芬頓法污泥脫水預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

許天嘯　王　蕾

（蘇州市環(huán)境科學(xué)研究所江蘇蘇州215001）

芬頓法污泥脫水預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

許天嘯王蕾

（蘇州市環(huán)境科學(xué)研究所江蘇蘇州215001）

簡述了我國污泥處理處置現(xiàn)狀和污泥減量化的重要性。污泥的常規(guī)處理方式包括濃縮、穩(wěn)定、調(diào)理和脫水。影響污泥脫水性能的四個因素：陽離子、EPS、表面電荷和粒徑。圍繞胞外聚合物（EPS）的去除簡述了Fenton調(diào)理技術(shù)的機(jī)理和目前該技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展?fàn)顩r，并進(jìn)行展望。

污泥減量化；EPS；Fenton

在眾多的污水處理工藝中，活性污泥法憑借耗能低、效率高等優(yōu)點被大規(guī)模應(yīng)用。但是該工藝的缺點是活性污泥在處理完污水后，其剩余污泥流向和處理比較麻煩。目前，我國有將近4000座生活污水處理廠正在運行，每年產(chǎn)生的剩余污泥，折合成80%的含水率達(dá)到3500多萬噸［1］。剩余污泥的含水率高，體積大，其成分復(fù)雜，其中不乏有毒、有害、難降解的污染物，并且污泥容易腐爛變質(zhì)，滋生細(xì)菌寄生蟲等，還含有重金屬，這些都使得污泥的處理處置極其關(guān)鍵。處理剩余污泥的費用約占污水處理廠整個污水處理費用的25%～65%［2］，已成為遏制污水處理工藝發(fā)展的瓶頸。研究合適的污泥處理處置技術(shù)不僅對污水處理環(huán)節(jié)的完善甚至對促進(jìn)節(jié)能減排都至關(guān)重要。

1　污泥處理處置技術(shù)

通常污泥的處理階段包括濃縮、調(diào)理、脫水三個部分，污泥的處置方法有填埋、好氧堆肥、厭氧制沼氣及農(nóng)用綠化等。在選擇合適的污泥處理處置工藝時，應(yīng)當(dāng)注意整個工藝的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。

1.1減量化

由于污泥的含水率很高，體積很大，導(dǎo)致后續(xù)的處理量也非常大，處置費用也會相應(yīng)很高，同時含水率高的污泥具有流動性，這也增加你污泥處置的難度。減小污泥量對后續(xù)污泥處置的難度和費用都很有利。

1.2穩(wěn)定化

污泥中含有大量的有機(jī)物，發(fā)生腐爛后會產(chǎn)生異味，并對周圍土壤、大氣、水源都產(chǎn)生污染，對后續(xù)污泥運輸、處置都產(chǎn)生影響。需要將污泥中易腐爛的有機(jī)物進(jìn)行降解處理，增強(qiáng)污泥的穩(wěn)定性。

1.3無害化

污泥中含有大量病原菌、寄生蟲卵及病毒，這些都會傳播疾病，威脅到人類健康。需要對污泥進(jìn)行經(jīng)過除菌消毒處理，提高污泥的衛(wèi)生指標(biāo)。

1.4資源化

污泥含有較高熱值?？梢赃M(jìn)行厭氧制沼氣；污泥中含有大量氮磷鉀等促進(jìn)植物生長的營養(yǎng)要素，可將其作用于農(nóng)林綠化；污泥中的無機(jī)質(zhì)還可用于建材方面。

2　污泥處理

2.1濃縮

污泥濃縮主要是通過外力去除污泥中的自由水，從而降低其含水率。根據(jù)外力方式的不同，主要分為重力濃縮、氣浮濃縮和離心濃縮。濃縮處理屬于污泥的初步脫水過程，脫水程度很低，含水率可由99%降至95%～97%左右，污泥狀態(tài)仍然呈流動狀態(tài)。

2.2穩(wěn)定

厭氧消化、好氧消化和好氧堆肥是目前我國應(yīng)用最廣泛的污泥穩(wěn)定化技術(shù)。其中污泥經(jīng)過厭氧消化處理后會產(chǎn)生大量的沼氣，產(chǎn)生的沼氣可通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能或電能實現(xiàn)資源化。同時消化后的污泥，含有的灰分和一些有機(jī)物可以對土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)的提高起到一定作用。污泥好氧消化和好氧堆肥實際是活性污泥法的延伸，通過補充氧氣使得活性污泥中的微生物自身氧化分解，無機(jī)化后提高污泥穩(wěn)定性。

2.3調(diào)理

污泥調(diào)理的本質(zhì)是在污泥脫水前先對其進(jìn)行預(yù)先處理，這樣使得后續(xù)的脫水工藝處理效率更高。污泥的調(diào)理工藝主要包括化學(xué)、物理和生物方法，其中化學(xué)調(diào)理法操作簡單，投資成本低，是目前應(yīng)用最廣泛的方法。

2.4脫水

污泥脫水主要包括干化法和機(jī)械法兩大類。干化脫水是通過熱能傳導(dǎo)對污泥中水分的作用，使其蒸發(fā)脫離的一種方法；機(jī)械脫水是利用機(jī)械設(shè)備對污泥進(jìn)行脫水處理，按脫水原理不同又可分為三類：真空脫水、壓濾脫水和離心脫水。

3　影響污泥脫水性能的因素

污泥膠體顆粒具有高親水性，顆粒與水結(jié)合力很強(qiáng)，如果沒有預(yù)先的處理，則絕大多數(shù)污泥的脫水是非常困難的。影響污泥脫水性能的因素主要包括：陽離子、胞外聚合物（EPS）、表面電荷和粒徑。

3.1陽離子

根據(jù)DLVO的雙電子層理論，污泥膠體顆粒表面呈負(fù)極電位，顆粒外層包含兩個電子層。由里向外分別為致密的由反離子層構(gòu)成的斯特恩層和松散的擴(kuò)散層。反離子濃度隨著與顆粒中心距離的增加而降低，直到與溶液中離子濃度相等。污泥雙電子層的存在使得污泥顆粒與顆粒之間存在排斥力，排斥力維持著顆粒與顆粒之間的動態(tài)平衡。溶液中陽離子的增多會抵消掉一部分污泥顆粒表面的負(fù)極電位，使得雙電子層得到壓縮，顆粒與顆粒之間排斥力減小，絮體顆粒更容易團(tuán)聚在一起發(fā)生絮凝沉淀。

3.2表面電荷

根據(jù)DLVO雙電子層理論，污泥膠體顆粒表面電荷越大，顆粒與顆粒之間的排斥力越大，污泥絮體就越加松散，沉降性能就會降低。同時污泥顆粒表面電荷的存在會增加污泥的壓縮性，也會使得膠體容易發(fā)生膠凝蓄水，增加污泥脫水的難度。表面電荷高低的指標(biāo)為ζ電位，其值越高，污泥絮體越穩(wěn)定，越難脫水。

3.3粒徑

污泥顆粒帶有負(fù)電荷，顆粒與顆粒之間由于相互排斥力的存在而形成了一種相對穩(wěn)定的分散系統(tǒng)，被稱之為污泥膠狀絮體。一定范圍內(nèi)污泥顆粒的粒徑越小，其比表面積就越大，污泥內(nèi)的水合程度和過濾阻力就越大，即污泥比阻越大，污泥脫水性能越差。但污泥粒徑如果太大也會堵塞板框壓濾機(jī)濾布的空隙，導(dǎo)致脫水程度降低，因此污泥粒徑應(yīng)當(dāng)控制在一個合適的范圍內(nèi)。一般情況，生物降解、絮凝劑調(diào)節(jié)、pH調(diào)節(jié)等這些調(diào)節(jié)方式都是通過改變污泥粒徑分布來改變污泥脫水性能的［3］。

3.4胞外聚合物

胞外聚合物（EPS）是污泥中的微生物生成代謝的產(chǎn)物與污泥本身有機(jī)物的總稱。活性污泥中含有大量胞外聚合物，占到污泥總質(zhì)量的80%。EPS的主要成分為多糖、蛋白質(zhì)、核酸及腐殖質(zhì)。其中80%左右為蛋白質(zhì)和多糖。

希金斯等研究發(fā)現(xiàn)EPS中帶負(fù)電性的官能團(tuán)，污泥中的多糖和蛋白質(zhì)還可以吸附大量的水分，這導(dǎo)致污泥的脫水性能變差［4］。除此之外，污泥的消化程度會隨著EPS與污泥中的陽離子反應(yīng)而降低，導(dǎo)致污泥脫水性能更差［5］。內(nèi)亞斯等認(rèn)為通過降低EPS中的多糖和蛋白質(zhì)的含量會提高污泥脫水性能［6］。

4　 Fenton調(diào)理技術(shù)及其研究進(jìn)展

4.1Fenton調(diào)理機(jī)理

H2O2經(jīng)過Fe2+的催化分解生成羥基自由基（·OH）和氫氧根離子（OH-），并引發(fā)連鎖反應(yīng)從而產(chǎn)生更多的其它自由基，這些自由基會更有機(jī)物分子發(fā)生反應(yīng)，從而使有機(jī)質(zhì)分子無機(jī)化。應(yīng)用到污泥處理時，產(chǎn)生的羥基自由基會降解污泥中的有機(jī)質(zhì)分子，破壞污泥的膠態(tài)結(jié)構(gòu)；破壞污泥中的胞外聚合物，釋放出其包含的結(jié)合水，提高污泥的可脫水性；同時還達(dá)到脫色除臭的效果。

4.2Fenton污泥調(diào)理技術(shù)研究進(jìn)展

4.2.1傳統(tǒng)Fenton法

李娟［7］等利用Fenton試劑對胞外聚合物的氧化破解作用，對剩余污泥進(jìn)行了調(diào)理實驗并找到最佳反應(yīng)條件為，pH=2.5，反應(yīng)時間90 min，H2O2/Fe2+（質(zhì)量比）=8∶1，溫度65℃～70℃。經(jīng)過Fenton的氧化作用，污泥中的胞外聚合物得到了大幅度降低，污泥的無機(jī)化程度提高；污泥顆粒平均粒徑和中值粒徑分別減小了83.64%和82.69%。提高了污泥的脫水性能。

4.2.2光Fenton法

紫外光或可見光可以提高Fenton試劑對有機(jī)物的降解效率，如當(dāng)用紫外光照射Fenton試劑，處理有機(jī)廢水時，COD去除率可提高10%以上。

周煜等［8］利用紫外光-Fenton氧化處理城市剩余污泥，以污泥比阻和濾餅含水率為指標(biāo)考察了處理結(jié)果。結(jié)果表明，光-Fenton氧化對污泥EPS的破解效果和污泥脫水性能的改善效果均明顯要比單獨Fenton反應(yīng)和單獨紫外光照射處理好。

4.2.3超聲波耦合Fenton法

宮常修［9］等提出將超聲波技術(shù)與單獨Fenton氧化技術(shù)結(jié)合來調(diào)理破解污泥，并將其與單獨Fenton氧化效果進(jìn)行了比較。通過污泥比表面積的變大和粒徑減小幅度的增加，表明超聲波耦合對于污泥破解促進(jìn)作用十分明顯，優(yōu)于單獨Fenton氧化調(diào)理。

4.3Fenton試劑與骨架構(gòu)建

劉鵬等［10］采用Fenton試劑及骨架構(gòu)建體復(fù)合調(diào)理污泥。骨架構(gòu)建體分別由水泥、石灰、粉煤灰、菱鎂礦、磷石膏兩兩配對，復(fù)合而成。以污泥比阻、毛細(xì)吸水時間、沉降性能以及含水率為評價指標(biāo)。結(jié)果表明，F(xiàn)enton試劑與骨架構(gòu)建體的復(fù)合調(diào)理劑改善效果明顯，實現(xiàn)了污泥的深度脫水。同時對污泥后續(xù)的填埋和建材化處置有利。

5　展望

Fenton法調(diào)理污泥具有氧化效率高，無污染，干基增重小等優(yōu)點，對污泥的后續(xù)處理很有利。但目前Fenton法用于污泥脫水前調(diào)理的研究還比較少，傳統(tǒng)Fenton法直接用于污泥調(diào)理，成本比較高，氧化效率比較低，同時調(diào)理條件的苛刻也會制約其工程實際應(yīng)用。如何提高反應(yīng)效率，降低調(diào)理條件要求和操作難度是Fenton法調(diào)理污泥工藝的改進(jìn)方向。

［1］李立欣，趙乾身，馬放，等.廢水處理中污泥減量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.水處理技術(shù)，2015，41（1）：1-4.

［2］Liu Yu，Tav J H.Strategy for minimization of excess sludge production from the activated sludge process［J］.Biotechnol Adv，2001，19（2）：97-107.

［3］KarrP.R，Keinah T.M.Influence of particle size on sludge dewaterability.Water Pollution Control Federation.1978，50（8）：1911-1930.

［4］Higgins M J，NovarJT.The effect of cation son the setting and dewatering of activated sludge.Water Environment Research，1997，69（2）：225-232.

［5］Cigdem Eakicioglu，Kevin JK，Ronald L D.Characterization of soluble organic matter of waste activated sludge before and after thermal pretreatment.Water Research，2006，40：3725-3736.

［6］Neyens E，Baeyens J，Dewil R.et al.Advance sludge treatment affects extracellular polymeric substances to improve activated sludge dewatering.Journal of Hazardous Materials，2004，106（2-3）：83-92.

［7］李娟，張盼月，曾光明，等.Fenton氧化破解剩余污泥中的胞外聚合物［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30（2）：475-479.

［8］周煜，張愛菊，張盼月，等.光－Fenton氧化破解剩余污泥和改善污泥脫水性能［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2011，5（11）：2600-2604.

［9］宮常修，蔣建國，楊世輝.超聲波耦合Fenton氧化對污泥破解效果的研究－以粒徑和溶解性物質(zhì)為例［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2013，33（2）：293-297.［10］劉鵬，劉歡，姚洪，等.芬頓試劑及骨架構(gòu)建體對污泥脫水性能的影響［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（10）：146-151.

許天嘯（1982—），男，工程師。