馬睿，吳麗杰，任瑞鵬，呂永康

(太原理工大學(xué) 煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

污泥是污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)污泥產(chǎn)量將達(dá)到6 000萬(wàn)t(含水率以80%計(jì))[1]。污泥含水率高，運(yùn)輸和處置困難，而且含有大量的病原微生物和難降解有機(jī)物等，如果不及時(shí)進(jìn)行處理處置，會(huì)給水體和大氣帶來(lái)二次污染。脫水是污泥處理處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可降低污泥的含水率，減少污泥體積。評(píng)價(jià)污泥脫水性能的常規(guī)指標(biāo)有污泥含水率、污泥比阻、過(guò)濾時(shí)間、毛細(xì)吸水時(shí)間等[2]，而流變特性是評(píng)價(jià)污泥脫水性能的重要指標(biāo)，近幾年研究人員開始關(guān)注流變特性對(duì)污泥脫水的影響。

由于污泥的組成非常復(fù)雜，流變特性高度依賴其內(nèi)在特性和處理過(guò)程。處理過(guò)程中流變特性隨物理化學(xué)性質(zhì)的變化發(fā)生改變，從而影響污泥的脫水性能。研究人員需綜合調(diào)理方法和外部條件判斷污泥是否容易脫水。通過(guò)測(cè)試和分析流變特性，可以判斷出污泥的脫水性能。

流變特性是指剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的特性，剪切應(yīng)力是對(duì)流體施加的剪切力與剪切橫截面的比值，剪切速率是垂直于流動(dòng)方向的速度梯度。根據(jù)不同的流變特性，流體分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體是指剪切應(yīng)力和剪切速率成線性關(guān)系，而非牛頓流體則是指兩者不成線性關(guān)系，污泥就是典型的非牛頓流體[3]。本文闡述了污泥的流變特性，包括剪切應(yīng)力、粘度和屈服應(yīng)力等；介紹了兩種測(cè)量污泥流變特性的流變儀；最后分析了影響污泥流變特性的參數(shù)。

1 污泥流變特性指標(biāo)

污泥的流變特性包括剪切應(yīng)力、粘度、屈服應(yīng)力、觸變性和粘彈性。剪切應(yīng)力是單位面積所受的力。通常建立剪切應(yīng)力與剪切速率的曲線研究污泥的流變行為，剪切應(yīng)力與相對(duì)應(yīng)剪切速率的比值是粘度。當(dāng)施加的剪切應(yīng)力較小時(shí)，流體只發(fā)生變形不會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，施加的剪切應(yīng)力增大到一定值時(shí)，流體開始流動(dòng)，此時(shí)的剪切應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。若恒定剪切應(yīng)力或剪切速率作用于污泥，粘度隨時(shí)間可逆降低的性質(zhì)稱為觸變性。此外，污泥還對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)兼有雙重特性，這種特性稱為粘彈性。

1.1 剪切應(yīng)力

剪切應(yīng)力是對(duì)污泥施加的剪切力與剪切面面積的比值，即剪切應(yīng)力是單位面積所受的力。剪切應(yīng)力越小，越有利于污泥脫水。通常建立剪切應(yīng)力與剪切速率曲線來(lái)探討污泥的流變行為。Markis等[4]在對(duì)初沉污泥、二沉污泥和消化污泥混合物的表觀粘度和屈服應(yīng)力所做的預(yù)測(cè)研究中，重建了剪切應(yīng)力與剪切速率曲線，確定剪切應(yīng)力的范圍在10～100 Pa。相比于3種混合污泥，消化污泥的剪切應(yīng)力更小，更容易脫水。Guibaud等[5]測(cè)得厭氧消化污泥的剪切應(yīng)力范圍為0～0.25 Pa。Hong等[6]將消化污泥的剪切應(yīng)力與剪切速率曲線擬合到不同的流變模型，使用最合適的模型進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)消化污泥的曲線比較低平，說(shuō)明消化污泥表現(xiàn)出較少的非牛頓流動(dòng)行為，有利于污泥脫水。

1.2 粘度

粘度是反映污泥流變特性最常用的指標(biāo)，是剪切應(yīng)力和剪切速率的比率，剪切速率也就是速度梯度。流體越黏稠，流動(dòng)性越小，其粘度越大，越不利于脫水。污泥的粘度隨剪切速率或施加的應(yīng)力而變化，研究中多用表觀粘度(流動(dòng)曲線上某一點(diǎn)的粘度)來(lái)描述污泥的這種變化。在剪切速率0～30 s-1范圍內(nèi)，不同處理?xiàng)l件下二沉污泥的表觀粘度為5～35 mPa·s[7]。Markis等[8]研究了按1∶1比例混合的5%初沉污泥和5%二沉污泥混合物，結(jié)果表明：剪切速率在0.5～500 s-1范圍內(nèi)，表觀粘度為1～100 Pa·s。在剪切速率為0～750 s-1范圍內(nèi)，厭氧污泥的表觀粘度范圍為0.009 5～0.011 Pa·s[9]。

當(dāng)表觀粘度恒定時(shí)，用極限粘度即高剪切速率下的粘度-時(shí)間曲線的漸進(jìn)值來(lái)表征不同種類污泥的流變特性，Cao等[10]分析了二沉污泥極限粘度的變化，當(dāng)污泥固體含量為10%時(shí)，其極限粘度范圍為200～425 mPa·s。Pevere等[11]分析了消化污泥的極限粘度，其范圍為0～0.05 Pa·s。

1.3 屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力是材料連續(xù)流動(dòng)所需要的最小施加應(yīng)力，即施加的剪切應(yīng)力較小時(shí)，流體只發(fā)生變形不會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，當(dāng)施加的剪切應(yīng)力增大到一定值時(shí)，流體開始流動(dòng)，此時(shí)的剪切應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。污泥的屈服應(yīng)力越小，污泥越容易脫水。Markis等[8]研究了以不同體積分?jǐn)?shù)混合的初沉污泥和二沉污泥，其屈服應(yīng)力范圍為0～100 Pa。劉青青等[12]測(cè)試二沉污泥的屈服應(yīng)力范圍在0～25 Pa。Eshtiaghi等[13]測(cè)試了以不同體積分?jǐn)?shù)混合的二沉污泥和消化污泥，其屈服應(yīng)力也在0～100 Pa的范圍內(nèi)。Baudez等[14]測(cè)得消化污泥的屈服應(yīng)力為0.1～10 Pa。

污泥的屈服應(yīng)力分為靜態(tài)屈服應(yīng)力和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。靜態(tài)屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)于彈性(表現(xiàn)為固體)和粘彈性之間的過(guò)渡應(yīng)力，而動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力是指粘彈性和粘性(表現(xiàn)為液體)之間的過(guò)渡應(yīng)力，其中動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與污泥中屈服應(yīng)力的定義更為接近。污泥的屈服應(yīng)力主要通過(guò)動(dòng)態(tài)或流量測(cè)量確定。動(dòng)態(tài)測(cè)量是以恒定頻率施加振蕩應(yīng)變或振蕩應(yīng)力掃描獲得屈服應(yīng)力。流量測(cè)量中，通過(guò)利用污泥流變模型將流變圖獲得的流變曲線外推至零獲得屈服應(yīng)力。Wang等[15]用兩種測(cè)量方法測(cè)試了污泥的屈服應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)流量測(cè)量的屈服應(yīng)力與動(dòng)態(tài)測(cè)量的屈服應(yīng)力有很好的相關(guān)性。

1.4 觸變性

觸變性定義為當(dāng)恒定剪切速率或剪切應(yīng)力作用于污泥時(shí)，粘度隨時(shí)間的可逆降低。污泥受到剪切時(shí)，稠度變小，而停止剪切時(shí)，稠度又增加；或者污泥受到剪切時(shí)，稠度變大，而停止剪切時(shí)，稠度又變小。污泥的觸變性越弱，越容易脫水。在臨界剪切應(yīng)力下，抗剪切力(減小外界對(duì)污泥產(chǎn)生大的應(yīng)力而變形)傾向于重建固體結(jié)構(gòu)，剪切力傾向于破壞固體結(jié)構(gòu)，一旦達(dá)到臨界剪切，固體結(jié)構(gòu)就會(huì)完全坍塌，導(dǎo)致污泥開始流動(dòng)。

圖1 不同稀釋速率下增稠污泥的滯后回路-溫度10 ℃[19]Fig.1 Hysteresis loop of thickened sludge at various of dilutation rates-temperature 10 ℃[19]

Cao等[10]在研究二沉污泥的觸變性時(shí)得到圖2。

圖2 樣品A和樣品B的觸變性行為[11]Fig.2 Thixotropy behavior of A and B

由圖2可知，當(dāng)剪切速率降低時(shí)，污泥樣品A和樣品B出現(xiàn)磁滯回線。說(shuō)明當(dāng)污泥被剪切時(shí)，剪切力的作用克服了抗剪切力的作用，導(dǎo)致固體結(jié)構(gòu)破壞。污泥剪切應(yīng)力下降，觸變性變?nèi)酰欣诿撍?。但Baudez[17]認(rèn)為滯后區(qū)域僅僅是剪切局部化而不是觸變行為的結(jié)果。污泥的觸變性一直是最難測(cè)量的，盡管已經(jīng)提出了很多模型，由于缺乏可靠的方法來(lái)測(cè)量，幾乎沒(méi)有一致的數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證模型。

1.5 粘彈性

對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)既有彈性固體特性又有粘性流體特性，這種雙重特性稱為粘彈性。污泥在施加應(yīng)力下，最初表現(xiàn)為固體，隨著應(yīng)力的增加，最終由于絮狀結(jié)構(gòu)破壞而成為液體[18]。儲(chǔ)能模量G′表征材料變形后回彈的指標(biāo)，損耗模量G″描述材料產(chǎn)生變形時(shí)能量散失為熱的指標(biāo)，將G′和G″結(jié)合到復(fù)數(shù)模量G*表示污泥的整體抗變形能力。當(dāng)G′

Zhang等[19]進(jìn)行消化污泥脫水性能與流變特性關(guān)系研究時(shí)，得到污泥儲(chǔ)存模量G′和損失模量G″隨施加應(yīng)變的變化圖(圖3)。

圖3 不同消化時(shí)間下，儲(chǔ)存模量G′和損失模量G″與污泥 樣品施加應(yīng)變?chǔ)?的振幅掃描振蕩試驗(yàn)函數(shù)關(guān)系圖[22]Fig.3 The results of amplitude sweep oscillation test results showing that the storage G′ and loss G″ moduli as a function of the applied strain γ* for sludge samples after different digestion time[22]

由圖3可知，污泥樣品在低應(yīng)變條件下，G′和G″幾乎恒定，此區(qū)域?yàn)榫€性粘彈區(qū)域，區(qū)域內(nèi)G′>G″，彈性行為大于粘性行為，呈固體狀態(tài)，不利于脫水；隨著應(yīng)變的增加，G′急劇下降，說(shuō)明污泥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，此時(shí)的應(yīng)變值稱為臨界應(yīng)變，而且G′G″，直到臨界點(diǎn)以后G″>G′。這種趨勢(shì)同時(shí)也存在于調(diào)理污泥中，但在粘性區(qū)域延伸，這表明對(duì)于未經(jīng)調(diào)理的污泥，持水能力比較強(qiáng)。

2 流變特性的測(cè)量

流變儀和粘度計(jì)都可以測(cè)試污泥粘度，粘度計(jì)主要有毛細(xì)管粘度計(jì)和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。毛細(xì)管粘度計(jì)不適用于非牛頓流體，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)也只能測(cè)試一定條件下污泥的粘度，大部分不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的轉(zhuǎn)速。由于粘度計(jì)只能測(cè)試粘度的局限性，目前多使用流變儀測(cè)試污泥的屈服應(yīng)力和觸變性等流變特性。流變儀測(cè)出的曲線稱為流變曲線，該曲線是在一系列剪切應(yīng)力或剪切速率下測(cè)量。流變儀主要包括毛細(xì)管流變儀和旋轉(zhuǎn)流變儀。

2.1 毛細(xì)管流變儀

毛細(xì)管流變儀的工作原理是在已知長(zhǎng)度和直徑的毛細(xì)管末端之間施加壓降，誘導(dǎo)樣品以受控速率在層流區(qū)域流動(dòng)，從而得到剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系圖。Slatter[21]指出毛細(xì)管流變儀的優(yōu)點(diǎn)：其本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作也簡(jiǎn)單；可以獲得高的剪切速率。毛細(xì)管流變儀的缺點(diǎn)是：樣品在管橫截面上的剪切速率和剪切應(yīng)力是變化的，可能導(dǎo)致測(cè)出的樣品曲線有誤差，而且需要較大的樣品量，造成樣品的浪費(fèi)。

Babbitt等[22]最早嘗試用毛細(xì)管流變儀研究污泥流變特性，由于測(cè)量過(guò)程中的困難，結(jié)果并不理想。Ward等[23]又用改進(jìn)的毛細(xì)管流變儀對(duì)100 ℃以下不同pH和固體含量的條件污泥進(jìn)行粘度測(cè)試。毛細(xì)管裝置的兩個(gè)常見誤差是端部效應(yīng)和壁滑效應(yīng)，張曉斌等[24]用毛細(xì)管流變儀研究了二沉污泥的壁滑效應(yīng)。

2.2 旋轉(zhuǎn)流變儀

相比于毛細(xì)管流變儀，旋轉(zhuǎn)流變儀更常用于測(cè)試污泥的流變特性，其工作原理是在穩(wěn)速或變速情況下測(cè)量扭矩，用夾具因子將物理量轉(zhuǎn)化為流變學(xué)的參數(shù)。旋轉(zhuǎn)流變儀的優(yōu)點(diǎn)是裝置緊湊，可以用于常規(guī)測(cè)試；需要的樣本量?。豢梢灾苯訉€(gè)人計(jì)算機(jī)連接到流變儀上獲得流變圖；流變儀在商業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。具有同心圓筒的旋轉(zhuǎn)流變儀由兩個(gè)同心元件即內(nèi)圓柱和外圓柱組成，測(cè)量?jī)蓚€(gè)元件之一的阻力矩，便可以確定剪切應(yīng)力。同心圓通旋轉(zhuǎn)流變儀的缺點(diǎn)是環(huán)形間隙必須大于樣品的最大顆粒，但是該環(huán)隙還要盡可能的小，盡量避免動(dòng)蕩。Dick等[25]注意到窄間隙的旋轉(zhuǎn)流變儀不適用于測(cè)量污泥的流變性，因?yàn)槠溟g隙與污泥顆粒相比要小，而且他們認(rèn)為旋轉(zhuǎn)流變儀的間隙尺寸至少要比顆粒尺寸大10倍，才能確保設(shè)備足夠靈敏。離心力和沉降也會(huì)導(dǎo)致間隙中出現(xiàn)顆粒尺寸分布和濃度梯度，離心作用會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)隨著時(shí)間的推移減小，從而干擾樣品的觸變性[21]。

污泥的流變特性多用應(yīng)力控制型的旋轉(zhuǎn)流變儀來(lái)測(cè)量，常見的有德國(guó)哈克 (Haake) RS系列，美國(guó)TA的HR及AR系列，奧地利Anton-Paar的MCR系列。Mouzaoui等[26]對(duì)高固體含量的二沉污泥進(jìn)行流變學(xué)的建模過(guò)程中，通過(guò)哈克RS600旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試污泥的流變特性。Bobade等[27]為了探究曝氣強(qiáng)度對(duì)污泥流變特性的影響，用TA的HR3型旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行流變學(xué)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)污泥的粘彈性隨著氣體流速的增加而降低，導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)減弱。Baroutian 等[28]分析初沉污泥和二沉污泥混合物的流變特性時(shí)也用AR2000型旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測(cè)試。Baudez[17]用Anton-Paar的MCR 300型旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試了二沉污泥的流變特性。

3 影響污泥流變特性的參數(shù)

污泥的粘度、屈服應(yīng)力等流變特性受很多因素的影響，不僅受污泥自身特性的影響，還受污泥的調(diào)理方法、調(diào)理劑種類與用量及外部條件的影響。

3.1 污泥自身特性

污泥的流變特性高度依賴其自身特性，污泥的固體含量及胞外聚合物中各組分含量的變化都會(huì)引起其流變特性的變化。

固體含量是影響污泥流變特性的關(guān)鍵參數(shù)，Abu-Jdayil等[29]提出二沉污泥的極限粘度隨污泥固體含量的增加呈指數(shù)關(guān)系，這是由于固體含量增加時(shí)絮體間的相互作用增強(qiáng)所致，在固體含量為42.4 g/L 時(shí)，極限粘度顯著增加。曹立峰等[30]在厭氧消化污泥流變特性研究中得出，固體含量由1%升到10%，消化污泥的表觀粘度隨之增大，并呈現(xiàn)對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因?yàn)榭偣腆w含量越高，污泥中的絮體結(jié)構(gòu)連接得越緊密，表觀粘度越大。另外，總固體含量范圍不同，相關(guān)性關(guān)系也不同。Wei等[3]在二沉污泥流變不穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步研究了固體含量對(duì)流變不穩(wěn)定的影響，得到在 1%～5%的范圍內(nèi)，屈服應(yīng)力和總固體含量的相關(guān)性呈指數(shù)關(guān)系；當(dāng)總固體含量增大到7%時(shí)，總固體含量低的部分屈服應(yīng)力會(huì)偏高，用冪律關(guān)系描述更好，所以相關(guān)性取決于所考慮的特定總固體含量范圍。Cao等[10]研究了消化污泥的觸變性，溫度相同的污泥，滯后區(qū)域面積隨著固體含量的增加而增大，說(shuō)明其觸變性增強(qiáng)，不利于脫水。污泥本身固體含量越高，顆粒間的摩擦和碰撞的概率越大，導(dǎo)致表觀粘度和屈服應(yīng)力增大，不利于脫水。

Markis和Eshtiaghi等[4，8，13]研究了不同類型混合污泥的屈服應(yīng)力和表觀粘度受固體含量的影響。首先將初沉污泥和二沉污泥按照體積分?jǐn)?shù)0～1混合，發(fā)現(xiàn)混合物的表觀粘度隨著二沉污泥體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，表明初沉污泥的弱絮凝物結(jié)構(gòu)坍塌，導(dǎo)致二沉污泥的凝膠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)初沉污泥進(jìn)行了截留和纏結(jié)，表觀粘度和屈服應(yīng)力增加[8]。其次，相同固體含量下將消化污泥按體積分?jǐn)?shù)0～1混合到二沉污泥中，混合污泥的表觀粘度和屈服應(yīng)力呈指數(shù)增加，而消化污泥和二沉污泥初始固體含量不同時(shí)混合，表觀粘度和屈服應(yīng)力只受固體含量較高的污泥的影響，不受污泥種類影響[13]。最后，將不同體積分?jǐn)?shù)的消化污泥分別加入等體積混合的初沉污泥與二沉污泥混合物中，污泥混合物的表觀粘度和屈服應(yīng)力隨著消化污泥的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，原因是污泥混合物中固體相互作用的增強(qiáng)；而用增稠的初沉-二沉污泥混合物與稀釋的消化污泥混合時(shí)，表觀粘度和屈服應(yīng)力隨著消化污泥體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，這是由稀釋效應(yīng)引起的[4]。

胞外聚合物(EPS)是在一定環(huán)境條件下由微生物(主要是細(xì)菌)分泌于體外的一些高分子聚合物。胞外聚合物中多糖、蛋白質(zhì)及腐殖質(zhì)等各組分含量的變化會(huì)影響污泥的流變特性。Wang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，隨著pH的降低，總EPS中多糖和腐殖質(zhì)的含量基本不變，蛋白質(zhì)的含量明顯增加，表明更多的酶從細(xì)胞內(nèi)釋放或降解，導(dǎo)致表觀粘度降低。Forster[32]也得到相同的結(jié)論，二沉污泥EPS結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)與碳水化合物的比例為0.2～0.7，小于比例為1.1～2.8的消化污泥，由于消化污泥的蛋白質(zhì)含量更高，導(dǎo)致其粘度也更高，不利于脫水。胞外聚合物中松散結(jié)合型胞外聚合物(LB-EPS)和緊密結(jié)合型胞外聚合物 (TB-EPS)對(duì)污泥的流變特性的影響也是不同的。Yuan等[33]研究胞外聚合物提取前后對(duì)二沉污泥的流變特性的影響，指出二沉污泥LB-EPS提取后有較高的屈服應(yīng)力、極限粘度等，TB-EPS對(duì)二沉污泥的觸變性、極限粘度和污泥的彈性等產(chǎn)生積極的影響。You等[34]也分析了EPS提取前后二沉污泥流變特性的變化，LB-EPS提取后沒(méi)有降低污泥的固體行為即彈性沒(méi)有減弱，而提取出TB-EPS后，污泥的彈性減弱，彈性小于粘性，有利于污泥脫水。Li等[35]通過(guò)總有機(jī)碳分析儀(TOC)測(cè)得污泥混合物的粘度與其LB-EPS之間存在正相關(guān)關(guān)系，隨著LB-EPS含量的增加，污泥的粘度增加，而且污泥脫水難度隨著粘度的增加而增加。

3.2 污泥調(diào)理

污泥化學(xué)調(diào)理是向污泥中添加絮凝劑、助凝劑和氧化劑。污泥中加入調(diào)理劑可以改變其絮狀結(jié)構(gòu)，從而改變污泥流變特性使其向有利于脫水的方向進(jìn)行。調(diào)理劑又分為無(wú)機(jī)絮凝劑，有機(jī)高分子聚合電解質(zhì)等。黃曉婷等[36]研究了無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)污泥脫水性能的影響，結(jié)果表明：加入硫酸亞鐵和單質(zhì)硫混合基質(zhì)后各組的粘度下降速率明顯大于空白組，而且隨著投加量的增加粘度不斷降低，投加量最大即為30%時(shí)，粘度最低。這一觀點(diǎn)得到了Sanin等[37]的支持，并提出該現(xiàn)象的原因是絮體破碎成了較小的絮狀結(jié)構(gòu)，污泥的粘度降低。調(diào)理劑用量可以控制污泥的絮凝結(jié)構(gòu)和粒度分布。?rmeci等[38]測(cè)量污泥剪切量時(shí)發(fā)現(xiàn)，在調(diào)理劑劑量不足范圍、最佳劑量范圍、超劑量范圍內(nèi)的流變圖不同，用理論證明了調(diào)理劑用量不同確實(shí)會(huì)影響污泥的流變特性。Niu等[39]研究了無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)污泥脫水的影響，當(dāng)FeCl3的劑量為5%～10%時(shí)，污泥的粘度和屈服應(yīng)力最低，有利于脫水，其他劑量時(shí)粘度值高，不利于脫水。

聚丙烯酰胺是常用的有機(jī)高分子絮凝劑，因?yàn)榫郾０房梢栽谖勰嚅g發(fā)生吸附架橋作用，促使污泥顆粒絮體變大；而且污泥顆粒通常帶負(fù)電，加入陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，可以與污泥顆粒的負(fù)電中和，提高污泥脫水效果[40]。Chen等[41]加入聚丙烯酰胺調(diào)理二沉污泥，最佳劑量為1.2 kg/t，此時(shí)污泥的粘度最小，最有利于脫水。加入聚丙烯酰胺絮凝后的污泥表現(xiàn)出屈服應(yīng)力，其存在的原因是污泥絮凝后的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體破碎的緣故[42]。

3.3 外部條件

污泥的物理調(diào)理常用超聲波法、微波法和水熱處理，其中水熱處理的脫水效果顯著，近幾年引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。水熱處理實(shí)質(zhì)是溫度的變化對(duì)污泥流變特性的影響。水熱處理過(guò)程中隨著溫度的升高，污泥的絮體結(jié)構(gòu)被破壞，改變了污泥的流變特性，這一現(xiàn)象被很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)[43]。污泥的流變特性不僅受溫度的影響，還受pH值的影響，pH改變會(huì)引起污泥表面電荷的變化。

污泥表觀黏度的大小主要取決于顆粒自身的運(yùn)動(dòng)性能及顆粒之間的相互作用，而溫度是反映物質(zhì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性，因而影響污泥表觀黏度。Hii等[44]研究二沉污泥的流變特性發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，任一剪切速率下的剪切應(yīng)力均降低，表觀粘度也隨之降低。Baroutian 等[28]將混合的初沉污泥和二沉污泥流變特性與溫度的依賴性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力隨著溫度的升高而降低。Farno等[45]對(duì)消化污泥的流變特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：發(fā)現(xiàn)在較低溫度下，處理時(shí)間越長(zhǎng)，污泥表觀粘度越低；而在較高溫度下，處理時(shí)間長(zhǎng)短其表觀粘度沒(méi)有很大的差異，而隨著溫度的升高，處理時(shí)間和屈服應(yīng)力始終呈反比關(guān)系。Cao等[10]研究了消化污泥的觸變性，發(fā)現(xiàn)固體含量相同，污泥的滯后區(qū)域面積隨著溫度的升高而減小，說(shuō)明其觸變性變?nèi)?，脫水能力增?qiáng)。Zhang等[19]研究消化污泥的脫水性能與流變特性的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)水熱處理的消化污泥線性粘彈區(qū)域的范圍小于未經(jīng)過(guò)處理的污泥，說(shuō)明溫度升高后縮短了污泥的線性粘彈區(qū)域，有利于污泥脫水。Baudez等[46]還提出加熱過(guò)程也會(huì)影響消化污泥流變行為，先加熱后冷卻污泥的表觀粘度增加，可能是固體轉(zhuǎn)化為溶解型化合物造成的，并且該過(guò)程不可逆。因此隨溫度的升高，污泥的剪切應(yīng)力、表觀粘度和屈服應(yīng)力都下降，觸變性變?nèi)?，有利于污泥脫水?/p>

用極限粘度研究溫度對(duì)污泥的影響，可以通過(guò)Arrhenius方程分析[18]：

η∞=Kexp(Ea/RT)

其中，η∞極限粘度，K是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，R是通用氣體常數(shù)，Ea是活化能。該公式可用于描述溫度對(duì)污泥粘度的影響，Cao等[10]為了更好地描述二沉污泥的流變特性，對(duì)比了不同污泥的極限粘度變化，極限粘度隨著溫度的增加而降低，但對(duì)于低含固的污泥，溫度的影響不明顯，而對(duì)于高含固污泥，隨著溫度的升高，污泥的極限粘度明顯降低。

污泥的流變性質(zhì)還會(huì)受pH值影響，Tixier等[47]在研究pH變化對(duì)二沉污泥絮體顆粒間相互作用的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)粘度和剪切應(yīng)力隨pH的降低而降低，并提出了顆粒間的靜電斥力隨污泥顆粒的表面電荷的變化而變化和顆粒雙電層厚度減小兩個(gè)假設(shè)來(lái)解釋粘度降低的現(xiàn)象。Sanin等[48]研究二沉污泥流變特性的影響時(shí)提出：當(dāng)系統(tǒng)的pH為5.5時(shí)達(dá)到最低粘度，因?yàn)閜H=5.5是最接近細(xì)菌等位點(diǎn)的；當(dāng)pH值超過(guò)細(xì)菌的等位點(diǎn)以上，污泥顆粒表面負(fù)電荷將增加。絮凝物之間的排斥使基質(zhì)膨脹，暴露的橫截面積增加，會(huì)產(chǎn)生更大的流動(dòng)阻力，表現(xiàn)為粘度增加。Pevere等[49]也發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢(shì)，但又補(bǔ)充說(shuō)pH對(duì)污泥整體流變特性的影響有限。

從流變學(xué)角度分析酸調(diào)節(jié)污泥脫水的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)污泥在剪切過(guò)程中，pH值降低，剪切應(yīng)力、表觀粘度及屈服應(yīng)力也隨之降低，而且縮短了線性粘彈區(qū)域，說(shuō)明污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)在較低pH值下被破壞，導(dǎo)致其非牛頓流動(dòng)特性減弱，有利于污泥脫水[31]。Tombácz 等[50]研究發(fā)現(xiàn)污泥流變學(xué)的pH值依賴性類似于膠體材料，像高嶺土和蒙脫石，觀察到這些膠體材料顆粒表面電荷取決于溶液的pH值，高pH導(dǎo)致表面電荷帶負(fù)電，低pH表面電荷帶正電，這種表面電荷與材料的流變性有關(guān)，因?yàn)槠涓淖兞祟w粒間相互作用的方式。pH值升高，剪切應(yīng)力、表觀粘度和屈服應(yīng)力隨之升高，同樣也縮短了線性粘彈區(qū)域，這些變化都不利于污泥脫水。

4 結(jié)束語(yǔ)

污泥流變特性是評(píng)價(jià)污泥脫水的重要指標(biāo)，粘度和屈服應(yīng)力越小，越有利于污泥脫水。流變特性多用流變儀測(cè)量，其中最常用的是旋轉(zhuǎn)流變儀。污泥流變特性受很多因素影響，隨著溫度升高，污泥的剪切應(yīng)力、粘度和屈服應(yīng)力減小，有利于污泥脫水；污泥固體含量增加，粘度和屈服應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。為了更好的分析污泥流變特性與污泥脫水的關(guān)系，今后的研究需從以下方面考慮：污泥的組成非常復(fù)雜，需深入研究污泥中影響流變特性的特定成分；多數(shù)研究都集中在二沉污泥和消化污泥領(lǐng)域，對(duì)初沉污泥和混合污泥等其他類型污泥的流變特性研究非常有限。