芬顿试剂与DDBAC联合调理污泥的工艺优化

中国环境科学2015,35(4)：1164~1172ChinaEnvironmentalScience芬顿试剂与DDBAC联合调理污泥的工艺优化邢奕1,王志强1,洪晨1,2*,刘敏1,司艳晓1(1.北京科技大学环境科学与工程系,北京100083；2.中国科学院生态环境研究中心,北京100083)摘要：研究了不同pH值下芬顿试剂(H2O2/Fe2+)与表面活性剂(DDBAC)联合调理对污泥脱水性能的影响,以污泥滤饼含水率(WC)和毛细吸水时间(CST)作为评价指标进行单因素试验,得出pH值以及药剂投加量最佳范围.然后通过以响应曲面优化法(RSM)为依据的Box-Behnken试验,建立了WC和CST减少率二次多项式预测模型,进而得到各影响因素的最优值.结果表明,联合调理过程中pH=3.91,H2O2、Fe2+和DDBAC的投加量分别为47.60,38.60,58.20mg/g时,WC降至60.26%,CST减少率升至89.89%,污泥脱水性能明显改善.同时,在最优条件下进行了验证试验,试验结果与模型预测值基本吻合,表明基于响应曲面法所得的最佳工艺参数准确可靠,对相关污泥处理及条件优化具有一定的指导意义.关键词：污泥调理；pH值；芬顿试剂；表面活性剂；脱水性能；响应曲面优化法中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)04-1164-09TechnologicaloptimizationofsludgeconditionedbyFenton’sreagentcombinedwithsurfactant.XINGYi1,WANGZhi-qiang1,HONGChen1,2*,LIUMin1,SIYan-xiao1(1.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；2.ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyScience,Beijing100083,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(4)：1164~1172Abstract：DewateringperformanceofsludgemodifiedbyFenton’sreagentcombinedwithsurfactant(DDBAC)invariouspHvalueswasinvestigatedinthisstudy.Capillarysuctiontime(CST)andwatercontentoffilteredcake(WC)wereusedtoevaluatethesludgedewaterabilityandsinglefactorexperimentwasconductedtoobtaintheoptimumrangeofpHandreagentdosage.ThenthequadraticpolynomialpredictionmodelsofWCandCSTreductionefficiencywereestablishedbyaBox-Behnkenexperimentaldesignbasedonresponsesurfacemethodology(RSM)toobtaintheoptimumoftheinfluencingvariables.TheresultsindicatedthattheoptimumvaluesforFe2+,H2O2,DDBACandpHwererespectively40mg/g(drysolids),40mg/g,60mg/gand4,atwhichtheWCof60.26%andtheCSTreductionefficiencyof89.89%couldbeachievedintheconditioningprocess.Meanwhile,verifyingexperimentwasdoneunderoptimalconditionsandtheresultsagreedwiththatpredictedbyanestablishedpolynomialmodel.Therefore,theoptimumparameterswhichwereobtainedbyRSMwereaccurateandreliable,andhadcertainguidingsignificanceforsludgetreatmentandconditionoptimization.Keywords：sludgeconditioning；pH；Fenton’sreagent；surfactant；dewaterability；responsesurfacemethodology城市污水处理厂剩余污泥有机物含量高,拥有高度亲水性,导致部分水分难以脱除[1-2],因此应该采取调理措施进行脱水减量化.有机高分子絮凝剂是最常用的化学调理剂[3],其通过吸附架桥作用促进污泥颗粒絮凝、增强结构以便于机械脱水[4],但此方法存在局限性,其只能提高污泥脱水速率,不能改善污泥脱水程度,脱水后的污泥含水率仍较高,不能满足最终处置的要求.近年来,芬顿试剂(H2O2/Fe2+)氧化技术单独使用或与其他处理手段联合使用作为污泥调理的替代方法[5],由于其简单高效性越来越受到国收稿日期：2014-09-10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104009);北京市科技新星计划项目(Z111106054511043);北京市优秀人才培养资助项目(2012D009006000003);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-12-011B);昆明市科技计划项目(2012-02-09-A-G-02-0001);广东省教育部产学研结合项目(2011B090400629)*责任作者,博士,[e-mail]4期邢奕等：芬顿试剂与DDBAC联合调理污泥的工艺优化1165内外学者的关注.许多学者研究表明[6-8],酸性条件下,H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反应活性的羟基自由基(·OH),·OH能够氧化污泥中的有机物,破坏细胞壁,使细胞内物质得到释放,从而改善污泥的脱水性能,Tony等[6]报道了与传统的高分子聚合物相比,芬顿试剂的投加有利于污泥毛细吸水时间(CST)的降低,改善污泥的脱水性能.Liu等[7]利用芬顿试剂和骨架结构联合调理污泥,结果表明芬顿试剂的加入有利于污泥比阻(SRF)减小,加快过滤速度,提高污泥的过滤性能.同时也有研究表明[9-10],表面活性剂凭借其特殊的亲水基和憎水基两个部分,可以改变污泥絮体的结构和表面性质,使污泥中的一部分束缚水转化成易被脱除的自由水,从而改善污泥的脱水性能,Yuan等[9]利用电解法和表面活性剂处理污泥,结果表明投加表面活性剂有利于污泥SRF和CST的降低,并且能够减小污泥粘度和Zeta电位.Chen等[10]通过研究表明,相比于无机调理剂FeCl3、CaO,投加表面活性剂更有利于降低污泥滤饼含水率(WC)和SRF,提高污泥的脱水性能.目前大多数研究以WC、CST和SRF等为指标,探讨不同的调理方法对污泥脱水性能的影响,而较少对污泥调理时的最佳条件进行优化.响应曲面优化法[11-13](RSM)通过对多个变量影响的问题进行建模和分析,找出预测的响应最优值以及相应的试验条件.该方法已广泛应用于科研领域的建模分析优化[14-15],其中包括污水处理以及污泥预处理过程的最优化研究,但在芬顿试剂和表面活性剂(DDBAC)联合调理污泥的最优化研究方面鲜有报道.本研究以WC和CST作为评价指标,考察不同pH下芬顿试剂和DDBAC联合调理对污泥脱水性能的影响,并通过以RSM为依据的Box-Behnken试验,建立多项式预测模型并分析其有效性,进而得到最优工艺参数,为相关污泥处理及条件优化提供参考和依据.1材料与方法1.1试验材料试验所用污泥取自北京小红门污水处理厂浓缩池,进一步浓缩至含水率95%左右,分析其基本性质后置于4℃冰柜中保存待用,污泥性质如表1所示,所有试验均在72h内完成.试验药品包括:阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵(DDBAC)、30%的H2O2、七水合硫酸亚铁、浓硫酸,以上药品均为分析纯.表1污泥的基本特性Table1Propertiesofsludgeusedinthisstudy参数数值总悬浮物(g/L)48.5~50.0挥发性悬浮固体(g/L)31.5~35.0pH值7.2±0.1污泥含水率(%)94.68~95.50滤饼含水率(%)79.54毛细吸水时间(s)191.51.2试验仪器电子分析天平,AB104-N型,梅勒特-托利多仪器(上海)有限公司;智能型混凝搅拌仪,MY-3000-6型,梅宇电器有限公司;电热鼓风干燥箱,DGF25003C型,重庆华茂仪器有限公司;循环水式多用真空泵,SHB-III型,郑州长城科工贸有限公司;毛细吸水时间测定仪,304M,TritonElectronics.1.3试验方法污泥调理脱水:将300mL试验用污泥倒入500mL烧杯,用4mol/LH2SO4溶液调节pH值,加入H2O2和FeSO4·7H2O,150r/min搅拌120min,然后加入DDBAC,150r/min搅拌30min,最后加入4mol/LNaOH调节至中性,终止反应.单因素试验:通过控制pH值以及H2O2、Fe2+和DDBAC在联合调理污泥时的投加量,考察单一因素对污泥脱水性能的影响.Box-Behnken试验[16]:根据Box-Behnken试验设计原理,在单因素试验基础上,采用四因素三水平响应曲面设计方法,试验因子及水平见表2.该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为:3332C0112()=+++iiiiiijijiiijYWEXXXXββββ===∑∑∑∑＜或(1)1166中国环境科学35卷式中:Y为预测响应值(WC为滤饼含水率,%;E为CST减少率,%);Xi和Xj为自变量代码值;0β为常数项;iβ为线性系数;iiβ为二次项系数;jiβ为交互项系数.按照Box-Behnken试验设计的统计学要求,需29组试验对上述方程的各项回归系数进行拟合.表2真实值和对应编码变量的范围和水平Table2Rangeandlevelsofnaturalandcorrespondedcodedvariables代码编码水平因素真实值编码值a-101pH值H2O2ε1ε2X1X2320440560Fe2+ε3X3204060DDBACε4X4406080注:aX1=ε1-4,X2=(ε2-40)/20,X3=(ε3-40)/20,X4=(ε4-60)/201.4分析方法滤饼含水率的测定:取50mL调理后的污泥倒入装有定量滤纸的布氏漏斗中(直径150mm),在真空压力为-0.055MPa的负压下进行抽滤脱水,待布氏漏斗30s内不再有滤液滤出停止抽滤,取下残留在滤纸上的滤饼称量,然后在105℃下干燥至恒重,计算滤饼含水率.计算公式如下:WC=(W1-W2)/W1×100%(2)式中:WC为滤饼含水率,%;W1为滤后污泥饼重量,g;W2为在105℃下烘干至恒重的滤饼重量,g.毛细吸水时间(CST)测定:采用毛细吸水时间测定仪,将少量污泥样品置于不锈钢漏斗内,开启仪器,至报警声响起时即可读取CST值,并计算CST减少率.计算公式如下:E=(CST0-CST)/CST0×100%(3)式中:CST0和CST分别表示调理前后污泥的毛细吸水时间,s.2结果与讨论2.1单因素试验2.1.1pH值对污泥脱水性能的影响在pH值为1~6条件下,芬顿试剂和DDBAC联合调理后污泥脱水性能的变化如图1所示,芬顿试剂投加量为H2O2/Fe2+=40/20mg/g(表示每克干污泥中