微波联合Fenton试剂对污泥脱水性能的影响研究

陈小英， 尤晓燕， 邱凌峰

(福州大学环境与资源学院， 福建 福州　350116)



微波联合Fenton试剂对污泥脱水性能的影响研究

陈小英， 尤晓燕， 邱凌峰

(福州大学环境与资源学院， 福建 福州350116)

将微波辐射应用于污泥脱水， 研究污泥在不同微波辐射强度和辐射时间后污泥比阻、 泥饼含水率和溶解性化学需氧量的变化， 探讨微波辐射对污泥结构破坏的相关机理. 结果表明， 微波辐射可明显改善污泥脱水性能， 微波辐射能越高， 最佳微波辐射时间越短， 低强度短时间的微波辐射难以改变污泥性质. 微波联合Fenton试剂能提高污泥脱水性能， 先微波后投加Fenton试剂比先投加Fenton试剂后微波效果更好.

污泥; 脱水;Fenton试剂; 微波辐射

0　引言

随着环境保护意识的加强， 城市污水处理受到越来越广泛关注， 而随之增加的剩余污泥及其造成的环境污染也不容忽视[1-2]， 如何高效脱水已成为污泥处理处置的关键. 微波辐射污泥时， 由于交变电场的作用， 污泥内部的极化偶离子会在微波电场中发生激烈的振动， 引起摩擦， 使吸收的微波能迅速转化成热能， 从而改变污泥的理化性质[3]. 鉴于微波加热速度快、 热效高、 热量立体传递、 设备体积小等[4]优点， 微波破解污泥成为一种具有广阔应用前景的污泥脱水预处理方式. 田禹等[5]研究污泥结构被破坏的程度是影响污泥脱水性能好坏的重要因素； 杨国友等[6]得出生石灰与微波协同作用可以强化污泥脱水， 比单独投加生石灰提高了约3.8%；FangLin等[7]分析表面胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances，EPS)中DNA浓度能较好地指示微波辐射下污泥细胞壁开始破裂的时刻， 并且EPS中蛋白质的浓度与污泥脱水性能并无直接关系. 然而， 单独的微波破解污泥的高能耗、 低效益制约着该技术的快速发展. 本试验先研究微波辐射预处理对污泥过滤脱水性能的改善效果， 并从溶解性化学需氧量(solutechemicaloxygendemand,SCOD)浓度的变化分析微波脱水机理， 再加入价格低廉的Fenton试剂联合处理， 分析污泥脱水性能的变化规律， 确定改善污泥脱水性能的最佳加药条件.

1　材料与方法

1.1污泥的来源与特性

实验污泥来自福州市闽侯大学城污水处理厂浓缩池， 取回的污泥样品， 如未及时进行实验， 则置于4 ℃恒温冷藏柜中保存， 以防变质. 测得浓缩污泥泥饼含水率为78.2%左右， 污泥比阻为0.346×109s2·g-1， 上清液中SCOD为65mg·L-1.

1.2实验方法

1) 微波辐射实验. 实验装置是利用改造后的家用微波炉里放置一个5L的锥形瓶. 取1 000mL污泥置于5L锥形瓶中， 采用400、 600和800W微波辐射功率， 分别破解10、 30、 60、 120、 240、 480s后， 考察污泥脱水性能及其相关性能的变化情况.

2) 微波联合Fenton试剂实验. 实验中Fenton试剂加药条件为:H2O2(DS)和Fe2+(DS)投加量分别为24mg·g-1(干泥)和1.5mg·g-1(干泥)[8]， 并且不调节pH值， 取200mL污泥样品， 加入0.37gH2O2和0.023g硫酸亚铁， 快搅(400r·min-1)3min， 慢搅(60r·min-1)7min后， 静置20min， 以保证氧化充分. 微波强度为600W·L-1， 微波时间为120s的微波处理联合Fenton试剂对污泥脱水作用确定两者的联用顺序.

3) 实验仪器与药品. 实验仪器有SHZ-O(Ⅲ)循环水式真空泵、 格兰仕WD900CSL23-2Ⅱ型微波加热器和TDZ5-WS台式低速离心机. 实验用水为去离子水， 实验药品均为分析纯.

4) 主要指标分析方法. 污泥比阻采用布式漏斗法测定， 将微波辐射后的污泥倒入布氏漏斗中， 打开真空泵， 在0.05MPa真空度下进行定压抽滤， 直至滤饼龟裂真空度破坏时结束， 记录抽滤时间和滤液体积， 计算污泥比阻. 泥饼含水率使用恒重法测定， 将经过循环水式真空泵脱水后的污泥泥饼若干称重， 再将其放入105 ℃烘箱中烘干至恒重称重， 测泥饼含水率. 对破解后污泥进行离心， 然后取上清液测定SCOD.

2　结果与讨论

2.1微波预处理对污泥脱水性能的影响

1) 微波对污泥比阻和含水率的影响. 经不同微波处理后污泥的脱水指标变化结果如图1～2所示， 随着时间的增加，SRF呈先降低到一定值再升高的趋势， 不同微波功率辐射后的污泥脱水性能相对于原污泥都有不同程度的提高， 并且不同功率辐射条件下适宜的辐射时间也不同， 辐射能量越强， 污泥脱水性能改善所需时间越短. 在400、 600、 800W微波强度的最佳辐射时间分别为240、 120、 60s， 污泥比阻各自降低到0.190×109、 0.181×109、 0.145×109s2·g-1， 比原污泥比阻值分别降低了45.0%、 47.7%、 58.1%. 由此可见， 适宜的微波辐射明显改善了污泥的脱水性能， 在微波场作用下， 带负电的污泥颗粒以及偶极子的水分子运动加速， 相互碰撞的频率增加， 从而破坏污泥颗粒的絮体稳定性， 致使污泥胶体系统脱稳[9]， 脱稳颗粒相互凝聚为较大粒径的絮体， 且污泥中水的分布状态发生变化， 提高污泥的沉降性能和脱水性能[10]. 800W微波辐射60s时， 同真空度下的污泥过滤速度最快、 抽滤时间最短、SRF为最低值的现象表明， 在微波辐射引起污泥细胞结构破坏的初始阶段污泥脱水性能最佳[11]， 800W微波辐射120s后SRF值大幅度升高主要在于污泥中微生物细胞壁完全破裂后， 胞内物质大量溢出导致比阻增加、 脱水性能变差.

综合图1和图2可知， 污泥经400、 600、 800W微波强度辐射了各自最适宜的时间后， 污泥的泥饼含水率由原污泥的78.2%降低到68.5%、 67.5%和63.8%. 适宜的微波辐射可显著改善污泥的脱水性能， 降低泥饼含水率， 但是高强度和长时间的微波辐射反而使污泥比阻增大， 水分脱除难度提升， 过滤脱水性能降低. 如辐射功率为800W时， 辐射时间在120s后，SRF由0.145×109s2·g-1增加到0.195×109s2·g-1， 脱水性能恶化， 相应的泥饼含水率也由63.8%骤然升高到68.8%. 而利用400和600W·L-1微波辐射能处理污泥时， 在短时间内污泥的脱水性能改善不太明显， 说明低强度和短时间的微波辐射难以改变污泥的Zeta电位和破坏污泥表面双电层结构， 从而不能使污泥颗粒脱稳、 絮凝， 不足以从根本上改善污泥的性质. 这可能是因为污泥吸收功率和吸收比率与微波输出功率呈线性正相关[6]， 微波输出功率高， 污泥吸收功率也随之升高， 因此微波辐射使污泥及其水分子不断转动， 破坏污泥原本的稳定结构， 最大幅度减少污泥中超胶体颗粒的数量， 从而使污泥絮体进一步凝聚， 出现污泥颗粒粗大化现象， 提升了污泥的脱水性能， 降低泥饼含水率.

2) 微波对SCOD的影响. 活性污泥中生物絮体构成了悬浮固体的主要成分， 可通过测定污泥上清液的SCOD值的变化来衡量污泥的破解程度. 微波辐射可以有效破坏污泥的细胞壁及絮体空间结构， 同时将长链有机大分子破解成短链有机小分子， 使其由难溶转变为可溶， 从而使SCOD值增加. 不同微波辐射能以及辐射时间的不同对SCOD的影响见图3. 从图3可以得出： 随着微波辐射能的增加， 污泥中SCOD含量逐渐增加， 在800W微波强度下破解10、 60、 240s的SCOD含量分别为300、 436、 506mg·L-1， 这是因为微波对污泥的长时间辐射后， 细胞破碎程度大幅度提高， 胞内物质逐渐流出， 导致SCOD含量的增加. 通过提高微波辐射功率和辐射时间， 可促进污泥的破解， 使污泥中大部分松散附着的和紧密附着的胞外聚合物溶解到上清液中， 从而释放了污泥成分中的结合水， 降低污泥颗粒间的粘滞力， 有利于污泥颗粒的絮凝. 并且随着微波辐射持续进行， 污泥吸收的微波辐射能越高， 微波破解效率会逐渐升高， 污泥上清液的SCOD含量也逐渐上升.

2.2微波联合Fenton对污泥脱水性能的影响

LiuHuan等[12]研究表明，Fenton试剂具有的强氧化性能有效破解污泥， 有效提高污泥的絮凝性， 从而对污泥脱水性能有一定的提高， 按实验方法中的2), 微波联合Fenton对污泥脱水性能的影响见图4. 由图4得出： 先微波破解再投加Fenton试剂后的SRF为0.12×109s2·g-1， 然而先投加Fenton试剂后微波破解的SRF为0.159×109s2·g-1， 与单独使用微波破解的0.181×109s2·g-1分别降低了0.061×109s2·g-1、 0.022×109s2·g-1， 这表明先微波破解更有利于降低污泥比阻值， 并且600W·L-1的辐射能、 120s的破解时间再联合Fenton试剂对污泥的脱水性能改善效果优于800W·L-1和60s的单独微波处理后的污泥脱水性能. 表明经过微波破解的物理振动作用和Fenton试剂的化学絮凝作用的相互联合作用极大地提高了污泥的脱水性能.

Houghton等[13]认为EPS的存在导致了剩余污泥的难脱水性能. 微波辐射破坏了EPS结构， 使污泥颗粒脱稳， 脱水性能改善， 然而长时间的微波辐射使污泥微生物细胞壁开始受到胞内水分子的机械性撞击而破裂， 在细胞壁完全破坏后的一段时间内， 胞内物质在污泥颗粒表面产生水化作用， 污泥黏度增加， 脱水性能开始恶化. 在细胞壁完全破裂后投加Fenton试剂， 一方面， 由于Fenton试剂对破解后的污泥进行调理时， 羟基自由基具有强氧化性， 对这些释放出的内含物进行氧化降解的同时发生了污泥絮体EPS的部分氧化和重组[14]， 从而减少漂浮物， 提高了污泥脱水性能； 另一方面，Fe2+能够在带负电荷的未破解的细胞表面架桥， 产生了絮凝作用， 出现污泥颗粒粗大化现象， 促进污泥脱水性能的改善.Karr等[14]认为超胶体(1～100μm)颗粒数量是影响污泥过滤性能的主要因素之一， 超胶体颗粒所占的比例越少， 脱水效果越好. 微波-Fenton试剂联合处理可减少污泥中超胶体颗粒的数量， 进而提高污泥的脱水性. 因此先微波后投加Fenton试剂对改善污泥脱水性能更有利.

3　结论

高强度微波辐射在短时间内能迅速破坏污泥的稳定结构， 显著改善脱水性能. 400、 600和800W·L-1微波辐射改善污泥脱水性能最适宜的时间分别为240、 120和60s， 污泥的SRF比原污泥分别降低了45%、 47.7%、 58.1%， 污泥的泥饼含水率分别降低了12.4%、 13.7%、 18.5%， 实现了快速提高污泥的脱水性能. 高微波辐射能(800W·L-1)对改善污泥的脱水性能有显著作用， 但当辐射时间超过60s时， 污泥的脱水性能则迅速恶化. 微波-Fenton联合处理比单独微波破解和单独投加Fenton试剂更能提高污泥脱水性能. 对微波-Fenton联合的加药次序进行了研究, 结果表明， 先微波后投加Fenton试剂比先投加Fenton试剂后微波更有利于污泥脱水. 因此在微波辐射后添加Fenton试剂进行物化结合作用来提高污泥脱水性能， 该方法比加强微波辐射能和增加微波辐射时间, 能更好地提高污泥脱水性能， 从而实现低耗电、 高节能的污泥脱水目的.

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(责任编辑： 蒋培玉)

ImprovementonsewagesludgedewateringbymicrowaveradiationcoalitionwithFenton’sreagent

CHENXiaoying,YOUXiaoyan,QIULingfeng

(CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

Microwaveradiationwasstudiedinimprovementonsewagesludgedewateringforthedifferentmicrowaveradiationintensityandradiationtimeaftermicrowaveradiation.TheeffectoftheprehydrolysiswasinvestigatedbySRF,mudcakecontentandSCOD,discussingtherelatedmechanismofthemicrowaveradiationdamagetothesludgestructure.Theresultshowedthatmicrowaveradiationcanobviouslyimprovetheperformanceofsludgedewatering,andthehigherthemicrowaveradiationenergy,theshortertheoptimalmicrowaveradiationtime.Lowintensityinashortperiodoftimeofmicrowaveradiationisnotenoughtofundamentallyimprovethepropertiesofthesludge.MicrowavecombinedFentonreagentforsludgedewateringstudyprovethatthesludgewasfirstlypretreatedbymicrowaveandthenusingFentonreagentbetterthanusingFentonreagentfirst．

sludge；dewatering;Fentonreagent;microwaveradiation

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0134

1000-2243(2016)01-0134-04

2015-01-26

邱凌峰(1971-)， 副教授， 主要从事水污染控制和微生物方面的研究，fzuniqlf@sina.com

福建省自然科学基金资助项目(2014J01181)

TU992.3

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