曹秀芹，王　遠(yuǎn)，蔣竹荷

（北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

活性污泥流變特性主要影響因素及其研究進(jìn)展

曹秀芹，王遠(yuǎn)，蔣竹荷

（北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

活性污泥作為非牛頓流體，其流變特性對污水處理工藝有著至關(guān)重要的影響。而活性污泥流變特性受多種因素影響，其中溫度和濃度是最主要的因素，此外污泥的理化特性如表面電荷、EPS、粒徑等，以及系統(tǒng)的運(yùn)行條件如pH、通氣量、預(yù)處理等也會(huì)影響污泥流變特性。這些因素在影響流變特性的同時(shí)會(huì)影響到傳質(zhì)過程、污泥管道輸送以及污泥處理處置工藝等方面。因此，掌握各影響因素對流變特性的影響變化規(guī)律具有重要的實(shí)際意義。

活性污泥；流變特性；黏度

活性污泥法作為污水處理技術(shù)領(lǐng)域中最主要的工藝已有100年的發(fā)展歷史。該方法一直被不斷地革新，尤其體現(xiàn)在近幾十年的發(fā)展中〔1〕?；钚晕勰嗟男再|(zhì)可以從2個(gè)方面來描述，一方面是基于理化性質(zhì)層面的描述，例如顆粒濃度、粒徑分布、電導(dǎo)率、表面張力等；另一方面是基于工程技術(shù)層面的描述，例如黏附性、沉降性、脫水性還有泵站特性等。一般而言，這2個(gè)層面之間的關(guān)聯(lián)性比較小，但污泥的流變特性卻可以將二者有效地聯(lián)系起來〔2〕。流變特性是活性污泥的一項(xiàng)重要參數(shù)，不僅對反應(yīng)器傳質(zhì)有很大的影響，而且對管道上的壓力損失計(jì)算、高濃度物料遠(yuǎn)距離管道輸送能量計(jì)算〔3〕，以及對污泥處理處置工藝都具有重要作用。相關(guān)研究表明，流變特性在污泥的處理處置過程中，尤其在污泥攪拌混合方面起到根本性的作用〔4-5〕。N.Ratkovich等〔6〕的研究則表明了流變特性對活性污泥的泵提升輸送、攪拌以及二沉池水力沉降性等的重要性。因此，全面掌握污泥流變特性的影響因素和變化規(guī)律，對于改進(jìn)活性污泥法的運(yùn)行條件和參數(shù)，指導(dǎo)工程的優(yōu)化和改進(jìn)有著重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1　污泥的非牛頓流體特性

按照經(jīng)典牛頓力學(xué)，可以將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。對牛頓流體來說，以剪切應(yīng)力對剪切速率作圖可得到通過原點(diǎn)的直線，其斜率就是該溫度下的流體黏度，牛頓流體的黏度是個(gè)定值。但非牛頓流體的斜率則是不斷變化的，因此仿照牛頓流體的黏度定義公式，將非牛頓流體在某特定點(diǎn)的斜率稱為表觀黏度〔7〕。自然界中常見的以非牛頓流體居多，如油漆、蜂蜜等〔8〕?；钚晕勰嗑褪欠桥ｎD流體，污泥的黏度即指的是表觀黏度。一般來講，隨著剪切速率的上升，污泥的黏度下降，剪切應(yīng)力上升，表現(xiàn)出剪切變稀特性，屬于假塑性非牛頓流體。在非牛頓流體的流變特性研究過程中，逐漸形成了一些描述非牛頓流體剪切應(yīng)力和剪切速率之間關(guān)系的流變模型，如Ostwald模型（冪律模型）、Herschel-Bulkley模型、Bingham模型、Casson模型、Sisko模型、Carreau模型和Cross模型等，其中在活性污泥方面應(yīng)用最多的3種模型是Ostwald模型、Herschel-Bulkley模型和Bingham模型。

針對污泥流變特性的影響因素，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了研究。結(jié)果表明，溫度和濃度是影響污泥流變性能最主要的參數(shù)〔9-10〕。但污泥的復(fù)雜性和特殊性在于其主要成分是生物細(xì)胞物質(zhì)，其他因素諸如pH、表面電荷、代謝產(chǎn)物（EPS等）、曝氣量，以及污泥預(yù)處理方式（如熱解過程和超聲波處理等）也都會(huì)對污泥的流變特性產(chǎn)生影響。針對上述幾種因素，部分學(xué)者也專門做了研究，但各自研究的因素相對單一〔11〕。因此，正確建立起污泥流變特性與其影響因素之間的關(guān)系，全面掌握污泥流變特性的變化規(guī)律，對活性污泥法工藝的改進(jìn)和過程的控制以及污泥的處理處置將起到非常重要的作用。

2　主要影響因素對污泥流變特性的影響

2.1溫度對污泥流變特性的影響

溫度是影響污泥流變特性最主要的因素之一。一般來說，提高溫度會(huì)使污泥的黏度下降。根據(jù)已有研究，主要從以下2個(gè)方面分析溫度對污泥流變特性的影響規(guī)律。

2.1.1描述溫度與流變特性的一般關(guān)系式——阿倫尼烏斯公式

曾有學(xué)者提出〔12-13〕，污泥黏度與溫度的關(guān)系可以用阿倫尼烏斯公式來描述：

式中：η∞——極限黏度，Pa·s；

A——頻率因子，Pa·s；

T——絕對溫度，K；

R——通用氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；

Ea——活化能，J/mol。

式（1）被廣泛采用，并且已有學(xué)者將此公式應(yīng)用于不同種類的污泥，如生物反應(yīng)器污泥、厭氧消化污泥和稀釋污泥等。P.Battistoni〔12〕通過研究初沉污泥、活性污泥和消化污泥的流變特性，證明了Bingham模型黏度與溫度之間的指數(shù)關(guān)系。在探討溫度對流變特性影響的研究中，阿侖尼烏斯方程常被用來描述流變參數(shù)，通過對阿侖尼烏斯方程進(jìn)行變形，可以計(jì)算得到特定剪切速率下的活化能。董玉婧等〔13〕采用給水廠濃縮污泥探討了溫度對污泥極限黏度的影響，結(jié)果表明，污泥具有觸變性，溫度與污泥極限黏度之間的關(guān)系符合阿倫尼烏斯公式，并通過計(jì)算得到反應(yīng)的活化能為14.91 J/mol。

2.1.2描述溫度與流變特性的特殊關(guān)系式

除阿倫尼烏斯公式以外，許多學(xué)者還利用各自推導(dǎo)出的關(guān)系式來描述污泥黏度與溫度之間的關(guān)系。M.M.Sozanski等〔14〕研究了溫度與Bingham模型黏度與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系，其中黏度與溫度的關(guān)系用一個(gè)與溫度相關(guān)的參數(shù)WT表示：

式中：ηB——Bingham模型黏度，Pa·s；

T——溫度，K。

T.Jiang等〔15〕通過對膜生物反應(yīng)器污泥的研究，提出以一水力學(xué)模型來描述溫度與黏度之間的關(guān)系：

式中：η和η0——分別為T和T0對應(yīng)下的黏度，Pa·s；

a、b、c——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

F.Yang等〔16〕則通過下式來表征活性污泥在恒定剪切速率下的黏度（η，Pa·s）與溫度（T，K）以及MLSS（Φp，g/L）之間的關(guān)系。

式中：a、b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

J.C.Baudez等〔17〕對厭氧消化污泥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在連續(xù)加熱過程中，污泥的屈服應(yīng)力和Bingham黏度都會(huì)降低。但當(dāng)冷卻到初始溫度時(shí)，與原污泥相比，污泥Bingham黏度增加，黏度指數(shù)上升，屈服應(yīng)力下降。這意味著污泥可能在加熱中部分轉(zhuǎn)變成了溶解性的化合物，這個(gè)過程是不可逆的，而且通常用來描述溫度與流變特性的公式前提必須是在連續(xù)加熱條件下，否則不能使用。

綜上所述，污泥的黏度隨著溫度的升高表現(xiàn)出下降的趨勢，這是因?yàn)槲勰嗍呛泄滔嗑z團(tuán)的多相液體，作為分散相的膠團(tuán)之間存在一定的相互作用，在靜止時(shí)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)剪切速率增大時(shí)，這種結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，膠團(tuán)粒子沿流動(dòng)方向定向排列，使流動(dòng)阻力減小，表現(xiàn)為黏度降低。流體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律是分散相濃度越大，流體流動(dòng)性越??；體系溫度越高，流體流動(dòng)性越大。溫度效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于其影響了污泥膠團(tuán)粒子的運(yùn)動(dòng)性能〔18〕，溫度升高，污泥分子間的距離加大，分子引力減小，內(nèi)摩擦減弱，污泥膠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因此而變化，黏度下降。研究溫度對流變特性影響的意義在于，在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)階段提出合理的設(shè)計(jì)方案，特別是在熱交換和管道運(yùn)輸?shù)确矫妗?/p>

2.2濃度對污泥流變特性的影響

同溫度對污泥流變特性的影響一樣，濃度對污泥流變特性的影響也非常關(guān)鍵，這也是絕大多數(shù)學(xué)者研究的重點(diǎn)。

2.2.1污泥濃度與模型關(guān)系的研究進(jìn)展

污泥濃度對流變特性的影響非常大，國內(nèi)外很多學(xué)者對此做了研究。張新瑜等〔1〕對某城市污水處理廠的活性污泥和啤酒廢水處理生物反應(yīng)池的污泥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用恒溫20℃控制，隨著剪切速率由低到高，不同濃度的污泥黏度曲線變化規(guī)律相似，且黏度隨著污泥濃度的增加而增加，數(shù)值模擬擬合結(jié)果符合冪律模型，即：

式中：τ——剪切應(yīng)力，Pa；

K——黏度系數(shù)；

γ——剪切速率，s-1；

n——流變特性指數(shù)。

董玉婧等〔13〕針對給水廠濃縮污泥，探討了污泥濃度對極限黏度的影響，結(jié)果表明，極限黏度與污泥濃度之間的關(guān)系符合冪指數(shù)關(guān)系，Bingham模型可以描述污泥的流變性質(zhì)，即：

τ=τB+μBγ（6）

式中：τB——屈服應(yīng)力，Pa；

μB——Bingham黏度，Pa·s。

A.H.Khalili Garakani等〔19〕利用不同的流變模型來描述浸沒式膜生物反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的流變特性，將低濃度的污泥用Bingham模型來描述，而高濃度的活性污泥用Herschel-Bulkey模型來描述，即：

τ+τH+Kγn（7）

式中：τH——屈服應(yīng)力，Pa。

除了上述利用現(xiàn)有的模型來研究之外，還有許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了不同的流變模型。S. Rosenberger等〔20〕研究了9種不同MBR的活性污泥，發(fā)現(xiàn)活性污泥的黏度與濃度有很大關(guān)系，隨著污泥濃度的增大，黏度增加，并得出如下模型：

式中：ηa——污泥黏度，Pa·s；

TS——污泥質(zhì)量濃度，g/L；

但是，G.Laera等〔21〕對MBR反應(yīng)器內(nèi)污泥在不同停留時(shí)間（SRT）下的流變特性研究表明：在MLSS為3.7～22.9 g/L范圍內(nèi)，雖然Bingham模型比Ostwald模型的吻合性要好，但是考慮到在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Ostwald模型中的流變指數(shù)n和黏度指數(shù)K有很強(qiáng)的相關(guān)性，于是在此基礎(chǔ)上得到模型：

周振等〔22〕以膜污泥濃縮系統(tǒng)下的濃縮活性污泥為研究對象，將溫度和濃度對污泥流變特性的影響聯(lián)合起來，并以二者為自變量，得到黏度同他們的關(guān)系模型：

式中：μ——黏度，Pa·s；

ε——溫度和污泥質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)；

E——活化能，J/mol；

室溫下，分別用超純水配制50 mL質(zhì)量濃度為400 ng·L-1的 HHCB 和 AHTN 溶液，用 H2SO4和NaOH將反應(yīng)體系的pH值分別調(diào)節(jié)為1、2、3、4、5、6、7、8、9，PAC 投加量為 10 mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間為120 min。不同反應(yīng)體系初始pH值對2種合成麝香去除率的影響如圖7所示。

k——波耳茨曼常數(shù)，8.314 mJ/（mol·K）；

T——絕對溫度，K；

β——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

ρ——污泥質(zhì)量濃度，g/L。

從擬合結(jié)果來看，與溫度相比，污泥濃度對黏度的影響更為顯著，并且膜濃縮污泥在低濃度（＜10 g/L）下的流變性更接近于Bingham模型，而高濃度（＞10 g/L）下的流變性則接近于冪律模型。

2.2.2其他體現(xiàn)污泥濃度和流變特性關(guān)系的研究

Jiankai Jiang等〔23〕研究了高含固污泥（TS＞8%）的流變特性與溫度和濃度的變化規(guī)律，結(jié)果表明，濃度比溫度對流變特性的影響大，屈服應(yīng)力和黏度都隨污泥濃度的增加而增大。L.H.Mikkelsen〔24〕研究了不同濃度活性污泥（3.5～4.0 g/L）的過濾阻力、表面化學(xué)性質(zhì)和流變特性之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，隨著TSS的增大，污泥的極限黏度、黏度、剪切應(yīng)力都逐漸增大，過濾性能和CST（毛細(xì)吸水時(shí)間）則減小，作者猜測這是由于隨著濃度的增加，污泥顆粒間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加緊密所致。A.Pevere等〔25〕對厭氧顆粒污泥（TSS為2～18 g/L）的流變性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為其極限黏度與濃度符合指數(shù)關(guān)系。丁仕強(qiáng)〔26〕對處理生活污水的氧化塘的污泥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著污泥濃度的上升，黏度增加。J.C.Baudez等〔27〕推導(dǎo)出污泥Bingham黏度與顆粒物濃度之間的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系。李婷〔28〕的研究表明，污泥的極限黏度、滯環(huán)圈面積、屈服應(yīng)力、結(jié)合能、儲(chǔ)能模量和臨界形變等流變參數(shù)與TSS之間具有冪指數(shù)關(guān)系。M. Mori等〔29〕利用H-B模型對活性污泥進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，隨著TSS（4～43 g/L）的增大，污泥的黏彈性和剪切變稀性增加。

綜上所述，污泥的黏度隨著污泥濃度的升高而上升，這是因?yàn)槲勰喙腆w含量高時(shí)，污泥的結(jié)構(gòu)更大更緊密，導(dǎo)致更強(qiáng)的粒子間作用力，內(nèi)摩擦增強(qiáng)，從而表現(xiàn)出更大的黏度。根據(jù)污泥濃度與流變特性的關(guān)系，將流變特性作為重要的工藝參數(shù)，結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，利用不同的污泥濃度計(jì)算出不同的排水泵的功率，這對優(yōu)化工藝起到非常重要的作用，尤其在膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用上。

3　其他因素對污泥流變特性的影響

除了溫度和濃度對污泥流變特性的影響外，污泥自身理化特性以及系統(tǒng)不同的運(yùn)行條件也對污泥的流變特性具有重要影響。

3.1污泥理化特性對污泥流變特性的影響

C.F.Forster〔30-31〕通過實(shí)驗(yàn)研究了活性污泥和消化污泥顆粒的表面組成及其與流變特性的關(guān)系。起初定性地發(fā)現(xiàn)，懸浮液的流變特性與絮體顆粒表面所帶的電荷有關(guān)；后來通過不同的酶的選擇性來確定表面組成，發(fā)現(xiàn)影響活性污泥流變性質(zhì)的是蛋白質(zhì)，而影響消化污泥流變性質(zhì)的是脂多糖。同時(shí)還做了關(guān)于污泥結(jié)合水含量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)合水含量與污泥的流變特性之間也有很大的關(guān)系，但是會(huì)受到金屬離子的影響。H.Nagaoka等〔32〕對不同類型膜生物反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥的研究表明，黏度與胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）的含量呈正比例關(guān)系〔33〕。M.Mori等〔29〕指出，隨著EPS濃度的降低，污泥的黏彈性和剪切變稀性也隨著降低。A.Pevere等〔25，34〕在對厭氧顆粒污泥的研究中發(fā)現(xiàn)，流變特性還與污泥粒徑和表面電荷有關(guān)，且極限黏度隨著顆粒污泥的表面粒徑（直徑為20～315 μm）和表面電荷的減小而增大。

3.2系統(tǒng)運(yùn)行條件對污泥流變特性的影響

丁仕強(qiáng)〔26〕對處理生活污水的氧化塘的污泥進(jìn)行研究，通過酸堿調(diào)節(jié)污泥的pH，發(fā)現(xiàn)在pH從酸性不斷增加到中性（5.04—7.40）的過程中，污泥黏度增加的幅度大，而從中性增加到堿性（7.40—10.80）的過程中，污泥黏度增加的幅度較小。以液態(tài)聚鐵為絮凝劑對污泥進(jìn)行調(diào)理，發(fā)現(xiàn)隨著絮凝劑投加量的增加，污泥的黏度下降。但A.Pevere等〔34〕針對顆粒污泥的研究表明，在pH為2～10的變化范圍內(nèi)，隨著pH的增大，污泥極限黏度增加的幅度只有15%，說明pH對流變特性的影響程度比較小。I.Seyssiecq等〔35〕研究了MBR反應(yīng)器內(nèi)污泥在不同濃度和通氣的情況下流變特性的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低剪切速率（﹤0.1 s-1）下，通入氣體會(huì)使污泥黏度大大降低，且與通氣量的大小沒有特定關(guān)系。但在高剪切速率（＞100 s-1）下，氣體通入與否，則對污泥的黏度沒有太大影響，黏度值取決于剪切速率的大?。焕肙stwald模型對污泥流變曲線進(jìn)行擬合，表明通氣后污泥的剪切變稀性降低。G.Guibaud等〔36〕也得出相似的結(jié)論，此外還指出，加氯可降低污泥絮體的凝聚力，即屈服應(yīng)力下降。

薛向東等〔37〕的研究表明，超聲處理可有效降低活性污泥的黏度和過濾比阻，其原因是超聲處理破壞了污泥菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)，引起污泥穩(wěn)定性降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，進(jìn)而表現(xiàn)出脫水性能的改變；聲能密度越大，作用時(shí)間越長，黏度降低越明顯。

綜上所述，污泥的流變特性除受濃度、溫度影響外，還受很多因素影響，但是關(guān)于這部分的研究，目前還相對分散，沒有一個(gè)全面統(tǒng)一的綜合性認(rèn)識(shí)。此外，有報(bào)道表明，污泥流變特性還與污泥的操作過程有關(guān)，而且污泥流變特性的測量值與流變儀的選擇也有很大關(guān)系。因此，如何對污泥的流變特性進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的測量，并將各個(gè)因素結(jié)合起來全面優(yōu)化反應(yīng)，有待進(jìn)一步深入的研究。

4　結(jié)論

綜述了活性污泥流變特性的一般規(guī)律及其影響因素，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）活性污泥是假塑性非牛頓流體。

（2）污泥的黏度隨著溫度的升高而下降，原因是溫度升高，加劇了污泥內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)性能，使分子間距離增大，內(nèi)摩擦減小。研究中大多采用阿倫尼烏斯公式表征污泥黏度和溫度的關(guān)系。

（3）污泥的黏度、極限黏度隨著污泥濃度的升高而增大，污泥濃度對污泥流變特性的影響較之其他因素來說更為顯著，原因是污泥濃度增大后，污泥分子間距離減小，分子間引力增大。

（4）污泥流變特性的可能影響因素還有很多，包括運(yùn)行條件、污泥的理化條件和預(yù)處理過程等，但就目前研究結(jié)果來看，缺乏全面和系統(tǒng)的研究。

（5）將污泥的流變特性與相關(guān)工藝結(jié)合起來，比如膜生物反應(yīng)器的動(dòng)力優(yōu)化、泵送、熱交換、管道輸送甚至污泥厭氧消化的傳質(zhì)等，將對反應(yīng)和工藝的優(yōu)化起到關(guān)鍵性的作用。

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Main factors influencing the rheological characteristics of the activated sludge and its research progress

Cao Xiuqin，Wang Yuan，Jiang Zhuhe
（Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China）

Being one of the non-newtonian fluids，the rheological characteristics of activated sludge has great influence on the sewage treatment process.The rheological characteristics of activated sludge are affected by many kinds of factors，among which temperature and concentration are the main ones.In addition，the physicochemical characteristics，such as surface charge，EPS，particle size，etc.，as well as pH，ventilation volume，pre-treatment，etc.can also affect the rheological characteristics of activated sludge.Meanwhile，these factors can also affect its mass transfer process，pipeline transportation，disposal process of sludge treatment，etc.Therefore，the mastery of the change rules of every influential factor that affects the rheological characteristics is of very important and practical significance.

activated sludge；rheological characteristic；viscosity

X705

A

1005-829X（2016）02-0005-05

北京市教育委員會(huì)（北京市自然科學(xué)基金）2013年度科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201310016017）；北京建筑大學(xué)科研基地建設(shè)—科技創(chuàng)新平臺(tái)—城市雨水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（PXM2014_014210_000057）

曹秀芹（1965—），碩士，教授。電話：13718588755，E-mail：caoxiuqin@buca.edu.cn。

2015-11-08（修改稿）