1 引言

　　近年來(lái)城市污泥產(chǎn)量逐年增加, 其中含水率約80%左右的污泥年產(chǎn)量達(dá)到了3000 t, 并且絕大部分沒(méi)有得到有效的處理.厭氧消化因其具有降解污泥中的有機(jī)物、回收甲烷等二次能源等優(yōu)點(diǎn), 目前仍然是污泥穩(wěn)定化處理的主要方法.厭氧消化之前對(duì)污泥進(jìn)行一定程度的熱水解預(yù)處理, 可大幅提高污泥在厭氧消化過(guò)程中水解階段的反應(yīng)速率.污泥經(jīng)過(guò)熱水解后部分固態(tài)物質(zhì)發(fā)生溶解, 其黏度、屈服應(yīng)力降低, 流動(dòng)性能大幅提高, 便于污泥后續(xù)的泵送和處理.溫度和時(shí)間是影響污泥熱水解程度的兩大因素.一般將溫度超過(guò)100 ℃的熱水解稱為高溫?zé)崴��? 在高溫?zé)崴�解條件下加熱30~60 min后污泥基本達(dá)到穩(wěn)態(tài).Sapkaite等指出城市污泥在140~170 ℃下熱水解5~35 min有利于后續(xù)的厭氧消化過(guò)程.

　　污泥的流變特性是厭氧消化單元過(guò)程設(shè)計(jì)及裝置運(yùn)行和管理過(guò)程中的重要參數(shù).凡是影響液體流層之間內(nèi)摩擦的因素, 都會(huì)影響非牛頓流體的流動(dòng), 同時(shí)影響非牛頓流體的流變特性.影響污泥流變特性的主要因素有溫度、濃度、剪切速率等.污泥黏度隨溫度的升高而減小, 隨濃度的增加而增大.當(dāng)剪切速率增大時(shí), 污泥結(jié)構(gòu)受到破壞, 膠團(tuán)粒子沿流動(dòng)方向定向排列, 流動(dòng)阻力減小, 污泥黏度降低.Zhang等在0.01~1000 s-1內(nèi)對(duì)TS為20%的高含固厭氧消化污泥進(jìn)行了測(cè)試, 在1~10 s-1范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)臨界應(yīng)力, 并提出了改進(jìn)的Herschel-Bulkley模型, 但其并未指出改進(jìn)Herschel-Bulkley模型的適用范圍及影響臨界剪切應(yīng)力的主要因素.在實(shí)際污泥的運(yùn)輸和攪拌中, 低剪切速率對(duì)應(yīng)的是反應(yīng)器內(nèi)的攪拌過(guò)程, 而高剪切速率對(duì)應(yīng)的是污泥的管道輸送.熱水解過(guò)程廣泛用于污泥厭氧消化的預(yù)處理之中, 為使經(jīng)過(guò)熱水解后的污泥能夠在后續(xù)的厭氧反應(yīng)器的混合、攪拌過(guò)程中產(chǎn)生合理的流動(dòng), 對(duì)熱水解污泥臨界剪切應(yīng)力的研究是十分必要的.

　　目前并沒(méi)有學(xué)者對(duì)熱水解污泥流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的影響因素進(jìn)行相關(guān)研究.針對(duì)以上問(wèn)題, 本實(shí)驗(yàn)在160 ℃的高溫下對(duì)高含固脫水污泥進(jìn)行熱水解30 min預(yù)處理, 得到160 ℃-30 min的熱水解污泥.

　　研究預(yù)剪切強(qiáng)度、溫度(15~85 ℃)、濃度(8.6%~15.6%)、剪切速率范圍(0.1~1000 s-1)對(duì)熱水解污泥流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的影響, 確定了影響流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的主要影響因素, 以期為厭氧消化設(shè)備工藝參數(shù)的選擇提供依據(jù).

　　2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　本實(shí)驗(yàn)所用脫水泥采自上海市政污水處理廠.初沉泥和二沉泥經(jīng)過(guò)聚丙烯酰胺(polyacrylamide, 簡(jiǎn)稱PAM)處理后, 經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水得到脫水污泥.將脫水污泥分批次放入高溫高壓熱水解反應(yīng)器進(jìn)行水浴加熱.密閉條件下, 脫水泥在160 ℃的飽和蒸氣壓下加熱30 min, 得到160 ℃-30 min熱水解泥.在流變測(cè)試前, 污泥均置于4 ℃冰箱中貯存以抑制生物活性.

　　2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

　　將脫水污泥和熱水解泥在105 ℃烘箱中放置24 h, 測(cè)定污泥的TS.隨后將干污泥置于600 ℃的馬弗爐中焚燒2 h, 測(cè)定污泥的揮發(fā)性組分(Volatile Solids, 簡(jiǎn)稱VS)的含量(VS/TS).表 1給出了上述污泥的基本物性指標(biāo).以濃度為15.6%的熱水解污泥為例, 研究溫度(15~85 ℃)對(duì)污泥流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的影響.向TS為15.6%熱水解污泥中加入超純水進(jìn)行稀釋, 得到13.5%、12.6%、10%、8.6%系列濃度的熱水解污泥樣品, 研究濃度對(duì)臨界剪切應(yīng)力的影響.

 　　本實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力控制的馬爾文旋轉(zhuǎn)流變儀(Kinexus lab+, Malvern)測(cè)量污泥的各項(xiàng)流變指標(biāo).該流變儀配有同軸圓筒和轉(zhuǎn)子, 圓桶內(nèi)徑27.5 mm, 轉(zhuǎn)子直徑25 mm, 圓筒內(nèi)表面粗糙, 可有效防止污泥在壁面滑移.該流變儀與循環(huán)換熱器連接, 保證樣品在指定溫度下進(jìn)行流變測(cè)試.為確保待測(cè)樣品的均一性和測(cè)試的可重復(fù)性, 預(yù)剪切步驟必不可少.本實(shí)驗(yàn)所有樣品在1000 s-1預(yù)剪切5 min后再進(jìn)行流變特性測(cè)試和蠕變測(cè)試.

　　污泥流動(dòng)曲線中出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力的現(xiàn)象與之前學(xué)者的研究結(jié)果并不相同.鑒于Zhang等在實(shí)驗(yàn)中使用的是TS>10%的高含固污泥, 污泥樣品在1000 s-1下預(yù)剪切5 min后可能并未達(dá)到均勻狀態(tài).為了檢驗(yàn)流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的出現(xiàn)是否和預(yù)剪切強(qiáng)度有關(guān), 本實(shí)驗(yàn)將TS為15.6%的高含固熱水解污泥分別進(jìn)行不同強(qiáng)度的預(yù)剪切, 然后再進(jìn)行后續(xù)流變特性的測(cè)試.

　　流變特性測(cè)試：剪切速率從1000 s-1以對(duì)數(shù)形式減小到0.01 s-1, 測(cè)定污泥的流動(dòng)曲線.

　　蠕變測(cè)試：測(cè)定污泥的粘彈性及污泥在低剪切應(yīng)力下的流變行為.對(duì)污泥樣品施加恒定的剪切應(yīng)力, 1 min后測(cè)定角位移(φ), 松弛10 s后增大剪切應(yīng)力, 重復(fù)上述步驟.本實(shí)驗(yàn)中蠕變測(cè)試作為驗(yàn)證濃度對(duì)臨界剪切應(yīng)力影響的另一種測(cè)試方法.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度表征

　　為證明本實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試方法的準(zhǔn)確性及可靠性, 實(shí)驗(yàn)采用含固率為13.5%的熱水解泥測(cè)試污泥流動(dòng)曲線, 重復(fù)測(cè)試3次, 測(cè)量偏差用誤差棒進(jìn)行表征.如圖 1所示, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠.

 　　3.2 熱水解泥的流變特性

　　經(jīng)過(guò)160 ℃-30 min熱水解處理的污泥的流動(dòng)曲線及黏度曲線如圖 2所示, 熱水解污泥是具有屈服應(yīng)力的假塑性流體.剪切速率越大, 污泥顆粒沿剪切方向的排列性越好, 污泥黏度(η)越小, 因而具有剪切變稀的特性.值得注意的是, 在0.1~10 s-1的低剪切速率范圍內(nèi)出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力, 將污泥的流動(dòng)曲線分為兩段.Zhang等在對(duì)不同消化時(shí)間的TS>20%的厭氧消化污泥的研究中也觀察到了流動(dòng)曲線分段的現(xiàn)象.以臨界剪切應(yīng)力為分界點(diǎn), 得到如下改進(jìn)的Herschel-Bulkey模型：

(1)

式中, τ為剪切應(yīng)力, τy為污泥的屈服應(yīng)力(Pa); 為剪切速率(s-1); 和τc分別表示臨界剪切速率和臨界剪切應(yīng)力;K1, K2為擬合參數(shù)(Pa·sn);n1, n2為流動(dòng)指數(shù).當(dāng) 時(shí), 流動(dòng)曲線用改進(jìn)Herschel-Bulkley模型的第Ⅰ部分進(jìn)行擬合;當(dāng) 時(shí), 流動(dòng)曲線則用改進(jìn)模型的第Ⅱ部分?jǐn)M合.

　　3.3 預(yù)剪切強(qiáng)度對(duì)臨界剪切應(yīng)力的影響

　　污泥(160 ℃-30 min)經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度的預(yù)剪切步驟后測(cè)得的流動(dòng)曲線如圖 3所示.圖 3a研究預(yù)剪切速率對(duì)污泥流動(dòng)曲線的影響：熱水解污泥在1000~2000 s-1內(nèi)預(yù)剪切5 min后, 測(cè)得的流動(dòng)曲線中均出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力.從圖 3b可知, 當(dāng)熱水解泥在1000 s-1下預(yù)剪切時(shí)間達(dá)到30 min時(shí), 測(cè)得的流動(dòng)曲線中的臨界剪切應(yīng)力仍然存在.并且預(yù)剪切強(qiáng)度越大, 污泥的流動(dòng)性越好, 污泥顆粒沿流動(dòng)方向的排列越好, 這與污泥剪切變稀的原理是一致的.污泥經(jīng)過(guò)預(yù)剪切后, 污泥結(jié)構(gòu)的重建與停留時(shí)間有關(guān).預(yù)剪切步驟與流變特性測(cè)試之間的停留時(shí)間對(duì)熱水解污泥流動(dòng)曲線的影響如圖 3c所示：熱水解泥在1000 s-1下預(yù)剪切5 min后, 不同停留時(shí)間(1~20 min)的流動(dòng)曲線幾乎重疊, 而且均出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力.從圖 3可以看出, 增大預(yù)剪切速率或延長(zhǎng)預(yù)剪切時(shí)間, 熱水解污泥流動(dòng)曲線中均出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力, 這表明流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的出現(xiàn)與預(yù)剪切強(qiáng)度無(wú)關(guān).

 　　3.4 溫度對(duì)臨界剪切應(yīng)力的影響

　　溫度對(duì)含固率為15.6%的高含固熱水解污泥流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的影響如圖 4所示.可以看出, 溫度越高、剪切速率越大, 則污泥的黏度(η)越低、流動(dòng)性越好, 表現(xiàn)出剪切變稀的特性.溫度效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于其影響了污泥顆粒的運(yùn)動(dòng)性能, 溫度越高污泥顆粒的熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈, 顆粒間作用力減小, 從而污泥黏度下降.不同溫度的流動(dòng)曲線在剪切速率0.1~10 s-1內(nèi)均出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力, 將流動(dòng)曲線分為兩個(gè)部分, 且溫度越高, 分段越顯著.以臨界剪切應(yīng)力為分界點(diǎn), 用3.2節(jié)方程(1)中提到的改進(jìn)的Herschel-Bulkley模型進(jìn)行擬合, 擬合參數(shù)見(jiàn)表 2.可以看出不同溫度下熱水解污泥流動(dòng)曲線的擬合優(yōu)度參數(shù)R2均達(dá)到0.99, 說(shuō)明擬合度很好.

　　3.5 濃度對(duì)臨界剪切應(yīng)力的影響

濃度是影響污泥流變特性的一項(xiàng)重要因素.中溫厭氧消化在工程中應(yīng)用較為廣泛, 故本實(shí)驗(yàn)研究35 ℃下濃度對(duì)熱水解污泥流變特性的影響.結(jié)果如圖 5所示, 當(dāng)污泥濃度增大時(shí), 污泥顆粒及大分子間的相互作用增強(qiáng), 顆粒間的相互作用力增加, 剪切應(yīng)力和黏度均隨濃度增加而增大, 從而形成一個(gè)更加穩(wěn)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).圖 5中流動(dòng)曲線中的臨界剪切應(yīng)力τc可看作粘性力和和彈性力相等的平衡點(diǎn).在0.01~1000 s-1的剪切速率范圍內(nèi), 當(dāng)TS<10%時(shí), 污泥顆粒間的相互作用力較弱, 此時(shí)污泥的粘性力起主導(dǎo)作用, 流動(dòng)曲線是一條光滑的曲線, 能夠用Herschel-Bulkley進(jìn)行很好的擬合;當(dāng)污泥濃度的增大到10%時(shí), 泥顆粒間的作用力開(kāi)始大幅增加, 低剪切力下污泥顆粒間的彈性力作用不可忽略.流動(dòng)曲線在0.1~10 s-1內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)臨界剪切速率 , 對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力τc為粘性力和和彈性力相等的平衡點(diǎn);當(dāng)TS>10%時(shí), 臨界剪切速率 隨污泥濃度的增加而增大, 此時(shí)污泥的流動(dòng)曲線需用公式(1)中提到的改進(jìn)Herschel-Bulkley模型來(lái)擬合.在 的低剪切力下, 受破壞的污泥結(jié)構(gòu)可通過(guò)污泥顆粒間的相互作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)重建, 污泥顆粒間的粘性力和彈性力二者共同作用對(duì)污泥的流動(dòng)產(chǎn)生影響;當(dāng) 時(shí), 粘性力作用占主導(dǎo)作用, 污泥產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)流動(dòng)并且不再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的重建.Chaignon等也曾指出在低剪切力下, 受到破壞的污泥結(jié)構(gòu)會(huì)通過(guò)污泥顆粒間的相互作用進(jìn)行再絮凝;在高剪切作用下污泥結(jié)構(gòu)完全被破壞, 污泥不再進(jìn)行絮凝作用并且產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)流.

 　　從圖 5可以看出, 當(dāng)污泥濃度的較低時(shí)流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力較難分辨.蠕變測(cè)試可測(cè)定污泥的粘彈性及其在低剪切力下的流變特性, 在本實(shí)驗(yàn)中和流動(dòng)曲線測(cè)試相互驗(yàn)證, 以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性.不同濃度的熱水解泥在35 ℃下的蠕變曲線如圖 6所示：TS>10%時(shí), 蠕變曲線中出現(xiàn)τ1和τ2兩個(gè)突躍點(diǎn), 將蠕變曲線分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3部分.τ<τ1的Ⅰ區(qū)定義為污泥的線性粘彈區(qū), 彈性力占主導(dǎo)作用;τ>τ1時(shí)污泥結(jié)構(gòu)開(kāi)始破裂, 粘性力產(chǎn)生并和彈性力共同主導(dǎo)污泥的流變特性, 故將污泥τ1<τ<τ2的Ⅱ區(qū)稱為非線性粘彈區(qū);τ>τ2時(shí), 粘性作用力占主導(dǎo), 將Ⅲ區(qū)稱為純粘性區(qū).流動(dòng)曲線中的τc可看作非線性粘彈區(qū)和純粘性區(qū)的臨界剪切應(yīng)力, 與蠕變曲線中的τ2表示相同的物理狀態(tài).當(dāng)污泥濃度的降低到10%時(shí), 蠕變曲線中的第2個(gè)突躍點(diǎn)τ2變得不再顯著.當(dāng)TS<10%時(shí), 第2個(gè)突躍點(diǎn)τ2消失, 表征非線性粘彈區(qū)的第Ⅱ部分也隨之消失.這表明低濃度的污泥從開(kāi)始流動(dòng)就已經(jīng)發(fā)展成粘性力占主導(dǎo)作用的穩(wěn)態(tài)流.隨著污泥濃度的降低, 圖 5中流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力τc與圖 6中的蠕變曲線中第2個(gè)突躍點(diǎn)τ2同步消失的現(xiàn)象進(jìn)一步證明了τc與τ2具有相同的物理意義, 是污泥粘性力和彈性力的平衡點(diǎn).

 　　前文中已經(jīng)提到, 屈服應(yīng)力τy表征污泥網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱;τc表示污泥粘性作用力和彈性作用力的平衡點(diǎn).τ1是線性粘彈區(qū)和非線性粘彈區(qū)的分界點(diǎn), τ2是非線性粘彈區(qū)和純粘性區(qū)的分界點(diǎn).(τc-τy)、(τ2-τ1)的值越大, 流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力越顯著;反之越小, 臨界剪切應(yīng)力越不明顯.從圖 7中可以看出：(τc-τy)、(τ2-τ1)均隨污泥濃度的增加以拋物線形式增大, 二者數(shù)值之間的微小差別可看作不同測(cè)試方法所致.當(dāng)污泥含固率超過(guò)10%時(shí), τy和τc, τ1和τ2的值均開(kāi)始加速增大, 說(shuō)明污泥顆粒及大分子間的纏繞聯(lián)結(jié)作用迅速增強(qiáng), 尤其是在低剪切力下污泥顆粒間的彈性力作用不可忽略, 這也表明了上文中對(duì)臨界剪切應(yīng)力現(xiàn)象分析的正確性.

 　　4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)確定了影響熱水解污泥流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的主要因素.對(duì)于160 ℃-30 min熱水解污泥而言, 在保證污泥樣品均勻的前提下, 流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的出現(xiàn)與預(yù)剪切強(qiáng)度及溫度無(wú)關(guān), 而與污泥濃度和剪切速率范圍有關(guān).當(dāng)TS<10%時(shí), 污泥流動(dòng)曲線光滑, 可用Herschel-Bulkley模型進(jìn)行擬合.當(dāng)TS=10%時(shí), 流動(dòng)曲線在0.1~10 s-1范圍內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力τc將流動(dòng)曲線分為兩個(gè)部分.TS>10%時(shí), 熱水解泥流動(dòng)曲線中均出現(xiàn)臨界剪切應(yīng)力.若剪切速率范圍內(nèi)不包含臨界剪切速率 , 采用Herschel-Bulkley模型擬合流動(dòng)曲線;若剪切速率范圍內(nèi)包含 則采用方程(1)中提到的改進(jìn)的Herschel-Bulkley模型擬合流動(dòng)曲線.研究流動(dòng)曲線中臨界剪切應(yīng)力的主要影響因素, 選擇合適的流變模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱水解污泥在厭氧反應(yīng)器中的流變特性, 使污泥在反應(yīng)器中合理流動(dòng), 從而提高反應(yīng)效率. 具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.jianfeilema.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。