凝單獨(dú)調(diào)理污泥

  研究絮凝單獨(dú)調(diào)理對(duì)污泥脫水性能的影響,實(shí)驗(yàn)中向污泥投加絮凝劑CPAM,以濾餅含水率、SRF和濁度作為污泥脫水性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),考察絮凝劑投加量和初始pH對(duì)污泥脫水性能的影響。

  2.1.1 絮凝劑投加量對(duì)污泥脫水性能的影響

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  絮凝劑投加量對(duì)濾餅含水率、上清液濁度和SRF的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知:當(dāng)單獨(dú)使用CPAM調(diào)理時(shí),上清液濁度、濾餅含水率和SRF隨投加量的增加呈先迅速減小后緩慢上升的趨勢(shì),當(dāng)絮凝劑投加量達(dá)到40mg/L時(shí),污泥脫水效果最好,濾餅含水率為78.36%,濁度為12.35NTU,SRF為1.35×1012m/kg。

  當(dāng)加入CPAM時(shí),吸附電中和作用和吸附架橋作用會(huì)促進(jìn)污泥絮凝,聚集成團(tuán),使得部分表面附著水變?yōu)橛坞x水,從而改善污泥的脫水性能。增大投加量時(shí),污泥中絮凝劑濃度較大,絮凝劑所帶正電荷會(huì)中和污泥絮體,使其與污泥顆粒碰撞幾率變大,有利于吸附架橋作用,污泥容易聚集成團(tuán),污泥粒徑得以增加,因而污泥沉降性較好,當(dāng)絮凝劑過(guò)量時(shí),已形成的污泥絮體易被過(guò)量帶正電荷的絮凝劑包裹,絮體間的靜電斥力增大,污泥絮體間趨于形成新的穩(wěn)定,吸附架橋作用減弱,絮體難以聚集成團(tuán),形成大而松散的絮體,且由于過(guò)量的絮凝劑殘留在泥液中,導(dǎo)致污泥的黏度變大,不利于污泥脫水性能的改善。綜上,CPAM最佳投加量為40mg/L。

  2.1.2 初始pH對(duì)污泥脫水性能的影響

  當(dāng)投加40mg/LCPAM時(shí),不同初始pH對(duì)污泥脫水性能的影響見(jiàn)圖2。

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  由圖2可知:在強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性環(huán)境中,濾餅含水率、上清液濁度和SRF數(shù)值均較高,顯然不利于污泥的脫水。當(dāng)調(diào)節(jié)初始pH為2~4時(shí),濾餅含水率、上清液濁度和SRF隨著pH的升高迅速降低,在pH=4時(shí),污泥調(diào)理效果達(dá)到最佳,濾餅含水率相對(duì)原泥降至71.51%,上清液濁度為11.5NTU,SRF為0.82×1012m/kg,繼續(xù)增大pH,濾餅含水率、上清液濁度和SRF緩慢增大。

  這是由于在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性條件下,污泥外壁的EPS會(huì)溶出進(jìn)入上清液,污泥絮體胞外多聚物結(jié)構(gòu)破碎,釋放部分細(xì)小顆粒物。在酸性條件下,由于環(huán)境中含有大量H+,污泥絮體表面的負(fù)電荷被迅速中和,污泥絮體間排斥力減弱,易于絮凝,且由于EPS離開(kāi)絮體表面,部分結(jié)合水得以釋放,堿性條件下,污泥絮體間的靜電斥力增大,污泥膠體漸漸構(gòu)建新的穩(wěn)定體系,絮凝效果減弱,污泥脫水效果較差。綜上,當(dāng)投加40mg/L的CPAM時(shí),最佳初始pH為4。

  2.2 Fenton氧化單獨(dú)調(diào)理污泥

  2.2.1 Fenton試劑投加量對(duì)污泥脫水性能的影響

  室溫下,不調(diào)節(jié)污泥的初始pH,F(xiàn)enton反應(yīng)時(shí)間為80min,分別研究Fenton試劑Fe2+投加量(固定H2O2投加量為3g/L)和H2O2投加量(固定Fe2+投加量30mg/L)對(duì)污泥脫水效果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3—6。

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  由圖3—6可知:當(dāng)H2O2投加量為3g/L,F(xiàn)e2+投加量為10~30mg/L時(shí),隨著Fe2+投加量的增大,上清液濁度、濾餅含水率和SRF顯著降低,當(dāng)Fe2+投加量為30mg/L時(shí),污泥調(diào)理效果最佳,濾餅含水率為76.65%,上清液濁度為12.02NTU,SRF為0.86×1012m/kg,增大Fe2+投加量,上清液濁度、濾餅含水率和SRF緩慢上升。上清液中蛋白質(zhì)的含量隨著Fe2+投加量的增大先迅速增大然后緩慢減小,而多糖和SCOD先快速增大然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)Fe2+投加量為30mg/L,H2O2投加量在1~4g/L范圍內(nèi)時(shí),隨著H2O2的投加量增加,上清液濁度、SRF和濾餅含水率皆迅速減小,當(dāng)H2O2投加量為4g/L時(shí),污泥調(diào)理效果最佳,濾餅含水率為65.60%,濁度為9.21NTU,SRF為0.81×1012m/kg,當(dāng)H2O2投加量大于4g/L時(shí),對(duì)于污泥脫水性能的改善產(chǎn)生抑制作用。上清液中蛋白質(zhì)含量隨著H2O2的投加量增加而先迅速增大然后緩慢減小,而多糖和SCOD先快速增大然后趨于穩(wěn)定。

  作為Fenton反應(yīng)體系中的催化劑,F(xiàn)e2+催化H2O2產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的·OH?!H能氧化破解并裂解污泥絮體的EPS,EPS含量越低,污泥吸附鍵合的水分則越低,污泥脫水性能越好,投加過(guò)量Fe2+時(shí),會(huì)導(dǎo)致Fenton反應(yīng)中第二階段反應(yīng)難以進(jìn)行,而該反應(yīng)為Fenton反應(yīng)體系的控制步驟,因而會(huì)導(dǎo)致Fenton試劑氧化效果被削弱,影響污泥脫水性能。

  H2O2作為Fenton反應(yīng)體系中·OH的供體,對(duì)Fenton氧化效果影響極大。增大H2O2的投加量時(shí),泥液中H2O2濃度較大,產(chǎn)生較多·OH,污泥絮體外壁EPS破解充分,污泥脫水性能較好,投加H2O2過(guò)量時(shí),由于H2O2可以充當(dāng)·OH的清除劑,使得先產(chǎn)生的·OH被無(wú)用消耗,因而有效的·OH變少,F(xiàn)enton試劑氧化效果減弱,污泥脫水性能變差。綜上,F(xiàn)enton試劑Fe2+和H2O2的最佳投加量分別為30mg/L和4g/L。

  2.2.2 Fenton單獨(dú)調(diào)理時(shí)初始pH對(duì)污泥脫水性能的影響

  Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,F(xiàn)enton反應(yīng)80min時(shí),初始pH對(duì)污泥脫水性能的影響見(jiàn)圖7。

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  由圖7可知:當(dāng)初始pH低于3時(shí),隨著pH的增大,上清液濁度、濾餅含水率和SRF迅速減小,當(dāng)初始pH=3時(shí),污泥調(diào)理效果最佳,濾餅含水率為63.49%,濁度為10.56NTU,SRF為0.68×1012m/kg,繼續(xù)增大pH,上清液濁度、濾餅含水率和SRF增大緩慢。

  研究證明,F(xiàn)enton反應(yīng)的初始pH對(duì)其效率影響顯著。當(dāng)初始pH過(guò)高時(shí),F(xiàn)e2+不穩(wěn)定,容易被氧化生成Fe3+,F(xiàn)e2+和Fe3+會(huì)形成配位化合物或沉淀,F(xiàn)e(OH)3不與H2O2發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致有效Fe2+濃度降低,F(xiàn)enton氧化效率降低,當(dāng)pH過(guò)低時(shí),F(xiàn)enton反應(yīng)體系中的中間反應(yīng)難以正向進(jìn)行,中間產(chǎn)物FeOOH2+生成速率過(guò)慢,F(xiàn)e2+和·OH濃度降低,F(xiàn)enton氧化效率降低,不利于污泥脫水。綜上,當(dāng)Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L時(shí),最佳初始pH=3。

  2.2.3 Fenton反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥脫水性能的影響

  初始pH=3,F(xiàn)enton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,F(xiàn)enton反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥脫水性能的影響見(jiàn)圖8和9。

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  由圖8和9可知:當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為0~60min時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),上清液濁度、濾餅含水率和SRF皆迅速下降,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí),污泥調(diào)理效果最佳,濾餅含水率降至63.03%,濁度降至9.74NTU,SRF降至0.7×1012m/kg,反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),上清液濁度和濾餅含水率上升緩慢,而SRF則趨于穩(wěn)定。Fenton試劑投加后,可見(jiàn)污泥中較多細(xì)小絮體,這可能是由于Fenton試劑一經(jīng)投入污泥中,迅速發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量·OH,污泥絮體被氧化分解,F(xiàn)enton氧化對(duì)污泥絮體的EPS結(jié)構(gòu)破解速度較快,且污泥絮體內(nèi)蛋白質(zhì)與多糖得以釋放,因而濾液中蛋白質(zhì)、多糖含量和SCOD迅速上升,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),污泥中的·OH被不斷消耗,·OH濃度不斷降低,F(xiàn)enton氧化速率越來(lái)越慢,F(xiàn)enton氧化對(duì)污泥絮體的破解趨于緩慢,在反應(yīng)60min時(shí),SRF基本穩(wěn)定,多糖和SCOD也都趨于穩(wěn)定,表明Fenton反應(yīng)基本結(jié)束,污泥脫水性能趨于穩(wěn)定,結(jié)果與黃中林等的研究相一致。綜上,在Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,初始pH=3,F(xiàn)enton反應(yīng)60min時(shí),F(xiàn)enton氧化調(diào)理污泥效果最佳。

  2.3 Fenton絮凝聯(lián)合調(diào)理污泥

  2.3.1 聯(lián)合調(diào)理時(shí)絮凝劑投加量對(duì)污泥脫水效果的影響

  Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,初始pH=3,F(xiàn)enton反應(yīng)60min時(shí),不同CPAM投加量對(duì)污泥脫水效果的影響見(jiàn)圖10。

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  由圖10可知:當(dāng)CPAM投加量為20~60mg/L時(shí),隨著CPAM投加量的增大,濾餅含水率、SRF和上清液濁度都迅速減小,當(dāng)CPAM投加量為60mg/L時(shí),污泥調(diào)理效果最佳,濾餅含水率為65.26%,上清液濁度為9.34NTU,SRF為0.64×1012m/kg,增大投加量,上清液濁度、濾餅含水率和SRF都增大。

  增大CPAM投加量時(shí),絮凝劑表面提供污泥絮體吸附的附著位點(diǎn)增多,中和污泥絮體所帶電荷,污泥絮體間靜電斥力變小,易于絮凝,污泥脫水效果較好,投加CPAM過(guò)量時(shí),絮凝劑的長(zhǎng)鏈難以完全展開(kāi),吸附架橋受到限制,且Fenton反應(yīng)后污泥中存在游離鐵離子,可能會(huì)導(dǎo)致污泥絮體被正電荷包裹,污泥絮體間靜電斥力增大,對(duì)污泥脫水性能的改善受到限制。綜上,當(dāng)Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,F(xiàn)enton反應(yīng)60min時(shí),絮凝劑的最佳投加量為60mg/L。

  2.3.2 聯(lián)合調(diào)理時(shí)初始pH對(duì)污泥脫水效果的影響

  Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,F(xiàn)enton反應(yīng)60min,CPAM投加量為60mg/L時(shí),不同初始pH對(duì)污泥脫水效果的影響見(jiàn)圖11。

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  由圖11可知:當(dāng)pH<5時(shí),隨著pH的增大,濾餅含水率、上清液濁度和SRF都迅速減小,當(dāng)pH=5時(shí),污泥調(diào)理效果最佳,濾餅含水率為60.83%,上清液濁度為9.25NTU,SRF為0.62×1012m/kg,濾餅含水率、上清液濁度和SRF分別降低了24.56%、42.12%和66.67%,繼續(xù)增大pH,濾餅含水率、上清液濁度和SRF緩慢增大。

  這主要是因?yàn)樗嵝詶l件時(shí),F(xiàn)enton反應(yīng)速率較快,催化產(chǎn)生大量·OH,F(xiàn)enton氧化速率較快。當(dāng)pH過(guò)低時(shí),泥液中H+濃度過(guò)大,導(dǎo)致生成的中間產(chǎn)物FeOOH2+不易解離成Fe3+,催化反應(yīng)受阻,污泥絮體氧化破解程度低,釋放的蛋白質(zhì)和多糖較少,污泥脫水效果受限,當(dāng)pH過(guò)高時(shí),H2O2易自行分解,·OH產(chǎn)生受到抑制,污泥中·OH濃度偏低,阻礙了污泥中Fe2+和Fe3+間的轉(zhuǎn)化,削弱了Fenton氧化作用,且會(huì)影響絮凝劑的絮凝作用,導(dǎo)致污泥脫水性能的改善受到限制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)理的最佳初始pH高于單獨(dú)調(diào)理最佳初始pH,可能是因?yàn)榈蚿H條件下,污泥中游離的Fe2+和Fe3+與絮凝劑間的靜電斥力削弱了絮凝作用,影響污泥脫水性能的改善。綜上,在Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,F(xiàn)enton反應(yīng)60min,CPAM投加量為60mg/L時(shí),初始pH=5的聯(lián)合調(diào)理效果最佳。

  三、結(jié)論

  1)絮凝單獨(dú)調(diào)理時(shí),CPAM投加量為40mg/L、初始pH=4,調(diào)理效果最佳,濾餅含水率相對(duì)原泥降至71.51%,上清液濁度和SRF分別降低了28.04%、55.91%,CPAM的絮凝吸附作用能更好改善污泥脫水性能,但對(duì)污泥絮體的EPS結(jié)構(gòu)的分解沒(méi)有作用。

  2)Fenton氧化單獨(dú)調(diào)理時(shí),F(xiàn)enton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L,初始pH=3,F(xiàn)enton反應(yīng)60min,調(diào)理效果最佳,濾餅含水率降至63.03%,上清液濁度和SRF分別降低了39.05%、62.37%,F(xiàn)enton試劑能夠有效破解污泥絮體的EPS結(jié)構(gòu)從而釋放多糖和蛋白質(zhì),改善污泥脫水性能。分析可得,F(xiàn)enton氧化對(duì)污泥脫水性能的改善要優(yōu)于單獨(dú)絮凝調(diào)理。

  3)在Fenton試劑Fe2+和H2O2的投加量分別為30mg/L和4g/L、初始pH=5、Fenton反應(yīng)60min、CPAM投加量為60mg/L時(shí),聯(lián)合調(diào)理效果最佳,濾餅含水率降至60.83%,上清液濁度和SRF分別降低了42.12%和66.67%,對(duì)污泥脫水性能的改善相對(duì)絮凝和Fenton氧化單獨(dú)調(diào)理更為顯著。Fenton絮凝聯(lián)合調(diào)理污泥脫水將大幅減輕污泥后續(xù)處理構(gòu)筑物的負(fù)荷。

  4)在絮凝、Fenton以及Fenton絮凝實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)初始pH做了研究,發(fā)現(xiàn)初始pH對(duì)于CPAM的絮凝作用和Fenton氧化作用均有較大影響,但具體影響程度與機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究探討。( >

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