1 引言
近年來城市污泥產量逐年增加, 其中含水率約80%左右的污泥年產量達到了3000 t, 并且絕大部分沒有得到有效的處理.厭氧消化因其具有降解污泥中的有機物、回收甲烷等二次能源等優點, 目前仍然是污泥穩定化處理的主要方法.厭氧消化之前對污泥進行一定程度的熱水解預處理, 可大幅提高污泥在厭氧消化過程中水解階段的反應速率.污泥經過熱水解后部分固態物質發生溶解, 其黏度、屈服應力降低, 流動性能大幅提高, 便于污泥后續的泵送和處理.溫度和時間是影響污泥熱水解程度的兩大因素.一般將溫度超過100 ℃的熱水解稱為高溫熱水解, 在高溫熱水解條件下加熱30~60 min后污泥基本達到穩態.Sapkaite等指出城市污泥在140~170 ℃下熱水解5~35 min有利于后續的厭氧消化過程.
污泥的流變特性是厭氧消化單元過程設計及裝置運行和管理過程中的重要參數.凡是影響液體流層之間內摩擦的因素, 都會影響非牛頓流體的流動, 同時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.當剪切速率增大時, 污泥結構受到破壞, 膠團粒子沿流動方向定向排列, 流動阻力減小, 污泥黏度降低.Zhang等在0.01~1000 s-1內對TS為20%的高含固厭氧消化污泥進行了測試, 在1~10 s-1范圍內發現臨界應力, 并提出了改進的Herschel-Bulkley模型, 但其并未指出改進Herschel-Bulkley模型的適用范圍及影響臨界剪切應力的主要因素.在實際污泥的運輸和攪拌中, 低剪切速率對應的是反應器內的攪拌過程, 而高剪切速率對應的是污泥的管道輸送.熱水解過程廣泛用于污泥厭氧消化的預處理之中, 為使經過熱水解后的污泥能夠在后續的厭氧反應器的混合、攪拌過程中產生合理的流動, 對熱水解污泥臨界剪切應力的研究是十分必要的.
目前并沒有學者對熱水解污泥流動曲線中臨界剪切應力的影響因素進行相關研究.針對以上問題, 本實驗在160 ℃的高溫下對高含固脫水污泥進行熱水解30 min預處理, 得到160 ℃-30 min的熱水解污泥.
研究預剪切強度、溫度(15~85 ℃)、濃度(8.6%~15.6%)、剪切速率范圍(0.1~1000 s-1)對熱水解污泥流動曲線中臨界剪切應力的影響, 確定了影響流動曲線中臨界剪切應力的主要影響因素, 以期為厭氧消化設備工藝參數的選擇提供依據.
2 實驗材料和方法
2.1 實驗材料
本實驗所用脫水泥采自上海市政污水處理廠.初沉泥和二沉泥經過聚丙烯酰胺(polyacrylamide, 簡稱PAM)處理后, 經板框壓濾機脫水得到脫水污泥.將脫水污泥分批次放入高溫高壓熱水解反應器進行水浴加熱.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.在流變測試前, 污泥均置于4 ℃冰箱中貯存以抑制生物活性.
2.2 實驗裝置及測試方法
將脫水污泥和熱水解泥在105 ℃烘箱中放置24 h, 測定污泥的TS.隨后將干污泥置于600 ℃的馬弗爐中焚燒2 h, 測定污泥的揮發性組分(Volatile Solids, 簡稱VS)的含量(VS/TS).表 1給出了上述污泥的基本物性指標.以濃度為15.6%的熱水解污泥為例, 研究溫度(15~85 ℃)對污泥流動曲線中臨界剪切應力的影響.向TS為15.6%熱水解污泥中加入超純水進行稀釋, 得到13.5%、12.6%、10%、8.6%系列濃度的熱水解污泥樣品, 研究濃度對臨界剪切應力的影響.
本實驗采用應力控制的馬爾文旋轉流變儀(Kinexus lab+, Malvern)測量污泥的各項流變指標.該流變儀配有同軸圓筒和轉子, 圓桶內徑27.5 mm, 轉子直徑25 mm, 圓筒內表面粗糙, 可有效防止污泥在壁面滑移.該流變儀與循環換熱器連接, 保證樣品在指定溫度下進行流變測試.為確保待測樣品的均一性和測試的可重復性, 預剪切步驟必不可少.本實驗所有樣品在1000 s-1預剪切5 min后再進行流變特性測試和蠕變測試.
污泥流動曲線中出現臨界剪切應力的現象與之前學者的研究結果并不相同.鑒于Zhang等在實驗中使用的是TS>10%的高含固污泥, 污泥樣品在1000 s-1下預剪切5 min后可能并未達到均勻狀態.為了檢驗流動曲線中臨界剪切應力的出現是否和預剪切強度有關, 本實驗將TS為15.6%的高含固熱水解污泥分別進行不同強度的預剪切, 然后再進行后續流變特性的測試.
流變特性測試：剪切速率從1000 s-1以對數形式減小到0.01 s-1, 測定污泥的流動曲線.
蠕變測試：測定污泥的粘彈性及污泥在低剪切應力下的流變行為.對污泥樣品施加恒定的剪切應力, 1 min后測定角位移(φ), 松弛10 s后增大剪切應力, 重復上述步驟.本實驗中蠕變測試作為驗證濃度對臨界剪切應力影響的另一種測試方法.
3 結果與討論
3.1 實驗數據可信度表征
為證明本實驗儀器及測試方法的準確性及可靠性, 實驗采用含固率為13.5%的熱水解泥測試污泥流動曲線, 重復測試3次, 測量偏差用誤差棒進行表征.如圖 1所示, 實驗數據可靠.
3.2 熱水解泥的流變特性
經過160 ℃-30 min熱水解處理的污泥的流動曲線及黏度曲線如圖 2所示, 熱水解污泥是具有屈服應力的假塑性流體.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出現臨界剪切應力, 將污泥的流動曲線分為兩段.Zhang等在對不同消化時間的TS>20%的厭氧消化污泥的研究中也觀察到了流動曲線分段的現象.以臨界剪切應力為分界點, 得到如下改進的Herschel-Bulkey模型：
3.3 預剪切強度對臨界剪切應力的影響
污泥(160 ℃-30 min)經過不同強度的預剪切步驟后測得的流動曲線如圖 3所示.圖 3a研究預剪切速率對污泥流動曲線的影響：熱水解污泥在1000~2000 s-1內預剪切5 min后, 測得的流動曲線中均出現臨界剪切應力.從圖 3b可知, 當熱水解泥在1000 s-1下預剪切時間達到30 min時, 測得的流動曲線中的臨界剪切應力仍然存在.并且預剪切強度越大, 污泥的流動性越好, 污泥顆粒沿流動方向的排列越好, 這與污泥剪切變稀的原理是一致的.污泥經過預剪切后, 污泥結構的重建與停留時間有關.預剪切步驟與流變特性測試之間的停留時間對熱水解污泥流動曲線的影響如圖 3c所示：熱水解泥在1000 s-1下預剪切5 min后, 不同停留時間(1~20 min)的流動曲線幾乎重疊, 而且均出現臨界剪切應力.從圖 3可以看出, 增大預剪切速率或延長預剪切時間, 熱水解污泥流動曲線中均出現臨界剪切應力, 這表明流動曲線中臨界剪切應力的出現與預剪切強度無關.
3.4 溫度對臨界剪切應力的影響
溫度對含固率為15.6%的高含固熱水解污泥流動曲線中臨界剪切應力的影響如圖 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、流動性越好, 表現出剪切變稀的特性.溫度效應的實質在于其影響了污泥顆粒的運動性能, 溫度越高污泥顆粒的熱運動越強烈, 顆粒間作用力減小, 從而污泥黏度下降.不同溫度的流動曲線在剪切速率0.1~10 s-1內均出現臨界剪切應力, 將流動曲線分為兩個部分, 且溫度越高, 分段越顯著.以臨界剪切應力為分界點, 用3.2節方程(1)中提到的改進的Herschel-Bulkley模型進行擬合, 擬合參數見表 2.可以看出不同溫度下熱水解污泥流動曲線的擬合優度參數R2均達到0.99, 說明擬合度很好.
3.5 濃度對臨界剪切應力的影響
濃度是影響污泥流變特性的一項重要因素.中溫厭氧消化在工程中應用較為廣泛, 故本實驗研究35 ℃下濃度對熱水解污泥流變特性的影響.結果如圖 5所示, 當污泥濃度增大時, 污泥顆粒及大分子間的相互作用增強, 顆粒間的相互作用力增加, 剪切應力和黏度均隨濃度增加而增大, 從而形成一個更加穩固的網絡結構.圖 5中流動曲線中的臨界剪切應力τc可看作粘性力和和彈性力相等的平衡點.在0.01~1000 s-1的剪切速率范圍內, 當TS<10%時, 污泥顆粒間的相互作用力較弱, 此時污泥的粘性力起主導作用, 流動曲線是一條光滑的曲線, 能夠用Herschel-Bulkley進行很好的擬合;當污泥濃度的增大到10%時, 泥顆粒間的作用力開始大幅增加, 低剪切力下污泥顆粒間的彈性力作用不可忽略.流動曲線在0.1~10 s-1內開始出現臨界剪切速率
從圖 5可以看出, 當污泥濃度的較低時流動曲線中臨界剪切應力較難分辨.蠕變測試可測定污泥的粘彈性及其在低剪切力下的流變特性, 在本實驗中和流動曲線測試相互驗證, 以確保實驗結果的可靠性.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, 蠕變曲線中出現τ1和τ2兩個突躍點, 將蠕變曲線分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3部分.τ<τ1的Ⅰ區定義為污泥的線性粘彈區, 彈性力占主導作用;τ>τ1時污泥結構開始破裂, 粘性力產生并和彈性力共同主導污泥的流變特性, 故將污泥τ1<τ<τ2的Ⅱ區稱為非線性粘彈區;τ>τ2時, 粘性作用力占主導, 將Ⅲ區稱為純粘性區.流動曲線中的τc可看作非線性粘彈區和純粘性區的臨界剪切應力, 與蠕變曲線中的τ2表示相同的物理狀態.當污泥濃度的降低到10%時, 蠕變曲線中的第2個突躍點τ2變得不再顯著.當TS<10%時, 第2個突躍點τ2消失, 表征非線性粘彈區的第Ⅱ部分也隨之消失.這表明低濃度的污泥從開始流動就已經發展成粘性力占主導作用的穩態流.隨著污泥濃度的降低, 圖 5中流動曲線中臨界剪切應力τc與圖 6中的蠕變曲線中第2個突躍點τ2同步消失的現象進一步證明了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.
前文中已經提到, 屈服應力τy表征污泥網狀結構的強弱;τc表示污泥粘性作用力和彈性作用力的平衡點.τ1是線性粘彈區和非線性粘彈區的分界點, τ2是非線性粘彈區和純粘性區的分界點.(τc-τy)、(τ2-τ1)的值越大, 流動曲線中臨界剪切應力越顯著;反之越小, 臨界剪切應力越不明顯.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, 二者數值之間的微小差別可看作不同測試方法所致.當污泥含固率超過10%時, τy和τc, τ1和τ2的值均開始加速增大, 說明污泥顆粒及大分子間的纏繞聯結作用迅速增強, 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臨界剪切應力現象分析的正確性.
4 結論
本實驗確定了影響熱水解污泥流動曲線中臨界剪切應力的主要因素.對于160 ℃-30 min熱水解污泥而言, 在保證污泥樣品均勻的前提下, 流動曲線中臨界剪切應力的出現與預剪切強度及溫度無關, 而與污泥濃度和剪切速率范圍有關.當TS<10%時, 污泥流動曲線光滑, 可用Herschel-Bulkley模型進行擬合.當TS=10%時, 流動曲線在0.1~10 s-1范圍內開始出現臨界剪切應力τc將流動曲線分為兩個部分.TS>10%時, 熱水解泥流動曲線中均出現臨界剪切應力.若剪切速率范圍內不包含臨界剪切速率
