给水厂浓缩污泥的稳态流变特征研究

书书书第３２卷第３期２０１２年３月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３２，Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２０１２基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．２０９７７００８，５１０７８０３５）；高等学校博士学科点专项科研基金（Ｎｏ．２０１０００１４１１０００４）；中央高校专项基金北京林业大学科技创新计划项目（Ｎｏ．ＪＣ２０１１１，ＴＤ２０１０５）；水体污染控制与治理科技重大专项课题（Ｎｏ．２００８ＺＸ０７４２２００２００４）；北京市科技新星Ａ（２００６）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０９７７００８，５１０７８０３５），ｔｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＰｒｏｇｒａｍｏｆＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎｏ．２０１０００１４１１０００４），ｔｈｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｓｆｏｒｔｈｅＣｅｎｔｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ（Ｎｏ．ＪＣ２０１１１，ＴＤ２０１０５），ｔｈｅＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔｓｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＲｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒＢｏｄｙＰｏｌｌｕｔｉｏｎ（Ｎｏ．２００８ＺＸ０７４２２００２００４）ａｎｄｔｈｅＢｅｉｊｉｎｇＮｏｖａｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ（２００６）作者简介：董玉婧（１９８６—），女，Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｊｉｎｇ[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＤＯＮＧＹｕｊｉｎｇ（１９８６—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｊｉｎｇ[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]董玉婧，王毅力．２０１２．给水厂浓缩污泥的稳态流变特征研究［Ｊ］．环境科学学报，３２（３）：６７８６８２ＤｏｎｇＹＪ，ＷａｎｇＹＬ．２０１２．Ｓｔｅａｄｙｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｓｉｄｕａｌｓ（ＣＷＴＲ）［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３２（３）：６７８６８２给水厂浓缩污泥的稳态流变特征研究董玉婧，王毅力北京林业大学环境科学与工程学院，水污染源控与生态修复工程中心，北京１０００８３收稿日期：２０１１０５０３　　　修回日期：２０１１０７１９　　　录用日期：２０１１０７２８摘要：针对给水厂浓缩污泥，采用旋转流变仪研究了其稳态流变特性，分别探讨了污泥的典型流变图、污泥浓度和温度对浓缩污泥极限粘度的影响．结果表明，污泥具有触变及剪切变稀的性质，其极限粘度（η∞）与污泥浓度（ＴＳＳ）的关系符合指数关系，可用方程η∞＝２４．４３－４９４６２ｅ－０．１４ＴＳＳ描述．极限粘度与温度的关系服从于阿伦尼乌斯公式，相应的反应活化能为１４．９１Ｊ·ｍｏｌ－１．此外，宾汉模型可以描述污泥的流变性质，屈服应力随污泥浓度的升高而增加．关键词：给水厂浓缩污泥；稳态流变学；极限粘度；宾汉模型文章编号：０２５３２４６８（２０１２）０３６７８０５　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＳｔｅａｄｙｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｓｉｄｕａｌｓ（ＣＷＴＲ）ＤＯＮＧＹｕｊｉｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｌｉＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＳｏｕｒｃｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＥｃｏ－Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３Ｒｅｃｅｉｖｅｄ３Ｍａｙ２０１１；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１９Ｊｕｌｙ２０１１；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ２８Ｊｕｌｙ２０１１Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｅａｄｙｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｓｉｄｕａｌｓ（ＣＷＴＲ）ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈａｒｏｔａｔｉｏｎａｌｒｈｅｏｍｅｔｅｒ．ＴｈｅｔｙｐｉｃａｌｒｈｅｏｇｒａｍｓｏｆＣＷＴＲ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＣＷＴＲｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（ＴＳＳ）ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｌｉｍｉｔｉｎｇｖｉｓｃｏｓｉｔｙｏｆＣＷＴＲｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅＣＷＴＲｈａｄｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃａｎｄｓｈｅａｒｔｈｉｎｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ａｎｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌａｗ，η∞＝２４．４３－４９４．６２ｅ－０．１４ＴＳＳ，ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｌｉｍｉｔｉｎｇｖｉｓｃｏｓｉｔｙ（η∞）ａｎｄｔｈｅＴＳＳｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｇη∞ｗｉｔｈｒｅｖｅｒｓｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｌｌｏｗｅｄｔｈｅＡｒｒｈｅｎｉｕｓｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｗａｓ１４．９１Ｊ·ｍｏｌ－１．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ＢｉｎｇｈａｍｍｏｄｅｌｃｏｕｌｄｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＣＷＴＲ，ａｎｄｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＴＳＳ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｓｉｄｕａｌｓ（ＣＷＴＲ）；ｓｔｅａｄｙｒｈｅｏｌｏｇｙ；ｌｉｍｉｔｉｎｇｖｉｓｃｏｓｉｔｙ；Ｂｉｎｇｈａｍｍｏｄｅｌ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）给水厂污泥主要来自沉淀池排泥水和滤池反冲洗水等的浓缩过程，其主要成分包括：原水中的无机污染物、有机污染物、净水工艺中加入的药剂及重金属元素等（谢敏，２００７）．目前，随着我国经济的发展和人口的高速增长，给水厂的数量也随之增加，规模也在不断扩大，相应地产生了越来越多的排泥水（刘辉等，２００１）．然而，随着给水厂水源中各种有毒污染物质含量的剧增，排泥水直排河道的方法必然会对河流水体造成严重的污染，因此，这种方法已经被禁止．目前，排泥水的浓缩及污泥的调理与脱水已经成为给水厂必需的单元操作（苏宇等，２００６）．研究表明，影响污泥调理和脱水性能的３期董玉婧等：给水厂浓缩污泥的稳态流变特征研究因素很多，譬如污泥种类与特性、调理方法与药剂、脱水方式等（ＡｂｕＪｄａｙｉｌｅｔａｌ．，２０１０；Ｋｌｉｎｋｓｉｅｇｅｔａｌ．，２００７），其中，污泥所具有的非牛顿流体的流变特性在研究污泥的调理和脱水机制与宏观操作效能方面具有很重要的指示和预测作用（Ｄｅｎｔｅｌｅｔａｌ．，２００５；Ｄｅｎｔｅｌ，１９９７；ＡｂｕＯｒｆｅｔａｌ．，１９９９；Ｗｏｌｎｙｅｔａｌ，２００８；Ｓｅｙｓｓｉｅｃｑｅｔａｌ．，２００３）．已有的研究表明，给水厂沉淀后的絮体污泥也是一种非牛顿流体（Ａｙｏｌ，２００５）．例如，Ａｙｏｌ（２００５）研究了特拉华州某给水厂污泥的动态流变学特性，结果表明，给水厂污泥具有剪切变稀的性质，其流变行为可以用Ｂｉｎｇｈａｍ、ＨｅｒｓｃｈｅｌＢｕｌｋｌｅｙ和Ｏｓｔｗａｌｄ等模型模拟；Ｐａｐａｖａｓｉｌｏｐｏｕｌｏｓ等（１９９７）以粘度作为确定给水厂污泥调理中絮凝剂最佳投药量的指标，并进行了相关的研究和探讨．当使用有机絮凝剂调理给水厂污泥时，粘度可以作为快速而简单的确定最佳投药量的指标．尽管如此，在污泥流变特性的研究方面，污水处理厂的活性污泥、消化污泥及颗粒污泥是目前的研究热点，但有关给水厂污泥流变特性方面的研究工作尚不够深入．Ｔｉｘｉｅｒ等（２００３）使用极限粘度和减少的滞后环面积两个流变参数来表征活性污泥的流变性质，并通过实验研究证明活性污泥浓度与这两个参数都呈指数关系，以此来反映丝状菌膨胀问题．Ｆｏｓｔｅｒ等（２００３）通过实验研究发现了活性污泥和消化污泥颗粒的表面组成与其流变性质的关系，并确定了悬浮液的屈服应力与絮体颗粒表面所带的电荷和污泥结合水含量之间的数学表达关系式；俞汉青教授课题组研究了上流式厌氧污泥床反应器中颗粒污泥的群体流变学和单体分形特征，评价了污泥浓度和温度对颗粒污泥流变性能的影响（Ｍｕｅｔａｌ．，２００６），发现污泥浓度和温度与极限粘度关系分别符合指数公式及阿仑尼乌斯公式．基于此，本文以给水厂浓缩污泥为研究对象，考察污泥浓度和温度对其极限粘度的影响，并用合适的流变模型对污泥的流变行为进行模拟，以期揭示给水厂浓缩污泥的稳态流变特征，为给水厂污泥的处理处置技术提供一定的理论支撑．２　实验材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　污泥样品的制备污泥样品采自北京市某自来水厂脱水机房进口污泥浓缩池，污泥浓度为１２．５３ｇ·Ｌ－１，ｐＨ为７３０，污泥颗粒的中位粒径为３３．７６μｍ，其基本性质如表１所示．表１　给水厂浓缩污泥的性质Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｓｉｄｕａｌｓ浓度／（ｇ·Ｌ－１）ｐＨＳＲＦ／（ｍ·ｋｇ－１）ＣＳＴ／ｓｄ０．５／μｍＤ［４，３］／μｍ１２．５３７．３０２．６７×１０１１２２．２７３３．７６４２．５４　　注：ＳＲＦ为污泥比阻，ＣＳＴ为污泥毛细吸水时间，ｄ０．５为中位粒径，Ｄ［４，３］为体积平均粒径．　　原始污泥在４１００ｒ·ｍｉｎ－１下离心（ＬＸＪＩＩＢ型离心机）５ｍｉｎ，然后用离心上清液按照一定比例稀释离心浓缩后的污泥，可以获得不同浓度的污泥样品．２．２　稳态流变测试采用同轴圆筒上旋式粘度计（成都仪器厂，ＮＸＳ１１Ａ型）测试污泥的稳态流变特征．测定程序如下：根据仪器的使用特点设定１５个剪切速率（１５．５～９９６．１ｓ－１），按照低高低的顺序进行旋转测试，分别记录每一个剪切速率下对应的剪切应力，从而获得污泥样品剪切变稀的流变曲线．在上述测试过程中，采用恒温水浴方式保持污泥样品温度的恒定，温度误差不超过±０．１℃．所有测试均进行３次平行实验．通过典型的流变图中剪切应力与剪切速率的比值可以确定表观粘度（ηａｐｐ），对应的极限粘度（η∞）为剪切速率趋于无限时表观粘度的稳定值．２．３　流变模型模拟宾汉模型（１）常被用来描述污泥悬浊液的非牛顿流体行为（ＡｂｕＯｒｆ，１９９９；Ｔｉｘｉｅｒｅｔａｌ．，２００３）．τ＝τ０＋ηｐγｎ（１）式中，τ为剪切应力（ｍＰａ），τ０为屈服应力（ｍＰａ），ηｐ为塑性粘度（ｍＰａ·ｓ），γ为剪切速率（ｓ－１），ｎ为流变指数．在简单的流变过程中，当施加的应力超过屈服应力后，体系发生流动．当ｎ＝１时，流体表现出线性的牛顿流动，称之为宾汉塑性流体（Ｂｉｎｇｈａｍｐｌａｓｔｉｃｆｌｕｉｄ）；当ｎ＜１时，流体则表现出非线性的剪切变稀流动行为，称为屈服假塑性流体（ｙｉｅｌｄｐｓｅｕｄｏｐｌａｓｔｉｃｆｌｕｉｄ），也叫做ＨｅｒｓｃｈｅｌＢｕｌｋｌｅｙ塑性流体．采用Ｏｒｉｇｉｎ８．０对流变图的数据进行宾汉模型９７６环　　境　　科　　学　　学　　报３２卷的非线性模拟，可以获得屈服应力及塑性粘度等特征参数的数值．３　结果与讨论（Ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｓｃｕｓｉｏｎ）３．１　污泥的典型流变特性图１是在污泥浓度３７．５ｇ·Ｌ－１、温度３０３Ｋ条件下的典型流变图．由图１可知，剪切应力随着剪切速率（１５．５～９９６．１ｓ－１）从低到高，又由高到低的变化，对应的剪切应力变化曲线可分为上升路径和下降路径．在上升路径中，低于４９．８１ｓ－１剪切速率下的剪切应力迅速升高，然而，当剪切速率再增加时，剪切应力