软固体类凝胶材料过滤及压榨动力学机理研究

Sludge with complex components has soft solids and gel-like characteristics, leading to extremely difficult filtration and expression dewatering process, which has become the main bottleneck in biosolids waste disposal and treatment. It has become research topics to establish theory models of filtration and expression that would be suitable for soft solids and gel-like materials in recent years. In this project, soft solids and gel-like materials are employed as study object. Through combination of theory and experiment, the effect mechanism of structure of soft solids and gel-like (including crosslinking density, network morphology and electrokinetic characteristics) on filter cake microstructure and filtration are analyzed. The fractal dimension(n) described fractal characteristics of filter cake is introduced, and the Kozeny constant(K) is modified. The permeability and dynamic filtration model being appropriate for soft solids and gel-like materials are then developed. Nonlinear visco-elastic-plasticity constitutive model described rheological behavior of filter cake is established on the basis of rheological experiments and improved simulated annealing, to illustrate the mechanism of expression dewatering for soft solids and gel-like materials. The results will promote biosolids waste disposal, and perfect the theory of filtration and expression further, in order to obtain development motive in emerging field.

污泥复杂的组分使其具有软固体类凝胶材料的结构特征，过滤压榨脱水过程极其困难，成为生物质固废处理处置进程中的主要瓶颈，建立适用于该体系的过滤及压榨模型，提高脱水效果成为近年来的研究热点。本项目拟以软固体类凝胶材料为研究对象，通过理论与实验研究相结合的方法，分析软固体类凝胶结构主要包括交联密度、网络形态和动电特性对滤饼微观结构及其过滤过程的影响机制， 在原渗透率方程中引入描述滤饼分形特征的分形维数(n)，修正柯泽尼常数(K)，建立适用于该体系的渗透率及动态过滤模型。以流变实验为基础，构建表征软固体类凝胶滤饼流变行为的非线性粘弹塑性本构模型，利用改进模拟退火算法对模型中的参数进行反演，建立软固体类凝胶滤饼的非线性粘弹塑性本构方程，揭示软固体类凝胶材料的压榨脱水机理。研究结果一方面将推动生物质固废的处置进程，另一方面将进一步完善经典过滤压榨理论，使之在新兴领域获得发展的动力。

预计到2020年，我国市政污泥产量将达到6000万吨-9000万吨（含水率约80%），给环境带来日益严重的污染。污泥复杂的组分使其具有软固体类凝胶材料的结构特征，过滤压榨脱水过程极其困难，成为污泥处理处置进程中的主要瓶颈。本课题以城市污泥研究对象，分析城市污泥的脱水行为，进而得出软固体类凝胶的脱水机理，主要研究内容如下。.1.研究了城市污泥结构对过滤行为的影响机理.（1）分别采用不同的化学絮凝剂对污泥进行预处理，以得到不同结构形态的调理污泥。分析调理污泥的粒径、分形维数、比表面积等特性参数，揭示预处理对污泥理化特性的影响机理。.（2）对调理污泥进行过滤脱水研究，阐明了不同条件调理污泥的结构对过滤行为的影响机理，包括渗透率、过滤速率、滤饼含湿量和压缩性等。结果表明，调理污泥的物质形态对渗透率和过滤速率影响显著，但滤饼含湿量变化不明显。.2. 建立软固体类凝胶材料的过滤脱水模型.（1）根据不同调理污泥的物理化学特性和过滤行为（渗透率和过滤速率），修正原科泽尼方程中的科泽尼常数。结果表明，与含坚硬球体悬浮液的科泽尼常数相比，调理污泥过滤的科泽尼常数显著增加至几千。.（2）阐明了过滤压力对软固体类凝胶材料渗透率及过滤速率的影响机理。随着过滤压力的升高，科泽尼常数逐渐增大，但过滤速率基本不变。表明对于具有软固体类凝胶性质的物料，科泽尼常数不仅仅与物性有关，而且与外界条件显著相关。.3.构建软固体类凝胶体系的流变本构模型.（1）研究了物理形态对污泥流动行为的影响机理，絮体网络结构越强，交联密度越大，污泥的非牛顿流体力学行为越强。.（2）构建了不同物理形态污泥的粘弹本构模型，表明污泥这类软固体类凝胶物质的粘弹行为可以由改进的Maxwell模型和Kelvin-Voigt模型表达，进而揭示其压榨脱水机理。.本项目的研究成果为软固体类凝胶物质的过滤压榨脱水奠定了坚实的理论基础，建立了实际污水处理厂的脱水工艺路线。