Fenton类高级氧化反应在污泥脱水和污染物降解中的作用机制

发布时间：2019-09-17 21:39

【摘要】：污水处理厂的日常运行产生大量的剩余污泥,污泥脱水已成为污水处理过程中的一个技术瓶颈。而活性污泥中的胞外聚合物(EPS),在维持污泥絮体结构和污泥脱水方面起着关键作用。因此,分解EPS能够促进污泥结合水的释放,从而强化污泥脱水。另一方面,废水中含有的有机污染物造成严重的环境污染,所以我们需要开发经济、有效的处理方法。在众多处理技术中,Fenton(芬顿)反应因其能通过Fe2+催化H2O2产生活性很强的羟基自由基,反应速率快、低毒、容易操控等优点而被广泛应用。但是,Fenton反应存在的一些缺点也限制了其在环境中的发展,例如严格的pH范围、高的H2O2用量、导致氧化速率下降的Fe3+泥的堆积等。本论文针对Fenton反应的上述缺点,通过优化Fenton反应改进Fenton反应的铁源,促进污泥EPS的分解及污泥絮体的沉降,降低污泥含水率并加快污泥过滤速度;同时,也尝试利用能加强Fe2+和Fe3+循环的还原剂,强化污染物的降解效率和速率;还探索了类Fenton反应促进污泥脱水和污染物降解的机理。主要研究内容和研究结果如下:(1)探索类Fenton反应对污泥脱水的强化作用。利用Fe3+替换Fe2+,将经典的Fenton反应改进为类Fenton反应,一方面产生羟基自由基促进污泥EPS的分解,从而促进污泥细胞中结合水的释放,强化污泥脱水;另一方面Fe3+能促进污泥絮体的絮凝,从而在提高污泥脱水的过滤速度的同时降低污泥含水率;利用均匀设计法优化了该体系中Fe3+、H2O2和pH等实验条件;利用差示扫描量热法(DSC)和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析了污泥处理后释放的结合水和金属离子(Zn,Cu,Ca,Cd等)的含量,探索了污泥中金属离子和结合水的释放对污泥脱水性能的影响;利用DLVO理论解析处理前后的污泥泥饼的亲疏水性变化,发现类Fenton反应导致污泥颗粒间相互作用的能垒更低,因此从表面热力学角度阐明了处理后污泥更容易脱水的机制。(2)考察Fe@Fe2O3基复合调节剂对污泥脱水的促进作用。利用铁还原法合成了Fe@Fe2O3复合材料,在酸性条件下和氧气结合发生类Fenton反应,并与高分子絮凝剂聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)的使用相结合,在降低污泥含水率的同时获得了更快的过滤速度;通过对复合调节剂处理前后污泥上清液中的总有机碳(TOC)和多种组分(如多糖、核酸、蛋白等)含量变化的分析发现,该调节方法能够显著促进EPS的分解和污泥絮体的絮凝,从而强化J了污泥脱水;利用电子顺磁共振技术(ESR)对体系中的自由基进行检测,证明该复合调节剂在污泥处理过程中产生了羟基自由基,因而提升了EPS的分解能力和污泥的脱水效果。(3)解析pH和盐度调节后的污泥结合水含量及其分布的变化过程。通过pH和盐度的调节来破坏污泥絮体的结构,增加松散EPS的含量。发现在酸性条件下能够获得最快的脱水速率和最低的污泥含水率;pH和盐度调节也会影响污泥中结合水的含量和分布,盐度处理增加污泥细胞内结合水含量,降低EPS中保留的水分。所以,盐处理即使能降解EPS也不能有效降低污泥含水率,反而降低脱水速率;酸处理能够破坏污泥细胞,释放细胞内的结合水,从而能更大程度地降低含水率;碱处理却增加了污泥结合水含量,恶化了污泥脱水特性。(4)研究还原剂对Fenton反应降解污染物的促进机制。通过盐酸羟胺、抗坏血酸和半胱氨酸三种还原剂添加对Fenton反应降解污染物效果的对比,发现不同还原剂浓度对强化Fenton降解污染物效果存在差异性,其中盐酸羟胺在高浓度条件下有最好的促进效果;三种还原剂均能扩大有效的Fenton反应pH范围,且在pH=4.0降解效果最好;其中抗坏血酸不同加入时间对提升Fenton反应降解效果的促进也有所不同,分批加入比初始一次性加入还原剂更能促进污染物的降解。
【图文】：

分布图,污泥,中水,分布图

行为广泛依赖于其接近的固体。为了充分理解和预测脱水机理Ｗ及与水分性质逡逑相关的预处理（例如混凝、絮凝、热调节、高级氧化等），研究者提出了污泥中逡逑包含四种类型的水［ｉｉ０，ｕｉ］，其在污泥中的分布如图１．１所示：逡逑／邋＾逡逑户ｅｅ邋ｗａｔｅｒ邋Ｊ逡逑＾邋ｊ，ａ邋ｆｌｏｅ逡逑／逦＾Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｗａｔｅｒ逡逑Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ逡逑ｗａｔｅｒ逡逑图１．１污泥中水分分布图ｉｉｗ逡逑（１）自由水：与固体颗粒无关的水，包括不受毛细力影响的孔隙水。可ｗ逡逑很容易地通过沉淀Ｗ及机械脱水除去；逡逑口）间隙水：被困在絮体和生物质的缝隙或者间隙中的水，可Ｗ通过强烈逡逑的机械力释放出来；逡逑（３）

线图,维表,去除效率,等高线

测的最优值结果是可信的。逡逑预测的模型方程的可视化可Ｗ通过响应曲面来实现，这个二次模型的等高逡逑线图是保持一个变量的最优化，另外两个变量在实验范围内做出的图，如图２．１逡逑所示。在等高线中的楠圆形图案表明Ｆｅ３＋和比0２剂量、阳和出0２剂量、Ｆｅ３＋逡逑剂量和ｐＨ均在水去除率送个响应上有显著的相互作用。图２．１ａ显示响应曲面逡逑的主峰落在Ｈ２０２设定的剂量范围内，但是最大点落在实验范围外面。因为过量逡逑的Ｈ２０２跟之前的描述一样，会导致泥饼严重地吸附到滤布上，并降低过滤速逡逑度，所１＾最佳的Ｈ２０２剂量在设定的范围边缘取得。图２．化和0展示了相似的逡逑响应曲面。相应的二维等高线表明水去除率随着ｐＨ的降低，Ｈ２０２剂量的降低逡逑而增大。不过最大峰位置落在了邋Ｆｅ３＋设定的剂量范围内。逡逑４０逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

【参考文献】