王文江++劉宏++吳燕

摘要：為探究臭氧和Fenton試劑氧化預(yù)處理對(duì)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(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行紅外干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明，臭氧預(yù)處理對(duì)疏浚底泥紅外干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)有促進(jìn)作用；隨著溫度的升高，臭氧預(yù)處理對(duì)水分蒸發(fā)的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)，最大干燥速率明顯增大，提高了約9%～36%，且恒速干燥階段時(shí)間較長(zhǎng)，是未預(yù)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(yù)處理對(duì)促進(jìn)干燥過(guò)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(yù)處理前后微觀(guān)形貌，發(fā)現(xiàn)不同氧化預(yù)處理后底泥顆粒分布均勻，有利于水分蒸發(fā)。

關(guān)鍵詞：疏浚底泥；氧化；干燥特性；微觀(guān)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)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(guó)內(nèi)疏浚市場(chǎng)保持平穩(wěn)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。目前，國(guó)內(nèi)疏浚底泥脫水工藝仍以堆場(chǎng)自然沉降為主。但是底泥的高有機(jī)質(zhì)含量、高胞外聚合物（EPS）含量、強(qiáng)保水性使得傳統(tǒng)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(diào)質(zhì)工藝[6]。

Fenton試劑因能完全將污染物轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好的水、二氧化碳和無(wú)機(jī)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(yīng)用于污泥處理[1013]。臭氧氧化技術(shù)近年來(lái)廣泛應(yīng)用于對(duì)印染廢水的色度和難降解有機(jī)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(yùn)用，可大大改善我國(guó)疏浚底泥減量化處理的現(xiàn)狀，因此有必須重視氧化處理技術(shù)在疏浚底泥減量化中的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)少有利用臭氧和Fenton氧化預(yù)處理后對(duì)疏浚底泥干燥的報(bào)道。氧化預(yù)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(wèn)題，進(jìn)而可以將干化底泥應(yīng)用于園藝、種植土、免燒骨料制備等[1920]，對(duì)底泥處理和資源化利用具有重要推動(dòng)作用。本試驗(yàn)以臭氧與Fenton試劑為氧化劑，分別對(duì)疏浚底泥進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)紅外干燥試驗(yàn)，探討臭氧與Fenton氧化預(yù)處理對(duì)干燥過(guò)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(shù)在疏浚底泥干燥方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

本試驗(yàn)所用疏浚底泥取自云南滇池，經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水后的含水率為44.56%，基本物性參數(shù)見(jiàn)表1。主要試劑包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過(guò)氧化氫（H2O2）、氯化亞鐵（FeCl2·4H2O），均為分析純。采用主要儀器有遠(yuǎn)紅外恒溫鼓風(fēng)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(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理

臭氧預(yù)處理：向含水率為70%底泥（由機(jī)械脫水后的底泥加湖水配制）樣品通過(guò)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(yīng)時(shí)間為2 h。

Fenton預(yù)處理：將底泥樣品放置于20±2 ℃的恒溫水浴振蕩器中，達(dá)到相應(yīng)溫度（20 ℃）后，先加入催化劑Fe2+溶液6.25 mg/g DS（干泥質(zhì)量），搖勻后加入氧化劑H2O2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）50 mg/g DS并搖勻，處理5 min。

1.2.2 干燥試驗(yàn)

分別將預(yù)處理后底泥在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃下，用遠(yuǎn)紅外恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)底泥樣品進(jìn)行干燥處理，測(cè)定不同干燥時(shí)間內(nèi)水分損失量。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

（1）在工程傳質(zhì)學(xué)中，物料衡算常以絕對(duì)干料為基準(zhǔn)的干基含水率來(lái)表示，表達(dá)式為：

（2）干燥速率。

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

1.4 粒度分布測(cè)定

分別取合適質(zhì)量的未處理底泥、臭氧氧化預(yù)處理底泥、Fenton氧化預(yù)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(cè)定其粒徑分布。

1.5 SEM測(cè)試

用電子掃描顯微鏡對(duì)風(fēng)干后的底泥進(jìn)行掃描測(cè)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(xiàn)橫裂，樣品需在電鏡掃描前風(fēng)干。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下臭氧預(yù)處理對(duì)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(yù)處理后，分別在不同設(shè)定干燥溫度下進(jìn)行紅外干燥試驗(yàn)，并與未預(yù)處理的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，分別繪制干基含水率和干燥速率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1和圖2。

由圖1可知，臭氧預(yù)處理對(duì)疏浚底泥紅外干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)有促進(jìn)作用。在不同干燥設(shè)定溫度下，與未經(jīng)過(guò)臭氧預(yù)處理的試驗(yàn)結(jié)果相比，臭氧預(yù)處理的疏浚底泥干基含水率下降速率更快，達(dá)到較低干基含水率（低于5%）的干燥時(shí)間更少。隨著溫度的升高，干基含水率出現(xiàn)明顯下降（與未經(jīng)過(guò)臭氧預(yù)處理的干基含水率變化曲線(xiàn)開(kāi)始發(fā)生分離）的時(shí)間越短，說(shuō)明臭氧預(yù)處理對(duì)水分蒸發(fā)的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)。由圖2不難發(fā)現(xiàn)，臭氧預(yù)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(dá)到最大干燥速率時(shí)間，減少了預(yù)升溫階段的能量損耗。此外，臭氧預(yù)處理后，最大干燥速率有增大的趨勢(shì)，提高了9%～36%；恒速干燥階段的干燥速率較大，是未預(yù)處理的12～17倍；降速干燥階段干燥時(shí)間縮短。部分原因是臭氧的強(qiáng)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(yù)處理疏浚底泥可以縮短加速預(yù)干燥階段和降速干燥階段的時(shí)間，提高最大干燥速率。

2.2 臭氧預(yù)處理疏浚底泥干燥特征曲線(xiàn)

圖3顯示了不同設(shè)定干燥溫度下，臭氧預(yù)處理疏浚底泥紅外干燥特征曲線(xiàn)?？梢钥闯?，臭氧預(yù)處理后，疏浚底泥干燥過(guò)程明顯的分為三個(gè)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(guò)程均保持在最大干燥速率的恒速干燥段，有利于實(shí)現(xiàn)水分的快速蒸發(fā)，減少干燥時(shí)間，節(jié)省干燥耗能。

2.3 氧化預(yù)處理對(duì)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(yù)處理后，分別在干燥設(shè)定溫度下進(jìn)行紅外干燥試驗(yàn)，并與未添加Fenton試劑預(yù)處理的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，得到干燥過(guò)程中底泥干基含水率和干燥速率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。分別對(duì)不同溫度下干基含水率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

由圖4和圖5可知，F(xiàn)enton試劑預(yù)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(dāng)溫度達(dá)到120 ℃及以上時(shí)， Fenton試劑預(yù)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(yù)處理對(duì)干燥前期有一定的促進(jìn)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(duì)Fenton試劑預(yù)處理前后干基含水率變化進(jìn)行方差分析，顯著性水平取0.05，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯鎏幚砬昂蟾苫实腜值均大于0.05，統(tǒng)計(jì)學(xué)差異并不顯著，促進(jìn)作用不明顯。

2.4 Fenton氧化預(yù)處理疏浚底泥干燥特征曲線(xiàn)

干基含水率變化和干燥特征曲線(xiàn)。從圖6可知，干基含水率越高，干燥過(guò)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(yīng)更完全，對(duì)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(guān)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(jī)質(zhì)、膠團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞，無(wú)機(jī)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(jìn)程。

2.5.2 電鏡分析

臭氧和Fenton試劑氧化預(yù)處理后的疏浚底泥和原泥的微觀(guān)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，處理后中的底泥顆粒尺寸分布較均勻，斷面凹凸不平，小部分呈片狀。對(duì)比處理前后污泥微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征可以認(rèn)為，氧化處理后有機(jī)質(zhì)部分氧化分解，底泥無(wú)機(jī)化程度和疏水性提高，有利于干燥速率加快；其結(jié)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(jié)論

面對(duì)疏浚底泥處理的急迫現(xiàn)狀，氧化預(yù)處理技術(shù)在底泥干燥方面的應(yīng)用，將是今后疏浚底泥減量化處理方面的一個(gè)熱點(diǎn)。本文通過(guò)臭氧和Fenton氧化預(yù)處理疏浚底泥的干燥試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

臭氧和Fenton試劑預(yù)處理疏浚底泥，均有助于干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)和提高干燥速率；隨著溫度的升高，臭氧預(yù)處理對(duì)水分蒸發(fā)的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)。在一定臭氧通入量下，臭氧預(yù)處理底泥可提高其在紅外干燥過(guò)程中的最大干燥速率和增大恒速干燥階段的持續(xù)時(shí)間，最大干燥速率可提高9%～36%，且恒速干燥階段持續(xù)時(shí)間是未預(yù)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(yàn)中，F(xiàn)enton氧化對(duì)提高干燥效果影響不明顯；但初始干基含水率的越高，F(xiàn)enton試劑氧化反應(yīng)越完全，最大干燥速率越大。微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析表明：氧化預(yù)處理有利于加速干燥進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)底泥減量化處理。

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