芬頓法污泥脫水預處理技術研究進展

許天嘯　王　蕾

（蘇州市環境科學研究所江蘇蘇州215001）

芬頓法污泥脫水預處理技術研究進展

許天嘯王蕾

（蘇州市環境科學研究所江蘇蘇州215001）

簡述了我國污泥處理處置現狀和污泥減量化的重要性。污泥的常規處理方式包括濃縮、穩定、調理和脫水。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調理技術的機理和目前該技術的改進和發展狀況，并進行展望。

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、效率高等優點被大規模應用。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，每年產生的剩余污泥，折合成80%的含水率達到3500多萬噸［1］。剩余污泥的含水率高，體積大，其成分復雜，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，滋生細菌寄生蟲等，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展的瓶頸。研究合適的污泥處理處置技術不僅對污水處理環節的完善甚至對促進節能減排都至關重要。

1　污泥處理處置技術

通常污泥的處理階段包括濃縮、調理、脫水三個部分，污泥的處置方法有填埋、好氧堆肥、厭氧制沼氣及農用綠化等。在選擇合適的污泥處理處置工藝時，應當注意整個工藝的減量化、穩定化、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，導致后續的處理量也非常大，處置費用也會相應很高，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。減小污泥量對后續污泥處置的難度和費用都很有利。

1.2穩定化

污泥中含有大量的有機物，發生腐爛后會產生異味，并對周圍土壤、大氣、水源都產生污染，對后續污泥運輸、處置都產生影響。需要將污泥中易腐爛的有機物進行降解處理，增強污泥的穩定性。

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。需要對污泥進行經過除菌消毒處理，提高污泥的衛生指標。

1.4資源化

污泥含有較高熱值。可以進行厭氧制沼氣；污泥中含有大量氮磷鉀等促進植物生長的營養要素，可將其作用于農林綠化；污泥中的無機質還可用于建材方面。

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，污泥狀態仍然呈流動狀態。

2.2穩定

厭氧消化、好氧消化和好氧堆肥是目前我國應用最廣泛的污泥穩定化技術。其中污泥經過厭氧消化處理后會產生大量的沼氣，產生的沼氣可通過燃燒轉化為熱能或電能實現資源化。同時消化后的污泥，含有的灰分和一些有機物可以對土壤肥力和土壤結構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，無機化后提高污泥穩定性。

2.3調理

污泥調理的本質是在污泥脫水前先對其進行預先處理，這樣使得后續的脫水工藝處理效率更高。污泥的調理工藝主要包括化學、物理和生物方法，其中化學調理法操作簡單，投資成本低，是目前應用最廣泛的方法。

2.4脫水

污泥脫水主要包括干化法和機械法兩大類。干化脫水是通過熱能傳導對污泥中水分的作用，使其蒸發脫離的一種方法；機械脫水是利用機械設備對污泥進行脫水處理，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，顆粒與水結合力很強，如果沒有預先的處理，則絕大多數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DLVO的雙電子層理論，污泥膠體顆粒表面呈負極電位，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成的斯特恩層和松散的擴散層。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，絮體顆粒更容易團聚在一起發生絮凝沉淀。

3.2表面電荷

根據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生膠凝蓄水，增加污泥脫水的難度。表面電荷高低的指標為ζ電位，其值越高，污泥絮體越穩定，越難脫水。

3.3粒徑

污泥顆粒帶有負電荷，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定的分散系統，被稱之為污泥膠狀絮體。一定范圍內污泥顆粒的粒徑越小，其比表面積就越大，污泥內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濾布的空隙，導致脫水程度降低，因此污泥粒徑應當控制在一個合適的范圍內。一般情況，生物降解、絮凝劑調節、pH調節等這些調節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物與污泥本身有機物的總稱。活性污泥中含有大量胞外聚合物，占到污泥總質量的80%。EPS的主要成分為多糖、蛋白質、核酸及腐殖質。其中80%左右為蛋白質和多糖。

希金斯等研究發現EPS中帶負電性的官能團，污泥中的多糖和蛋白質還可以吸附大量的水分，這導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而降低，導致污泥脫水性能更差［5］。內亞斯等認為通過降低EPS中的多糖和蛋白質的含量會提高污泥脫水性能［6］。

4　 Fenton調理技術及其研究進展

4.1Fenton調理機理

H2O2經過Fe2+的催化分解生成羥基自由基（·OH）和氫氧根離子（OH-），并引發連鎖反應從而產生更多的其它自由基，這些自由基會更有機物分子發生反應，從而使有機質分子無機化。應用到污泥處理時，產生的羥基自由基會降解污泥中的有機質分子，破壞污泥的膠態結構；破壞污泥中的胞外聚合物，釋放出其包含的結合水，提高污泥的可脫水性；同時還達到脫色除臭的效果。

4.2Fenton污泥調理技術研究進展

4.2.1傳統Fenton法

李娟［7］等利用Fenton試劑對胞外聚合物的氧化破解作用，對剩余污泥進行了調理實驗并找到最佳反應條件為，pH=2.5，反應時間90 min，H2O2/Fe2+（質量比）=8∶1，溫度65℃～70℃。經過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試劑對有機物的降解效率，如當用紫外光照射Fenton試劑，處理有機廢水時，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考察了處理結果。結果表明，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與單獨Fenton氧化技術結合來調理破解污泥，并將其與單獨Fenton氧化效果進行了比較。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作用十分明顯，優于單獨Fenton氧化調理。

4.3Fenton試劑與骨架構建

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

5　展望

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

［1］李立欣，趙乾身，馬放，等.廢水處理中污泥減量技術現狀及發展趨勢［J］.水處理技術，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.

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［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.

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［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］.環境科學，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］.環境工程學報，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為例［J］.中國環境科學，2013，33（2）：293-297.［10］劉鵬，劉歡，姚洪，等.芬頓試劑及骨架構建體對污泥脫水性能的影響［J］.環境科學與技術，2013，36（10）：146-151.

許天嘯（1982—），男，工程師。