夏鯤鵬， 徐得潛， 陳慧， 吳立人， 李云龍

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 合肥 230009； 2.金科股份華東區(qū)域皖北城市公司， 安徽 阜陽(yáng)236000； 3.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 合肥 230011）

河道疏浚泥漿具有含水率高、 強(qiáng)度低、 孔隙比大、 顆粒細(xì)小、 污染物含量大等特點(diǎn)［1-3］， 且其沉降性能差， 難以在自然條件下實(shí)現(xiàn)泥水分離［4-6］。 受污染泥漿中胞外聚合物（EPS）具有很強(qiáng)的保持水分的能力， 能改變泥漿表面電荷、 疏水性、 顆粒粒徑大小等性質(zhì)， 從而影響泥漿的絮凝性能、 沉淀性能及脫水性能等［7-9］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同方式破解受污染泥漿中EPS， 釋放泥漿中被束縛的水分， 減弱泥漿表面親水性， 以改善污泥泥水分離性能［10-11］。 其中， 利用Fenton 試劑對(duì)泥漿進(jìn)行預(yù)處理， 利用率高、 成本低、實(shí)用價(jià)值高［12-14］， Fenton 試劑具有強(qiáng)氧化性， 不僅可以破解污泥中的EPS， 釋放表面水， 還可以破解污泥細(xì)胞， 釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)， 改變污泥特性， 提高污泥絮凝性， 改善污泥脫水性能［15-16］。 潘勝［17］采用Fenton 試劑調(diào)理城市污水處理廠剩余污泥， 研究結(jié)果顯示， Fenton 試劑能有效氧化破解EPS， 提高污泥絮凝性， 改善污泥脫水性能。 宋建陽(yáng)等［18］考察了pH 值、 H2O2濃度、 Fe2+濃度和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)污泥比阻、 污泥抽濾后泥餅含固率的影響，結(jié)果表明Fenton 試劑能破壞污泥的膠態(tài)結(jié)構(gòu)， 引起污泥絮體表面EPS 的部分氧化和重組。

目前Fenton 試劑大多用于工業(yè)廢水預(yù)處理［19-20］，采用Fenton 試劑對(duì)河道疏浚泥漿進(jìn)行預(yù)處理的研究尚不多見(jiàn)。 本研究以蕪湖市漳河疏浚泥漿為研究對(duì)象， 考察上清液SS 濃度變化情況及泥漿沉降性，得出Fenton 試劑最佳配比與投加量， 在僅投加絮凝劑和Fenton 與絮凝劑聯(lián)用的2 種情況下， 通過(guò)對(duì)比預(yù)處理前后疏浚泥漿粒徑分布、 EPS 濃度、Zeta 電位、 顆粒構(gòu)造、 上清液SS 濃度、 沉降性能等性質(zhì)， 分析Fenton 試劑預(yù)處理對(duì)疏浚泥漿泥水分離的作用。 同時(shí)， 探究在動(dòng)態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)泥水分離時(shí)Fenton 試劑的最佳配比與投加量， 以期為提高疏浚泥漿泥水分離效果， 實(shí)現(xiàn)疏浚泥漿資源化利用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

試驗(yàn)所用泥漿取自蕪湖漳河疏浚工程， 采用抓斗式取泥器采集， 用密封袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行成分分析。 試驗(yàn)疏浚泥漿特性見(jiàn)表1， 其pH 值為6.22。

表1 試驗(yàn)疏浚泥漿特性Tab. 1 Characteristics of experimental dredged slurry

1.2 試驗(yàn)藥品

戊二醛、 磷酸緩沖液、 無(wú)水乙醇、 蒽酮、 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、 高氯酸、 冰乙酸、 乙醛、 乙酸異戊酯、 結(jié)晶二苯胺、 氯化鈉、 過(guò)氧化氫、 硫酸亞鐵，以上藥品均為分析純。

1.3 試驗(yàn)儀器

ANY-1 泥漿比重計(jì)、 MS-2000 激光粒度分析儀、 SS-1Z 懸浮物檢測(cè)儀、 TG20-WS 高速離心機(jī)、Nano-ZS90Zeta 電位儀、 JSM-6490LV 掃描電子顯微鏡、 SX2-12-10A 馬弗爐。

1.4 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)分為量筒靜置試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)泥水分離試驗(yàn)， 前者在試驗(yàn)室靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行， 用于確定Fenton 試劑最佳配比及投加量； 后者為模擬實(shí)際工程環(huán)境， 按一定比例制作拋泥區(qū)模型， 進(jìn)行動(dòng)態(tài)泥水分離試驗(yàn)， 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中藥劑混合效果較好， 均衡考慮泥水分離效果和經(jīng)濟(jì)性因素， 確定最經(jīng)濟(jì)的Fenton 試劑配比與投加量。

靜置試驗(yàn)考察上清液SS 濃度及泥漿沉降性能指標(biāo)， 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)只考察上清液SS 濃度， 分別確定Fenton 試劑的最佳配比與最佳投加量。 上述試驗(yàn)均未考慮泥漿pH 值、 反應(yīng)溫度等， 這是因?yàn)樵谑杩９こ讨须y以控制泥漿pH 值及反應(yīng)溫度。

（1） 靜置試驗(yàn)： ①將漳河疏浚淤泥同自來(lái)水充分?jǐn)嚢杌旌吓渲贸珊嗔繛?% 的泥漿， 倒入一組250 mL 量筒內(nèi)， 分別投加不同配比及投加量的Fenton 試劑； ②根據(jù)上清液SS 濃度、 泥漿沉降速度和淤泥體積確定Fenton 試劑的最佳配比和最佳投加量； ③比較Fenton 投加前后泥漿平均粒徑、比表面積、 EPS 濃度、 Zeta 電位等指標(biāo)； ④對(duì)比僅投加絮凝劑和Fenton 與絮凝劑聯(lián)用的泥水分離效果， 分析Fenton 試劑預(yù)處理對(duì)泥漿泥水分離效果的改善。

（2） 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)： ①將漳河淤泥同自來(lái)水充分?jǐn)嚢杌旌希?倒入泥桶中， 配置含泥量為5% 的泥漿；②根據(jù)靜置試驗(yàn)結(jié)果， 配置并投加不同配比的Fenton 試劑， 充分?jǐn)嚢杌旌希?③用三通連接Fenton試劑輸藥管和泥漿輸泥管， 使其在管道內(nèi)充分混合； ④同時(shí)打開(kāi)泥漿泵與藥劑泵， 開(kāi)始記錄時(shí)間，觀察裝置內(nèi)泥漿變化， 并在取樣點(diǎn)提取上清液， 記錄SS 濃度， 直至試驗(yàn)結(jié)束； ⑤重復(fù)上述步驟進(jìn)行多次試驗(yàn)， 比較SS 濃度變化情況， 分析并確定Fenton 試劑最佳配比。

1.5 分析方法

泥漿沉降性能的測(cè)定： 取200 mL 待測(cè)泥漿，攪拌均勻后倒入250 mL 量筒內(nèi)， 每隔5 min 記錄泥水分界面的讀數(shù)， 以此來(lái)考察泥漿預(yù)處理前后沉降性能的變化。

EPS 的測(cè)定： 分為EPS 的提取與蛋白質(zhì)、 多糖含量的測(cè)定。 EPS 的提取采用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法， 蛋白質(zhì)濃度采用改良Lowry 法測(cè)定， 多糖濃度采用蒽酮法測(cè)定。

顆粒粒徑采用MS-2000 激光粒度分析儀測(cè)定，Zeta 電位采用Nano-ZS90 電位分析儀直接測(cè)定，泥漿顆粒構(gòu)造采用JSM-6490LV 鎢燈絲掃描電子顯微鏡直接觀察， 上清液SS 濃度采用SS-1Z 懸浮物測(cè)試儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fenton 試劑最佳投加條件的確定

控制泥漿含泥量為5%， 進(jìn)行量筒靜置試驗(yàn)，在Fenton 試劑投加量為20 mL， H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比分別為7.0 ∶1、 7.5 ∶1、 8.0 ∶1、 8.5 ∶1 和9.0 ∶1的條件下， 觀察記錄30 min 內(nèi)預(yù)處理泥漿的體積變化， 結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 投加不同配比Fenton 試劑后淤泥體積變化情況Fig. 1 Changes of sludge volume after adding Fenton reagent with different proportions

由圖1 可知， 當(dāng)Fenton 試劑H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為7.5 ∶1 時(shí)， 泥漿的沉降速度最快。 經(jīng)Fenton 試劑預(yù)處理后泥漿上清液SS 的質(zhì)量濃度均在25 ～50 mg／L 范圍內(nèi)， 滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級(jí)排放要求。

在Fenton 試劑H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為7.5 ∶1， 投加量分別為0.004、 0.005、 0.006 mol／L 的條件下， 考察其投加量對(duì)預(yù)處理泥漿體積的影響， 結(jié)果如圖2 所示。

圖2 投加不同濃度Fenton 試劑后淤泥體積變化情況Fig. 2 Changes of sludge volume after adding Fenton reagent with different concentrations

由圖2 可知， 當(dāng)H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為7.5 ∶1 時(shí)， Fenton 試劑投加量在0.004 mol／L 以上， 效果明顯， 且速度較快， 上清液SS 的質(zhì)量濃度為50 ～100 mg／L， 基本滿足GB 8978—1996 中一級(jí)排放要求， 故Fenton 試劑最佳投加量為0.004 mol／L。

2.2 Fenton 試劑與絮凝劑聯(lián)用處理泥漿的研究

泥漿的沉降性能可以直觀地反映Fenton 試劑預(yù)處理對(duì)疏浚泥水分離的作用。 在泥漿含泥量為5% 的條件下， 分別加入Fenton 試劑（投加量依據(jù)2.1 節(jié)的結(jié)論）、 100 mg／L Ca（OH）2（圖3 左側(cè)量筒）和等體積的100 mg／L Ca（OH）2、 蒸餾水（圖3 右側(cè)量筒）， 同時(shí)觀察不同反應(yīng)時(shí)間下疏浚泥漿的沉降性， 結(jié)果如圖3 所示。 Fenton 試劑與絮凝劑聯(lián)用的情況下對(duì)泥水分離效果的影響如圖4 所示。

圖3 泥水分離效果對(duì)比Fig. 3 Comparison of mud-water separation effect

圖4 Fenton 試劑與絮凝劑聯(lián)用對(duì)泥水分離效果的影響Fig. 4 Effect of Fenton reagent-flocculant combination on mud-water separation

由圖3 可知， 經(jīng)過(guò)Fenton 試劑預(yù)處理后， 泥漿泥水分離效果明顯， 且上清液較為澄清， 而僅投加Ca（OH）2的泥漿清渾界面不明顯， 且上清液渾濁， 絮凝效果不佳。 因此， 經(jīng)過(guò)Fenton 試劑處理后的泥漿泥水分離效果更好。 由圖4 可知， Fenton試劑與絮凝劑聯(lián)用的情況下， 泥水分離迅速， 上清液SS 濃度降低迅速， 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)， 上清液SS 濃度降低越加明顯， 但當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，泥水分離的效果趨于平緩。

2.3 泥漿預(yù)處理前后性質(zhì)比較

為從根本上研究Fenton 試劑對(duì)泥漿泥水分離性能的改善， 在泥漿含泥量為5% 的條件下， 投加Fenton 試劑進(jìn)行預(yù)處理， 其投加量依據(jù)2.1 節(jié)的結(jié)論， 分析預(yù)處理前后疏浚泥漿的粒徑分布、 顆粒構(gòu)造、 EPS 濃度、 Zeta 電位等性質(zhì)差異， 并記錄預(yù)處理過(guò)程中上清液SS 濃度的變化情況， 結(jié)果如圖5、表2 和圖6 所示。

由圖5、 表2 和圖6 可知， 加入Fenton 試劑處理后， 泥漿的平均粒徑平均減小了14.32%， 比表面積平均增大了3.33%， 上清液中的EPS 濃度平均增大了8.11%， Zeta 電位平均增大了50%。 這是因?yàn)樵贔enton 試劑對(duì)泥漿顆粒的破解作用下， 其中的結(jié)合水和吸附水被釋放， 泥漿中的負(fù)電荷被中和［21-22］。 同時(shí)， 經(jīng)Fenton 試劑預(yù)處理后， 原始泥漿絮體結(jié)構(gòu)被破壞， 向上清液中釋放了溶解性有機(jī)物， 而大絮體結(jié)構(gòu)因EPS 破解而分解成小絮體，使其粒徑減小， EPS 濃度升高。

圖5 預(yù)處理前后泥漿粒徑分布Fig. 5 Particle size distribution of slurry before and after pretreatment

表2 預(yù)處理前后基本性質(zhì)比較Tab. 2 Comparison of basic properties of slurry before and after pretreatment

圖6 泥漿顆粒構(gòu)造Fig. 6 Structure of slurry particles

2.4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)靜置試驗(yàn)結(jié)果， 投加不同配比的Fenton試劑， 考察上清液SS 濃度變化情況， 結(jié)果見(jiàn)表3?？紤]到在實(shí)際工程中Fenton 試劑與絮凝劑聯(lián)用處理泥漿， 因此要求上清液SS 質(zhì)量濃度應(yīng)小于1 000 mg／L。 由表3 可知， 4 種物質(zhì)的量比條件下上清液SS 質(zhì)量濃度均小于1 000 mg／L， 考慮到動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中的最佳投加量應(yīng)小于靜置試驗(yàn)中確定的投加量，當(dāng)上清液SS 質(zhì)量濃度小于900 mg／L 時(shí)即為最佳配比， 因此， Fenton 試劑H2O2與Fe2+的最佳物質(zhì)的量比應(yīng)為4 ∶1。

表3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中H2O2 與Fe2+ 物質(zhì)的量比對(duì)SS 濃度的影響Tab. 3 Effect of mass ratio of H2O2 to Fe2+on SS concentration in dynamic experiment

3 結(jié)論

（1） 利用Fenton 試劑可以改善疏浚泥漿的沉降性能， 蕪湖漳河疏浚泥漿靜置試驗(yàn)中Fenton 試劑H2O2與Fe2+最佳物質(zhì)的量比為7.5 ∶1， 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中兩者最佳物質(zhì)的量比為4 ∶1。

（2） Fenton 試劑與絮凝劑聯(lián)用處理疏浚泥漿，能顯著改善泥漿沉降性能， 縮短后續(xù)自然沉降時(shí)間， 且泥水分離效果更好。

（3） 經(jīng)Fenton 試劑預(yù)處理后， 破壞了泥漿的EPS， 釋放了結(jié)合水和吸附水， 使得泥漿絮體結(jié)構(gòu)變小， 改變了其性質(zhì)， 從而優(yōu)化了泥漿的沉降性能， 便于疏浚泥漿的資源化利用。