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标题 改良Fenton体系对疏浚底泥脱水性能的影响
范文 田宇等



摘要：Fenton体系可有效降解污泥中的胞外聚合物（EPS），改良污泥脱水性能。针对高有机质含量、高黏粒含量的超保水性污染底泥，传统的絮凝脱水已不能满足需求，系统研究了改良Fenton体系对疏浚底泥脱水性能的影响。结果表明，Fenton体系与无机改良剂联用时，生石灰效果最佳，优于石膏和粉煤灰；当生石灰加入量为1 %时，底泥比阻最小，为6.19×1012 m/kg，比阻减小率为55.70 %。将Fenton体系与CPAM联用，底泥脱水性明显最优；当浓度为0.1%的CPAM投入量为50 mg/L时，比阻为0.83×1011 m/kg，比阻减小率可达99.37 %，比仅使用Fenton处理的效果提高了91.54%。
关键词：疏浚底泥；Fenton；比阻；脱水性能
中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0502-04
Abstract：Fenton system can degrade EPS in the sludge effectively and improve the performance of sludge sedimentation and flocculation.The traditional technology is not suitable for the sludge of super water retention with high organic and clay contents.In this paper，the effects of improved Fenton system on the dredged sludge dehydration were investigated.The results showed that （1） quick lime has better effects than gypsum and fly ash when the Fenton system is combined with inorganic modifier；（2） when the quick lime amount is 1%，the SRF of dredged sludge is the lowest with a value of 6.19×1012 m/kg and the SRF reduction efficiency is 55.70%；（3） sludge dehydration effect is the best when Fenton system is combined with CPAM；and （4） when the amount of 0.1% CPAM is 50 mg/L，the SRF is 0.83×1011 m/kg and the SRF reduction efficiency is 99.37%，which is about 91.54% higher than that treated by Fenton system only.
Key words：dredged sludge；Fenton；SRF；dehydration performance
在疏挖后尽快对疏浚底泥进行脱水处理，是疏浚过程中实现减量化、稳定化、无害化以及资源化的必要过程，不仅可以解决堆放疏浚底泥时造成的资源浪费问题，也可以产生一定的经济效益。目前国内解决底泥的“减量化”问题时采用的脱水工艺一般以堆场自然沉降为主，辅以加入絮凝剂处理。但是对于高有机质含量、高黏粒含量的超保水性污染底泥[1]，由于其中存在较多胞外聚合物（EPS）[2-3]，传统脱水工艺的处理效果并不明显，需要在脱水工艺前加入调质工艺。
Fenton体系[4]是一种强氧化性体系，广泛应用于生活污水处理、特种废水处理和城市污泥处理领域，而应用于疏浚底泥脱水处理相对较少。钟恒文等[5]将Fenton体系应用于处理城市生活污泥中，发现体系中Fe2+浓度与pH值的差异导致城市生活污泥中难分解产物及EPS、VSS降解效率略有差别，其对生活污泥中一般化学反应较难去除的污染物有着较好的去除效果。马俊伟等[6]将Fenton体系与应用最广泛的调理剂阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）联用，应用于城市污泥脱水，并结合泥饼含水率、COD、颗粒粒径等多个指标对改良Fenton体系的脱水性能进行表征，发现经联合调理后，Fenton的强氧化性与CPAM的强絮凝性可以充分结合，优于Fenton体系单一处理。杨斌等[7]研究了生石灰与粉煤灰等无机物对城市生活污泥的脱水性能的影响，发现在污泥脱水时添加定量无机改良剂，可以使污泥比阻降低90%以上，有效改善底泥脱水性能[8]。
本文以滇池外海北部的疏浚重度污染底泥为研究对象，在Fenton处理底泥时添加 CPAM以及无机改良剂（生石灰、石膏、粉煤灰），结合底泥过滤比阻和滤液水质指标，分别考察Fenton体系及改良Fenton体系对滇池底泥脱水性能的影响。
1 试验分析
1.1 主要试剂和原料
主要试剂：氯化亚铁，浓硫酸，30%双氧水，重铬酸钾，硫酸银，硫酸亚铁，硫酸亚铁铵，CPAM，无机改良剂（生石灰、粉煤灰、石膏）。
原料：云南滇池疏浚底泥，其主要参数见表1。
1.2 试验步骤与方法
（1）将滇池底泥配制成含水率为95 %的泥浆，用H2SO4调节pH 值，加入定量Fe2+溶液与30 % H2O2，调节一定的H2O2/Fe2+摩尔比。
（2）将体系混合均匀后置于恒温水浴振荡器上，在一定温度下震荡后，测试底泥比阻[9-10]。利用激光衍射粒度分析仪（MS2000）测量经Fenton处理前后粒径变化规律。
（3）使用Fenton体系与改良剂联合处理底泥。先将底泥进行Fenton处理，再分别投加生石灰、石膏、粉煤灰三种改良剂（投加量以干基记），分别测定改良后的比阻变化。
（4）测定经以上处理方式的滤液水质。使用紫外可见分光光度计（Spectrum 756PC）浊度仪（HANNA HI93703-11）测定滤液透光率及浊度；通过过滤称重法与重铬酸钾法测定滤液中SS与COD值[11]。
（5）烘干滤饼，并利用扫描电子显微镜（JSM6380LV）观察其断面形貌。
2 结果与讨论
2.1 Fenton体系对滇池疏浚底泥脱水性能的影响
滇池底泥经Fenton处理前后，各项指标的对比数据见表2。经测试，Fenton体系对底泥的最佳投加方式为pH=6.2，T=25 ℃，H2O2为10 mg/g，H2O2/Fe2+=8∶1，t=10 min。可以看出，经Fenton处理后，底泥的比阻由13.25×1012 m/kg降至10.41×1012 m/kg，减小率达21.43 %；滤液浊度下降，透光率上升；底泥颗粒的平均粒径由5.52 μm降至4.605 μm，经强氧化处理之后粒径有所减小。此外，滤液中的多糖含量由63 mg/L上升至124 mg/L，表明Fenton将疏浚底泥的EPS降解，产生的分子量较小的多糖溶于清液。
2.2 Fenton体系与无机改良剂联用对底泥比阻的影响
滇池底泥在经Fenton处理后的比阻为10.41×1012 m/kg，分别引入无机改良剂后，底泥的比阻均随着投加量的增加呈先减小后增大的趋势。联用生石灰，投加量为1 %时，相对于原泥比阻减少率最高，为55.20 %；联用石膏，投加量为0.5%时，比阻为8.42×1012 m/kg，减至最小，较未处理时减小率为36.45 %；联用粉煤灰作为改良剂较前两种效果较差，在投加量0.25 %时，比阻为9.10×1012 m/kg。
对比单独采用三种无机改良剂与分别联用Fenton体系联用处理疏浚底泥的效果（表3），可以看出，三种无机改良剂单独作用于底泥时，其比阻减小量相对联用情况以及Fenton单独处理情况均有所降低。可见，联用处理对底泥沉降性能的改善效果比单独使用时更佳。
生石灰主要原料为CaO，遇水形成微溶于水的氢氧化钙，形成的络合物在底泥沉降脱水过程中能起到填充料的作用，在架桥现象中充当骨架，促使底泥颗粒化，降低底泥的黏度，增加渗透系数，让自由水更容易透过，从而提高底泥在Fenton处理后的沉降效率。同理，以硫酸钙为主要成分的石膏也起到支撑骨架的作用，加快自由水的脱除。粉煤灰颗粒粒径较小、比表面积相对较大，因而吸附性较强，在脱水时可以起到与底泥颗粒电性中和和吸附架桥的作用，破坏底泥胶体颗粒的稳定，使分散的小颗粒之间相互聚集形成大颗粒，仅加入少量就可以起到应有作用[13]。而生石灰和石膏在少量时比阻随加入量增加而降低，但是超过一定值之后，比阻反而升高。
2.3 Fenton体系与CPAM联用后对底泥比阻的影响
CPAM是可以与Fenton体系联合使用的一种改良剂，其本身是一种用处极广的絮凝剂，使用浓度为0.1%的CPAM处理底泥，最佳量为50 mg/L，可将底泥比阻降至8.83×1011 m/kg。若使用Fenton体系处理滇池底泥后使用CPAM进行絮凝处理，在最佳投加量时，底泥比阻可达0.83×1011 m/kg，对比未处理底泥减小了99.37 %，较仅使用Fenton处理时比阻减小率达91.54 %。
将Fenton体系与CPAM联用后再与前文所提无机改良剂（生石灰、石膏、粉煤灰）联用，其比阻与未处理底泥比阻减小率见图2。
向Fenton+CPAM体系中投加脱水效果最佳的加入量分别为：1%生石灰，0.5%石膏，0.125%粉煤灰。但是结果显示，联用处理后底泥的比阻反而略有上升，分别上升至3.4×1012 m/kg、3.66×1012 m/kg、5.14×1012 m/kg。这表明无机改良剂不但没有起到促进底泥比阻降低的作用，反而阻碍了Fenton体系与CPAM联用的效果。究其原因，CPAM属于有机长链高分子絮凝剂，其对疏浚底泥体系有吸附架桥、电中和作用，有利于对底泥体系的絮凝脱水作用[12，14]。但是CPAM对于高有机质含量、高黏粒含量的超保水性污染底泥作用效果不佳。经Fenton体系处理后，底泥颗粒中较难被絮凝的胞外聚合物（EPS）被强氧化性分解，产生多糖等小分子。分解后的颗粒经CPAM吸附架桥及电中和作用后，较单独使用Fenton体系或CPAM处理比阻均有较大幅度降低。Fenton体系与无机改良剂联用时会在体系中形成骨架，而在使用CPAM后，其自身分子已可以充当骨架作用，此时再加入的无机改良剂会附着在底泥分子上，反而不利于比阻的减小和结合水的脱除。
2.4 经改良剂处理后Fenton体系对过滤水质的影响
从图3-图5可以看出，底泥经Fenton处理后，滤液透明度均高于原泥，透光率达98 %以上；滤液浊度只有0.4 NTU。与CPAM联用后，上清液的浊度几乎与仅使用Fenton处理相似，均在0.5 NTU以下；但是Fenton及其改良体系与无机改良剂联用后浊度均有不同程度上升。这是由于所选用的无机改良剂的分子较轻较小，若不能充分与底泥相结合，会有一部分浮于上清液中，导致浊度上升；但此类改良浊度仍均达到国家二级排放标准。
底泥脱水过滤后的清液COD为64 mg/L，经Fenton处理后与经Fenton+CPAM处理后COD呈递减变化，分别为48 mg/L与32 mg/L。在此复配的基础上加入无机改良剂（生石灰、石膏、粉煤灰）后，COD值不降反升，分别上升至80 mg/L、72 mg/L、144 mg/L，见图6。这说明加入定量无机改良剂后会有一部分改良剂原料浮于过滤清液中，影响清液的指标。
2.5 经改良后Fenton体系对泥饼断面形貌的影响
图7为抽滤泥饼的截面扫描电镜图，可以看出，原泥中由于EPS的存在，表现为孔隙结构分布不均，颗粒间黏合力较强。经过Fenton处理后，颗粒间黏结力降低，颗粒粒径减小，孔隙率增大，因此脱水性能提升。Fenton联用生石灰，与单独使用Fenton体系，滤饼断面形貌变化不大，这是因为生石灰等无机改良剂更多的是起到支撑骨架的作用，并不改变颗粒的水和双电层结构，不能有效改变颗粒的团聚结构。Fenton体系与CPAM联用，Fenton体系降解EPS，CPAM压缩颗粒双电层结构，疏浚底泥出现絮团结构，滤饼断面出现比Fenton单独处理更大的孔洞，致使底泥在抽滤脱水时渗透速率大大加快，有效提升了底泥的脱水性能。
3 结论
（1）Fenton体系可有效降低疏浚底泥比阻、提高淤泥的脱水性能，将Fenton与一些改良剂联用可以进一步减小底泥比阻，增强脱水性能。
（2）当Fenton体系与生石灰联用时，加入量为1%时，比阻减少率最大可达55.70%；当Fenton与CPAM联用时，比阻减少最大可达93.71%。Fenton与CPAM的联用效果要明显强于生石灰等无机改良剂。
（3）若Fenton与CPAM联用后继续与生石灰等无机改良剂联用，底泥比阻会升高，影响底泥脱水效果。[HJ1.67mm]
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更新时间：2025/3/15 14:00:59