Fenton氧化联合氧化钙调理对污泥脱水的机理研究黄绍松

环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae1DOI:10.13671/j.hjkxxb.2017.0434Fenton氧化联合氧化钙调理对污泥脱水的机理研究黄绍松1，梁嘉林1，张斯玮1，黄锦佳1，徐启智1，戴永康1，孙水裕1,2,3*1.广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州5100062.广东环境保护工程职业学院，广东佛山5282163.广东工业大学资源综合利用与清洁生产省教育厅重点实验室，广东广州510006摘要：探讨了使用Fenton氧化联合氧化钙全过程(第一阶段：使用硫酸调节污泥pH值；第二阶段：投加Fe2+；第三阶段：投加H2O2；第四阶段：投加氧化钙)对污泥脱水效果及物理化学性质的影响。结果表明，酸化处理可以改变絮体的大小，降低Zeta电位，分散絮体，同时去除部分胞外聚合物(EPS)，进而改善了污泥脱水性能。此外，在Fenton氧化的过程中，污泥颗粒、Zeta电位、EPS和比阻(SRF)均呈现逐渐减少的趋势，同时生成氢氧化铁胶体会覆盖在污泥颗粒表面，形成保护性的硬壳，进而使污泥的脱水性能大幅提高。当加入氧化钙时，形成稳定的刚性的结构使污泥颗粒重新聚合，促使生成多孔的脱水通道。中试结果阐明，Fenton氧化过程是实现污泥的深度脱水的关键，并表明各个阶段污泥脱水过程中产生的滤液水质状况。总的来说，本研究提供了在高压下实现污泥深度脱水的新思路，包括：絮体酸溶分散与重聚-保护性氧化-骨架构建。由此看来，Fenton氧化联合氧化钙是一种相对温和且有效的污泥调理方法。关键词：污泥深度脱水；芬顿氧化；氧化钙；胞外聚合物(EPS)；机理研究文章编号：中图分类号：X705文献标识码：AAcomprehensivemechanismfordeeplydewateringsludgeusingFenton'sreagentwithlime.HUANGShaosong1,LIANGJialin1,ZHANGSiwei1,HUANGJinjia1,XUQizhi1,DAIYongkang1,SUNShuiyu1,2,3*基金项目：广东省科技计划项目(2016A040403068)；广东省环保厅专项资金项目(2017)；佛山市科技创新项目(2016AG100482)SupportedbytheScienceandTechnologyPlanningProjectofGuangdongProvince(No.2016A040403068);SpecialFundofDepartmentofEnvironmentalProtectionofGuangdongProvince(2017)；ScienceandTechnologyInnovationProjectofFoshan(2016AG100482)作者简介：黄绍松(1977-)，男，E-mial：[e-mail]；*通讯作者(责任作者)，E-mial：[e-mail]：HUANGShaosong(1977-),male,E-mial:[e-mail];*CorrespondingauthorE-mial:[e-mail]2017-11-0114:19:05环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae21.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China；2.GuangdongPolytechnicofEnvironmentalProtectionEngineering,Foshan528216,China；3.KeyLaboratoryofResourcesComprehensiveUtilizationandCleanerProduction,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China).Abstract:ThisstudyexploredthemechanismandprocessesinvolvedinusingFenton'sreagentwithlime,andtheinfluenceofusingthecombinationtreatmenttodeeplydewatersludge.Theexperimentillustratedthattheacidificationtreatmentchangedflocssize,reducednegativeZetapotential,dispersedflocs,removedpartialofextracellularpolymericsubstances(EPS),andimprovedsludgedewaterability.Besides,theflocssize,thenegativeZetapotential,EPSandthespecificresistancetofilterability(SRF)graduallydecreasedacrosstheprocessoftheFentonoxidation.Meanwhile,thesurfaceofthesludgeparticleswascoveredbytheferrichydroxideandformedtheprotectivehardshell.Asaresult,thesludgedewaterabilitywasfurtherimproved.Intheprocessofaddinglime,thestablerigidstructurewasformedtoflocculatethesludgeparticles,resultingintheformationofporousdewateringchannels.Thepilot-scaleexperimentsindicatedthatFentonoxidationprocesseswerethekeytoaccomplishingthedeeplydewateringofthesludge.Inconclusion,thisstudyprovidednewinsightsabouthowtodeeplydewatersludgeunderhighpressure,including:acidificationdispersion,protectiveoxidation,andskeletonconstruction.ItthusappearsthattheFenton'sreagentwithlimeservedasamildoxidationmethodtodewatersludge.Keywords:Sludgedeeplydewatering;Fentonoxidation;lime;theextracellularpolymericsubstances(EPS);mechanism1引言(Introduction)最近十年，随着我国人口的增加以及经济水平的迅猛发展，大量的生活污水以及工业污水随之产生。据统计，2014年废水排放总量7161750万吨，按照1万吨污水产出5吨绝干污泥估算，2014年污泥总量为3581万吨，预计2020年将达到6000万吨，如此大量的污泥如果不进行妥善处理会对环境造成严重的影响(董玉婧等，2011；Liuetal.,2005；Huetal.,2013；Duetal.,2015；Pecciaetal.,2015；Yangetal.,2015)。胞外聚合物(EPS)是污泥中有机成分的重要组成部分。它由高分子物质组成，如多糖(PS)、蛋白质(PN)、脱氧核糖核酸(DNA)等聚合物，由于这些有机大分子具有高度亲水特性，使污泥颗粒表面呈负电荷，进而与极性水分子形成双电层结构，成为相对稳定的亲水胶体，这种性质使污泥难以实现彻底的固液分离环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae3(Houghtonetal.,2001andYuetal.,2008)。污泥中的微生物在代谢过程中生成大量包裹其外面的EPS，这些聚合物可以产生粘性力，形成三维的、类似凝胶的、高度水化的带电絮体基质，将微生物包埋在絮体内部，维持絮体结构和功能的完整性。为了提高市政污泥的脱水程度，需要破坏其亲水结构，如使用羟基自由基等强氧化性物质氧化破坏其结构，进而改变其改变污泥絮体的凝胶状态和絮体大小及絮体表面的结构(Shengetal.,2010；Raynaudetal.,2012)。由此看来，胞外聚合物(EPS)是限制污泥脱水的一个重要因素，如何改变污泥絮体的结构，降低污泥EPS含量是提高污泥脱水效率的突破口。由于剩余活性污泥的含水率高达99%以上，为了进一步解决污泥体积的难题，提高污泥后续处置的效率，有必要对污泥进行妥善的前处理。近年来，国内外的学者尝试使用芬顿氧化处理污泥，利用氧化破解细胞的手段来改善污泥的脱水性能。Buyukkamaci等(2004)利用芬顿氧化法处理市政污泥，同时研究了Fe2+和H2O2的浓度对于污泥调理效果的影响。结果说明，在适宜的条件下，污泥的比阻(SRF)降低了93.31%，污泥的毛细脱水时间(CST)降低了42.95%。Tony等(2008)使用响应面曲线法以Fe2+、H2O2的浓度和pH为影响因素，研究这三个因素对污泥脱水的影响。结果表明，污泥通过少量芬顿试剂调理后，其脱水性能也可以得到明显提升，CST降低了48%。此外，Zhang等(2014)研究发现，污泥经芬顿试剂和赤泥联合处理后可以初步实现污泥的深度脱水，泥饼含水率降低至59.8%，而且由经济成本核算可知，其成本约286元/t污泥干重DS，低于常规药剂聚丙烯酰胺(PAM)的成本。因此，芬顿氧化结合骨架构建体是一种有效提高污泥脱水性能的方法，具有良好的应用前景(刘鹏等，2013；张昊等，2013；邢奕等，2015)。目前将Fenton氧化调理应用于污泥脱水中的工程案例较少，主要因为存在以下需要亟需解决的问题：处理时间长且效果不稳定、药剂投加量把控难度大、成本高和污泥干基增重大等。为了充分发挥Fenton氧化处理效果优点，需要全面深入分析了解其作用机理并提供针对性的避开其缺点的有效措施。本文选取广州某大型市政污水处理厂二沉池外排污泥作为研究对象，研究分析调节污泥的pH值，投加Fenton氧化药剂(硫酸亚铁和双氧水)全过程及与氧化钙联合处理(第一阶段：使用硫酸调理污泥；第二阶段：投加Fe2+；第三阶段：投加H2O2；第四阶段：投加氧化钙)各阶段各种药剂处理后市政污泥在处理过程中发生的变化及其与脱水性能提高的关系，全面深入认识Fenton氧化与氧化钙联合处理对提高市政污泥脱水性能的作用机理及相关影响因素之间的关系。2材料与方法(Materialsandmethods)2.1试验材料本试验污泥样品为广州某城市污水处理厂二沉池排出的剩余污泥，该污水厂采用A2O脱氮除磷处理工艺。原污泥运到实验室后立即置于4°C冰箱中，静置12h后弃去上清液，获得的浓缩污泥为供试污泥样品，其基本特性见表1。此外，试验所用主要试剂药品如表2所示。环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiae4表1污泥样品的基本特征Table1Maincharacteristicsoftherawsludge污泥性质数值pH6.52±0.26含水率(%)94.72±0.31总可溶性固体质量TSS(g/L)50.62±0.45有机质含量VSS/TSS(%)49.58±0.50可溶性化学需氧量SCOD(mg/L)255.36±10.55比阻SRF(1