生物沥浸耦合Fenton技术对改善市政污泥脱水性能的研究

摘要：市政污泥含有大量水分，体积庞大，且容易对环境造成危害，给后续的处理和处置工作带来了严峻挑战。污泥脱水可以显著减少污泥的体积，从而减低污泥处理和处置的成本。高效的污泥调理技术，能够提升脱水性能，实现污泥的减量化。在众多污泥调理技术中，生物沥浸技术和Fenton技术在污泥提高污泥脱水性能方面有显著成效。为此，共设计了11组对比实验，实验内容为：对生物沥浸48h后的污泥再进行1h不同Fe2+和H2O2投加比例的Fenton处理，旨在探讨这两种技术联合应用的可行性。实验发现：若同时考虑污泥脱水性能的改善程度和实验成本，G组（Fe2+∶H2O2=25.00∶55.00）相较于其他组别效果显著，与原始污泥相比，SRF值降低了95.6%，CST值降低了68.08%。这一结果为市政污泥的有效处理提供了新的技术选择。

关键词：市政污泥脱水性能生物沥浸Fenton技术

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

随着城市化步伐的不断加快，市政污泥的产生量亦呈现出与人类生活用水量增长相伴随的上升趋势，其高含水率特性对环境和生态造成了严重危害。具体表现为：占用了大量的存储空间、容易引发土壤和水体等二次污染[1]。目前，虽然已有多种污泥脱水技术应用于实际生产中，但脱水后的污泥含水率仍然较高，普遍超过80%[2]。污泥调理技术能够有效提高污泥的脱水性能。而在众多污泥调理技术中，生物沥浸技术和Fenton技术以其独特的优势，展现出广阔的应用前景[3-5]。生物沥浸技术利用微生物的生物酸化作用，破坏污泥絮体细胞外的某些刚性物质，从而提高其脱水性能[3]。而芬顿技术则通过强氧化作用，破坏污泥中的有机物质，使其更易于脱水[6-7]。两种技术均须在强酸性环境中进行反应，同时生物沥浸过程中添加的营养物质为FeSO4[8]，这一物质可直接用于后续的芬顿反应[9-10]，这就为两种技术的耦合提供了坚实的理论基础。本文旨在探讨生物沥浸与芬顿技术联合应用的协同作用。

本研究的研究思路是对市政污泥先进行48h的生物沥浸处理，再进行1h的Fenton处理。其中，生物沥浸条件相同，均采用29℃、330r/min。研究表明：在此条件下生物沥浸效果良好[8]。之后，设计11组平行Fenton实验，每组Fe2+和H2O2投加比例各异。通过测定每组实验反应前后的污泥脱水性能指标，如污泥比阻（SludgeSpecificResistancetoFiltration，SRF）、毛细吸水时间（CapillarySuctionTime，CST）等，来探究最佳的耦合条件。

1材料和方法

1.1材料

供试污泥取自新疆维吾尔自治区南疆某污水处理厂二次沉淀池的剩余污泥。取得的污泥冷藏在4℃环境下，沉淀48h后，去除其上清液，所得污泥即为实验原始污泥，经实验测得，原始污泥的pH值为6.80，SRF值为6.80×108s2/g，CST值为94.3s。

1.2实验方案

本实验通过采用对照组实验的设计方法，对生物沥浸耦合类芬顿技术在改善市政污泥脱水性能方面进行了初步的探索和研究。具体实验方法如下。

1.2.1硫酸亚铁硫杆菌的扩培

硫酸亚铁硫杆菌（Acidithiobacillusferrooxidans，A.f）菌株是确保生物沥浸技术顺利进行的关键。为确保充足的浓度与数量，本实验对A.f菌株进行了3次扩培。扩培过程如下：在300mL的原始污泥中加入4g/L的Fe2+，随后将混合液置于恒温摇床中，设定温度为29℃、转速为180r/min。当体系内的pH值自然下降至2.5以下时，第一次扩培完成。将首次扩培后的混合液与原始污泥按照1∶2的比例混合，再次放入相同的恒温摇床中，当pH值再次自然降至2.5以下时，第二次扩培完成。第三次扩培与前两次扩培类似，将二次扩培后的混合液与原始污泥按1∶2的体积混合，继续培养，当pH值达到预定标准时，3次扩培完成。值得注意的是，第一次扩培通常需要5d的时间，而第二次和第三次扩培则仅需1d即可完成，这充分证明了A.f菌株的浓度在短时间内迅速达到了峰值，完全满足了后续生物沥浸实验的需求。

1.2.2污泥的生物沥浸处理

本研究的基石在于污泥的生物沥浸实验。实验选用了1L的烧杯作为反应器，将经过3次扩培后的污泥与原始污泥按1∶9的比例混合，并添加4g/L的Fe2+作为营养物质。为了维持稳959598096086fce4bd679acbf5418cae5c671883ab563e4eebfd9f1729c1d505定的反应条件，烧杯被放置在29℃、330r/min的磁力搅拌器上连续搅拌48h。经过48h的生物沥浸处理，污泥的CST值降低至37.9s，相较于原始污泥的CST值，减少了59.8%。这一结果充分展示了生物沥浸技术在改善污泥脱水性能方面具有巨大潜力。

1.2.3Fe2+与H2O2投加比例

生物沥浸污泥体系中类Fenton技术的Fe2+与H2O2投加比例的初步探索。本研究对生物沥浸污泥实施11组不同条件下的类Fenton处理1h，每组实验中的Fe2+与H2O2的投加比例各异，具体投加量如表1所示。此部分实验旨在确定生物沥浸技术与类Fenton技术的最佳结合条件。

1.3分析方法

本实验的核心测试指标涵盖了pH值、SRF值和CST值。具体而言，pH值作为A.f菌株扩培、生物沥浸和类Fenton技术的关键反应信号，对于实验结果的解读至关重要。而SRF值和CST值则直接反映了污泥的脱水性能，通常情况下，SRF值和CST值越小，污泥的脱水效果越佳[11]。以下是本次实验数据的具体分析方法。

1.3.1pH值

由STARTER2100精密pH计测定。

1.3.2SRF值

采用布氏漏斗法对污泥的脱水性能进行研究，所用到的仪器有6.5cm布氏漏斗、真空泵、真空表、定量滤纸、秒表等，取100mL污泥样品在-0.03MPa下进行抽滤，记录相关数据，根据公式（1）求出SRF值。

式（1）中：b为t/V与V关系曲线的斜率；P为过滤压力，单位为Pa；A为过滤面积，单位为cm2；C为滤过单位体积滤液在介质上所产生的阻力，单位为g/cm3；μ为滤液动力粘滞度，单位为N·s/m2。

1.3.3CST值

由304M型CST仪测定。将CST专用滤纸放至CST仪上，取2.5mL的污泥样品加入直径2cm多的电极槽内，污泥样品在CST专用滤纸范围（以电极槽为中心1～1.7cm）上的浸润时间即为CST值，单位为s。

2结果和讨论

2.1生物沥浸耦合Fenton过程中pH值的变化

在生物沥浸处理中，随着A.f微生物的生物氧化作用，导致体系pH成下降趋势。芬顿反应过程中，pH值下降的原因主要有两方面：一是H+的产生，二是有机物的矿化。如图2所示，经过生物沥浸和不同条件的Fenton处理后，原始污泥的pH值显著降低，由初始的6.80降低至2.38～2.88的范围内。各组之间的pH值差异并不大，这一现象可能归因于Fenton处理过程中的参与反应的Fe2+与H2O2的比例相近的原因，污泥体系中H+和有机物的矿化量相近。这一结果表明，这两种处理方法协同能够有效降低污泥体系的pH值，为后续处理步骤创造更有利的条件。

2.2生物沥浸耦合Fenton对污泥SRF值的影响

SRF是比较不同处理情况下污泥的过滤脱水性能的综合性指标。一般地，SRF值越小，污泥脱水性能越好。原始污泥的SRF值为6.80×108s2/g，对比原始污泥，11组不同实验条件下的污泥SRF均在生物沥浸和Fenton的作用下发生了不同程度的下降。如图3所示，11组实验中，B、G、H三组效果最为明显，分别降至0.29×108s2/g、0.30×108s2/g、0.29×108s2/g，与原始污泥相比，降低了95.7%、95.6%、95.7%。SRF值为30.1547×1011m/kg，明显好于其他体系，如A、C、E组分别降低了94.0%、93.7%、93.3%。由以上结果可知，B、G、H三组实验条件下Fe2+与H2O2的投加比例更加有利于污泥体系SRF值的降低。

2.3生物沥浸耦合Fenton对污泥CST值的影响

CST值与SRF相似，都是表征污泥脱水性能的重要指标之一。同样的，CST值越小，污泥脱水性能越好。原始污泥的CST值为94.3s，生物沥浸后降为37.9s，降低了59.8%，由此可以证明，生物沥浸技术能够明显提高污泥的脱水性能，当然这可能是因为A.f菌株的生物酸化作用对污泥絮体保外聚合物的破坏。此外，由图4可知：将不同条件的Fenton再次作用于生物沥浸污泥，能够更高程度地提高污泥的脱水性能。其中，以E、G、H3组效果最佳，CST值能够降低30.0、30.1、30.4，相较于生物沥浸后的污泥体系，降低了20.84%、20.58%、19.79%，明显好于A、B、C等组别等。结合上述可得单独沥浸技术能够明显提高污泥的脱水性能，但是如果之后能够再次进行Fenton技术处理能更大程度地提高污泥的脱水性能，其中E、G、H三组实验条件下Fe2+与H2O2的投加比例更加有利于污泥体系CST值的降低。

3结语

（1）生物沥浸耦合Fenton的处理方法能够有效降低污泥体系的pH值，由初始的6.80降低至2.38～2.88的范围内，为后续污泥脱水创造更有利的条件。

（2）对比原始污泥，11组不同实验条件下的污泥SRF值均在生物沥浸和Fenton的作用下发生了不同程度的下降。其中，B、G、H三组效果最为明显，此三组实验条件下Fe2+与H2O2的投加比例更加有利于污泥体系SRF值的降低。

（3）单独沥浸技术能够明显提高污泥的脱水性能，但如果之后能够再次进行Fenton技术处理能更大程度地提高污泥的脱水性能，其中，E、G、H三组实验条件下Fe2+与H2O2的投加比例更加有利于污泥体系CST值的降低。

（4）综合上述实验结果分析以及实验成本考量，建议采用G组实验条件，即投加比例为Fe2+∶H2O2=25.00∶55.00，用以进一步研究生物沥浸与Fenton反应的协同作用，以便为今后的市政污泥减量化提供更为坚实的理论基础。

参看文献

[1]周烨.生物沥浸技术让污泥变废为宝[J].中国科技产业，2023（11）：66-67.

[2]CAOBD，ZHANGT，ZHANGWJ，etal.Enhancedtechnologybasedforsewagesludgedeepdewatering：Acriticalreview[J].WaterResearch，2021，189（1）：116650.1-116650.19

[3]何志健，贝德光，许谦，等.污泥生物沥浸深度脱水工艺用于污水厂提标扩建[J].中国给水排水，2023，39（4）：112-117.

[4]张慕诗，林珍红.利用类Fenton氧化改进污水厂污泥生物沥浸工艺研究[J].天津化工，2021，35（4）：69-70.

[5]文彪.生物沥浸工艺在污泥深度处理中的应用研究[J].科技创新与应用，2021，11（26）：115-117.

[6]蔡子豪，赵媛媛，陈跃辉，等.新型给水厂残泥-芬顿污泥免烧陶粒曝气生物滤池处理生活污水的研究[J].湘潭大学学报（自然科学版），2023，45（1）：56-69.

[7]李卓然.改性污泥生物炭催化剂制备及垃圾渗滤液芬顿催化氧化深度处理研究[D].天津：天津大学，2022.

[8]刘洁，陆玉兰，伍荣军，等.生物沥浸法调理市政污泥研究进展[J].轻工科技，2020，36（9）：118-119.

[9]邢海双，冯凡，郭波，等.活性炭纤维阴极电芬顿氧化法改善污泥脱水性能[J].化工环保，2023，43（5）：668-675.

[10]伍远辉，罗宿星，谢胜吉，等.类芬顿试剂对污泥减量化处理研究[J].广州化工，2015（22）：39-41.

[11]LIYB，SONGJL，YAOQJ，etal.Effectsofdissolvedoxygenonthesludgedewaterabilityandextracellularpolymericsubstancesdistributionbybioleaching[J].Chemosphere，2021，281（10）：130906.1-130906.11