化学调质污泥聚集体的网络分形结构及其流体输送过程中对剪切的动态响应特征解析

污泥化学调质是目前市政污泥脱水处理前普遍采用的工艺单元，是决定污泥脱水效果的关键环节；本研究正是针对调质污泥在输送过程中的破碎所引起的污泥脱水性能恶化和阳离子有机高分子絮凝剂的投药量难以及时响应等关键性问题，结合目前国内外污泥类凝胶结构模型、图像分形分析、凝胶分形理论和污泥流变学等领域的前沿成果，提炼出调质污泥聚集体的网络分形结构及其流体输送过程中对剪切的动态响应特征这个新颖的科学问题，拟采用显微切片图像分析、剪切模拟、动态流变学测试等先进技术方法，从污泥或其调质聚集体的单体和群体角度分别辨析污泥调质前后网络类凝胶结构的分形特征，建立图像或凝胶分形维数的计算方法；识别污泥中EPS组分和有机高分子絮凝剂对污泥网络弹性结构的贡献；确立调质污泥在不同水力剪切条件下的响应规律，探讨污泥的絮凝-破碎-再絮凝过程机制以及脱水性能的变化，提出污泥在调质-输送过程中结构和性能的变化模式。

本基金项目主要完成了以下工作：市政污泥调质前后网络结构的分形特征；不同水力剪切条件下调质污泥聚集体的动态响应；污泥中胞外有机物(EPS)的化学性质与流变特性分析；市政污泥在调质-输送过程中结构和性能的变化模式。.结果表明：活性污泥(AS)和厌氧消化污泥(ADS)调理前后的絮体/聚集体呈现弱链接的类凝胶网络结构，它们的质量分形维数(Df)分别为 2.70、2.53、2.85 和 2.79。有机高分子絮凝剂调理可以导致污泥网络结构的弹性行为、结合能(Ec)以及屈服应力(τy)的加强，并扩展了污泥的线性粘弹性(LVE)区间，提高了污泥聚集体的孔隙率。PFS-CPAM联合调理可以节省絮凝剂的用量，不同类别絮凝剂导致污泥致密性变化顺序为：PFS-CPAM>PFS>原始污泥>CPAM。市政污泥的胞外有机物(EPS)的分子量大多集中在<1kDa ，其荧光物质主要是色氨酸。在slime、LB-EPS、TB-EPS等分层组分中， PS、PN和DNA在TB-EPS层中含量最高，其亲水性组分的含量高于疏水性组分，但PN的疏水比高于PS。PS/PN越高，各层EPS的zeta电位越小，分层EPS的等电点越高。各层EPS以及分层提取前后的污泥均呈弱链接的类凝胶网络结构，其中TB-EPS和提取LB-EPS的污泥均具有最高的弹性模量和Df值，并且污泥中的结合水在TB-EPS中含量最高，这一发现指出TB-EPS是污泥类凝胶结构的关键EPS物质，应该是污泥深度脱水和干化的关键组分。.活性污泥和消化污泥在一定的剪切强度下，会发生破碎并产生新鲜的带负电荷的表面。原始污泥的剪切稳定性更好。剥离是原始污泥剪切破碎的主要机制，而调理污泥在临界剪切强度以上呈现越来越明显的剪切分裂机制。此外，活性污泥粒径、强度均与G值呈现较好的指数相关性。考虑污泥输送过程中剪切因素影响下的污泥调理投药方案：一次过量投药模式和两次分步投药模式。对于原始消化污泥，在高速剪切(G=2504.9s-1)1min后，一次调理的最佳投药量增大约33%。；二次絮凝可以使得破碎污泥发生絮凝，其投药点应该设置在高速剪切结束后，并进行温和的搅拌。 .建立了活性污泥单一和复合絮凝调理模式和活性污泥提取EPS前后的结构模型。