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（
ＡｂｕＪｄａｙｉｌ ｅｔ ａｌ．
，
２０１０
；
Ｋｌｉｎｋｓｉｅｇ
ｅｔ ａｌ．
，
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（
Ｄｅｎｔｅｌ
ｅｔ ａｌ．
，
２００５
；
Ｄｅｎｔｅｌ
，
１９９７
；
ＡｂｕＯｒｆ ｅｔ ａｌ．
，
１９９９
；
Ｗｏｌｎｙ ｅｔ ａｌ
，
２００８
；
Ｓｅｙｓｓｉｅｃｑ ｅｔ ａｌ．
，
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
、
ＨｅｒｓｃｈｅｌＢｕｌｋｌｅｙ
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
（
Ｍｕ ｅｔ ａｌ．
，
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
（
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ
）
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． ５３ ｇ
·
Ｌ
－ １
，
ｐＨ
为
７ ３０
，污
泥
颗
粒的中位粒径为
３３． ７６ μｍ
，其基本性
质
如
表
１
所
示
．
表
１
给水厂浓缩污泥的性质
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｅｓｉｄｕａｌｓ
浓度
／
（
ｇ
·
Ｌ
－ １
）
ｐＨ
ＳＲＦ ／
（
ｍ
·
ｋｇ
－ １
）
ＣＳＴ ／ ｓ
ｄ
０ ． ５
／ μｍ
Ｄ
［
４
，
３
］
／ μｍ
１２ ． ５３
７ ． ３０
２ ． ６７ × １０
１１
２２ ． ２７
３３ ． ７６
４２ ． ５４
注：
ＳＲＦ
为污泥比阻，
ＣＳＴ
为污泥毛细吸水时间，
ｄ
０ ． ５
为中位粒径，
Ｄ
［
４
，
３
］为体积平均粒径
．
原
始
污
泥
在
４１００ ｒ
·
ｍｉｎ
－ １
下离心（
ＬＸＪＩＩＢ
型离
心
机
）
５ ｍｉｎ
，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
，
ＮＸＳ１１Ａ
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． １ ｓ
－ 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（
η
ａｐｐ
），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
（
ＡｂｕＯｒｆ
，
１９９９
；
Ｔｉｘｉｅｒ ｅｔ ａｌ．
，
２００３
）
．
τ ＝ τ
０
＋ η
ｐ
γ
ｎ
（
１
）
式
中
，
τ
为
剪
切
应
力
（
ｍＰａ
），
τ
０
为
屈服应力（
ｍＰａ
），
η
ｐ
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（
Ｂｉｎｇｈａｍ ｐｌａｓｔｉｃ
ｆｌｕｉｄ
）；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（
ｙｉｅｌｄ ｐｓｅｕｄｏｐｌａｓｔｉｃ
ｆｌｕｉｄ
），也
叫
做
ＨｅｒｓｃｈｅｌＢｕｌｋｌｅｙ
塑
性
流
体
．
采
用
Ｏｒｉｇｉｎ８． ０
对流变图的数据进行宾汉模型
９
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