CN110540350A - 一种将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：(1)对活性炭进行预处理；(2)调节污泥pH至2～3，得到酸性污泥；(3)向酸性污泥中加入铁粉与活性炭，搅拌均匀，进行微电解反应；(4)然后投加H2O2，搅拌均匀，进行Fenton反应。将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水，与其他方法相比，污泥的脱水效率得到较好的提高；适当的微电解处理有利于污泥破解，利用微电解反应后生成的Fe2+，与投加H2O2后形成Fenton试剂，减少了铁粉的用量，更有效破坏污泥絮体及EPS结构，改善脱水性能。该方法具有处理效果好，成本低廉、利于污泥破解等优点。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，特别涉及一种将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法。
背景技术
随着我国城镇化水平的不断提高，污水处理设施和处理方法在不断改进和更新，截止到2016年年末，全国所有城市共建成污水处理厂2039座，污水厂日处理能力达1.49亿m3，为我国实现减排目标，完成污染控制工作做出了很大贡献。但是，伴随着污水处理厂的建成运行，会有大量剩余污泥的产生，以含水率80％计，每年全国污泥总产量将突破3500万吨，预计到2020年，污泥总产生量将突破6000万吨。大量的剩余污泥如果没有得到有效处理，污泥中的污染物将会转移到大气、水体和土壤中，造成对环境的二次污染，将直接影响人类健康。因此，有必要对污泥进行恰当的处理与处置。
铁碳微电解技术主要基于电极材料在溶液中形成的原电池，电极表面的电化学反应和其他反应，从而使大分子有机物或环状有机物的断链开环，进而改善废水的可生化性。到目前为止，国内外已经有很多学者对用铁碳微电解技术来处理废水进行了大量的研究，但铁碳微电解技术是否可以改善污泥的脱水性能还鲜有报道。
此外，传统的铁碳微电解使用时间较长时，铁由于被消耗导致粒度变小，填料逐渐压实，而粒度变小的铁屑又容易与大颗粒物接触、粘连，导致填料无法与处理目标良好的接触，从而降低材料使用率和反应处理效率。
芬顿(Fenton)技术是应用最普遍的高级氧化技术之一，反应主要基于Fe2+催化过氧化氢(H2O2)生成·OH(氧化电位为2.80V)。由于·OH的强氧化能力，Fenton工艺通常应用于废水的预处理或后处理中，能有效地氧化去除传统水处理工艺难以除去的难降解有机污染物。然而，传统芬顿法的缺点是需要大量额外的H2O2和Fe2+来保持·OH的产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，避免了微电解反应后粒度小的铁屑与大的颗粒物接触，降低铁颗粒之间的硬化和堵塞，提高了微电解反应效率，同时克服了传统芬顿法中需要大量外加H2O2和Fe2+的缺点。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，包括以下步骤：
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用；
(2)调节污泥pH值至2～3，得到酸性污泥；
(3)向酸性污泥中加入铁粉与步骤(1)处理后的活性炭，搅拌均匀，进行铁碳微电解反应，反应时间为15～90min；其中，以污泥的加入量为基准，铁粉的投加量为0.6g/L～1.2g/L；
(4)然后投加H2O2，搅拌均匀，进行Fenton反应，反应时间为45～60min；其中，以污泥的投加量为基准，H2O2投加量为4.2g/L～4.8g/L。
进一步地，步骤(2)中调节污泥pH值至2.5；
步骤(3)中铁碳微电解反应的时间为30min，铁粉投加量为1.2g/L；
步骤(4)中H2O2投加量为4.2g/L，Fenton反应的时间为45min。
进一步地，在步骤(2)之前对污泥进行冷藏处理，具体为：
将污泥在4℃进行冷藏，随后自然沉降24h，倾去上清液，得到沉降后的污泥。
进一步地，步骤(2)中的污泥来自污水处理厂二沉池的剩余污泥。
进一步地，步骤(1)中的吸附饱和时间为24h。
进一步地，步骤(2)中采用硫酸和氢氧化钠调节pH值。
进一步地，步骤(3)中铁粉与活性炭质量比为1:1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，采用微电解-Fenton法对剩余污泥进行处理，该方法具有处理效果好，成本低廉、利于污泥破解等优点。对活性炭进行预处理，避免活性炭吸附效果对实验的影响；在微电解条件下，进行Fenton氧化反应，铁粉投加量与Fenton反应时间较单独调理污泥的最佳条件均减小。由图9～11可知联合处理后污泥蛋白质、多糖含量较原污泥分别减少了46.8％、20.6％，DDSCOD较原泥增加了10.1％，污泥泥饼含水率为69％，SRF值为2.687×1012m/k，脱水性能达到最好。将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水，与其他方法相比，污泥的脱水效率得到较好的提高；适当的微电解处理有利于污泥破解，利用微电解反应后生成的Fe2+，与投加H2O2后形成Fenton试剂，避免了微电解反应后粒度小的铁屑与大的颗粒物接触，降低铁颗粒之间的硬化和堵塞，提高了微电解反应效率，减少了铁粉的用量，更有效破坏污泥絮体及EPS结构，改善脱水性能。
进一步，经过实验，确定出联合反应的最佳反应条件为：铁粉投加量1.2g/L，铁碳微电解反应的时间为30min，Fenton反应时间为45min，H2O2投加量为4.2g/L。在此反应条件下，污泥的脱水效率最好。
进一步，因为污泥取回后，不一定能够及时进行实验，所以污泥需要进行冷藏处理，可以防止污泥变质。
进一步，经过实验，铁碳质量比选取1：1，此比例下污泥的脱水效果良好。
附图说明
图1为本发明实施例1中单独使用铁碳微电解时pH值对污泥泥饼含水率的影响；
图2为本发明实施例2中单独使用铁碳微电解时反应时间对污泥泥饼含水率的影响；
图3为本发明实施例3中铁粉投加量对污泥中的蛋白质和多糖含量的影响；
图4为本发明实施例3中铁粉投加量对DDSCOD值的影响；
图5为本发明实施例3中铁粉投加量对污泥泥饼含水率和SRF值的影响；
图6为本发明实施例4中Fenton反应时间对污泥中的蛋白质和多糖含量的影响；
图7为本发明实施例4中Fenton反应时间对DDSCOD值的影响；
图8为本发明实施例4中Fenton反应时间对泥泥饼含水率和SRF值的影响；
图9为本发明实施例5中H2O2投加量对污泥中的蛋白质和多糖含量的影响；
图10为本发明实施例5中H2O2投加量对DDSCOD值的影响；
图11为本发明实施例5中H2O2投加量对泥泥饼含水率和SRF值的影响。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡24h，达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用；
(2)取200mL污泥置于烧杯中，用10％的稀硫酸和10％的稀氢氧化钠调节pH值分别为2、2.5、3、3.5、4、4.5。
(3)将上述步骤(2)处理后的污泥加入铁粉和活性炭，以污泥的加入量为基准，铁粉的加入量为4g/L，控制Fe/C质量比为1:1，曝气量为1.5L/min，进行铁碳微电解反应30min。
(4)测定上述步骤(3)处理后的污泥含水率，以此探究单独铁碳微电解时铁粉pH值对污泥脱水性能的影响。
由图1可以看出，pH值从2增大到2.5，污泥含水率有一个较低的下降，pH从2.5增大到4的过程中，含水率逐渐增大，且pH大于3时，污泥的含水率陡然增加，因此在pH值为2～3时对污泥的脱水效果较好，考虑经济效益及处理效果，pH2.5为最佳反应条件。
实施例2
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡24h，达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用；
(2)取200mL污泥置于烧杯中，用10％的稀硫酸和10％的稀氢氧化钠调节pH至3。
(3)向上述步骤(2)处理后的污泥中加入铁粉和活性炭，以污泥的加入量为基准，铁粉的加入量为4g/L，控制Fe/C质量比为1:1，分别控制反应时间为15min、30min、45min、60min、75min、90min，曝气量为1.5L/min。
(4)测定上述步骤(3)处理后的污泥含水率，以此探究单独铁碳微电解时反应时间对污泥破解程度和污泥脱水性能的影响。
由图2可以看出，当反应时间为30min时，污泥泥饼的含水率达到了最低值71.6％。当反应时间逐渐增大时，含水率呈现出增大趋势，但变化不大。当反应时间达到60min后，污泥含水率逐渐稳定，说明反应已经达到最大限度，污泥脱水性能变化不大。另外，六组试验的含水率都在71.5％到73.5％之间，变化不大，说明铁碳微电解反应时间对污泥脱水性能的影响较小。因此，出于经济考虑，选择30min为铁碳微电解的最佳反应时间。
实施例3
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡24h，达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用。
(2)将污泥在4℃进行冷藏，随后自然沉降24h，倾去上清液，得到沉降后的污泥；取200mL沉降后的污泥置于烧杯中，用10％的稀硫酸和10％的稀氢氧化钠调节pH至2.5。
(3)向上述步骤(2)处理后的污泥中加入不同量的铁粉(0.3g/L、0.6g/L、0.9g/L、1.2g/L、1.5g/L、1.8g/L)以及活性炭，其中Fe/C质量比为1:1，曝气量为1.5L/min，进行微电解反应30min。
(4)向上述步骤(3)中加入3.0g/L的H2O2，转速为300r/min，进行Fenton反应60min。
(5)测定上述步骤(4)的污泥含水率及上清液COD、蛋白质和多糖含量等，评价污泥破解程度和污泥脱水性能。
由图3和图4可以看出，铁粉投加量为1.2g/L时，污泥EPS中的蛋白质和多糖含量基本达到最低值，分别为391.7mg/L和69.5mg/L，DDSCOD值为9.1％。由图5可以看出，当铁粉投加量逐渐增大时，污泥泥饼含水率、SRF值呈现先下降后上升的趋势，在1.2g/L附近达到最低值，含水率约为72.5％，SRF值为2.774×1012m/kg。后随着投加量继续增加，污泥含水率变大，SRF值也变大。原因可能是当铁粉投加量不足时，微电解无法产生足够的Fe2+，其催化H2O2生成的·OH量少，氧化EPS效果差；当投加量过大时，Fe2+被氧化成Fe3+，氧化效果不理想，影响了污泥的脱水性能。此外，当铁粉投加量在0.6g/L～1.2g/L时，污泥的含水率和SRF都比较低，符合污泥脱水后的标准，联合处理的最佳铁粉投加量为1.2g/L。
实施例4
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡24h，达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用。
(2)将污泥在4℃进行冷藏，随后自然沉降24h，倾去上清液，得到沉降后的污泥；取200mL沉降后的取200mL污泥置于烧杯中，用10％的稀硫酸和10％的稀氢氧化钠调节pH至2.5。
(3)向上述步骤(2)处理后的污泥中加入铁粉和活性炭，以污泥的加入量为基准，铁粉的加入量为1.2g/L，Fe/C质量比为1:1，曝气量为1.5L/min，进行微电解反应30min。
(4)向上述步骤(3)处理后的污泥中加入3.0g/L的H2O2，转速为300r/min，进行不同的Fenton反应时间(15min、30min、45min、60min、75min、90min)。
(5)测定上述步骤(4)处理后的污泥含水率、上清液COD、蛋白质及多糖含量等。评价污泥破解程度和污泥脱水性能。
由图6和图7可以看出，在反应前45min内，蛋白质、多糖含量以及DDSCOD值逐渐减小；反应到45min时，蛋白质、多糖含量及DDSCOD基本达到最小值448.9mg/L、79.7mg/L和8.03％。反应时间继续增加时，三者大小基本保持不变。由图8可以看出，在铁碳微电解最佳条件下，当Fenton反应时间为45min时，污泥的含水率达到最低值71.5％，SRF最小值为8.913×1012m/kg，说明此时污泥的脱水性能最好。原因可能是微电解反应后，污泥EPS被氧化破解，添加H2O2开始Fenton反应后，生成的·OH氧化污泥EPS，使得EPS中蛋白质、多糖含量降低，释放出污泥结合水，有利于污泥脱水性能的提高。当反应时间逐渐增大，污泥含水率逐渐增大，脱水性能变差。此外，Fenton反应时间在15min，45min～60min时污泥的含水率和SRF值都比较低，符合污泥脱水后的标准。其中45min为联合反应的最佳Fenton反应时间。
实施例5
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡24h，达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用。
(2)将污泥在4℃进行冷藏，随后自然沉降24h，倾去上清液，得到沉降后的污泥；取200mL沉降后的污泥置于烧杯中，用10％的稀硫酸和10％的稀氢氧化钠调节pH至2.5。
(3)向上述步骤(2)处理后的污泥中加入铁粉和活性炭，以污泥的加入量为基准，铁粉的加入量为1.2g/L，Fe/C质量比为1:1，曝气量为1.5L/min，进行微电解反应30min。
(4)向上述步骤(3)处理后的污泥中加入不同量的H2O2(2.4g/L、3.0g/L、3.6g/L、4.2g/L、4.8g/L、5.4g/L)，转速为300r/min，Fenton反应时间45min。
(5)测定上述步骤(4)处理后的污泥含水率、上清液COD、蛋白质及多糖含量等，评价污泥破解程度和污泥脱水性能。
由图9和图10可以看出，当H2O2投加量为4.2g/L时，污泥EPS的蛋白质、多糖含量达到最低值，分别为370.6mg/L和83mg/L，DDSCOD值也达到最小值8.607％。由图11可以看出，当H2O2投加量在4.2g/L时，污泥含水率达到最低值69％，SRF值也达到最小值2.687×1012m/kg。分析原因，这可能是因为在微电解反应调理污泥之后，污泥EPS被氧化破解，EPS中蛋白质、多糖含量增加。当加入H2O2时，铁碳微电解反应在溶液中形成的Fe2+催化H2O2产生·OH，发生Fenton反应，具有强氧化性的·OH自由基氧化已存在的蛋白质、多糖等物质，使得蛋白质、多糖含量降低。当H2O2投加量为4.2g/L时，污泥EPS蛋白质、多糖含量最少，EPS被完全破坏。继续增大H2O2的投加量，发生·OH清除反应，降低了·OH的含量，消耗了H2O2，也降低了对污泥的氧化能力。当投加的H2O2增大到5.4g/L时，含水率突然降低到70％以下，但SRF值却很大。H2O2投加量在4.2g/L～4.8g/L，污泥的含水率和SRF值都比较低，符合污泥脱水后的标准。其中联合处理的最佳H2O2投加量为4.2g/L。综合考虑，选择联合反应的H2O2投加量为4.2g/L，此时污泥泥饼含水率和SRF值都很低，且降低H2O2的投加费用。
本发明提供了一种新型的污泥脱水方法，将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水，与其他方法相比，污泥的脱水效率得到较好的提高；将铁碳微电解-Fenton法联合调理污泥，利用微电解反应后生成的Fe2+，与投加H2O2后形成Fenton试剂，减少了铁粉的用量，更有效破坏污泥絮体及EPS结构，改善脱水性能。
Claims (7)
1.一种将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对活性炭进行预处理：将活性炭在污泥样品中浸泡达到吸附饱和状态，然后将活性炭在室温下自然风干以备用；
(2)调节污泥pH值至2～3，得到酸性污泥；
(3)向酸性污泥中加入铁粉与步骤(1)处理后的活性炭，搅拌均匀，进行铁碳微电解反应，反应时间为15～90min；其中，以污泥的加入量为基准，铁粉的投加量为0.6g/L～1.2g/L；
(4)然后投加H2O2，搅拌均匀，进行Fenton反应，反应时间为45～60min；其中，以污泥的投加量为基准，H2O2投加量为4.2g/L～4.8g/L。
2.根据权利要求1所述的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，步骤(2)中调节污泥pH值至2.5；
步骤(3)中铁碳微电解反应的时间为30min，铁粉投加量为1.2g/L；
步骤(4)中H2O2投加量为4.2g/L，Fenton反应的时间为45min。
3.根据权利要求1所述的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，在步骤(2)之前对污泥进行冷藏处理，具体为：
将污泥在4℃进行冷藏，随后自然沉降24h，倾去上清液，得到沉降后的污泥。
4.根据权利要求1所述的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，步骤(2)中的污泥来自污水处理厂二沉池的剩余污泥。
5.根据权利要求1所述的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，步骤(1)中的吸附饱和时间为24h。
6.根据权利要求1所述的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，步骤(2)中采用硫酸和氢氧化钠调节pH值。
7.根据权利要求1所述的将铁碳微电解与Fenton法联用进行污泥脱水的方法，其特征在于，步骤(3)中铁粉与活性炭质量比为1:1。
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