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        Fenton 試劑預處理對疏浚泥漿泥水分離效果的影響研究

        2022-05-06 06:13:58夏鯤鵬徐得潛陳慧吳立人李云龍
        工業(yè)用水與廢水 2022年2期
        關(guān)鍵詞:泥水絮凝劑投加量

        夏鯤鵬, 徐得潛, 陳慧, 吳立人, 李云龍

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

        河道疏浚泥漿具有含水率高、 強度低、 孔隙比大、 顆粒細小、 污染物含量大等特點[1-3], 且其沉降性能差, 難以在自然條件下實現(xiàn)泥水分離[4-6]。 受污染泥漿中胞外聚合物(EPS)具有很強的保持水分的能力, 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]。

        國內(nèi)外學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 試劑對泥漿進行預處理, 利用率高、 成本低、實用價值高[12-14], Fenton 試劑具有強氧化性, 不僅可以破解污泥中的EPS, 釋放表面水, 還可以破解污泥細胞, 釋放細胞內(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。 宋建陽等[18]考察了pH 值、 H2O2濃度、 Fe2+濃度和反應時間等因素對污泥比阻、 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)廢水預處理[19-20],采用Fenton 試劑對河道疏浚泥漿進行預處理的研究尚不多見。 本研究以蕪湖市漳河疏浚泥漿為研究對象, 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, 通過對比預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 試劑預處理對疏浚泥漿泥水分離的作用。 同時, 探究在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)泥水分離時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驗室進行成分分析。 試驗疏浚泥漿特性見表1, 其pH 值為6.22。

        表1 試驗疏浚泥漿特性Tab. 1 Characteristics of experimental dredged slurry

        1.2 試驗藥品

        戊二醛、 磷酸緩沖液、 無水乙醇、 蒽酮、 陽離子交換樹脂、 高氯酸、 冰乙酸、 乙醛、 乙酸異戊酯、 結(jié)晶二苯胺、 氯化鈉、 過氧化氫、 硫酸亞鐵,以上藥品均為分析純。

        1.3 試驗儀器

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

        1.4 試驗方法

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

        靜置試驗考察上清液SS 濃度及泥漿沉降性能指標, 動態(tài)試驗只考察上清液SS 濃度, 分別確定Fenton 試劑的最佳配比與最佳投加量。 上述試驗均未考慮泥漿pH 值、 反應溫度等, 這是因為在疏浚工程中難以控制泥漿pH 值及反應溫度。

        (1) 靜置試驗: ①將漳河疏浚淤泥同自來水充分攪拌混合配置成含泥量為5% 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; ④對比僅投加絮凝劑和Fenton 與絮凝劑聯(lián)用的泥水分離效果, 分析Fenton 試劑預處理對泥漿泥水分離效果的改善。

        (2) 動態(tài)試驗: ①將漳河淤泥同自來水充分攪拌混合, 倒入泥桶中, 配置含泥量為5% 的泥漿;②根據(jù)靜置試驗結(jié)果, 配置并投加不同配比的Fenton 試劑, 充分攪拌混合; 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同時打開泥漿泵與藥劑泵, 開始記錄時間,觀察裝置內(nèi)泥漿變化, 并在取樣點提取上清液, 記錄SS 濃度, 直至試驗結(jié)束; ⑤重復上述步驟進行多次試驗, 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

        泥漿沉降性能的測定: 取200 mL 待測泥漿,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), 以此來考察泥漿預處理前后沉降性能的變化。

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

        顆粒粒徑采用MS-2000 激光粒度分析儀測定,Zeta 電位采用Nano-ZS90 電位分析儀直接測定,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 懸浮物測試儀測定。

        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%, 進行量筒靜置試驗,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)預處理泥漿的體積變化, 結(jié)果見圖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Fenton 試劑H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為7.5 ∶1 時, 泥漿的沉降速度最快。 經(jīng)Fenton 試劑預處理后泥漿上清液SS 的質(zhì)量濃度均在25 ~50 mg/L 范圍內(nèi), 滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》規(guī)定的一級排放要求。

        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, 考察其投加量對預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H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為7.5 ∶1 時, 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 試劑預處理對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), 同時觀察不同反應時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)用的情況下對泥水分離效果的影響如圖4 所示。

        圖3 泥水分離效果對比Fig. 3 Comparison of mud-water separation effect

        圖4 Fenton 試劑與絮凝劑聯(lián)用對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Fenton 試劑預處理后, 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, 隨著反應時間的延長, 上清液SS 濃度降低越加明顯, 但當達到一定時間后,泥水分離的效果趨于平緩。

        2.3 泥漿預處理前后性質(zhì)比較

        為從根本上研究Fenton 試劑對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 試劑進行預處理, 其投加量依據(jù)2.1 節(jié)的結(jié)論, 分析預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, 并記錄預處理過程中上清液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%。 這是因為在Fenton 試劑對泥漿顆粒的破解作用下, 其中的結(jié)合水和吸附水被釋放, 泥漿中的負電荷被中和[21-22]。 同時, 經(jīng)Fenton 試劑預處理后, 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 預處理前后泥漿粒徑分布Fig. 5 Particle size distribution of slurry before and after pretreatment

        表2 預處理前后基本性質(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 動態(tài)試驗結(jié)果

        根據(jù)靜置試驗結(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)果見表3??紤]到在實際工程中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, 考慮到動態(tài)試驗中的最佳投加量應小于靜置試驗中確定的投加量,當上清液SS 質(zhì)量濃度小于900 mg/L 時即為最佳配比, 因此, Fenton 試劑H2O2與Fe2+的最佳物質(zhì)的量比應為4 ∶1。

        表3 動態(tài)試驗中H2O2 與Fe2+ 物質(zhì)的量比對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中Fenton 試劑H2O2與Fe2+最佳物質(zhì)的量比為7.5 ∶1, 動態(tài)試驗中兩者最佳物質(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)自然沉降時間, 且泥水分離效果更好。

        (3) 經(jīng)Fenton 試劑預處理后, 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。

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