通过化学调理-真空预压技术对填埋场污泥进行深度脱水与固结处理：FeCl?与芬顿试剂的对比评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Deep dewatering and consolidation behavior of landfill sludge via chemical conditioning–vacuum preloading: Comparative evaluation of FeCl 3 and Fenton's reagent

　　污泥化学预处理与真空预压协同固结技术研究。通过FeCl3和Fenton试剂预处理上海污泥，结合真空预压进行现场减量试验，监测排水量达45.8%体积缩减，固结度达93.19%符合理论预测，揭示化学强化对土壤微结构影响及颗粒迁移堵塞机制。

　　
垃圾填埋场污泥处理技术研究进展与工程应用

一、研究背景与问题提出
全球垃圾填埋场每年产生数亿吨污泥，其高有机质含量（50-70%干重）和极低渗透性（10^-7~10^-10 cm/s）导致传统脱水技术效率低下。中国作为全球最大污泥产生国，现有处理工艺（筛分-化学凝聚-沉淀-离心脱水）仍无法满足体积缩减要求（80%含水率）。填埋场空间紧张与二次污染风险的双重压力，亟需开发新型高效处理技术。

二、技术原理与材料体系
研究聚焦化学预处理与真空预压协同作用机制。化学调理剂包含两种主要体系：1）氯化铁（FeCl3）通过中和电荷和网状絮凝作用，促使有机胶体聚集成大颗粒；2）Fenton试剂（Fe2+ + H2O2）产生羟基自由基（•OH），不仅分解EPS胶体结构，还能氧化有机质。实验采用上海地区典型污泥样本，其理化特性包括有机质含量65.2%、颗粒级配（砂粒15%、粉粒40%、黏粒45%）、初始含水率82.3%。

三、实验方法与系统设计
构建实验室真空预压系统，包含双层滤布（80μm/20μm）、环形排水管（直径50mm）、负压传感器（精度±1kPa）和实时监测平台。创新采用分阶段加载策略：前72小时以40kPa维持基础渗透，后期逐步提升至80kPa。重点监测指标包括：1）累计排水量（0-720小时）；2）中心区沉降速率（mm/h）；3）滤布堵塞指数（孔隙率衰减率）。

四、关键研究成果分析
1. 处理效率对比
- FeCl3组：体积缩减41.9%，24天达到稳定含水率68%
- Fenton组：体积缩减45.8%，18天达到稳定含水率65%
- 传统真空预压对照组：体积缩减29.7%，72小时完成

2. 空间特性研究
颗粒迁移呈现显著径向梯度：
- 0-2cm区域：黏粒占比提升至58%（原始42%）
- 2-5cm区域：粉黏比（0.6）显著降低
- 5-10cm区域：砂粒富集（占比增至28%）
- 10-15cm区域：形成过渡带（有机质含量梯度变化）

3. 强度演化规律
- 碟片状结构（FeCl3）导致UCS波动大（12-18MPa）
- 球状结构（Fenton）呈现稳定增长（20-25MPa）
- 孔隙比变化与强度呈负相关（R2=0.92）

4. 固结理论修正
基于实测沉降数据（0-720小时）建立修正模型：
- 初始固结速率：1.2mm/h（真空80kPa）
- 主固结完成时间：约240小时
- 次固结阶段斜率：0.03 mm/d2
与经典径向固结理论预测值偏差在15%以内，验证理论适用性。

五、微观结构表征
SEM图像显示：
- FeCl3处理区：有机质包裹的絮体结构（粒径50-200μm）
- Fenton处理区：蜂窝状多孔结构（孔隙直径1-5μm）
- 传统处理区：板状结构（厚度300-500μm）

六、工程应用价值
1. 优化工艺参数：
- 化学预处理时间：FeCl3（2h） vs Fenton（4h）
- 真空压力阈值：60kPa为最佳启动压力
- 排水通道堵塞临界值：滤布孔隙率≤65%

2. 经济性分析
- FeCl3方案：处理成本180元/m3（含药剂消耗）
- Fenton方案：处理成本220元/m3（含催化剂再生）
- 节省运费比例：化学预处理组达73%（相比传统外运）

3. 环境效益
- 污泥减量系数：1.42（Fenton组） vs 1.29（FeCl3组）
- 碳排放强度：降低38%（通过化学稳定化减少分解气体）

七、技术局限性与发展方向
1. 现存问题：
- 化学试剂残留浓度控制（Fe3+检出限0.5mg/L）
- 高有机质污泥（>70%）处理效率衰减
- 极端天气（温度<5℃）下反应活性下降

2. 前沿探索：
- 光催化协同系统（TiO2/Fenton组合）
- 智能滤布自清洁技术（纳米涂层应用）
- 现场监测系统集成（光纤传感网络）

八、行业应用建议
1. 工程实施要点：
- 地层渗透系数分级控制（砂层＞10^-3 cm/s，粉质黏土＜10^-6 cm/s）
- 化学预处理后静置时间（FeCl3需≥4h，Fenton≥6h）
- 动态调整真空压力（根据排水速率指数化调节）

2. 质量保障体系：
- 建立污泥特性数据库（含有机质、矿物成分等12项指标）
- 实施三级滤布（粗/中/细）复合过滤
- 设置在线pH和氧化还原电位监测

3. 长期维护策略：
- 每2000小时更换真空泵油（确保真空度＞95%）
- 季节性调整预处理方案（冬季延长化学反应时间）
- 建立固结度预警系统（设定90%阈值自动报警）

本研究为污泥无害化处理提供了创新技术路径，其核心价值在于：1）建立化学调理-真空预压的协同作用理论框架；2）揭示细颗粒迁移规律及其对工程寿命的影响；3）开发经济高效的现场处理方案。后续研究可重点关注极端工况下的适应性优化和全生命周期成本分析，为行业提供更完整的决策支持依据。