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.福州大學環境與資源學院，福州 350108；2.福建省交通科學技術研究所，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.福州大學環境與資源學院，福州 350108；2.福建省交通科學技術研究所，福州 350004）

研究了Fenton法對污泥脫水性能的改善情況，結果表明，調整反應體系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、結合水率等指標均有明顯下降，Fenton法可以明顯改善污泥的脫水性能。

Fenton法；結合水率；脫水性能

污泥中特殊的菌膠團結構及高度親水性一直是污泥脫水的障礙，Fenton試劑分解產生的強氧化性HO·自由基，可以氧化破解污泥胞外聚合物甚至是細胞體結構物質，釋放內部水分，改善污泥脫水性能，同時氧化還原性的惡臭物質，減少臭氣釋放，氧化滅菌，達到穩定化。本研究擬利用Fenton試劑調理剩余污泥，考察pH、Fe2+、H2O2以及處理時間四個反應條件對污泥SRF（污泥比阻）、濾后泥餅含水率、結合水率的影響，得出Fenton法調理污泥的適宜條件，以期為后續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，冷藏的泥樣48h內分析完畢。實驗污泥的基本性質如下表所示：

實驗污泥基本性質一覽表

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：六聯攪拌器（JJ-4）；真空干燥箱（DZF-6050）；循環水真空泵（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劑量藥劑，將燒杯置于六聯電動攪拌器上進行攪拌，使藥劑與泥樣迅速反應，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，執行《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T221-2005）標準中含水率測定的重量法[2]。

（2）污泥濾餅結合水率測定方法：本研究采用的機械脫水設備為真空泵，基于結合水為機械脫水的上限這一假設，由此將本研究中的結合水做如下定義：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合水，此時真空抽濾達到飽和[2]。將

調理前后結合水相對質量分數的變化作為改善污泥脫水效果的評價指標，指標計算過程如下。

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，根據比阻公式計算出相應數值。

2 結果與討論

2.1 pH對污泥脫水性能的影響

在pH值為1.0～6.9范圍內考察pH值對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結合水率的影響，結果如圖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、濾后含水率及結合水率均先呈現下降趨勢。當pH = 3達到較低值，此時繼續減小pH，SRF、濾后含水量及結合水率反而回升；直到pH = 1時，三個指標出現不同的變化趨勢：SRF繼續升高，濾后含水率及結合水率降至實驗pH范圍內的最低值。對于降低SRF、濾后含水率及結合水率的最佳pH值降為3。因為pH主要影響著Fenton反應的中間產物，在較高pH條件下，水中的OH-會與鐵離子形成絡合物，削減了游離態鐵離子的濃度導致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pH過低時，中間產物FeOOH2+的形成速率減緩，進而導致Fe2+和HO·自由基的產率下降，從而限制反應進行[3]。

研究表明，Fenton反應的最佳pH范圍是2～4。本次實驗所得結果與報道基本一致，同時考慮到成本與設備運行環境，確定Fenton試劑調理實驗污泥的最佳pH為3，可使SRF、濾后含水率及結合水率由處理前的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，考察FeSO4·7H2O投加量對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結合水率的影響，實驗結果如圖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Fe2+投加量低于1.2g/kgDS，SRF、濾后含水率及結合水率均隨著Fe2+投加量的增加而逐漸減小，直到達到一個極小值，當投加量高于1.5g/kgDS后，又緩慢回升，最后趨于穩定。Fe2+離子在Fenton反應中充當催化劑的角色，用量較少，但在反應體系中對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無法分解產生充足的自由基，且由于污泥本身復雜的成分，有機物及無機雜質等都會不同程度地抑制Fenton循環反應過程降低反應效率，甚至終止反應影響處理效果；投加足夠量的Fe2+離子，可使Fenton氧化生成HO·自由基的量增多，對污泥結構的氧化破解效果加強，污泥的脫水性能得到提升，但是如果Fe2+投加量超過所需，一方面造成瞬間產生大量HO·自由基局部含量急劇升高，影響污泥中有機物的充分氧化，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%，均達到理想的改善效果，因而結合成本綜合考慮，確定Fenton試劑調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，考察H2O2投加量對污泥SRF、濾后泥餅含水率、結合水率的影響，結果如圖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鍵因素。分析圖3得知，濾后泥餅含水率、結合水率因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，當投加量達到24g/kgDS時，SRF由1.60×1012m/kg降至0.65×1012m/kg，繼續加大H2O2投入量后又出現緩慢回升現象。

通過實驗得出，H2O2投加量分別為17g/kgDS、24g/kgDS、29g/kgDS，經過1h的反應后，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%，均能實現較理想的調理效果，綜合考慮效果與成本，實驗確定Fenton試劑調理實驗污泥脫水的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、結合水率的影響，結果如圖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、結合水率均快速下降，0.5h后降低幅度減緩，在1h時，均達到低值，而延長處理時間，則出現小幅上升趨勢。開始的反應階段，剛加入Fe2+和H2O2，污泥SRF、濾后泥餅含水率、結合水率就大幅度降低。

經過0.5h、1h以及1.5h的反應后，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%，均實現了較理想的調理效果，綜合考慮效果與成本，實驗選定1h為Fenton試劑調理實驗污泥脫水的最適宜處理時間。

3 結論

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

[1]中華人民共和國建設部.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制[J].環境科學與技術， 2009，32（7）：64-67.

[4]潘勝，黃光團，譚學軍，等. Fenton試劑對剩余污泥脫水性能的改善[J].凈水技術，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