臭氧与零价铁/铁基生物炭协同调理市政污泥促进污泥深度脱水的研究

摘要

市政污泥是市镇污水处理厂的副产物，由于污泥中胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，简称EPS）亲水性强的特点，导致污泥难以脱水，极大地限制了污泥的后续处理与处置。近年来，铁基催化剂催化臭氧氧化技术被广泛应用于污水处理上，但是其在促进污泥深度脱水方面的应用及机理研究鲜有报道。本文开展了臭氧-零价铁以及臭氧-铁基生物炭调理污泥促进污泥深度脱水的研究。论文的主要内容包括： 1、臭氧-零价铁协同调理污泥促进污泥深度脱水及微生物灭活研究 将武汉市沙湖污水处理厂浓缩池排放的剩余污泥作为研究对象，将毛细吸水时间（Capillary Suction Time，简称CST）最小作为优化目标，对臭氧与零价铁调理污泥深度脱水的初始pH、臭氧投加量以及零价铁的投加量进行了配方优化。结果表明，在pH为2时，臭氧和零价铁的投加量分别为0.03g/g污泥总固体（Total Solids，简称TS）和63mg/gTS时，调理污泥的CST值达到最小，从原泥的10.45s L/gTS降低为1.63s L/gTS。在此最优实验条件下，通过小试污泥板框脱水实验，发现脱水泥饼的含水率为52.67%，远远低于原泥的脱水泥饼含水率（77.13%），说明臭氧与零价铁调理污泥可以极大地提高污泥的脱水性能。 为进一步探讨臭氧与零价铁协同调理污泥的作用机理及微生物灭活作用，对污泥物理化学指标以及调理前后污泥中大肠杆菌数目进行测定，研究结果表明：（1）调理污泥中紧密型EPS（Tightly Bound EPS，简称TB-EPS）中的总有机碳（TotalOrganic Carbon，简称TOC）、蛋白质（Protein，简称PN）、多糖（Polysaccharide，简称PS）的含量和三维荧光（Three-DimensionalExcitation-Emission Matrix，简称3D-EEM）的强度明显低于原泥TB-EPS中的含量和强度，而可溶型EPS（Soluble EPS，简称SB-EPS）中的TOC、PN和PS的含量明显高于原泥中的含量，说明污泥中难溶性的EPS被氧化降解为可溶性有机物释放到液相中。皮尔逊相关性分析表明影响污泥脱水性能的关键物质是TB-EPS中腐植酸类和微生物副产物有机物；（2）调理污泥的粒径增大，表明污泥颗粒在臭氧与零价铁反应生成的Fe3+的混凝作用下团聚长大，Zeta电位值由负变正，表明在Fe3+的电中和作用下电位增大；（3）电子自旋共振（Electron Paramagnetic Resonance，简称EPR）结果表明臭氧与零价铁作用机理中起主要作用的自由基为羟基自由基（?OH）；（4）大肠杆菌群实验表明调理污泥微生物灭活效果可能达到了美国环境卫生协会规定的A类污泥土地利用的标准。 2、臭氧-铁基生物炭协同调理污泥促进污泥深度脱水研究 在课题组前期基于污泥有机物（Volatile Solids，简称VS）配方优化的基础上，在800℃对脱水泥饼进行无氧热解，得到热解残渣（称之为铁基生物炭）。以CST值最小为目标，开展臭氧和铁基生物炭调理污泥促进污泥深度脱水的实验研究，对初始pH、臭氧投加量以及铁基生物炭的投加量进行了配方优化。结果表明，在pH为2时，当臭氧和铁基生物炭的投加量分别为0.03g/g TS和0.45g/g TS时，调理污泥的CST值达到最优值，从原泥的10.53s L/gTS降低为2.44s L/gTS。在此最优实验条件下，臭氧与铁基生物炭的小试污泥板框脱水实验结果表明，脱水泥饼的含水率为53.13%，远远低于原泥的脱水泥饼含水率（83.26%），说明臭氧与铁基生物炭调理污泥可以极大的提高污泥的脱水性能。铁基生物炭的X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）分析表明其成分主要为Fe3O4。臭氧与铁基生物炭调理污泥深度脱水的研究为下一步将脱水泥饼回用再调理污泥促进深度脱水的探索和应用奠定了坚实的基础。 3、不同价态铁（Fe0/Fe2+/Fe3+）催化臭氧促进深度脱水效果对比及经济成本分析 以CST降低率相同为比较对象，开展了臭氧和二价铁、臭氧和三价铁协同调理污泥促进污泥深度脱水的实验，结果表明，臭氧和二价铁、臭氧和三价铁调理污泥的效果明显，可以显著提高污泥深度脱水的能力。将实验结果与传统的Fenton试剂、臭氧和零价铁调理污泥的实验结果对比，进行成本经济性分析，结果表明臭氧和零价铁调理污泥的成本为198.6元/吨80%含水率污泥，低于臭氧和二价铁（203.8元/吨80%含水率污泥）及臭氧和三价铁（269.6元/吨80%含水率污泥）调理污泥的成本，并且明显远低于Fenton试剂调理污泥的成本（476.5元/吨80%含水率污泥）。

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