1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） Fenton 氧化 消解处理污水处理厂 污泥 试验研究 所在学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 利用 Fenton 试剂的强氧化性破解污泥中的 EPS，并通过释放出的多聚糖、蛋白质浓度以及 SCOD 的变化表征 EPS 的破解程度，重点考察 pH、反应时间、 H2O2/Fe2+、温度等条件对 EPS 破解的影响，旨在找出类 Fenton 试剂氧化污泥的适宜条件，结果表明 :pH3, H2O2 和 Fe2+投加量分别为 8g/L 和 0.5g/L,反应时间 90min 为 Fenton 氧化破解污泥
2、的最佳反应条件。该条件下经 Fenton 氧化，污泥上清液中的 SCOD、多聚糖浓度分别由162.5mg/L、 24.01mg/L 增加到 4537.5mg/L、 182.29mg/L；该条件下 , Fenton 氧化法能有效破解污泥 ,提高污泥的沉降性 ,改善 污泥的脱水性 ,有利于污泥的减量化与资源化利用。 关键字 ： Fenton 氧化 ; 剩余污泥 ; 多聚糖 ; TSS II Study of Sewage Sludge Disintegration by Fenton Oxidation Abstract Fenton oxidation was used to disintegr
3、ate EPS of sludge with its strong oxidation ability. The concentration of polysaccharide, protein and the change of soluble chemical oxygen demand (SCOD) disintegrated from EPS represent the EPS disintegration degree. The objective of this study was to optimize the operational conditions for EPS dis
4、integration with Fenton oxidation. It was shown that the optimal operational conditions were as following: pH3, reaction time = 90min, H2O2/Fe2+ (weight dosage ratio) = 8:1.2. Under this condition after Fenton oxidation, SCOD, concentration of polysaccharide, protein in the supernate increased from
5、162.5mg / L, 24.01mg / L to 4537.5mg / L, 182.29mg / L., respectively. As a result, EPS was effectively disintegrated by Fenton oxidation and the sludge was greatly mineralized, which benefited further sludge reduction and utilization. Keywords: Fenton Oxidation; Sewage sludge; Polysaccharide;total
6、suspended solid ( TSS) 目录 1 绪论 . 1 1.1 污泥的产生、处理和处置 . 1 1.1.1 城市污泥的产生 . 1 1.1.2 污泥的来源及种类 . 1 1.1.3 污泥的理化性质 . 2 1.1.4 污 泥的处理与处置 . 5 1.2 胞外聚合物的性质及其对污泥性质的影响 . 6 1.2.1 胞外聚合物的组成和性质 . 6 1.2.2 胞外聚合物对活性污 泥沉降性和絮凝性能的影响 . 6 1.2.3 胞外聚合物对污泥脱水性能的影响 . 7 1.3 Fenton 体系的发展及其在污泥处理方面的应用 . 8 1.3.1 Fenton 体系的发展 . 8 1.3.2
7、Fenton 调理稳定剩余污泥的作用机制 . 8 1.3.3 Fenton 氧化处理剩余污泥的主要影响因素 . 8 1.3.4 Fenton 试剂在污泥处理中的应用 . 9 2 试验部分 . 10 2.1 引言 . 10 2.2 实验目的 . 10 2.3 实验仪器和试剂 . 10 2.3.1 实验仪器 . 10 2.3.2 实验试剂 . 10 2.4 主要特征参数与测定方法 . 10 2.4.1 pH . 10 2.4.2 含水率 . 10 2.4.3 TSS（总悬浮固体） . 11 2.4.4 SCOD . 11 2.4.5 多聚糖浓度 . 11 2.5 供试污泥 . 11 2.6 实验内
8、容 . 11 3 结果与讨论 . 13 3.1 正交试验结果分析 . 13 3.2 pH 对 EPS 破解的影响 . 13 3.3 双氧水用量对 EPS 破解的影响 . 14 3.4 Fe2+ 投加量对 EPS 破解的影响 . 15 3.5 反应时间对 EPS 破解的影响 . 16 4 总结与展望 . 17 参考文献 . 18 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪论 1.1 污泥的产生、处理和处置 1.1.1 城市污泥的产生 随着城市化进程的加快和人们生活水平的不断提高，公众对环境问题越来越关注，对环境质量的要求也日渐提高。为防止水域污染、该改善生态环境，我国大部分城市建设了集中式城市生
9、活污水处理厂。现行的污水处理技术主要通过微生物代谢作用联合必要的物理化学方法，将污水中的污染物大量转移到剩余污泥 1-3中，其实质是污染物的相转移，水污染问题被转换成固体废物的处理处置问题。由于技术、环境、经济、社会和法 律等多方面的原因，剩余污泥的处理处置已经成为目前世界范围内污水处理面临的一个瓶颈难题 5。 截至 2004 年底，我国共建成城市污水处理厂 708 座，城市污水处理能力达7.387107m3/d7。按污泥产量占处理水量的 0.3-0.5%（以含水率 97%计）计算，我国城市污水厂污泥的产量为（ 76.02-126.70） 103m3/d。剩余污泥含水量高达 98%，导致剩余污
10、泥具有庞大的体积；剩余污泥有机质含量高达 70%，而且含有大量的寄生虫卵、病原微生物及重金属等，易腐烂，具有强烈的臭味 10；另外，从剩余污泥 中不断检测出各种持久性有机物、内分泌干扰物等，增加了污泥的毒性和处理难度。 2005 年我国的污水污泥产量高达 350 万吨（干污泥），且在高速增长。如此大量的剩余污泥如果不妥善处理处置，将形成二次污染。城市污泥处理中，国内外工业界普遍采用传统的浓缩稳定（消化）脱水处置（填埋或农用或焚烧）。处理费用非常昂贵，污水处理厂剩余污泥的处理处置费用通常约占整个污水处理厂费用的 25-65%4。我国污泥处理起步较晚，投资不足、技术落后，因此造成约 80%污水处理
11、厂的污泥得不到妥善处理被排入环境，造成二次污染，花费巨资建 设并运行的污水处理厂对环境的改善作用被极大削弱。因此，如何将产量大、成分复杂的污泥科学的减量化、无害化和资源化，已成为我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一。 1.1.2 污泥的来源及种类 生活污水和工业废水 5-8的处置过程中分离或截流的固体物质统称为污泥。污泥作为污水处理的副产物通常含有大量的有毒、有害或对环境产生负面影响的物质。污泥中的固体物质可能是污水中早已存在，如各种自然沉淀池中截流的悬浮物质；也可能是污水处理过程中转化形成的，如生物处理和化学处理过程中，由原来的溶解性物质和胶体物质转化而来的生 物絮体和悬浮物质；还可能是污
12、水处理过程中投加的化学药剂带来的。 2 污泥的性质和组成主要取决于污水的来源，同时还和污泥处理工艺有密切关系。按污水处理工艺的不同，污泥可分为以下几种 9： 1) 初沉污泥：来自污水处理的初沉池。 2) 剩余污泥：来自污水生物处理系统的二沉池或生物反应池。 3) 消化污泥：经过厌氧消化或好氧消化处理后的污泥。 4) 化学污泥：用混凝、化学沉淀等化学方法处理污水时所产生的污泥。 表 1-1 不同污水处理工艺的污泥产量（干污泥 /污水， g/ m3） 处理工艺 产量范围 典型值 初次沉淀 11070 150 活性污泥法 70100 85 深度曝气 80120 100 氧化塘 80120 100 过
13、滤 1025 20 化学除磷，低剂量石灰（ 350500mg/L） 240400 300 化学除磷，高剂量石灰（ 8001600mg/L） 6001350 800 反硝化 1030 20 1.1.3 污泥的理化性质 污泥的理化性质主要包括：含水（固）率、胞外聚合物（ EPS）有机（挥发性）和无机物（灰分）的含量、植物养分含量、有害物质（重金属）含量等。城市污水处理厂污泥是以有机物为主，有一定 的反应活性，理化特性随处理状况的变化而不同，相关数据分别列于下表中。 城市污水处理厂污泥主要来自初沉池污泥和剩余活性污泥，含水率高达 9599.5%，初沉污泥正常情况下为棕褐色，腐败后变为灰黑色， pH5
14、.57.5,略偏酸性，含固率约24%，固体物质以有机物为主，主要包含蛋白质、碳水化合物和脂肪。剩余污泥为絮状黄褐色， pH6.57.5，含固率约 0.50.8%，固体物质基本是生物残体，有机组分常在7080%，污泥龄较短的污泥极易发臭。浓缩污泥为灰黑色， pH6.57.5。污泥的固体物质有 5 部分组成：具 有活性的微生物群体；微生物自身氧化残留物（这部分物质难降解）；不易被微生物降解的惰性有机物；无机物质；容易降解的有机物。污泥中主要有害物质为重金属和病原菌微生物，其中重金属是限制污泥大规模土地利用的最重要因素。未经处理的污泥中含有各种病原菌和寄生虫可以通过各种途径传播，危害人畜健康，并对植
15、被产生影响，这也是限制污泥土地利用的因素之一。 我国居民食品结构与发达国家不同，因而城市污泥的性质与国外有所差异。有研究表明我国城市污泥有机物含量较低，约为 36.63%，氮、磷、钾的平均含量约为 2.75、3 1.03、 0.74%。而由于城市居民消费的肉类和奶制品较少，致使污泥所含有机物中淀粉、糖类、纤维素等碳水化合物含量高（ 50%），而脂肪和蛋白质含量低（分别为 20%和 30%）。此外，我国城市污水污泥含有较高的热值， C:N 约（ 1020）： 1， pH6.57.0，总碱度1626mg/L。城市污水处理厂污泥的基本性质见下表 1-2。 表 1-2 城市污水处理厂污泥的基本性质 项
16、目 初次沉淀池 剩余活性污泥 厌氧消化污泥 pH 5.08.0 6.58.0 6.57.5 干固体总量 % 38 0.51.0 5.010.0 挥发性固体总量（以干重计） 6090 6080 3060 固体颗粒密度 /（ g/c m3） 1.31.5 1.21.4 1.31.6 容重 1.021.03 1.01.005 1.031.04 BOD5/VS 0.51.1 COD/VS 1.21.6 2.03.0 碱度（以 CaCO3 计） /（ mg/L） 5001500 200500 25003500 污泥中又含有丰富的 N、 P、 K 等营养元素及植物所必须的各种微量元素 Ca、 Mg、Cu、
17、 Zn、 Fe 等 ,能 够改良土壤结构 ,增加土壤肥力 ,促进作物的生长。我国污水厂污泥热值较高 ,发热量约为 8 360 kJ/kg。一般情况下 ,只要控制好含水率 ,污泥不需要添加辅助燃料能自持燃烧 ,可作为非常规能源使用。例如 ,干燥后相当于褐煤 ,可以直接当燃料或发酵产生沼气做燃气使用等。 1） 含水（固）率 单位质量污泥所含水分的质量百分数称为含水率，相应的固体物质在污泥中所占的百分数，称为含固率。污泥含水率一般都很高，而含固率较低，相对密度接近于 1。几种有代表性的污泥含水率及其状态见表 1-3、 1-4。 表 1-3 代表性污泥的含水率 名称 含水率 /% 名称 含水率 /%
18、栅渣 80 活性污泥 9094 沉渣 60 空气曝气 9899 浮渣 9597 纯氧曝气 9698 腐殖污泥 9698 慢速滤池 93 初次沉淀污泥 9597 快速滤池 97 混凝污泥 93 4 表 1-4 污泥含水率及其状态 含水率 污泥状态 90%以上 几乎为液体 8090% 粥状物 7080% 柔软状 6070% 几乎为固体 50% 粘土状 2）胞外聚合物（ EPS） 污泥中含有大量的胞外聚合物（ EPS）， EPS 是细菌细胞壁周围用以 保护细胞并阻止其脱水的小合胶囊或粘液的聚合体，决定污泥的理化性质和生物特性。其质量（包括其结合水）约占污泥固体质量的 80%12-13，主要成分是具有
19、亲水性和粘性的多聚糖、蛋白质、核酸、脂质和 DNA 等高分子物质，这些由长链分子构成的物质大多为有机物。污泥中的有机物组成见表 1-5。 表 1-5 污泥中的有机物组成 有机物种类 初次沉淀污泥 二次沉淀污泥 厌氧消化污泥 有机物含量 /% 6090 6080 3060 纤维素含量（占干重） /% 815 510 815 半纤维素含量（占干重） /% 24 木质素含量（占干重） /% 37 油脂和脂肪含量（占干重） /% 635 512 520 蛋白质（占干重） /% 2030 3241 1520 碳氮比 （ 9.410） :1 (4.65.0):1 由表可知，污泥中有机物含量较多， C、 H
20、、 N、 O 组成约为： 50.8、 7.56、 6.11、33.5%。有机物可以用来改善土壤颗粒的渗透性、通透性和聚集性，提高保水性和保肥性，是良好的土壤改良剂。只有当 EPS 中的有机物质释放出来时，才能被植物吸收，表现出肥力。因此，不 论从污泥脱水或是从农用的角度来讲， EPS 破解都是值得研究的。 3）植物养分含量和热值 植物生长必需的常量营养元素包括碳、氮、磷、钾、钙、锰和硫，其中氮、磷、钾最容易缺乏，常需要以肥料的形式添加到土壤中。尽管污泥中含有的常量营养元素和微量营养元素与土壤的需要量比起来相对较少，但它们可以提供土壤所需的各种营养元素，包括氮、磷、钾、钙、锰以及其他必需的微量营
21、养元素，其中氮、磷、钾在污泥中的资源化利用方面起着非常重要的作用。 污泥因含有机物而具有燃料价值。污泥热值较高，干燥后相当于褐煤，可以直接用作燃料或发酵产生沼 气作燃料使用。 5 4）有害物质（重金属）含量 污水污泥虽然含有大量的有机质及氮、磷等植物养料，但也富集了污水中 5080%以上的重金属。我国多数城市污泥中 Cu、 Zn、 Pb、 Cr 等重金属含量均可达数百至数千mg/kg，而某些工业污泥中重金属（如 Cr）甚至可高达 4%。因此，了解重金属的种类和含量是对城市污泥进行合理处置利用的基础。 重金属是指密度在 5.0 以上的 45 种元素。砷、硒是非重金属，但是它们的毒性及某些性质与重
22、金属相似，所以也将它们列入重金属污染范围内。环境污染方面所指的重金属主要指生物毒性显著的汞、镉、铅 、铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物。 污泥重金属含量主要取决于城市污水厂中工业废水的含量及性质。污水经二级处理后，其重金属离子 50%以上转移到污泥中。 Zn 是我国城市污泥中平均含量最高的重金属，超标率高达 55%，其次是 Cu、 Cr，毒性较大的元素 Hg、 As 含量往往较低。我国城市大量使用镀锌管道导致城市污水中 Zn 含量较高。 1.1.4 污泥的处理与处置 污水污泥处理处置是污水处理中的重要组成部分，其处理程度的好坏是评价污水处理状况的重要标准。我
23、国，污泥处理费用约占污水处理厂总运 行费用的 2050%，投资占污水处理厂总投资的 3040%，发达国家污泥处理投资约占总投资的 5070%。由此看出，我国的污泥处理处置处于滞后状态，污泥处理与处置的目的主要有：减量化、稳定化、无害化和资源化。目前，污泥的处理已由过去的浓缩、脱水、干化、露天简易堆放等初级处理发展到堆肥发酵、卫生填埋、焚烧发电、生产各种建筑材料等资源化处理阶段，各种新技术不断涌现。作为最终固体废物的处置，污泥主要采用焚烧、卫生填埋和土地利用等技术。 污泥的卫生填埋始于 20 世纪 60 年代，是目前我国污泥处置的主要方法。其优点是投资 省，运行费用低、操作简单、管理方便、适应能
24、力强，缺点是占地面积大、易渗漏污染地下水或地表水。此外，高含水率、高粘度给填埋操作带来困难，会堵塞渗滤液收集系统，威胁填埋场安全。随着可供填埋空间的减少，污泥量的不断增加、监管措施越来越严，污泥处置方法中填埋所占的比例正逐渐减少。 美国环保局估计今后 20 年内 ,美国现有 80%的填埋场将关闭。 污泥焚烧是最彻底的污泥处置方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度的减少污泥体积。但焚烧的设备、能源及操作费用都很昂贵 ,易产生大气污染问题。 以上两种法式由于场地的限制、 费用昂贵、造成二次污染等原因相继被限制或禁止。 污泥土地利用是一种积极有效且安全的处置方法。我国是发展中国家，又是农
25、业大国，污泥农用处置是一种符合国情的首选方法。可用于农田、林地、育苗、草地、公园、高速公路绿化带和高尔夫球场以及尾矿堆、采石场、露天矿坑的固定等。城市污水处理6 厂污泥含有 N、 P 等农作物生长所必需的肥料成分 ,其有机腐殖质是良好的土壤改良剂 ,将之农用具有良好的环境效益和经济效益。通过土地利用可达到污泥的稳定化、无害化、资源化的目的。 城市污泥的处理目前存在的问题集中在脱水成本高，垃圾填埋场不愿意处理 。大量富含有机物的污泥暴露在空气中，非常容易发臭，且不能被当做肥料来使用。这些污泥又会招来蚊虫苍蝇，农药灭虫又在无形中增加了二度污染的可能。而随着污水处理厂建立的越来越多，污泥的产量也在增
26、加，但中国重水轻泥又缺乏足够的资金，让城市污泥处理陷入一种两难境地。城市污泥的含水量大，污泥含水率达到 80%以后就很难再依靠机械脱水机进一步脱水，常见的方法是采用加热蒸发的方法将水除掉，但成本高。 污泥处理成本高，中国资金投入比例不到外国 1/4。污泥处理方面的专家认为，生物处理应主导城市污泥处理，这也是当下的国际主流。从城 市污泥中提取氨基酸微肥，污泥中的重金属能提供植物所需要的微量元素，细菌蛋白质正好是植物所需要的氨基酸，残余污泥制作成了污水处理需要的生物陶粒，一举多得，能实现污泥的减量化、无害化和资源化。 1.2 胞外聚合物的性质及其对污泥性质的影响 1.2.1 胞外聚合物的组成和性质
27、 胞外聚合物（ Extracellular Polymeric Substances， EPS）是在一定条件下由微生物主要是细菌分泌于体外的高分子聚合物，在细胞外形成保护层，保护细胞免受外部环境的影响，同时为饥饿环境中的细胞提供碳源和能源。 EPS 组成比较复杂，其中主要为多糖和蛋白质，约占 EPS 总量的 7080%19-20；腐殖质、核酸、糖醛酸、脂类和氨基酸等也是 EPS 中常见的物质。 Sutherland 等 27在早期研究中发现纯培养污泥 EPS 中含量最高的为多糖。 EPS 是带负电荷、高含水的凝胶状基质，能较长时间固存微生物，利于形成稳定的互生微生物菌落。 EPS 相对分子质量
28、处于几千到几百万范围内，分子结构还带有各种各样的官能团。由于其含有较多的硫酸根、磷酸根和羧基等负电官能团而氨基等正电官能团很少，因而几乎所有的活性污泥表面电荷都是负值。 EPS 还可 以吸附金属、非金属、大分子物质，能与许多金属离子 Cu2+ 、 Cr2+ 、 Pb2+ 螯合形成多种介太的复合物。 EPS 能改变污泥表面电荷、絮凝沉淀和脱水性能等性质，进而影响到污泥处理的工艺和费用。 1.2.2 胞外聚合物对活性污泥沉降性和絮凝性能的影响 胞外聚合物可分为紧密粘附的胞外聚合物（ Tightly Bound EPS， TB）和松散附着的胞外聚合物（ Loosely Bound EPS ， LB）两部分。 EPS 对生物絮凝有促进作用。胞外多糖包裹细胞壁，降低了细胞的有效临界电势而发生絮凝。而 EPS 中含有脂类、 蛋白质等疏水分子，可使污泥表面呈局部疏水性；同
