活性污泥流变特性主要影响因素及其研究进展

曹秀芹，王　远，蒋竹荷

（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044）

活性污泥流变特性主要影响因素及其研究进展

曹秀芹，王远，蒋竹荷

（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044）

活性污泥作为非牛顿流体，其流变特性对污水处理工艺有着至关重要的影响。而活性污泥流变特性受多种因素影响，其中温度和浓度是最主要的因素，此外污泥的理化特性如表面电荷、EPS、粒径等，以及系统的运行条件如pH、通气量、预处理等也会影响污泥流变特性。这些因素在影响流变特性的同时会影响到传质过程、污泥管道输送以及污泥处理处置工艺等方面。因此，掌握各影响因素对流变特性的影响变化规律具有重要的实际意义。

活性污泥；流变特性；黏度

活性污泥法作为污水处理技术领域中最主要的工艺已有100年的发展历史。该方法一直被不断地革新，尤其体现在近几十年的发展中〔1〕。活性污泥的性质可以从2个方面来描述，一方面是基于理化性质层面的描述，例如颗粒浓度、粒径分布、电导率、表面张力等；另一方面是基于工程技术层面的描述，例如黏附性、沉降性、脱水性还有泵站特性等。一般而言，这2个层面之间的关联性比较小，但污泥的流变特性却可以将二者有效地联系起来〔2〕。流变特性是活性污泥的一项重要参数，不仅对反应器传质有很大的影响，而且对管道上的压力损失计算、高浓度物料远距离管道输送能量计算〔3〕，以及对污泥处理处置工艺都具有重要作用。相关研究表明，流变特性在污泥的处理处置过程中，尤其在污泥搅拌混合方面起到根本性的作用〔4-5〕。N.Ratkovich等〔6〕的研究则表明了流变特性对活性污泥的泵提升输送、搅拌以及二沉池水力沉降性等的重要性。因此，全面掌握污泥流变特性的影响因素和变化规律，对于改进活性污泥法的运行条件和参数，指导工程的优化和改进有着重要的实际指导意义。

1　污泥的非牛顿流体特性

按照经典牛顿力学，可以将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。对牛顿流体来说，以剪切应力对剪切速率作图可得到通过原点的直线，其斜率就是该温度下的流体黏度，牛顿流体的黏度是个定值。但非牛顿流体的斜率则是不断变化的，因此仿照牛顿流体的黏度定义公式，将非牛顿流体在某特定点的斜率称为表观黏度〔7〕。自然界中常见的以非牛顿流体居多，如油漆、蜂蜜等〔8〕。活性污泥就是非牛顿流体，污泥的黏度即指的是表观黏度。一般来讲，随着剪切速率的上升，污泥的黏度下降，剪切应力上升，表现出剪切变稀特性，属于假塑性非牛顿流体。在非牛顿流体的流变特性研究过程中，逐渐形成了一些描述非牛顿流体剪切应力和剪切速率之间关系的流变模型，如Ostwald模型（幂律模型）、Herschel-Bulkley模型、Bingham模型、Casson模型、Sisko模型、Carreau模型和Cross模型等，其中在活性污泥方面应用最多的3种模型是Ostwald模型、Herschel-Bulkley模型和Bingham模型。

针对污泥流变特性的影响因素，国内外许多学者展开了研究。结果表明，温度和浓度是影响污泥流变性能最主要的参数〔9-10〕。但污泥的复杂性和特殊性在于其主要成分是生物细胞物质，其他因素诸如pH、表面电荷、代谢产物（EPS等）、曝气量，以及污泥预处理方式（如热解过程和超声波处理等）也都会对污泥的流变特性产生影响。针对上述几种因素，部分学者也专门做了研究，但各自研究的因素相对单一〔11〕。因此，正确建立起污泥流变特性与其影响因素之间的关系，全面掌握污泥流变特性的变化规律，对活性污泥法工艺的改进和过程的控制以及污泥的处理处置将起到非常重要的作用。

2　主要影响因素对污泥流变特性的影响

2.1温度对污泥流变特性的影响

温度是影响污泥流变特性最主要的因素之一。一般来说，提高温度会使污泥的黏度下降。根据已有研究，主要从以下2个方面分析温度对污泥流变特性的影响规律。

2.1.1描述温度与流变特性的一般关系式——阿伦尼乌斯公式

曾有学者提出〔12-13〕，污泥黏度与温度的关系可以用阿伦尼乌斯公式来描述：

式中：η∞——极限黏度，Pa·s；

A——频率因子，Pa·s；

T——绝对温度，K；

R——通用气体常数，8.314 J/（mol·K）；

Ea——活化能，J/mol。

式（1）被广泛采用，并且已有学者将此公式应用于不同种类的污泥，如生物反应器污泥、厌氧消化污泥和稀释污泥等。P.Battistoni〔12〕通过研究初沉污泥、活性污泥和消化污泥的流变特性，证明了Bingham模型黏度与温度之间的指数关系。在探讨温度对流变特性影响的研究中，阿仑尼乌斯方程常被用来描述流变参数，通过对阿仑尼乌斯方程进行变形，可以计算得到特定剪切速率下的活化能。董玉婧等〔13〕采用给水厂浓缩污泥探讨了温度对污泥极限黏度的影响，结果表明，污泥具有触变性，温度与污泥极限黏度之间的关系符合阿伦尼乌斯公式，并通过计算得到反应的活化能为14.91 J/mol。

2.1.2描述温度与流变特性的特殊关系式

除阿伦尼乌斯公式以外，许多学者还利用各自推导出的关系式来描述污泥黏度与温度之间的关系。M.M.Sozanski等〔14〕研究了温度与Bingham模型黏度与屈服应力之间的关系，其中黏度与温度的关系用一个与温度相关的参数WT表示：

式中：ηB——Bingham模型黏度，Pa·s；

T——温度，K。

T.Jiang等〔15〕通过对膜生物反应器污泥的研究，提出以一水力学模型来描述温度与黏度之间的关系：

式中：η和η0——分别为T和T0对应下的黏度，Pa·s；

a、b、c——经验系数。

F.Yang等〔16〕则通过下式来表征活性污泥在恒定剪切速率下的黏度（η，Pa·s）与温度（T，K）以及MLSS（Φp，g/L）之间的关系。

式中：a、b——经验系数。

J.C.Baudez等〔17〕对厌氧消化污泥进行了研究，结果表明，在连续加热过程中，污泥的屈服应力和Bingham黏度都会降低。但当冷却到初始温度时，与原污泥相比，污泥Bingham黏度增加，黏度指数上升，屈服应力下降。这意味着污泥可能在加热中部分转变成了溶解性的化合物，这个过程是不可逆的，而且通常用来描述温度与流变特性的公式前提必须是在连续加热条件下，否则不能使用。

综上所述，污泥的黏度随着温度的升高表现出下降的趋势，这是因为污泥是含有固相菌胶团的多相液体，作为分散相的胶团之间存在一定的相互作用，在静止时形成网络结构；当剪切速率增大时，这种结构逐渐被破坏，胶团粒子沿流动方向定向排列，使流动阻力减小，表现为黏度降低。流体运动的一般规律是分散相浓度越大，流体流动性越小；体系温度越高，流体流动性越大。温度效应的实质在于其影响了污泥胶团粒子的运动性能〔18〕，温度升高，污泥分子间的距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，污泥胶状网络结构的稳定性因此而变化，黏度下降。研究温度对流变特性影响的意义在于，在实际工程的设计阶段提出合理的设计方案，特别是在热交换和管道运输等方面。

2.2浓度对污泥流变特性的影响

同温度对污泥流变特性的影响一样，浓度对污泥流变特性的影响也非常关键，这也是绝大多数学者研究的重点。

2.2.1污泥浓度与模型关系的研究进展

污泥浓度对流变特性的影响非常大，国内外很多学者对此做了研究。张新瑜等〔1〕对某城市污水处理厂的活性污泥和啤酒废水处理生物反应池的污泥进行了研究，结果表明，采用恒温20℃控制，随着剪切速率由低到高，不同浓度的污泥黏度曲线变化规律相似，且黏度随着污泥浓度的增加而增加，数值模拟拟合结果符合幂律模型，即：

式中：τ——剪切应力，Pa；

K——黏度系数；

γ——剪切速率，s-1；

n——流变特性指数。

董玉婧等〔13〕针对给水厂浓缩污泥，探讨了污泥浓度对极限黏度的影响，结果表明，极限黏度与污泥浓度之间的关系符合幂指数关系，Bingham模型可以描述污泥的流变性质，即：

τ=τB+μBγ（6）

式中：τB——屈服应力，Pa；

μB——Bingham黏度，Pa·s。

A.H.Khalili Garakani等〔19〕利用不同的流变模型来描述浸没式膜生物反应器内活性污泥的流变特性，将低浓度的污泥用Bingham模型来描述，而高浓度的活性污泥用Herschel-Bulkey模型来描述，即：

τ+τH+Kγn（7）

式中：τH——屈服应力，Pa。

除了上述利用现有的模型来研究之外，还有许多学者在此基础上提出了不同的流变模型。S. Rosenberger等〔20〕研究了9种不同MBR的活性污泥，发现活性污泥的黏度与浓度有很大关系，随着污泥浓度的增大，黏度增加，并得出如下模型：

式中：ηa——污泥黏度，Pa·s；

TS——污泥质量浓度，g/L；

但是，G.Laera等〔21〕对MBR反应器内污泥在不同停留时间（SRT）下的流变特性研究表明：在MLSS为3.7～22.9 g/L范围内，虽然Bingham模型比Ostwald模型的吻合性要好，但是考虑到在实验中发现Ostwald模型中的流变指数n和黏度指数K有很强的相关性，于是在此基础上得到模型：

周振等〔22〕以膜污泥浓缩系统下的浓缩活性污泥为研究对象，将温度和浓度对污泥流变特性的影响联合起来，并以二者为自变量，得到黏度同他们的关系模型：

式中：μ——黏度，Pa·s；

ε——温度和污泥质量浓度相关系数；

E——活化能，J/mol；

室温下，分别用超纯水配制50 mL质量浓度为400 ng·L-1的 HHCB 和 AHTN 溶液，用 H2SO4和NaOH将反应体系的pH值分别调节为1、2、3、4、5、6、7、8、9，PAC 投加量为 10 mg·L-1，反应时间为120 min。不同反应体系初始pH值对2种合成麝香去除率的影响如图7所示。

k——波耳茨曼常数，8.314 mJ/（mol·K）；

T——绝对温度，K；

β——经验常数；

ρ——污泥质量浓度，g/L。

从拟合结果来看，与温度相比，污泥浓度对黏度的影响更为显著，并且膜浓缩污泥在低浓度（＜10 g/L）下的流变性更接近于Bingham模型，而高浓度（＞10 g/L）下的流变性则接近于幂律模型。

2.2.2其他体现污泥浓度和流变特性关系的研究

Jiankai Jiang等〔23〕研究了高含固污泥（TS＞8%）的流变特性与温度和浓度的变化规律，结果表明，浓度比温度对流变特性的影响大，屈服应力和黏度都随污泥浓度的增加而增大。L.H.Mikkelsen〔24〕研究了不同浓度活性污泥（3.5～4.0 g/L）的过滤阻力、表面化学性质和流变特性之间的关系，结果显示，随着TSS的增大，污泥的极限黏度、黏度、剪切应力都逐渐增大，过滤性能和CST（毛细吸水时间）则减小，作者猜测这是由于随着浓度的增加，污泥颗粒间形成的网状结构更加紧密所致。A.Pevere等〔25〕对厌氧颗粒污泥（TSS为2～18 g/L）的流变性能进行了评价，认为其极限黏度与浓度符合指数关系。丁仕强〔26〕对处理生活污水的氧化塘的污泥进行了研究，结果表明，随着污泥浓度的上升，黏度增加。J.C.Baudez等〔27〕推导出污泥Bingham黏度与颗粒物浓度之间的关系呈指数关系。李婷〔28〕的研究表明，污泥的极限黏度、滞环圈面积、屈服应力、结合能、储能模量和临界形变等流变参数与TSS之间具有幂指数关系。M. Mori等〔29〕利用H-B模型对活性污泥进行拟合，结果表明，随着TSS（4～43 g/L）的增大，污泥的黏弹性和剪切变稀性增加。

综上所述，污泥的黏度随着污泥浓度的升高而上升，这是因为污泥固体含量高时，污泥的结构更大更紧密，导致更强的粒子间作用力，内摩擦增强，从而表现出更大的黏度。根据污泥浓度与流变特性的关系，将流变特性作为重要的工艺参数，结合反应动力学，利用不同的污泥浓度计算出不同的排水泵的功率，这对优化工艺起到非常重要的作用，尤其在膜生物反应器的应用上。

3　其他因素对污泥流变特性的影响

除了温度和浓度对污泥流变特性的影响外，污泥自身理化特性以及系统不同的运行条件也对污泥的流变特性具有重要影响。

3.1污泥理化特性对污泥流变特性的影响

C.F.Forster〔30-31〕通过实验研究了活性污泥和消化污泥颗粒的表面组成及其与流变特性的关系。起初定性地发现，悬浮液的流变特性与絮体颗粒表面所带的电荷有关；后来通过不同的酶的选择性来确定表面组成，发现影响活性污泥流变性质的是蛋白质，而影响消化污泥流变性质的是脂多糖。同时还做了关于污泥结合水含量的实验，结果表明，结合水含量与污泥的流变特性之间也有很大的关系，但是会受到金属离子的影响。H.Nagaoka等〔32〕对不同类型膜生物反应器内的活性污泥的研究表明，黏度与胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）的含量呈正比例关系〔33〕。M.Mori等〔29〕指出，随着EPS浓度的降低，污泥的黏弹性和剪切变稀性也随着降低。A.Pevere等〔25，34〕在对厌氧颗粒污泥的研究中发现，流变特性还与污泥粒径和表面电荷有关，且极限黏度随着颗粒污泥的表面粒径（直径为20～315 μm）和表面电荷的减小而增大。

3.2系统运行条件对污泥流变特性的影响

丁仕强〔26〕对处理生活污水的氧化塘的污泥进行研究，通过酸碱调节污泥的pH，发现在pH从酸性不断增加到中性（5.04—7.40）的过程中，污泥黏度增加的幅度大，而从中性增加到碱性（7.40—10.80）的过程中，污泥黏度增加的幅度较小。以液态聚铁为絮凝剂对污泥进行调理，发现随着絮凝剂投加量的增加，污泥的黏度下降。但A.Pevere等〔34〕针对颗粒污泥的研究表明，在pH为2～10的变化范围内，随着pH的增大，污泥极限黏度增加的幅度只有15%，说明pH对流变特性的影响程度比较小。I.Seyssiecq等〔35〕研究了MBR反应器内污泥在不同浓度和通气的情况下流变特性的变化规律，结果发现，在低剪切速率（﹤0.1 s-1）下，通入气体会使污泥黏度大大降低，且与通气量的大小没有特定关系。但在高剪切速率（＞100 s-1）下，气体通入与否，则对污泥的黏度没有太大影响，黏度值取决于剪切速率的大小；利用Ostwald模型对污泥流变曲线进行拟合，表明通气后污泥的剪切变稀性降低。G.Guibaud等〔36〕也得出相似的结论，此外还指出，加氯可降低污泥絮体的凝聚力，即屈服应力下降。

薛向东等〔37〕的研究表明，超声处理可有效降低活性污泥的黏度和过滤比阻，其原因是超声处理破坏了污泥菌胶团的结构，引起污泥稳定性降低，流动性增强，进而表现出脱水性能的改变；声能密度越大，作用时间越长，黏度降低越明显。

综上所述，污泥的流变特性除受浓度、温度影响外，还受很多因素影响，但是关于这部分的研究，目前还相对分散，没有一个全面统一的综合性认识。此外，有报道表明，污泥流变特性还与污泥的操作过程有关，而且污泥流变特性的测量值与流变仪的选择也有很大关系。因此，如何对污泥的流变特性进行全面而准确的测量，并将各个因素结合起来全面优化反应，有待进一步深入的研究。

4　结论

综述了活性污泥流变特性的一般规律及其影响因素，具体表现在以下几个方面：

（1）活性污泥是假塑性非牛顿流体。

（2）污泥的黏度随着温度的升高而下降，原因是温度升高，加剧了污泥内部分子的运动性能，使分子间距离增大，内摩擦减小。研究中大多采用阿伦尼乌斯公式表征污泥黏度和温度的关系。

（3）污泥的黏度、极限黏度随着污泥浓度的升高而增大，污泥浓度对污泥流变特性的影响较之其他因素来说更为显著，原因是污泥浓度增大后，污泥分子间距离减小，分子间引力增大。

（4）污泥流变特性的可能影响因素还有很多，包括运行条件、污泥的理化条件和预处理过程等，但就目前研究结果来看，缺乏全面和系统的研究。

（5）将污泥的流变特性与相关工艺结合起来，比如膜生物反应器的动力优化、泵送、热交换、管道输送甚至污泥厌氧消化的传质等，将对反应和工艺的优化起到关键性的作用。

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Main factors influencing the rheological characteristics of the activated sludge and its research progress

Cao Xiuqin，Wang Yuan，Jiang Zhuhe
（Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China）

Being one of the non-newtonian fluids，the rheological characteristics of activated sludge has great influence on the sewage treatment process.The rheological characteristics of activated sludge are affected by many kinds of factors，among which temperature and concentration are the main ones.In addition，the physicochemical characteristics，such as surface charge，EPS，particle size，etc.，as well as pH，ventilation volume，pre-treatment，etc.can also affect the rheological characteristics of activated sludge.Meanwhile，these factors can also affect its mass transfer process，pipeline transportation，disposal process of sludge treatment，etc.Therefore，the mastery of the change rules of every influential factor that affects the rheological characteristics is of very important and practical significance.

activated sludge；rheological characteristic；viscosity

X705

A

1005-829X（2016）02-0005-05

北京市教育委员会（北京市自然科学基金）2013年度科技计划重点项目（KZ201310016017）；北京建筑大学科研基地建设—科技创新平台—城市雨水环境教育部重点实验室项目（PXM2014_014210_000057）

曹秀芹（1965—），硕士，教授。电话：13718588755，E-mail：caoxiuqin@buca.edu.cn。

2015-11-08（修改稿）