脱水污泥在干燥过程中的质地和粘弹性变化：重点关注粘性阶段

《Desalination and Water Treatment》：DEWATERED SEWAGE SLUDGE TEXTURAL AND VISCOELASTIC CHANGES DURING ITS DRYING: FOCUS ON THE STICKY PHASE

本研究通过穿透测试、纹理剖面分析（TPA）、振荡流变学和X射线显微断层扫描，系统分析了脱水污泥（DSS）在热干燥过程中流变学与文本ural特性的演变，确认其粘性相（S-P）范围为20%-35% DS，并揭示了有机质含量与石灰处理对粘性相的影响。不同方法在干燥不同阶段的适用性及协同验证效果显著，为优化污泥干燥工艺提供了理论依据。

　　这项研究聚焦于脱水污水处理污泥（DSS）在热干燥过程中的粘弹性与结构演变特性，特别是识别其粘性阶段（S-P）所对应的水分含量范围。通过结合多种分析技术，如纹理剖面分析（TPA）、流变学测试、穿刺测试以及X射线微断层扫描（Microtomography），研究团队深入探讨了DSS在不同干燥阶段的行为特征，揭示了粘性阶段对干燥效率和操作稳定性的影响。

污水处理厂是现代城市基础设施的重要组成部分，据统计，欧洲超过80%的人口连接至污水处理厂（WWTPs）。这些设施通过一系列物理、化学和微生物处理步骤去除污染物，同时产生复杂的污泥混合物。污泥主要由微生物、微量无机物和偶尔的污染物组成，其产量在过去十年中趋于稳定，每年约为1000万吨，以总固体含量（TSC）为衡量标准。这种产量不仅带来环境压力，也对污水处理厂的运营成本和能源消耗构成挑战，其中热干燥环节占到了总能耗的50%至70%。因此，优化污泥干燥过程对于提高处理效率、降低能源消耗和增强操作稳定性至关重要。

污泥在处理过程中经历从牛顿流体到粘性软固体，再到干燥固体的转变。不同的处理阶段会改变污泥的物理状态，从而影响其干燥行为。例如，在初级处理阶段，污泥呈现为牛顿流体，总固体含量（TSC）较低，而在次级处理阶段，随着水分的减少，污泥逐渐转变为高度粘性的非牛顿流体，其总固体含量范围在1%至10%之间。进一步的机械脱水会将污泥转化为类似泥浆的形态，即脱水污泥（DSS），其总固体含量在10%至45%之间。最后，经过干燥处理，DSS会进入干燥固体阶段，总固体含量超过90%。

在干燥过程中，污泥会出现一个显著的粘性阶段（S-P），这一阶段通常发生在总固体含量（TSC）的30%至65%之间，具体范围因污泥来源和处理条件而异。在此阶段，污泥表现出高度的粘附性和凝聚力，导致其在干燥过程中难以流动，容易附着在干燥设备表面，从而降低干燥效率并增加操作的不稳定性。粘性行为主要由有机物（如蛋白质和多糖）与水分之间的相互作用引起，这些有机物形成高度水合的网络结构，通过氢键和疏水作用结合水分。在高水分含量下，水分起到润滑作用，保持聚合物的流动性；随着水分的减少，聚合物链开始缠绕，形成更紧密的网络结构，从而增强粘附性。

本研究收集了来自比利时利吉厄地区三家污水处理厂的脱水污泥样本，分别来自埃姆布尔（Em）、格罗斯斯-巴特（Gb）和欧佩（Ou）。为了确保样本的稳定性，所有样本在实验期间均在4°C条件下保存，最长不超过五天。通过实验，研究团队确定了不同样本的总固体含量（TSC）和挥发性固体含量（VS），并观察了它们在不同水分含量下的粘弹性与结构变化。总固体含量（TSC）反映了污泥的初始水分和脱水效率，而挥发性固体含量（VS）则与污泥的有机成分及其农业价值密切相关。

在干燥实验中，样本被手动挤出成直径为12毫米的圆柱体，并在实验室烘箱中以105°C进行干燥。每隔30分钟对样本进行称重，以绘制干燥曲线并计算蒸发速率。为了进一步分析DSS在干燥过程中的机械特性，研究团队采用了多种测试方法，包括TPA、穿刺测试和振荡流变学测试。所有测试均以三次重复进行，以确保结果的可重复性和可靠性。

TPA测试主要关注污泥的粘附性和凝聚力，这两个参数反映了污泥在干燥过程中与探针的粘附能力及其结构恢复能力。随着干燥进行，TPA曲线显示粘附性与凝聚力之间的比例（A/C比）出现显著变化，特别是在总固体含量（TSC）为20%至35%的范围内，这一区间被一致确认为粘性阶段（S-P）。这一阶段的特征包括A/C比的峰值，以及粘弹性模量（G′）的稳定期。这些变化表明，粘性阶段是污泥从粘弹性软固体向粘弹性固体转变的关键过渡点，伴随着内部结构的重组和水分的重新分布。

穿刺测试则通过测量探针插入和拔出时的阻力来评估污泥的粘附性和凝聚力。同样，A/C比在总固体含量（TSC）为20%至35%的范围内出现峰值，进一步验证了粘性阶段的存在。此外，穿刺测试还显示出在总固体含量（TSC）达到40%时，污泥开始形成具有粘附性的圆柱体，这表明此时的结构变化显著影响了干燥过程的效率。

振荡流变学测试则用于评估DSS的粘弹性特性，特别是储存模量（G′）和损耗模量（G″）。储存模量（G′）反映了材料在变形过程中储存机械能的能力，而损耗模量（G″）则与能量的耗散有关。随着干燥进行，储存模量（G′）逐渐上升，标志着材料从粘性状态向弹性状态的转变。然而，当总固体含量（TSC）超过50%时，储存模量（G′）的测量变得不可靠，因为固体的聚集可能损坏测量设备。因此，建议使用颗粒流变仪或干料流变学测试方法来处理更高TSC的样品。

X射线微断层扫描（Microtomography）则用于观察DSS在干燥过程中的内部结构变化。通过分析闭孔孔隙率，研究团队能够追踪污泥在脱水过程中的结构演变。随着水分的蒸发，污泥的孔隙结构收缩并坍塌，导致闭孔孔隙率的快速下降。然而，对于经过石灰处理的样本（GbL），闭孔孔隙率在干燥初期保持相对稳定，这可能与石灰促进颗粒聚集、稳定微观结构以及维持透气通道有关。这种结构的稳定性有助于提高干燥效率，减少水分的蒸发阻力。

研究结果表明，粘性阶段（S-P）对干燥过程的效率和稳定性具有重要影响。在这一阶段，污泥的粘附性和凝聚力显著增加，导致干燥阻力上升，进而影响蒸发速率。通过比较不同样本的干燥曲线，研究团队发现，经过石灰处理的样本（GbL）表现出更高的干燥速率，这与其较低的粘附性有关。而未经过石灰处理的样本（如Ou）则显示出较低的干燥速率，这与其较高的粘附性相吻合。这些发现为优化污泥干燥工艺提供了重要依据，特别是在处理高有机含量的污泥时，需要采取适当的条件调整措施，如化学预处理或操作参数优化，以减少粘性阶段的影响。

此外，研究团队还评估了不同测试方法在追踪DSS粘弹性与结构演变中的适用性。TPA测试适用于总固体含量（TSC）在15%至40%之间的样品，而穿刺测试则具有更广泛的适用范围，能够覆盖从20%至80%的总固体含量（TSC）。振荡流变学测试适用于15%至45%的总固体含量（TSC），而X射线微断层扫描则可以提供关于闭孔孔隙率的详细信息。尽管这些方法各有优劣，但它们的结合使用能够提供更全面的粘性阶段信息，有助于更准确地识别和量化这一关键阶段。

综上所述，本研究揭示了脱水污泥在热干燥过程中粘性阶段的特性及其对干燥效率的影响。通过采用多种测试方法，研究团队确认了粘性阶段通常发生在总固体含量（TSC）为20%至35%的范围内，并指出这一阶段的粘附性和凝聚力显著增加，导致干燥阻力上升。此外，研究还表明，石灰处理可以有效降低粘性阶段的强度和稳定性，从而提高干燥效率。这些发现不仅加深了对污泥干燥过程的理解，也为污水处理厂的工艺优化提供了新的思路和方法。