市政污泥Fenton化学调理处理及电渗透物理强化深度脱水方法及机理研究

发布时间：2020-10-22 17:08

　　 市政污泥是城市污水处理过程的副产物,污泥中胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,简称EPS)亲水性强,导致难以脱水,极大地制约了污泥的后续处理与处置。近年来,有研究发现Fenton试剂高级氧化技术能够有效降解污泥EPS,提高污泥的脱水效果。但是,目前Fenton试剂高级氧化技术的应用主要集中在污水处理上,其在污泥深度脱水的应用及相关机理尚不清楚。另外,目前市政污泥经过机械(离心机和带式机)脱水后(含水率80 wt.%)仍存在深度脱水难的问题,急需寻找一种新的技术。基于上述两个关键问题,本文展开了对含水率97 wt.%左右的浓缩污泥的Fenton试剂污泥化学调理深度脱水技术的研究;以及对含水率80 wt.%左右的机械脱水污泥展开了电渗透深度脱水技术的研究。本文主要内容包括:1、Fenton试剂与生石灰的复合调理剂配方优化选取典型的武汉市生活污水处理厂污泥为研究对象,将初始污泥pH作为考察因素,以泥饼含水率小于55 wt.%和脱水滤液pH为6.5～7.0为优化目标,利用响应表面法(Response Surface Methodology,简称RSM)对初始污泥pH及复合调理剂各组份(Fe(Ⅱ)、H202、生石灰)的投加量进行了配方优化。结果表明,不需要调节污泥初始pH(接近中性),Fe(Ⅱ)、H2O2和生石灰投加量分别为47.93、34.29和43.21 mg/g DS(Dry solids)时,脱水泥饼含水率为55.82 ± 0.59 wt.%,脱水滤液pH为6.6 ± 0.2。为了探讨Fenton试剂高级氧化污泥调理方法对不同污泥泥质的适应性。对三种不同有机物含量的污泥(有机物含量分别为22.9、34.0和44.4 wt.%)分别进行优化,优化出来的亚铁和双氧水的投加量分别是107～110 mg/g VS(Volatile solids)和86～88 mg/g VS。结果表明:基于污泥有机物含量优化的Fenton试剂投加量相比于基于污泥干基量的优化投加量更稳定。同时,基于污泥有机物含量优化出的Fenton试剂能更好的作用于污泥的松散结合态EPS,提高污泥的脱水性能。2、Fenton试剂高级氧化污泥调理机理探讨通过SEM技术等表征手段,发现Fenton试剂调理污泥使污泥颗粒外部有机亲水性物质显著减少;污泥颗粒表面出现孔隙,同时出现了明显的混凝团聚的现象。在机理探讨实验的基础上,提出了 Fenton试剂调理污泥过程存在污泥有机亲水结构解离-污泥密实化颗粒聚集重构的两步调理机理。(1)污泥有机亲水结构解离:Fenton试剂的氧化作用可以降解污泥的EPS,使不溶性的有机物降解为可溶性的有机物,如蛋白质和多糖等,进入污泥的液相;破坏污泥的絮体结构,降低污泥粘度,使污泥粒径变小;少量减少污泥的结合水含量。(2)污泥密实化颗粒聚集重构:Fenton试剂产生的Fe(Ⅲ)可以使结合水释放后的细小污泥颗粒密实化团聚,使污泥Zeta电位由负变正,污泥小颗粒二次团聚长大;减少污泥的小孔体积(1-10 nm),增加大孔体积(10nm),从而减小污泥的比表面积,使得与污泥表面发生作用的水分减少,从而降低了污泥的结合水含量。通过淬灭实验发现,优化出来的Fenton试剂投加量中有47.4%的亚铁和羟基自由基反应生成三价铁。Fenton试剂调理污泥中有91%的脱水效果来源于三价铁的混凝作用,而高级氧化作用可以进一步提高污泥深度脱水的效果(泥饼含水率从60.23 wt.%降至 54.75 wt.%)。3、低能耗电渗透污泥深度脱水技术的探讨用大功率电化学工作站代替直流电源,对电渗透脱水过程进行线性扫描伏安法分析,电渗透脱水过程中会出现欧姆极化和活化极化,其中欧姆极化占绝对的主导作用,说明电渗透脱水过程中电压主要用于电渗透脱水。电渗透脱水模型可以简化为一个欧姆电路,当进行恒电压脱水时,电流与污泥电阻成反比。当电渗透脱水流速快时,污泥的脱水效果不好(污泥电阻低);当电渗透脱水流速慢,污泥的脱水效果好(污泥电阻高)。电渗透脱水中,传递的电荷量和滤液量成正比,进而发现影响电渗透脱水能耗的关键因素是电压。本文的研究成果为Fenton试剂高级氧化污泥调理技术的提供了理论依据;此外,对低能耗的电渗透脱水技术进行了有益的探索。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X703
【部分图文】：

Ｆ?麗??〇?Ｃａｌｃｉｕｍ?ｉｏｎｓ?ｗｉｔｈｉｎ?ｅｇｇ－ｂｏｘ?ｍｃｘｉｅ！??图１－１蛋－盒结构示意图［９］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｅｇｇ－ｂｏｘ?ｍｏｄｅｌ１９１??（３）二价阳离子架桥理论??Ｔｅｚｕｋａ在研究二价阳离子对污泥絮体生长形成时期的作用时，发现钙镁离子对污??泥生物絮凝过程有重要影响［１（）］。二价阳离子能对ＥＰＳ带负电荷的官能团的进行架桥，??架桥作用能促进微生物和胞外聚合物的絮凝和稳定化作用，进而促进生物絮凝。阳离??子架桥理论模型如图１－２所示，褐藻胶模型可以认为是特殊情况的阳离子架桥模型??（仅存在钙离子对褐藻胶的特殊交互作用）。Ｈｉｇｇｉｎｓ和Ｎｏｖａｋ发现污泥中一价阳离??子（Ｎａ＋、ＮＨ４＋和Ｋ＋）与二价阳离子（Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋）的比例大于２时，会引起污泥絮??体絮凝作用的恶化［１１］。??＿ｎ??＿??Ｄｉｖａｉｅｒｕ?ｃａｔｉｏｎｓ??Ｃ２＋??图１－２二价阳离子架桥理论示意图［１２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?

泥模型中不存在双电层现象，而是一价阳离子的离子交换作用掩盖了污泥中压缩双电??层的现象。??如图１－３所示［１３］，当污泥絮体结构被破坏时，污泥絮体中的菌群以及有机纤维物??并不变化，而部分ＥＰＳ及单一的孤立的细菌从絮体上脱落下来。另外，不同阶段的微??生物菌群的结构以及污泥絮体的化学组成是也是决定污泥特性的重要原因之一。??Ｂａｃｔｅｎａｌ?ｃｏｌｏｎｉｅｓ??ａｎｄ?ＥＰＳ?Ｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ??ｂａｃｔｅｒｉａ??＾??ＥＰＳ?ａｎｄ?ｓｉｎｇｌｅ?ｂａｃｔｅｒｉａ??图１－３污泥絮体结构与絮体结构破坏的变化［１３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｌｕｄｇｅ?ｆｌｏｃ［１３１??１．２．２?ＥＰＳ??Ｗｉｎｇｅｎｄｅｒ等人将污泥微生物聚集体内不同类型的大分子如多糖、蛋白质、核酸、??５??

图１－４?ＥＰＳ结构［１５】??Ｆｉｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ＥＰＳ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１１５＇??
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本文编号：2851869