不同氧化預處理對疏浚底泥干燥特性的影響

王文江++劉宏++吳燕

摘要：為探究臭氧和Fenton試劑氧化預處理對疏浚底泥干燥特性的影響，分別在疏浚底泥中通入臭氧和添加Fenton試劑進行預處理，并進行紅外干燥試驗。結果表明，臭氧預處理對疏浚底泥紅外干燥過程中水分蒸發(fā)有促進作用；隨著溫度的升高，臭氧預處理對水分蒸發(fā)的促進作用逐漸增強，最大干燥速率明顯增大，提高了約9%～36%，且恒速干燥階段時間較長，是未預處理的1.2～1.7倍，干燥速率的快速上升和下降卻隨著溫度的升高而加快。Fenton氧化預處理對促進干燥過程中水分蒸發(fā)的作用效果并不明顯，卻可以明顯增大干燥速率，且干基含水率越高，最大干燥速率越大。比較底泥預處理前后微觀形貌，發(fā)現不同氧化預處理后底泥顆粒分布均勻，有利于水分蒸發(fā)。

關鍵詞：疏浚底泥；氧化；干燥特性；微觀結構

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A 文章編號：16721683（2016）05010605

Effect of different oxidation pretreatment on the drying characteristics of dredged sediment

WANG Wenjiang，LIU Hong，WU Yan

（School of Chemical Engineering and Materials，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

Abstract：This work investigated the influence of oxidation pretreatment on drying characteristics of dredged sediment，and the oxidants included ozone and Fenton′s reagent.The drying experiment was carried out using an infrared constant temperature drying oven.The results showed that pretreatment with ozone could obviously promote the infrared drying behavior of dredged sediment and its facilitation on water evaporation was gradually strengthened with the rise of temperature，and the maximum drying rate was improved significantly by over 9%～36%.Moreover，the constant drying phase was held for a relatively long time，which was 1.2～1.7 times that of without pretreatment.The rising and falling variation of the drying rate was obvious with the rise of temperature.Fenton′s reagent was applied to treat the sediment resulting in the increase of the drying rate，but it was not obviously useful to water evaporation.The maximum drying rate increased with the increase of dry basis moisture content.Electron microscope scanning results indicated that the sediment particles were distributed evenly after oxidation pretreatment，which was beneficial to evaporation.

Key words：dredged sediment；oxidation；drying characteristics；microstructure

“十二五”期間，長三角、珠三角、環(huán)渤海地區(qū)以及西南沿海地區(qū)的疏浚工程量各約5～10億m3，國內疏浚市場保持平穩(wěn)發(fā)展的趨勢[1]。目前，國內疏浚底泥脫水工藝仍以堆場自然沉降為主。但是底泥的高有機質含量、高胞外聚合物（EPS）含量、強保水性使得傳統脫水干化工藝的處理效果并不明顯[25]，需要在脫水工藝前加入調質工藝[6]。

Fenton試劑因能完全將污染物轉化為環(huán)境友好的水、二氧化碳和無機鹽等，因此在生活污水和特種廢水處理中得到深入研究[79]，并被應用于污泥處理[1013]。臭氧氧化技術近年來廣泛應用于對印染廢水的色度和難降解有機物的去除[14]。另外，有研究表明[1517]，臭氧氧化處理污泥的減量化效果明顯。盡管臭氧制備成本較高[18]，若其得到充分的運用，可大大改善我國疏浚底泥減量化處理的現狀，因此有必須重視氧化處理技術在疏浚底泥減量化中的應用。

目前，國內少有利用臭氧和Fenton氧化預處理后對疏浚底泥干燥的報道。氧化預處理可以提高底泥干化速率，減少干燥能耗，從而解決底泥大量堆存和排放的問題，進而可以將干化底泥應用于園藝、種植土、免燒骨料制備等[1920]，對底泥處理和資源化利用具有重要推動作用。本試驗以臭氧與Fenton試劑為氧化劑，分別對疏浚底泥進行預處理，通過紅外干燥試驗，探討臭氧與Fenton氧化預處理對干燥過程中干基含水率和干燥速率的影響，以期為臭氧和Fenton氧化技術在疏浚底泥干燥方面的應用提供基礎數據和依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

本試驗所用疏浚底泥取自云南滇池，經過機械脫水后的含水率為44.56%，基本物性參數見表1。主要試劑包括質量分數為30%的過氧化氫（H2O2）、氯化亞鐵（FeCl2·4H2O），均為分析純。采用主要儀器有遠紅外恒溫鼓風干燥箱（1011BY）、恒溫水浴振蕩器、激光粒度儀（MS2000）、掃描電子顯微鏡（JSM6380LV）。

1.2 試驗方法

1.2.1 預處理

臭氧預處理：向含水率為70%底泥（由機械脫水后的底泥加湖水配制）樣品通過臭氧發(fā)生器通入O3，并不斷攪拌，投加量為0.2 g O3/g SS（固體懸浮物濃度），反應時間為2 h。

Fenton預處理：將底泥樣品放置于20±2 ℃的恒溫水浴振蕩器中，達到相應溫度（20 ℃）后，先加入催化劑Fe2+溶液6.25 mg/g DS（干泥質量），搖勻后加入氧化劑H2O2（質量分數30%）50 mg/g DS并搖勻，處理5 min。

1.2.2 干燥試驗

分別將預處理后底泥在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃下，用遠紅外恒溫鼓風干燥箱對底泥樣品進行干燥處理，測定不同干燥時間內水分損失量。

1.3 試驗數據處理方法

（1）在工程傳質學中，物料衡算常以絕對干料為基準的干基含水率來表示，表達式為：

（2）干燥速率。

式中：Rn為某測量時刻的干燥速率（g/（g·min））；xn1為某測量時刻前一次泥的干基含水率（%）；xn為某測量時刻泥的干基含水率（%）；Δt為前后兩次測量的時間差（min）。

1.4 粒度分布測定

分別取合適質量的未處理底泥、臭氧氧化預處理底泥、Fenton氧化預處理底泥置于燒杯，加入50 mL的蒸餾水，攪拌均勻后，用激光粒度分析儀測定其粒徑分布。

1.5 SEM測試

用電子掃描顯微鏡對風干后的底泥進行掃描測定。選取斷面較為平整的部分固定在樣板上，樣品為防止電鏡掃面后出現橫裂，樣品需在電鏡掃描前風干。

2 結果與討論

2.1 不同溫度下臭氧預處理對底泥干燥特性的影響

向含水率為70%的疏浚底泥通入臭氧預處理后，分別在不同設定干燥溫度下進行紅外干燥試驗，并與未預處理的試驗結果進行了比較，分別繪制干基含水率和干燥速率隨時間的變化曲線，見圖1和圖2。

由圖1可知，臭氧預處理對疏浚底泥紅外干燥過程中水分蒸發(fā)有促進作用。在不同干燥設定溫度下，與未經過臭氧預處理的試驗結果相比，臭氧預處理的疏浚底泥干基含水率下降速率更快，達到較低干基含水率（低于5%）的干燥時間更少。隨著溫度的升高，干基含水率出現明顯下降（與未經過臭氧預處理的干基含水率變化曲線開始發(fā)生分離）的時間越短，說明臭氧預處理對水分蒸發(fā)的促進作用逐漸增強。由圖2不難發(fā)現，臭氧預處理后，疏浚底泥紅外干燥前、中期干燥速率加速上升，縮短了達到最大干燥速率時間，減少了預升溫階段的能量損耗。此外，臭氧預處理后，最大干燥速率有增大的趨勢，提高了9%～36%；恒速干燥階段的干燥速率較大，是未預處理的12～17倍；降速干燥階段干燥時間縮短。部分原因是臭氧的強氧化作用使得底泥中少量微生物發(fā)生分解，生成更多的水和CO2[16]。因此，臭氧預處理疏浚底泥可以縮短加速預干燥階段和降速干燥階段的時間，提高最大干燥速率。

2.2 臭氧預處理疏浚底泥干燥特征曲線

圖3顯示了不同設定干燥溫度下，臭氧預處理疏浚底泥紅外干燥特征曲線?？梢钥闯?，臭氧預處理后，疏浚底泥干燥過程明顯的分為三個階段：加

溫度下，溫度越高，一定干基含水率下干燥速率越高，最大干燥速率越大。干基含水率從200%降到30%的過程均保持在最大干燥速率的恒速干燥段，有利于實現水分的快速蒸發(fā)，減少干燥時間，節(jié)省干燥耗能。

2.3 氧化預處理對底泥干燥特性的影響

向含水率為70%的疏浚底泥添加Fenton試劑預處理后，分別在干燥設定溫度下進行紅外干燥試驗，并與未添加Fenton試劑預處理的試驗結果進行了比較，得到干燥過程中底泥干基含水率和干燥速率的變化，結果見圖4和圖5。分別對不同溫度下干基含水率進行單因素方差分析，結果見表2。

由圖4和圖5可知，Fenton試劑預處理后底泥在100 ℃下干燥加速段干燥速率小于未處理底泥干燥速率；當溫度達到120 ℃及以上時， Fenton試劑預處理后的干燥加速段干燥速率大于未處理底泥干燥速率。添加Fenton試劑預處理對干燥前期有一定的促進作用，但在干燥后期，干燥速率反而低于未處理底泥干燥速率。對Fenton試劑預處理前后干基含水率變化進行方差分析，顯著性水平取0.05，結果見表2?？梢钥闯鎏幚砬昂蟾苫实腜值均大于0.05，統計學差異并不顯著，促進作用不明顯。

2.4 Fenton氧化預處理疏浚底泥干燥特征曲線

干基含水率變化和干燥特征曲線。從圖6可知，干基含水率越高，干燥過程中干基含水率下降得越快。Fenton試劑在高含水率底泥中氧化反應更完全，對底泥中微生物的溶解更充分，更有利于自由水分的釋放。在圖7中，隨著干基含水率的增加，最大干燥速率明顯增大，且干基含水率越大，其增大程度越明顯。

2.5 微觀形貌

2.5.1 粒徑分析

從表3可以看出：氧化處理后底泥的平均粒徑和中值粒徑均明顯減小，比表面積增大，均勻性提高。這主要是由于氧化處理后，底泥的有機質、膠團結構被破壞，無機化程度和疏水性提高，絮體被破碎成小顆粒，比表面積增大，底泥間孔隙率增大，這都將有利于底泥中水分的脫除，加速干燥進程。

2.5.2 電鏡分析

臭氧和Fenton試劑氧化預處理后的疏浚底泥和原泥的微觀結構見圖8?？梢钥闯觯幚砗笾械牡啄囝w粒尺寸分布較均勻，斷面凹凸不平，小部分呈片狀。對比處理前后污泥微觀結構特征可以認為，氧化處理后有機質部分氧化分解，底泥無機化程度和疏水性提高，有利于干燥速率加快；其結合水釋放，這樣就形成更多的孔隙，更有利于水分蒸發(fā)。

3 結論

面對疏浚底泥處理的急迫現狀，氧化預處理技術在底泥干燥方面的應用，將是今后疏浚底泥減量化處理方面的一個熱點。本文通過臭氧和Fenton氧化預處理疏浚底泥的干燥試驗，得到以下結論：

臭氧和Fenton試劑預處理疏浚底泥，均有助于干燥過程中水分蒸發(fā)和提高干燥速率；隨著溫度的升高，臭氧預處理對水分蒸發(fā)的促進作用逐漸增強。在一定臭氧通入量下，臭氧預處理底泥可提高其在紅外干燥過程中的最大干燥速率和增大恒速干燥階段的持續(xù)時間，最大干燥速率可提高9%～36%，且恒速干燥階段持續(xù)時間是未預處理的1.2～1.7倍，有利于水分快速蒸發(fā)和節(jié)約成本。試驗中，Fenton氧化對提高干燥效果影響不明顯；但初始干基含水率的越高，Fenton試劑氧化反應越完全，最大干燥速率越大。微觀結構分析表明：氧化預處理有利于加速干燥進程，實現底泥減量化處理。

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