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污泥流变特性及其变化规律的研究进展 曹秀芹1崔伟莎1王洪臣2齐鲁2李彩斌3王立宁3 1. 北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室， 北京 100044; 2. 中国人民大学 环境学院， 北京 100872; 3. 北京市中持绿色能源环境技术有限公司， 北京 100192 摘要 随着我国污水处理厂污泥产量的急剧增加， 污泥处理处置的效率亟待提高。传质是影响污泥处理效果最重要的 因素之一， 而污泥的流变特性对传质效果有决定性的作用， 因此污泥的流变特性是污泥处理处置单元设计和运行的重 要参数。通过分析不同的流体类型， 明确了作为非牛顿流体的污泥既是假塑性流体又是触变性流体。在此基础上， 对 三种常用的非牛顿流体流变模型， 即 Ostwald de Vaele 模型、 Herschel- Bulkley 模型和 Bingham 模型进行比较分析， 并系 统阐述了污泥流变特性及其变化规律性的国内外研究进展。 关键词 污泥; 流变特性; 变化规律; 流变模型 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201410003 PＲOGＲESS IN STUDY ON ＲHEOLOGICAL PＲOPEＲTIES OF SLUDGE AND ITS VAＲIATION ＲEGULAＲITY Cao Xiuqin1Cui Weisha1Wang Hongchen2Qi Lu2Li Caibin3Wang Lining3 1. Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China; 2. School of Environment and Natural Ｒesources，Ｒenmin University of China， Beijing 100872， China; 3. CSD ＜ Beijing ＞ Environmental Protection Development Co． ，Ltd，Beijing 100192， China AbstractThe efficiency of sludge treatment and disposal needs to be improved with the dramatic increase of sludge production in China． Mass transfer is one of the factors that influence the effect of sludge treatment，while the rheological properties of sludge have significant function on the effect of mass transfer，and therefore it is an important parameter for the design and operation of the unit of sludge treatment and disposal． Based on the analysis of different fluid types，sludge，as a non- Newtonian fluid，is not only a pseudoplastic fluid but also a thixotropic fluid． Three kinds of rheological models of non- Newtonian fluids were compared，i． e． Ostwald de Vaele model，Herschel- Bulkley model，Bingham model，and the latest progress of rheological properties of sludge and its variation regulation at home and abroad was systematically reviewed． Keywordssludge;rheological properties;variation regularity;rheological model * 北京市教育委员会 北京市自然科学基金 2013 年度科技计划重点 项目 KZ201310016017 ; 863 计划课题 “城市污泥分级分相厌氧消化组 合技术研发及工程示范” 2009AA064702 。 收稿日期 2014 －01 －23 0引言 近年来， 随着城镇化水平的不断提高以及节能减 排政策的推出， 我国污水处理设施建设高速发展， 水 环境治理取得了显著成效。但与此同时， 污水处理过 程产生的大量污泥却没能得到有效的处理处置， 使得 已建成并投入运行的大批污水处理设施的环境效益 大打折扣， 而且对城镇环境和公众健康造成了极大的 威胁， 并严重影响了国家节能减排战略的实施效 果 ［1- 2 ］。由于我国是发展中的农业大国， 便于污泥厌 氧消化后的推广应用， 并结合国务院、 住建部等发布 的 “十二五” 全国城镇污水处理及再生利用设施建 设规划 、 城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南 试行 等政策， 表明 “厌氧消化 土地利用” 无疑是 我国污泥处理处置最适合的技术路线。 然而， 目前污泥厌氧消化的效率不高， 尤其是我 国污水处理厂厌氧消化池的运行效果不够理想， 其主 9 水污染防治 Water Pollution Control 要原因之一是反应器中的传质效果有待进一步增强， 而污泥的流变特性是影响传质效果的重要因素。在 污泥的管道输送、 搅拌、 混合以及热交换等处理处置 单元过程设计和运行中， 只有掌握污泥的流变特性及 其变化规律， 才能进行合理的工艺设计以及设备的选 用与开发。而且， 污泥的流变特性也是厌氧消化等工 艺控制的重要依据［3 ］。由此可见， 污泥流变特性的 研究对污泥传质、 传热、 搅拌和物料运输等环节都具 有重要意义。 1污泥的流体类型分析 描述物质流变特性的参数有黏度、 剪切应力和剪 切速率等， 其中黏度是最常用的参数， 它描述的是流 体抵抗剪切引发流动的物理特性。牛顿最先提出了 与理想液体流动特性有关的黏度测定基本定律 τ ηγ 1 式中 τ 为剪切应力， Pa; η 为黏度， Pas;γ 为剪切速 率， s －1。 根据流体黏度的变化规律， 可将流体分为两大 类 在一定温度下， 流体的黏度值不随剪切速率变化 而变化， 为一常数， 这类流体称为牛顿流体， 其剪切应 力与剪切速率的关系曲线 即流动曲线 为一条通过 原点的直线， 这类流体如水、 血浆、 蜂蜜等; 还有一些 液体， 在一定温度下， 其黏度值随剪切速率的变化而 变化， 这类流体称为非牛顿流体， 如污泥、 餐厨垃圾、 血液等 ［4 ］， 所测得的非牛顿流体的黏度为表观黏度， 它不仅与流体的物理性质有关， 还与受到的剪切速率 有关。 非牛顿流体包括三类 一类黏度值随剪切速率的 增加而增加， 称为膨胀性流体， 其流动曲线通过坐标 原点凹向剪切应力轴; 另一类黏度值随剪切速率的增 加而减少， 称为假塑性流体， 其流动曲线通过坐标原 点凸向剪切应力轴; 最后一类是有屈服值的假塑性流 体， 其特点是剪切应力小于临界剪切应力 τ0时， 流体 不能流动， 只有当剪切应力大于 τ0时， 流体才能开始 流动。以上 4 种基本流体的流动曲线如图 1 所示。 此外， 非牛顿流体还有一些特殊性质。在某一恒 定剪切速率持续作用下， 有些流体会由黏稠状态变成 流动性较大的状态， 这是流体的触变性; 与此相反， 另 外一些流体会在恒定剪切速率下逐渐变得更黏稠， 这 是流体的流凝性， 这种流体比较少见。这两种性质的 共同点是， 当剪切作用停止后， 流体都需要一段时间 才能恢复到原来的状态。 图 1 4 种基本流体的流动曲线 Fig．1The flow curves of four kinds of basic fluids 相关研究也表明 ［5- 9 ］污泥的表观黏度随剪切速率 的增加而降低， 可见污泥属于假塑性流体。另外， 污 泥在相同的剪切速率下放置一段时间， 其表观黏度会 随作用时间的延长而变小， 因此污泥还属于触变性 流体。 2常用的非牛顿流体流变模型 非牛顿流体极为普遍， 广泛存在于化工、 食品及 建筑材料、 生物医学等领域。因为与牛顿流体相比， 非牛顿流体的流变特性极为复杂， 在研究过程中经常 会遇到各种困难。因此， 目前为止， 对于非牛顿流体 的研究还很少， 而针对污泥的研究则更少。由于非牛 顿流体的普遍性及其流变特性的复杂性， 在研究过程 中， 逐渐形成了一些描述非牛顿流体剪切应力和剪切 速率之间关系的非牛顿流体流变模型， 如 Ostwald de Vaele 模 型、 Herschel- Bulkley 模 型、 Bingham 模 型、 Casson 模型、 Sisko 模型、 Carreau 模型和 Cross 模型 等。下面主要分析几种常用的流变模型。 2. 1Ostwald de Vaele 模型 Ostwald de Vaele 模型又称没有屈服应力的幂律 模型， 是最常用的模型之一， 有两个可变参数， 见 式 2 τ Kγ n 2 式中 τ 为剪切应力， Pa; K 为黏度系数， Pa sn ; γ 为剪 切速率， s －1; n 为流变特性指数。 模型表达式中的 K 用于表征流体的黏度， 而 n 用于表征流体剪切稀化的趋势。张新瑜等 ［6 ］通过实 验， 验证了活性污泥的流变特性符合 Ostwald de Vaele 模型。Hasar 等 ［10- 12 ］ 研究了 MBＲ Membrane Bioreactor 反应器中活性污泥的流变特性， 结果表 01 环境工程 Environmental Engineering 明， 低剪切速率范围内活性污泥最适合的流动模型是 Ostwald de Vaele 模型。Ayol 等 ［13 ］也指出， 对于固体 含量分别为 1. 62、 1. 53、 2. 92 的中温厌氧消化 污泥、 高温厌氧消化污泥、 中温好氧 消 化 污 泥， Ostwald de Vaele 模型是最合适的。 2. 2Herscher- Bulkly 模型 Herscher- Bulkly 模型是最常用的三参数模型， 见 式 3 τ τH Kγ n 3 式中 τ 为剪切应力， Pa; τH为屈服应力， Pa; K 为黏度 系数， Pa sn ; γ 为剪切速率， s －1; n 为流变特性指数。 Monteiro 等人 ［14- 16 ］已将 Herscher- Bulkly 模型用 于描述不同来源的污泥， 如厌氧消化污泥、 MBＲ 反应 器中的活性污泥等。Garakani 等 ［17 ］ 的研究表明， Herschel- Bulkley 模型适合于描述高浓度活性污泥， 而 Bingham 模型更适合于表征低浓度污泥。 2. 3Bingham 模型 与 Ostwald de Vaele 模型一样， Bingham 模型也是 最常用的两参数模型之一， 见式 4 τ τB μ Bγ 4 式中 τ 为剪切应力， Pa; τB为屈服应力， Pa; μB为 Bingham 黏度， Pa s; γ 为剪切速率， s －1。 该模型中 Bingham 黏度不受剪切速率影响。董 玉婧等 ［7 ］对给水厂浓缩污泥的研究表明， Bingham 模 型适用于描述其流变特性。Baudez 等 ［18 ］的研究指 出， 在高剪切速率时， 可用 Bingham 模型来模拟流体 的流变特性， 而在低和中等剪切速率时， Ostwald de Vaele 模型和 Herschel- Bulkley 模型则更适用。Pevere 等 ［19 ］对取自厌氧 MBＲ 和 CSTＲ Continuous Stirred Tank Ｒeactor 生物反应器的污泥悬浮液进行流变特 性测试， 研究表明， Bingham 模型提供了最合适的流 变参数 μB和 τB。 3国内外研究进展 “流变学” 一词由美国印第安纳州拉法耶特学院 的 Bingham 教授首先提出。它是研究在外力作用下， 物体的变形和流动的科学， 其主要研究对象是流体、 软固体以及在特定条件下可以流动的固体。现代流 变学的研究开始于 20 世纪 20 年代， 经过了将近 1 个 世纪的发展， 已经成为一门成熟的科学， 并且正在发 挥巨大的作用。 3. 1国内研究进展 目前， 国内已有不少专家学者对污水流变特性进 行了研究， 但系统研究污泥流变特性及其变化规律的 还很少。 张新瑜等 ［ 6 ］研究了活性污泥的流变特性， 研究发 现， 其黏度随剪切速率的增加而减小， 表现出明显的剪 切稀化现象， 从而验证了活性污泥的非牛顿流体特性。 黄河洵等 ［ 20 ］对市政污泥的流变特性进行了研究， 运用 分段拟合方法完整地描述了低、 中、 高等剪切速率下脱 水污泥的流变曲线方程。丁仕强 ［ 21 ］对氧化塘污泥的 流变特性进行了研究， 结果表明 污泥的表观黏度随剪 切速率的增加而减小， 随浓度的增加而增大， 随 pH 值 的增加而增大。郭光明等 ［ 22 ］系统测试了质量分数为 28. 84 ～37. 30 的造纸污泥的流变特性， 得出了流 变方程， 并确定了其流变类型。董玉婧等 ［ 7 ］研究了给 水厂浓缩污泥的流变特性， 实验过程中污泥表现出触 变性及假塑性流体剪切变稀的性质， 研究表明污泥浓 度和温度是影响污泥流变特性的重要因素。Mu 等 ［ 23 ］ 对上流式厌氧污泥床 UASB 反应器中颗粒污泥的流 变特性和分型特征进行研究， 实验表明， UASB 中的颗 粒污泥表现出剪切稀化的性质， 可以分别用指数方程 和 Arrhenius 方程来拟合黏度和污泥浓度以及黏度和 温度之间的关系。Xia 等 ［ 24 ］对污泥浓缩消化过程中的 剩余活性污泥的浓度和流变学进行了模拟和评估， 并 研发了数学模型， 成功用于预测和评估污泥浓缩消化 过程中污泥浓度和消化效率的变化。Li 等 ［ 25 ］研究了 固体含量对不同类型的污泥流变学特性的影响， 研究 表明， 屈服应力 τy 、 材料的凝聚能量 Ec 、 剪切模量 G 和临界应变 γc 等流变参数均随污泥固体含量变 化表现出指数或幂率关系。 3. 2国外研究进展 国外也有部分专家学者对污泥的流变特性及其 变化规律进行了研究。Hasar 等 ［10 ］对浸没式膜生物 反应器中产生的污泥流动模型进行了研究。研究发 现， 温度和污泥固体含量是影响流变性能最主要的参 数。剪切应力随温度的增加而下降， 表观黏度随旋转 速度的增加呈对数下降， 随污泥固体含量的增加呈指 数增加。Guibaud 等 ［26 ］利用 Bingham 模型对活性污 泥的流变特性进行了模拟， Bingham 模型的两个流变 参数黏度 μB 和剪切应力 τB 可以很好地反映出污 泥性质的变化。Seyssiecq 等 ［27 ］对污泥的剪切稀化、 黏塑性和黏弹性等性能进行了讨论， 并对在污泥的流 变特性和物化参数之间建立联系给予了重点关注。 Baudez 等 ［28 ］研究了温度对厌氧消化污泥流变特性的 11 水污染防治 Water Pollution Control 影响， 实验发现， 固体和液体的特性随温度而下降， 屈 服应力和黏度是确定流变特性的两个关键参数， 因 此， 在工程流体动力学工艺的设计过程中必须考虑温 度和受热的影响。Baudez 等 ［18 ］研究了不同浓度的厌 氧消化污泥的流变学行为， 在低剪切应力时， 消化污 泥表现为线性黏弹性固体， 在非常高的剪切应力时， 其特性很好地符合宾汉模型。Ｒatkovich 等 ［29 ］指出流 变特性是和工艺性能相关的重要性质， 包括工艺的经 济性， 但是， 各种文献中测量流变特性的方案是多种 多样的， 导致了不同的结果和结论， 因此也需要对流 变学的测量方法进行进一步的探讨。 综上所述， 虽然国内外研究人员都对污泥的流变 特性及其变化规律进行了一定的研究， 但是仍有许多 问题亟待解决 1污泥的流变特性除与剪切速率、 质量分数和 温度有关外， 还与组成成分、 粒径以及粒径级配等因 素有关， 而这些方面还缺乏系统的实验研究， 有待进 一步深入探讨。 2由于污泥种类和构成的多变性， 以及流变设 备和方法等方面的原因， 目前还缺乏系统的流变特性 及其规律研究。因此， 在现阶段对污泥进行可靠的流 变性能测试和分析是有一定难度的。 3从微观角度， 用流变学对污泥进行的研究还 很少， 能否用流变参数作为污泥处理工艺的控制指 标， 目前还没有统一的结论。 4展望 由于非牛顿流体的特殊性， 之前对其流变特性的 研究相对较少， 而专门针对污泥流变特性的专题研究 及报道则更少。近几年来， 随着污泥处理处置压力的 急剧增加， 很多研究学者开始了对污泥流变特性的研 究。由于污泥流变特性是污泥处理处置装置设计和 运行中的重要参数， 对传质、 传热、 搅拌和物料运输等 单元以及工艺的经济性都有重要意义。而且， 对厌氧 消化的工艺选择、 设备选型和运行控制也有一定的指 导作用。因此， 深入研究污泥的流变特性及其变化规 律将会对我国城镇污水处理厂污泥或固体废弃物厌 氧消化工艺的发展起到重要的理论指导作用［30 ］ ， 对 污泥高效低耗的处理处置具有重要的现实意义。除 此之外， 还能对非牛顿流体流变特性的研究及其相关 测试方法等的探讨提供一些启示和参考。 参考文献 ［1］Cinar S， Onay T T， Erdincler A． Co- disposal alternatives of various municipal wastewater treatment- plant sludges with refuse［J］． Advances in Environment Ｒesearch， 2004 8 477- 482. ［2］张国芳． 污泥处理处置的现状和发展趋势分析［J］． 绿色科技， 2012 12 1- 4. ［3］刘刈， 邓良伟， 王智勇． 几种厌氧消化原料的流变特性及其影响 因素［J］． 农业工程学报， 2009， 25 8 204- 209. ［4］李学哲， 王伦津． 非牛顿流体黏度测量系统的设计与实现［J］． 宁夏工程技术， 2009， 8 4 321- 324. ［5］Yang F， Bick A， Shandalov S， et al． 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