生物瀝浸耦合Fenton技術對改善市政污泥脫水性能的研究

摘要：市政污泥含有大量水分，體積龐大，且容易對環(huán)境造成危害，給后續(xù)的處理和處置工作帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。污泥脫水可以顯著減少污泥的體積，從而減低污泥處理和處置的成本。高效的污泥調理技術，能夠提升脫水性能，實現(xiàn)污泥的減量化。在眾多污泥調理技術中，生物瀝浸技術和Fenton技術在污泥提高污泥脫水性能方面有顯著成效。為此，共設計了11組對比實驗，實驗內容為：對生物瀝浸48h后的污泥再進行1h不同F(xiàn)e2+和H2O2投加比例的Fenton處理，旨在探討這兩種技術聯(lián)合應用的可行性。實驗發(fā)現(xiàn)：若同時考慮污泥脫水性能的改善程度和實驗成本，G組（Fe2+∶H2O2=25.00∶55.00）相較于其他組別效果顯著，與原始污泥相比，SRF值降低了95.6%，CST值降低了68.08%。這一結果為市政污泥的有效處理提供了新的技術選擇。

關鍵詞：市政污泥脫水性能生物瀝浸Fenton技術

ResearchonImprovingtheDewateringPerformanceofMunicipalSludgebyCouplingFentonTechnologywithBioleaching

SONGJunli1，2SANGYayuan2GUOQin2WANGChunjuan2

1.KeyResearchBaseforHumanitiesandSocialSciencesinUniversitiesofXinjiangUygurAutonomousRegion（ResearchCenterfor"TwoMountains"TheoryandHighQuality&nbySyOmHbPsmM9KmfuYwuY9W9tjq5azZJsPVZklDSx6Ts=sp;GreenDevelopmentinSouthernXinjiang，XinjiangInstituteofTechnology），AksuCity，XinjiangUygurAutonomousRegion，843000China;

2.XinjiangInstituteofTechnology，AksuCity，XinjiangUygurAutonomousRegion，843000China

Abstract：Municipalsludgecontainsalotofwater，hasalargevolume，andiseasytocauseharmtotheenvironment，bringingseverechallengestothesubsequenttreatmentanddisposalwork.Sludgedewateringcansignificantlyreducethevolumeofsludge，thusreducingthecostofsludgetreatmentanddisposal.Efficientsludgeconditioningtechnologycanimprovethedewateringperformanceandrealizethesludgereduction.Amongnumeroussludgeconditioningtechnologies，BioleachingtechnologyandFentontechnologyhaveachievedremarkableresultsinsludgeimprovingsludgedewateringperformance.Tothisend，11groupsofcomparativeexperimentsaredesigned，andtheexperimentcontentis：After48hoursofBioleaching，thesludgewassubjectedtoFentontreatmentwithdifferentFe2+andH2O2additionratiosfor1hour，aimingtoexplorethefeasibilityofcombinedapplicationofthesetwotechnologies.Theexperimentfoundthatiftheimprovementdegreeofsludgedewateringperformanceandtheexperimentalcostwereconsideredatthesametime，groupG（Fe2+∶H2O2=25.00∶55.00）hadasignificanteffectcomparedwithothergroups.Comparedwiththeoriginalsludge，theSRFvaluedecreasedby95.6%andtheCSTvaluedecreasedby68.08%.Thisresultprovidesanewtechnicalchoicefortheeffectivetreatmentofmunicipalsludge.

KeyWords：Municipalsludge;Dewateringperformance;Bileaching;Fentontechnology

隨著城市化步伐的不斷加快，市政污泥的產(chǎn)生量亦呈現(xiàn)出與人類生活用水量增長相伴隨的上升趨勢，其高含水率特性對環(huán)境和生態(tài)造成了嚴重危害。具體表現(xiàn)為：占用了大量的存儲空間、容易引發(fā)土壤和水體等二次污染[1]。目前，雖然已有多種污泥脫水技術應用于實際生產(chǎn)中，但脫水后的污泥含水率仍然較高，普遍超過80%[2]。污泥調理技術能夠有效提高污泥的脫水性能。而在眾多污泥調理技術中，生物瀝浸技術和Fenton技術以其獨特的優(yōu)勢，展現(xiàn)出廣闊的應用前景[3-5]。生物瀝浸技術利用微生物的生物酸化作用，破壞污泥絮體細胞外的某些剛性物質，從而提高其脫水性能[3]。而芬頓技術則通過強氧化作用，破壞污泥中的有機物質，使其更易于脫水[6-7]。兩種技術均須在強酸性環(huán)境中進行反應，同時生物瀝浸過程中添加的營養(yǎng)物質為FeSO4[8]，這一物質可直接用于后續(xù)的芬頓反應[9-10]，這就為兩種技術的耦合提供了堅實的理論基礎。本文旨在探討生物瀝浸與芬頓技術聯(lián)合應用的協(xié)同作用。

本研究的研究思路是對市政污泥先進行48h的生物瀝浸處理，再進行1h的Fenton處理。其中，生物瀝浸條件相同，均采用29℃、330r/min。研究表明：在此條件下生物瀝浸效果良好[8]。之后，設計11組平行Fenton實驗，每組Fe2+和H2O2投加比例各異。通過測定每組實驗反應前后的污泥脫水性能指標，如污泥比阻（SludgeSpecificResistancetoFiltration，SRF）、毛細吸水時間（CapillarySuctionTime，CST）等，來探究最佳的耦合條件。

1材料和方法

1.1材料

供試污泥取自新疆維吾爾自治區(qū)南疆某污水處理廠二次沉淀池的剩余污泥。取得的污泥冷藏在4℃環(huán)境下，沉淀48h后，去除其上清液，所得污泥即為實驗原始污泥，經(jīng)實驗測得，原始污泥的pH值為6.80，SRF值為6.80×108s2/g，CST值為94.3s。

1.2實驗方案

本實驗通過采用對照組實驗的設計方法，對生物瀝浸耦合類芬頓技術在改善市政污泥脫水性能方面進行了初步的探索和研究。具體實驗方法如下。

1.2.1硫酸亞鐵硫桿菌的擴培

硫酸亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillusferrooxidans，A.f）菌株是確保生物瀝浸技術順利進行的關鍵。為確保充足的濃度與數(shù)量，本實驗對A.f菌株進行了3次擴培。擴培過程如下：在300mL的原始污泥中加入4g/L的Fe2+，隨后將混合液置于恒溫搖床中，設定溫度為29℃、轉速為180r/min。當體系內的pH值自然下降至2.5以下時，第一次擴培完成。將首次擴培后的混合液與原始污泥按照1∶2的比例混合，再次放入相同的恒溫搖床中，當pH值再次自然降至2.5以下時，第二次擴培完成。第三次擴培與前兩次擴培類似，將二次擴培后的混合液與原始污泥按1∶2的體積混合，繼續(xù)培養(yǎng)，當pH值達到預定標準時，3次擴培完成。值得注意的是，第一次擴培通常需要5d的時間，而第二次和第三次擴培則僅需1d即可完成，這充分證明了A.f菌株的濃度在短時間內迅速達到了峰值，完全滿足了后續(xù)生物瀝浸實驗的需求。

1.2.2污泥的生物瀝浸處理

本研究的基石在于污泥的生物瀝浸實驗。實驗選用了1L的燒杯作為反應器，將經(jīng)過3次擴培后的污泥與原始污泥按1∶9的比例混合，并添加4g/L的Fe2+作為營養(yǎng)物質。為了維持穩(wěn)959598096086fce4bd679acbf5418cae5c671883ab563e4eebfd9f1729c1d505定的反應條件，燒杯被放置在29℃、330r/min的磁力攪拌器上連續(xù)攪拌48h。經(jīng)過48h的生物瀝浸處理，污泥的CST值降低至37.9s，相較于原始污泥的CST值，減少了59.8%。這一結果充分展示了生物瀝浸技術在改善污泥脫水性能方面具有巨大潛力。

1.2.3Fe2+與H2O2投加比例

生物瀝浸污泥體系中類Fenton技術的Fe2+與H2O2投加比例的初步探索。本研究對生物瀝浸污泥實施11組不同條件下的類Fenton處理1h，每組實驗中的Fe2+與H2O2的投加比例各異，具體投加量如表1所示。此部分實驗旨在確定生物瀝浸技術與類Fenton技術的最佳結合條件。

1.3分析方法

本實驗的核心測試指標涵蓋了pH值、SRF值和CST值。具體而言，pH值作為A.f菌株擴培、生物瀝浸和類Fenton技術的關鍵反應信號，對于實驗結果的解讀至關重要。而SRF值和CST值則直接反映了污泥的脫水性能，通常情況下，SRF值和CST值越小，污泥的脫水效果越佳[11]。以下是本次實驗數(shù)據(jù)的具體分析方法。

1.3.1pH值

由STARTER2100精密pH計測定。

1.3.2SRF值

采用布氏漏斗法對污泥的脫水性能進行研究，所用到的儀器有6.5cm布氏漏斗、真空泵、真空表、定量濾紙、秒表等，取100mL污泥樣品在-0.03MPa下進行抽濾，記錄相關數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）求出SRF值。

式（1）中：b為t/V與V關系曲線的斜率；P為過濾壓力，單位為Pa；A為過濾面積，單位為cm2；C為濾過單位體積濾液在介質上所產(chǎn)生的阻力，單位為g/cm3；μ為濾液動力粘滯度，單位為N·s/m2。

1.3.3CST值

由304M型CST儀測定。將CST專用濾紙放至CST儀上，取2.5mL的污泥樣品加入直徑2cm多的電極槽內，污泥樣品在CST專用濾紙范圍（以電極槽為中心1～1.7cm）上的浸潤時間即為CST值，單位為s。

2結果和討論

2.1生物瀝浸耦合Fenton過程中pH值的變化

在生物瀝浸處理中，隨著A.f微生物的生物氧化作用，導致體系pH成下降趨勢。芬頓反應過程中，pH值下降的原因主要有兩方面：一是H+的產(chǎn)生，二是有機物的礦化。如圖2所示，經(jīng)過生物瀝浸和不同條件的Fenton處理后，原始污泥的pH值顯著降低，由初始的6.80降低至2.38～2.88的范圍內。各組之間的pH值差異并不大，這一現(xiàn)象可能歸因于Fenton處理過程中的參與反應的Fe2+與H2O2的比例相近的原因，污泥體系中H+和有機物的礦化量相近。這一結果表明，這兩種處理方法協(xié)同能夠有效降低污泥體系的pH值，為后續(xù)處理步驟創(chuàng)造更有利的條件。

2.2生物瀝浸耦合Fenton對污泥SRF值的影響

SRF是比較不同處理情況下污泥的過濾脫水性能的綜合性指標。一般地，SRF值越小，污泥脫水性能越好。原始污泥的SRF值為6.80×108s2/g，對比原始污泥，11組不同實驗條件下的污泥SRF均在生物瀝浸和Fenton的作用下發(fā)生了不同程度的下降。如圖3所示，11組實驗中，B、G、H三組效果最為明顯，分別降至0.29×108s2/g、0.30×108s2/g、0.29×108s2/g，與原始污泥相比，降低了95.7%、95.6%、95.7%。SRF值為30.1547×1011m/kg，明顯好于其他體系，如A、C、E組分別降低了94.0%、93.7%、93.3%。由以上結果可知，B、G、H三組實驗條件下Fe2+與H2O2的投加比例更加有利于污泥體系SRF值的降低。

2.3生物瀝浸耦合Fenton對污泥CST值的影響

CST值與SRF相似，都是表征污泥脫水性能的重要指標之一。同樣的，CST值越小，污泥脫水性能越好。原始污泥的CST值為94.3s，生物瀝浸后降為37.9s，降低了59.8%，由此可以證明，生物瀝浸技術能夠明顯提高污泥的脫水性能，當然這可能是因為A.f菌株的生物酸化作用對污泥絮體保外聚合物的破壞。此外，由圖4可知：將不同條件的Fenton再次作用于生物瀝浸污泥，能夠更高程度地提高污泥的脫水性能。其中，以E、G、H3組效果最佳，CST值能夠降低30.0、30.1、30.4，相較于生物瀝浸后的污泥體系，降低了20.84%、20.58%、19.79%，明顯好于A、B、C等組別等。結合上述可得單獨瀝浸技術能夠明顯提高污泥的脫水性能，但是如果之后能夠再次進行Fenton技術處理能更大程度地提高污泥的脫水性能，其中E、G、H三組實驗條件下Fe2+與H2O2的投加比例更加有利于污泥體系CST值的降低。

3結語

（1）生物瀝浸耦合Fenton的處理方法能夠有效降低污泥體系的pH值，由初始的6.80降低至2.38～2.88的范圍內，為后續(xù)污泥脫水創(chuàng)造更有利的條件。

（2）對比原始污泥，11組不同實驗條件下的污泥SRF值均在生物瀝浸和Fenton的作用下發(fā)生了不同程度的下降。其中，B、G、H三組效果最為明顯，此三組實驗條件下Fe2+與H2O2的投加比例更加有利于污泥體系SRF值的降低。

（3）單獨瀝浸技術能夠明顯提高污泥的脫水性能，但如果之后能夠再次進行Fenton技術處理能更大程度地提高污泥的脫水性能，其中，E、G、H三組實驗條件下Fe2+與H2O2的投加比例更加有利于污泥體系CST值的降低。

（4）綜合上述實驗結果分析以及實驗成本考量，建議采用G組實驗條件，即投加比例為Fe2+∶H2O2=25.00∶55.00，用以進一步研究生物瀝浸與Fenton反應的協(xié)同作用，以便為今后的市政污泥減量化提供更為堅實的理論基礎。

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