聚合铁-腐殖酸混凝沉淀-絮凝调质过程中絮体污泥微界面特性和群体流变学的研究

本研究基于我国天然水体中腐殖酸类污染加剧的严峻问题和聚合铁类混凝剂在去除这些污染物方面的潜力，提炼出从腐殖酸构型和絮体污泥流变学角度去研究聚合铁混凝去除腐殖酸以及其絮体污泥絮凝调质过程的微观机制这一较为新颖的应用基础性课题。其学术思想是充分考虑腐殖酸结构的柔韧性，系统研究聚合铁?腐殖酸二元絮体和聚合铁?腐殖酸?有机高分子三元絮体的层次结构、分形特征、微观形貌、元素比例、表面基团和电荷密度等，解析上述絮体的网络结构特征和微观混凝机制；并针对絮体悬浊液这一非牛顿型流体，通过典型流变学的稳态、瞬态和动态测试，探讨絮体的群体流变特性，表征絮体网络结构的强度，解析上述二元絮体和三元絮体的类凝胶结构特征；最终确定上述絮体特性与污泥脱水性能的关系。从而为微界面理论、混凝理论和技术的发展提供理论依据，为进一步提高混凝技术削减水体中DOM的能力奠定基础，并为给水厂污泥脱水技术水平的提高提供科学支撑。

本基金项目主要完成了以下工作：聚合硫酸铁(PFS)-腐殖酸(HA)混凝沉淀过程及二元絮体的特征研究；絮凝调理作用下给水厂污泥（二元和三元絮体）的理化性质、微观结构与流变特性的变化；二元絮体与三元絮体形成的微观机制。. PFS混凝-沉淀去除水样中 HA的研究表明：原水pH=6.00时，PFS主要通过电中和作用进行混凝，搅拌方式对PFS的最佳投加范围没有明显的影响；原水pH=8.00时PFS主要通过吸附架桥、卷扫絮凝以及电中和等联合作用进行混凝，该条件下PFS的投药量和沉淀絮体体积远大于原水pH=6.00时的混凝效果，而且单级搅拌时浊度去除率较高，两种搅拌方式下HA的去除率较高。相对于单级搅拌方式，复合搅拌下产生的絮体粒度小30%-40%，质量分形维数(DF)低5%-10%，但絮体沉淀体积大，而且PFS能发挥更大的电中和作用。. 对于给水厂二元絮体污泥样品，阳离子PAM、非离子PAM和阴离子PAM的调理均可使得其达到最佳脱水性能，但经过阳离子调理后，上清液中残余的胶体和PAM浓度的浓度较低。随着PAM投药量的增加，调理污泥絮体的粒径逐渐增大，边缘不规则程度变化不大，密实程度逐渐增强。. 给水厂污泥调理前后都具有剪切变稀的性质，后者触变性更强。调理前后污泥的极限粘度η∞与其浓度之间呈指数关系。调理前后污泥log10η∞与1/T之间的关系均符合阿仑尼乌斯公式，相应的活化能Ea分别为17.86J•mol-1和26.91J•mol-1。Herschel-Bulkley模型和宾汉塑性模型分别适用于描述调理前后污泥的流变行为。基于Shih模型中极限粘度与污泥浓度的关系，确定调理前后污泥的质量分形维数Df分别为1.81和2.62。. 瞬态、动态流变测试结果表明，多数情况下，污泥的屈服应力τyT，网络结构凝聚能EcT随着污泥浓度的升高而增加，但其强度并没有一直提高。调理前后污泥在各自的线性粘弹性(LVE)范围内均具有类凝胶结构。基于lgG'和lgTSS的关系，调理前后污泥的Df分别为2.69和2.66，均表现出weak-link结构。调理过程可能并没有破坏大部分二元絮体的水凝胶结构，这些水凝胶体系包埋于PAM的骨架中形成新的三元絮体的类凝胶结构。. 此外，确定了屈服应力、网络凝聚能等与TSS之间的分形标度关系式，扩展了Shih’s 模型。