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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
(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。