不同氧化预处理对疏浚底泥干燥特性的影响

摘要：为探究臭氧和Fenton试剂氧化预处理对疏浚底泥干燥特性的影响，分别在疏浚底泥中通入臭氧和添加Fenton试剂进行预处理，并进行红外干燥试验。结果表明，臭氧预处理对疏浚底泥红外干燥过程中水分蒸发有促进作用；随着温度的升高，臭氧预处理对水分蒸发的促进作用逐渐增强，最大干燥速率明显增大，提高了约9%～36%，且恒速干燥阶段时间较长，是未预处理的1.2～1.7倍，干燥速率的快速上升和下降却随着温度的升高而加快。Fenton氧化预处理对促进干燥过程中水分蒸发的作用效果并不明显，却可以明显增大干燥速率，且干基含水率越高，最大干燥速率越大。比较底泥预处理前后微观形貌，发现不同氧化预处理后底泥颗粒分布均匀，有利于水分蒸发。

关键词：疏浚底泥；氧化；干燥特性；微观结构

中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05010605

Effect of different oxidation pretreatment on the drying characteristics of dredged sediment

WANG Wenjiang，LIU Hong，WU Yan

（School of Chemical Engineering and Materials，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

Abstract：This work investigated the influence of oxidation pretreatment on drying characteristics of dredged sediment，and the oxidants included ozone and Fenton′s reagent.The drying experiment was carried out using an infrared constant temperature drying oven.The results showed that pretreatment with ozone could obviously promote the infrared drying behavior of dredged sediment and its facilitation on water evaporation was gradually strengthened with the rise of temperature，and the maximum drying rate was improved significantly by over 9%～36%.Moreover，the constant drying phase was held for a relatively long time，which was 1.2～1.7 times that of without pretreatment.The rising and falling variation of the drying rate was obvious with the rise of temperature.Fenton′s reagent was applied to treat the sediment resulting in the increase of the drying rate，but it was not obviously useful to water evaporation.The maximum drying rate increased with the increase of dry basis moisture content.Electron microscope scanning results indicated that the sediment particles were distributed evenly after oxidation pretreatment，which was beneficial to evaporation.

Key words：dredged sediment；oxidation；drying characteristics；microstructure

“十二五”期间，长三角、珠三角、环渤海地区以及西南沿海地区的疏浚工程量各约5～10亿m3，国内疏浚市场保持平稳发展的趋势[1]。目前，国内疏浚底泥脱水工艺仍以堆场自然沉降为主。但是底泥的高有机质含量、高胞外聚合物（EPS）含量、强保水性使得传统脱水干化工艺的处理效果并不明显[25]，需要在脱水工艺前加入调质工艺[6]。

Fenton试剂因能完全将污染物转化为环境友好的水、二氧化碳和无机盐等，因此在生活污水和特种废水处理中得到深入研究[79]，并被应用于污泥处理[1013]。臭氧氧化技术近年来广泛应用于对印染废水的色度和难降解有机物的去除[14]。另外，有研究表明[1517]，臭氧氧化处理污泥的减量化效果明显。尽管臭氧制备成本较高[18]，若其得到充分的运用，可大大改善我国疏浚底泥减量化处理的现状，因此有必须重视氧化处理技术在疏浚底泥减量化中的应用。

目前，国内少有利用臭氧和Fenton氧化预处理后对疏浚底泥干燥的报道。氧化预处理可以提高底泥干化速率，减少干燥能耗，从而解决底泥大量堆存和排放的问题，进而可以将干化底泥应用于园艺、种植土、免烧骨料制备等[1920]，对底泥处理和资源化利用具有重要推动作用。本试验以臭氧与Fenton试剂为氧化剂，分别对疏浚底泥进行预处理，通过红外干燥试验，探讨臭氧与Fenton氧化预处理对干燥过程中干基含水率和干燥速率的影响，以期为臭氧和Fenton氧化技术在疏浚底泥干燥方面的应用提供基础数据和依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与仪器

本试验所用疏浚底泥取自云南滇池，经过机械脱水后的含水率为44.56%，基本物性参数见表1。主要试剂包括质量分数为30%的过氧化氢（H2O2）、氯化亚铁（FeCl2·4H2O），均为分析纯。采用主要仪器有远红外恒温鼓风干燥箱（1011BY）、恒温水浴振荡器、激光粒度仪（MS2000）、扫描电子显微镜（JSM6380LV）。

1.2 试验方法

1.2.1 预处理

臭氧预处理：向含水率为70%底泥（由机械脱水后的底泥加湖水配制）样品通过臭氧发生器通入O3，并不断搅拌，投加量为0.2 g O3/g SS（固体悬浮物浓度），反应时间为2 h。

Fenton预处理：将底泥样品放置于20±2 ℃的恒温水浴振荡器中，达到相应温度（20 ℃）后，先加入催化剂Fe2+溶液6.25 mg/g DS（干泥质量），摇匀后加入氧化剂H2O2（质量分数30%）50 mg/g DS并摇匀，处理5 min。

1.2.2 干燥试验

分别将预处理后底泥在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃下，用远红外恒温鼓风干燥箱对底泥样品进行干燥处理，测定不同干燥时间内水分损失量。

1.3 试验数据处理方法

（1）在工程传质学中，物料衡算常以绝对干料为基准的干基含水率来表示，表达式为：

（2）干燥速率。

式中：Rn为某测量时刻的干燥速率（g/（g·min））；xn1为某测量时刻前一次泥的干基含水率（%）；xn为某测量时刻泥的干基含水率（%）；Δt为前后两次测量的时间差（min）。

1.4 粒度分布测定

分别取合适质量的未处理底泥、臭氧氧化预处理底泥、Fenton氧化预处理底泥置于烧杯，加入50 mL的蒸馏水，搅拌均匀后，用激光粒度分析仪测定其粒径分布。

1.5 SEM测试

用电子扫描显微镜对风干后的底泥进行扫描测定。选取断面较为平整的部分固定在样板上，样品为防止电镜扫面后出现横裂，样品需在电镜扫描前风干。

2 结果与讨论

2.1 不同温度下臭氧预处理对底泥干燥特性的影响

向含水率为70%的疏浚底泥通入臭氧预处理后，分别在不同设定干燥温度下进行红外干燥试验，并与未预处理的试验结果进行了比较，分别绘制干基含水率和干燥速率随时间的变化曲线，见图1和图2。

由图1可知，臭氧预处理对疏浚底泥红外干燥过程中水分蒸发有促进作用。在不同干燥设定温度下，与未经过臭氧预处理的试验结果相比，臭氧预处理的疏浚底泥干基含水率下降速率更快，达到较低干基含水率（低于5%）的干燥时间更少。随着温度的升高，干基含水率出现明显下降（与未经过臭氧预处理的干基含水率变化曲线开始发生分离）的时间越短，说明臭氧预处理对水分蒸发的促进作用逐渐增强。由图2不难发现，臭氧预处理后，疏浚底泥红外干燥前、中期干燥速率加速上升，缩短了达到最大干燥速率时间，减少了预升温阶段的能量损耗。此外，臭氧预处理后，最大干燥速率有增大的趋势，提高了9%～36%；恒速干燥阶段的干燥速率较大，是未预处理的12～17倍；降速干燥阶段干燥时间缩短。部分原因是臭氧的强氧化作用使得底泥中少量微生物发生分解，生成更多的水和CO2[16]。因此，臭氧预处理疏浚底泥可以缩短加速预干燥阶段和降速干燥阶段的时间，提高最大干燥速率。

2.2 臭氧预处理疏浚底泥干燥特征曲线

图3显示了不同设定干燥温度下，臭氧预处理疏浚底泥红外干燥特征曲线。可以看出，臭氧预处理后，疏浚底泥干燥过程明显的分为三个阶段：加

温度下，温度越高，一定干基含水率下干燥速率越高，最大干燥速率越大。干基含水率从200%降到30%的过程均保持在最大干燥速率的恒速干燥段，有利于实现水分的快速蒸发，减少干燥时间，节省干燥耗能。

2.3 氧化预处理对底泥干燥特性的影响

向含水率为70%的疏浚底泥添加Fenton试剂预处理后，分别在干燥设定温度下进行红外干燥试验，并与未添加Fenton试剂预处理的试验结果进行了比较，得到干燥过程中底泥干基含水率和干燥速率的变化，结果见图4和图5。分别对不同温度下干基含水率进行单因素方差分析，结果见表2。

由图4和图5可知，Fenton试剂预处理后底泥在100 ℃下干燥加速段干燥速率小于未处理底泥干燥速率；当温度达到120 ℃及以上时， Fenton试剂预处理后的干燥加速段干燥速率大于未处理底泥干燥速率。添加Fenton试剂预处理对干燥前期有一定的促进作用，但在干燥后期，干燥速率反而低于未处理底泥干燥速率。对Fenton试剂预处理前后干基含水率变化进行方差分析，显著性水平取0.05，结果见表2。可以看出处理前后干基含水率的P值均大于0.05，统计学差异并不显著，促进作用不明显。

2.4 Fenton氧化预处理疏浚底泥干燥特征曲线

干基含水率变化和干燥特征曲线。从图6可知，干基含水率越高，干燥过程中干基含水率下降得越快。Fenton试剂在高含水率底泥中氧化反应更完全，对底泥中微生物的溶解更充分，更有利于自由水分的释放。在图7中，随着干基含水率的增加，最大干燥速率明显增大，且干基含水率越大，其增大程度越明显。

2.5 微观形貌

2.5.1 粒径分析

从表3可以看出：氧化处理后底泥的平均粒径和中值粒径均明显减小，比表面积增大，均匀性提高。这主要是由于氧化处理后，底泥的有机质、胶团结构被破坏，无机化程度和疏水性提高，絮体被破碎成小颗粒，比表面积增大，底泥间孔隙率增大，这都将有利于底泥中水分的脱除，加速干燥进程。

2.5.2 电镜分析

臭氧和Fenton试剂氧化预处理后的疏浚底泥和原泥的微观结构见图8。可以看出，处理后中的底泥颗粒尺寸分布较均匀，断面凹凸不平，小部分呈片状。对比处理前后污泥微观结构特征可以认为，氧化处理后有机质部分氧化分解，底泥无机化程度和疏水性提高，有利于干燥速率加快；其结合水释放，这样就形成更多的孔隙，更有利于水分蒸发。

3 结论

面对疏浚底泥处理的急迫现状，氧化预处理技术在底泥干燥方面的应用，将是今后疏浚底泥减量化处理方面的一个热点。本文通过臭氧和Fenton氧化预处理疏浚底泥的干燥试验，得到以下结论：

臭氧和Fenton试剂预处理疏浚底泥，均有助于干燥过程中水分蒸发和提高干燥速率；随着温度的升高，臭氧预处理对水分蒸发的促进作用逐渐增强。在一定臭氧通入量下，臭氧预处理底泥可提高其在红外干燥过程中的最大干燥速率和增大恒速干燥阶段的持续时间，最大干燥速率可提高9%～36%，且恒速干燥阶段持续时间是未预处理的1.2～1.7倍，有利于水分快速蒸发和节约成本。试验中，Fenton氧化对提高干燥效果影响不明显；但初始干基含水率的越高，Fenton试剂氧化反应越完全，最大干燥速率越大。微观结构分析表明：氧化预处理有利于加速干燥进程，实现底泥减量化处理。

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