fenton試劑及其在污泥處理方面的研究進展[文獻綜述]

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　環(huán)境工程</b></p><p>　　Fenton試劑及其在污泥處理方面的研究進展</p><p>　　前言部分（說明寫作目的，介紹有關概念、綜述范圍，扼要說明有關主題或爭論焦點）</p><p>　　城市生活污水處

2、理廠剩余污泥體積龐大、成分復雜制約著污泥減量化和資源化，脫水是污泥減量的關鍵，其困難在于大量胞外聚合物(extracellular polymeric substances , EPS) 的存在。 EPS是細菌細胞壁周圍用以保護細胞并阻止(其脫水的水合膠囊或粘液的聚合體，決定污泥的理化性質和生物特性，其質量(包括其結合水)約占污泥固體質量的80 % ，主要成分是具有親水性和粘性的多聚糖、蛋白質、核酸、脂質和 DNA 等高分子物質。Fen

3、ton試劑在生活污水和特種廢水處理中已得到深入研究，國內(nèi)外有關 EPS 性質、提取和應用的研究也相當深入。而將 Fenton 試劑用于污泥處理領域的研究尚少。</p><p>　　1.1 Fenton試劑及其降解有機物的機理</p><p>　　過氧化氫與催化劑Fe2+構成的氧化體系通常稱為Fenton試劑。在催化劑作用下，過氧化氫能產(chǎn)生兩種活潑的氫氧自由基，從而引發(fā)和傳播自由基鏈反應，加

4、快有機物和還原性物質的氧化。Fenton試劑一般在pH 3.5下進行，在該pH值時基自由基生成速率最大。 </p><p>　　Fenton試劑之所以具有非常高的氧化能力，是因為在Fe2+離子的催化作用下H202的分解活化能較低(34．9 kJ／too1)，能夠分解產(chǎn)生羥基自基OH·[1]。同其它氧化劑相比，羥基自由基具有更高的氧化電極電位，因而具有很強的氧化性能。</p><p&g

5、t;　　1.2 Fenton試劑的影響因素 </p><p>　　根據(jù)上述Fenton試劑反應的機理可知，羥基自由基OH·是氧化有機物的有效因子，而[Fe2+]、[H2O2]、[OH-]決定了羥基自由基OH·的產(chǎn)量，因而決定了與有機物反應的程度。影響該系統(tǒng)的因素包括溶液pH值、反應溫度、H2O2投加量及投加方式[2]、催化劑種類、催化劑與H2O2投加量之比等。</p><p

6、>　　1.3 本課題中的相關術語</p><p>　　VSS：是指污泥中揮發(fā)性固體含量，它反映污泥的穩(wěn)定性，通常用于表示污泥中得有機物的量，常用mg/L表示，有時也用重量百分數(shù)表示，此處用重量百分數(shù)表示。</p><p>　　COD，即化學需氧量，指在酸性條件下，用強氧化劑將有機物氧化為CO2、H2O所消耗的氧量。</p><p>　　多聚糖濃度:指的是污泥液

7、相中深解性多聚糖的濃度，采用苯酚硫酸法測定。</p><p>　　主題部分（闡明有關主題的歷史背景、現(xiàn)狀和發(fā)展方向，以及對這些問題的評述）</p><p>　　1894年，化學家Fenton首次發(fā)現(xiàn)有機物在(H2O2)與Fe2+組成的混合溶液中能被迅速氧化，并把這種體系稱為標準Fenton試劑，可以將當時很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯類氧化為無機態(tài)，氧化效果十分明顯。Fenton試劑是

8、由H2O2和Fe2+混合得到的一種強氧化劑，特別適用于某些難治理的或對生物有毒性的工業(yè)廢水的處理。由于具有反應迅速、溫度和壓力等反應條件緩和且無二次污染等優(yōu)點，近30年來，其在工業(yè)廢水處理中的應用越來越受到國內(nèi)外的廣泛重視。 </p><p>　　20世紀90年代提出了污泥減量化的新概念，它是指在剩余污泥資源化利用的基礎上，借助物理、化學、生物等手段使整個污水處理系統(tǒng)向外排放的生物固體量達到最少，其中主要是依靠降

9、低生物產(chǎn)率或促進細胞溶解使其溶解產(chǎn)物用于微生物生長這兩種措施，即污泥前置減量化或污泥的首端(源)削減。污泥前置減量技術中的高級氧化技術主要是通過溶胞作用，加速微生物的隱性生長來實現(xiàn)污泥減量。主要包括臭氧氧化、氯氣氧化、光一Feton試劑氧化、超臨界水氧化和濕式氧化法等。這些方法由于效果顯著而得到越來越多的關注。</p><p>　　2.1 城市污泥的產(chǎn)生</p><p>　　隨著城市化進程

10、的加快和人們生活水平的不斷提高，公眾對環(huán)境問題越來越關注，對環(huán)境質量的要求也日漸提高。為防止水域污染、該改善生態(tài)環(huán)境，我國大部分城市建設了集中式城市生活污水處理廠?，F(xiàn)行的污水處理技術主要通過微生物代謝作用聯(lián)合必要的物理化學方法，將污水中的污染物大量轉移到剩余污泥中，其實質是污染物的相轉移，水污染問題被轉換成固體廢物的處理處置問題。由于技術、環(huán)境、經(jīng)濟、社會和法律等多方面的原因，剩余污泥的處理處置已經(jīng)成為目前世界范圍內(nèi)污水處理面臨的一個瓶

11、頸難題。</p><p>　　截至2004年底，我國共建成城市污水處理廠708座，城市污水處理能力達7.387×107m3/d。按污泥產(chǎn)量占處理水量的0.3-0.5%（以含水率97%計）計算，我國城市污水廠污泥的產(chǎn)量為（76.02-126.70）×103m3/d。剩余污泥含水量高達98%，導致剩余污泥具有龐大的體積；剩余污泥有機質含量高達70%，而且含有大量的寄生蟲卵、病原微生物及重金屬等，易

12、腐爛，具有強烈的臭味；另外，從剩余污泥中不斷檢測出各種持久性有機物、內(nèi)分泌干擾物等，增加了污泥的毒性和處理難度。2005年我國的污水污泥產(chǎn)量高達350萬噸（干污泥），且在高速增長。如此大量的剩余污泥如果不妥善處理處置，將形成二次污染。城市污泥處理中，國內(nèi)外工業(yè)界普遍采用傳統(tǒng)的濃縮－穩(wěn)定（消化）－脫水－處置（填埋或農(nóng)用或焚燒）。處理費用非常昂貴，污水處理廠剩余污泥的處理處置費用通常約占整個污水處理廠費用的25-65%。我國污泥處理起步較晚

13、，投資不足、技術落后，因此造成約80%污水處理廠的污泥得不到妥善處理被排入環(huán)境，造成二次污染，花費巨資建設并運行的污水處理廠對環(huán)境的改善作用被極大削弱。因此，如何將產(chǎn)量大、成分復雜的污泥科學的減</p><p>　　2.2 城市污泥的處理</p><p>　　城市污泥的處理目前存在的問題集中在脫水成本高，垃圾填埋場不愿意處理。大量富含有機物的污泥暴露在空氣中，非常容易發(fā)臭，且不能被當做肥料

14、來使用。這些污泥又會招來蚊蟲蒼蠅，農(nóng)藥滅蟲又在無形中增加了二度污染的可能。而隨著污水處理廠建立的越來越多，污泥的產(chǎn)量也在增加，但中國重水輕泥又缺乏足夠的資金，讓城市污泥處理陷入一種兩難境地。城市污泥的含水量大，污泥含水率達到80%以后就很難再依靠機械脫水機進一步脫水，常見的方法是采用加熱蒸發(fā)的方法將水除掉，但成本高。 </p><p>　　污泥處理成本高，中國資金投入比例不到外國1/4。污泥處理方面的專

15、家認為，生物處理應主導城市污泥處理，這也是當下的國際主流。從城市污泥中提取氨基酸微肥，污泥中的重金屬能提供植物所需要的微量元素，細菌蛋白質正好是植物所需要的氨基酸，殘余污泥制作成了污水處理需要的生物陶粒，一舉多得，能實現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化。</p><p>　　國內(nèi)外將Fenton反應用于水環(huán)境領域的研究已取得顯著成效，為提高其反應效率和經(jīng)濟實用性，人們把Fenton反應生物法、超聲波法、混凝法等方法聯(lián)

16、用來處理高濃度、難生物降解的有機、有毒廢水，既提高處理效率又降低處理成本。</p><p>　　2.3 胞外聚合物的性質及其對污泥性質的影響 </p><p>　　1.3.1 胞外聚合物的組成和性質 </p><p>　　胞外聚合物是在一定條件下由微生物主要是細菌分泌于體外的高分子聚合物[2]，在細胞外形成保護層，保護細菌免受外部環(huán)境的影響，同時為饑餓環(huán)境中的細胞提

17、供碳源和能量。EPS組成比較復雜，主要為多糖和蛋白質，約占EPS總量的70~80%；腐殖質、核酸、糖醛酸、脂類和氨基酸等也是EPS中常見的物質。</p><p>　　EPS是帶負電荷、高含水的凝膠狀基質[3]，能較長時間固存微生物，利于形成穩(wěn)定的互生微生物菌落。EPS相對分子質量處于幾千到幾百萬范圍內(nèi)，分子結構還帶有各種各樣的官能團。EPS還可以吸附金屬、非金屬、大分子物質，能與許多金屬離子螯合形成多種介態(tài)的復合

18、物。EPS能改變污泥表面電荷、絮凝沉淀和脫水性能等性質，進而影響到污泥的工藝和費用。</p><p>　　1.3.2 胞外聚合物對活性污泥沉降性和絮凝性能的影響</p><p>　　胞外聚合物可分為緊密黏附的胞外聚合物和松散附著的胞外聚合物兩部分。EPS對生物絮凝有促進作用。胞外多糖包裹細胞壁，降低了細胞的有效臨界電勢而發(fā)生凝絮。而EPS中含有脂類、蛋白質等疏水分子，可使污泥表面呈局部疏水

19、性；同時，EPS含有能與二價陽離子結合的陰離子基團，這種高分子聚合物可以在顆粒間起到架橋作用。同時有研究表明：EPS的存在不利于污泥沉降，污泥表面離子化聚合物的濃度和性質決定了污泥表面的電荷，隨著EPS濃度增大，污泥電泳遷移率增大，由于系統(tǒng)間斥力導致污泥沉降性能惡化；并且EPS得主要成分蛋白質、糖類和DNA含量都與SVI成正比關系[4]，認為污泥的沉降性能與高濃度的EPS有關。</p><p>　　1.3.3 胞

20、外聚合物對污泥脫水性能的影響</p><p>　　污泥的毛細吸水時間和過濾比阻抗值是被廣泛用作衡量污泥脫水性能的兩項指標[1]。毛細吸入時間等于污泥與濾紙接觸時，在毛細管作用下，其水分在濾紙上滲透1cm長度的時間，以秒計；比阻抗是指在一定壓力下單位質量的污泥在單位過濾面積上阻力的大小。污泥的毛細吸入時間越短、比阻抗越小，污泥的過濾性能越好。但這兩項指標考慮到的只是污泥的過濾性，有些污泥的過濾性雖很好，仍有大量的水

21、分殘留在污泥中，因此，需考察脫水后泥餅的含固率。</p><p>　　Forster發(fā)現(xiàn)高含水性的EPS，對保護污泥中有機質免于被干燥起著重要的作用，為微生物生存提供了良好的環(huán)境，但其增加的結合水卻成為污泥脫水的一大障礙。在微生物活性污泥中，多糖和蛋白質的結合水是EPS的總量占活性污泥中微生物總量的80%以上，可以通過降解EPS來改善污泥的脫水性能。</p><p>　　2.4 Fento

22、n體系的發(fā)展及其在污泥處理方面的應用</p><p>　　2.4.1 Fenton體系的發(fā)展 </p><p>　　在有機化學中，以人名命名的化學反應和試劑很多，而在無機化學中，以人名命名的反應和試劑很少見，F(xiàn)enton試劑就是這為數(shù)不多的其中之一。1894年，法國科學家H.J.HFenton發(fā)現(xiàn)過氧化氫與二價鐵離子相結合的體系具有強氧化性，能氧化多種有機物。為紀念這一發(fā)現(xiàn)，人們將亞鐵鹽和

23、過氧化氫的組合稱為Fenton試劑，由Fenton試劑介導的反應稱為Fenton反應。由于Fenton試劑可將一般有機物完全氧化為無機態(tài)，其氧化性極強，所以在發(fā)現(xiàn)之后的近100年時間里Fenton試劑在化學領域并沒有得到廣泛應用，直到20世紀70年代，水環(huán)境污染成為全球性難題，F(xiàn)enton試劑由于其在降解持久性有機物方面的特殊優(yōu)勢而得到廣泛應用。</p><p>　　2.4.2 Fenton調理穩(wěn)定剩余污泥的作用

24、機制 </p><p>　　剩余污泥經(jīng)過Fenton氧化處理后，其脫水性能顯著提高。污泥中的水主要以自由態(tài)和鍵合態(tài)兩種方式存在。自由態(tài)的水可以由簡單的機械脫水去除，而鍵合態(tài)的水則不能，污泥脫水的困難在于如何脫除污泥中鍵合態(tài)的水。通常認為，污泥中EPS含量越多，鍵合態(tài)的水分子也越多，污泥的脫水性越差。因此污泥脫水的關鍵在于如何破解污泥中EPS，將鍵合態(tài)的水釋放。Fenton試劑可以氧化破解污泥中的EPS，促使污泥中

25、鍵合態(tài)的水被釋放，從而提高污泥的脫水性能。部分EPS被提取出來后污泥絮體被破碎成小顆粒，而污泥顆粒本身帶有負電[5]，互相排斥，最終形成一個穩(wěn)定的分散系統(tǒng)，導致污泥的脫水性能變差。目前，F(xiàn)enton氧化提高污泥脫水性能的機理還不清楚。</p><p>　　2.4.3 Fenton氧化處理剩余污泥的主要影響因素</p><p>　　PH是Fenton反應的重要控制參數(shù)，同時自身對污泥的性質也

26、產(chǎn)生直接影響。研究表明，PH為3時Fenton氧化可以到達最佳反應效果[7]。</p><p>　　H202 投加量是Fenton氧化體系最為關鍵的因素。隨著H202 投加量的增加，污泥的脫水性能以及脫水后泥餅的含固率大幅度提高；同時隨H202 投加量的增加，污泥中更多的有機物被氧化，更多的重金屬離子被釋放到液相，提高了污泥的穩(wěn)定性和安全性。</p><p>　　Fe2+ 雖然在反應中作為

27、催化劑用量較少且成本不高，但是Fe在Fenton反應體系[9]的作用卻是非常重要的。Fe2+ 的投加量越小，H202 分解產(chǎn)生的自由基就越少，而且污泥中的有機物本身就Fenton循環(huán)反應存在抑制作用，因此Fenton反應速率會降低，甚至使反應停止而影響最終的處理效果[8]。</p><p>　　反應溫度對反應體系的影響也很大。隨著反應溫度的升高，體系的反應速率隨之加快，氧化效率提高，可以減少H202 的投量。&l

28、t;/p><p>　　反應時間對污泥處理的影響主要是因為反應時間影響Fenton反應的進行。Fenton氧化反應非常劇烈，所以反應時間通?？刂?-2小時內(nèi)。研究表明，利用Fenton氧化對污泥進行破解時，在1h反應時間內(nèi)，污泥上清液中的SCOD、蛋白質、多糖等指標急劇上升，反應時間在1-1.5h，上述各項指標逐漸趨于穩(wěn)定[10]，1.5h后各項指標基本不再變化。</p><p>　　污泥自身的

29、濃度對最終處理結果也有一定影響。污泥濃度越高，其成分就越加復雜，污泥性質就越不穩(wěn)定，從而在實際運行中難以確定各項運行參數(shù)。</p><p>　　2.4.4 Fenton試劑在污泥處理中的應用</p><p>　　1894年，化學家Fenton首次發(fā)現(xiàn)有機物在(H202)與Fe2+組成的混合溶液中能被迅速氧化，并把這種體系稱為標準Fenton試劑，可以將當時很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯

30、類氧化為無機態(tài)，氧化效果十分明顯。Fenton試劑是由H202和Fe2+混合得到的一種強氧化劑，特別適用于某些難治理的或對生物有毒性的工業(yè)廢水的處理。由于具有反應迅速、溫度和壓力等反應條件緩和且無二次污染等優(yōu)點，近30年來，其在工業(yè)廢水處理中的應用越來越受到國內(nèi)外的廣泛重視。 </p><p>　　20世紀90年代提出了污泥減量化的新概念，它是指在剩余污泥資源化利用的基礎上，借助物理、化學、生物等手段使整個污水處

31、理系統(tǒng)向外排放的生物固體量達到最少，其中主要是依靠降低生物產(chǎn)率或促進細胞溶解使其溶解產(chǎn)物用于微生物生長這兩種措施，即污泥前置減量化或污泥的首端(源)削減。污泥前置減量技術中的高級氧化技術主要是通過溶胞作用[3]，加速微生物的隱性生長[1]來實現(xiàn)污泥減量。主要包括臭氧氧化、氯氣氧化、光一Feton試劑氧化、超臨界水氧化和濕式氧化法等。這些方法由于效果顯著而得到越來越多的關注。</p><p>　　國內(nèi)外將Fento

32、n反應用于水環(huán)境領域的研究已取得顯著成效，為提高其反應效率和經(jīng)濟實用性，人們把Fenton反應生物法、超聲波法、混凝法等方法聯(lián)用來處理高濃度、難生物降解的有機、有毒廢水，既提高處理效率又降低處理成本。</p><p>　　Fenton試劑對一些難降解的有機物有較好的降解效果 ,但反應效果受到H202 與Fe2+ 濃度、PH值 、溫度等反應條件的影響。通過增加光照 、電化學反應或引人適當?shù)呐潴w ,可 以改善Fent

33、on法的反應機制 ,提高降解效果 。另外 ,通過投加一定量的Fenton 試劑 ,使廢水中的有機物發(fā)生部分氧化 、藕合或聚合[2] ,形成分子量不太大的中間產(chǎn)物 ,有效地改善難降解有機物的可生化性 、溶解性及混凝沉淀性 ,然后通過生化法或混凝沉淀法去除。</p><p>　　Fenton反應利用其強氧化性處理污泥，可以對污泥進行調理，破壞污泥的膠態(tài)結構，引起污泥絮體表面胞外聚合物的部分氧化和重組，從而提高污泥的絮

34、凝性，改善污泥的脫水性能，減少污泥，同時也可以脫色除臭。由于其具有處理效果顯著、污泥降解速度快、使用范圍廣、無二次污染等優(yōu)點，逐漸受到研究者的青睞。</p><p><b>　　三、總結部分</b></p><p>　　城市生活污水處理廠剩余污泥體積龐大、成分復雜制約著污泥減量化和資源化，脫水是污泥減量的關鍵，其困難在于大量EPS的存在。Fenton反應可引起污泥絮體

35、成分的部分氧化和重組，從而提高污泥的絮凝和脫水性能。污泥Fenton氧化處理研究目前還很少，國內(nèi)幾乎是空白，這正是本研究選題背景所在。 </p><p>　　以減量化、無害化和資源化為目標，力爭尋找一種經(jīng)濟實用、同時能夠破解污泥中的EPS、降解有機物、減毒除臭、增加泥餅含固率的方法，或者能為這些問題的解決提供有效的預處理的技術。</p><p><b>　　四、參考文獻</

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