《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Disentangling Rheological Effects on Sludge Dewaterability: A New Perspective on Carrier Fluid vs. Particle Effects
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污泥脱水性能受流体粘度与颗粒结构影响机制研究。通过添加黄原胶（XG）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和硅微粉，系统探究了流体相与颗粒相粘度对脱水效率的独立作用。结果表明：XG通过提高流体粘度使脱水效率降低达94%，PMMA通过促进滤饼孔隙结构提升脱水效率，硅微粉因颗粒聚集引起的粘度增加对脱水影响较小（降低50%）。研究揭示了流体粘度在污泥脱水中的主导作用，为精准调控脱水剂用量提供理论依据。
Seyedali Tabatabaei|Damien J. Batstone|Stephan Tait|Andrew S. Ball|Nicky Eshtiaghi
澳大利亚维多利亚州邦杜拉市RMIT大学澳大利亚生物固体资源转化ARC培训中心
摘要
废水污泥的脱水性能是决定生物固体管理总体成本和环境可持续性的关键因素之一。尽管已知脱水性能和流变特性之间存在关联，但在复杂的污泥悬浮液中，载体流体粘度和颗粒诱导粘度的相对贡献尚不明确。本研究通过使用黄原胶（XG）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和气相二氧化硅作为粘度调节剂，分别改变消化污泥（DS）和活性污泥（WAS）的流变特性来探究这些机制。黄原胶显著增加了载体流体的粘度、屈服应力和稠度指数，从而降低了脱水性能。相比之下，聚甲基丙烯酸甲酯通过促进多孔污泥饼的形成改善了脱水性能，尤其是在较低的污泥浓度下。气相二氧化硅通过颗粒聚集增加了固体诱导粘度（即体积粘度），但其影响程度低于黄原胶。与对照组相比，经过黄原胶处理的样品的脱水效率（WRE）降低了多达94%，且随着黄原胶剂量的增加，WRE逐渐下降。而经过气相二氧化硅处理的样品在达到与黄原胶处理样品相似粘度时，脱水效率降低了约50%。这些机制差异表明，在控制脱水性能方面，载体流体粘度的作用比颗粒诱导粘度更为显著。这些发现为理解液相和固相流变特性如何影响污泥系统中的固液分离提供了基础，为改进污泥调理方法、避免可溶性聚合物过量使用以及优化废水处理过程中的脱水性能提供了科学依据。
引言
高效的固液分离在废水处理[1]、矿物加工[2]和食品生产[3]等众多工业和环境过程中起着关键作用。例如，在采矿行业中，尾矿悬浮液的增稠和脱水对于减少用水量和管理废物[4]至关重要。同样，在废水处理中，有效的污泥管理策略可以减少污泥的产生量，降低运输成本，并最小化环境影响[5]。有效的污泥脱水还能提高资源回收效率[6]、养分回收率以及将污泥转化为生物固体和生物炭[7]。因此，优化污泥的脱水性能已成为水处理设施的重点，以支持可持续发展目标，减少环境足迹[8]，同时提高成本效益并促进循环经济。
像污泥和浆料这样的固体悬浮液的流变行为，包括其粘度和屈服应力，对其脱水性能和相分离有着根本性的影响[9]。流变行为主要来源于连续相（载体流体）的粘度或颗粒间的相互作用，这些相互作用会导致固体悬浮液内部形成网络结构。例如，载体流体粘度的增加会提高流动阻力并抑制排水，而颗粒间的网络结构会增加屈服应力[10]，进一步限制水分释放。这些机制可以独立作用，也可以协同作用，但它们的各自贡献往往难以明确区分。
在污水污泥或矿物尾矿等高固体含量的系统中，了解流体阻力还是颗粒结构对流变行为起主导作用对于优化脱水策略至关重要。虽然污泥和矿物尾矿的物理组成不同，但两者都属于高固体含量的悬浮液，其分离效率受到流变行为的强烈影响。这种流变性与分离效率之间的相互作用在采矿行业的尾矿增稠性能[11]以及污泥处理中的固体颗粒、流体阻力和污泥饼结构[12]方面已有研究。这凸显了明确限制分离效率的流变因素的必要性。此外，屈服应力、弹性和粘度等流变特性会影响污泥的流动行为和结构完整性，这对于高效脱水至关重要[13]。然而，由于污泥成分的多样性，其流变行为存在显著差异，需要采用专门的方法来实现最佳脱水效果[14]。
尽管已有研究探讨了污泥流变特性对脱水性能的影响，但以往的研究通常关注固体含量、有机组分和流变特性共同作用对脱水的影响[15][16]。一般来说，有机组分和挥发性固体（VS）会影响污泥的流变特性（包括屈服应力和粘度[17]），进而共同影响脱水性能[18]。现有研究尚未完全阐明仅考虑粘度本身（不考虑有机组分）对脱水性能的基本影响。这是一个关键的知识空白，直接影响污泥的脱水效果。通过区分载体流体粘度和颗粒诱导粘度的不同作用，可以更广泛地理解固液分离行为，这对废水处理以及更广泛的悬浮液处理系统都有潜在意义。
为了解决上述知识空白，本研究旨在评估载体流体粘度和颗粒诱导粘度对污泥脱水性能的独立影响，而不考虑有机组分。为此，将黄原胶（XG）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和气相二氧化硅作为粘度调节剂添加到活性污泥（WAS）和消化污泥（DS）中，两种总固体浓度分别为2.0%和4.0%，并量化了它们对污泥流变特性和脱水性能的影响。选择这些材料是为了能够分别控制影响污泥流变特性的两个主要因素。黄原胶作为一种可溶性聚合物，可以独立于污泥颗粒诱导粘度增加载体流体的粘度，从而有针对性地调节液相流变特性。气相二氧化硅是一种具有高表面积的亲水性颗粒添加剂，主要通过颗粒间结构作用增加粘度，体现了颗粒诱导的流变效应。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一种疏水性颗粒改性剂，表面积较低，其颗粒行为与黄原胶不同，同时也可作为模型微塑料使用。黄原胶此前已被用于模拟污泥流变特性[19]，而聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和气相二氧化硅（气相）是不溶性（颗粒状）粘度调节剂，通过改变颗粒诱导粘度来影响污泥流变特性，而不直接与污泥中的有机物相互作用[20][21]。因此，黄原胶被用作模拟污泥流动行为的透明溶液或模拟物，而聚甲基丙烯酸甲酯用于评估非有机固体浓度增加对沼气产量的影响。这些添加剂的使用使得能够系统地区分载体流体和颗粒诱导因素对污泥流变特性和脱水性能的贡献。据我们所知，这些添加剂之前尚未被研究过其在污泥流变特性及脱水性能中的作用。因此，本研究能够以新的、可控的方式比较可溶性和颗粒状粘度调节剂对流变特性和脱水性能的影响。重要的是，这些发现为理解可溶性组分和颗粒结构如何影响污泥处理中的聚合物需求和水分释放行为提供了实际见解。
材料
WAS和DS样本于12月和1月（夏季）从澳大利亚维多利亚州的东部处理厂（ETP）收集，该厂负责处理生活废水（具体流程已在其他文献中描述[18]）。虽然季节性温度变化可能会影响污泥特性，但所有样本均在较短且一致的时间内采集，确保了所有实验之间的基线条件可比。由于本研究评估的是粘度调节剂引起的流变特性和脱水性能的相对变化，
粘度调节剂对流变特性的影响
图1展示了黄原胶对DS样本的影响，图2展示了其对WAS样本的影响。在2%和4%的添加剂量下，黄原胶显著增加了两种污泥的τy值，且随着剂量的增加这种影响呈逐步增强趋势；同时略微降低了n值，从而增强了剪切稀释行为。k值在2%总固体浓度下受影响更为显著，两种污泥的表现也一致。这一趋势与黄原胶通过增稠载体流体来提高液相粘度的已知作用相符
流变特性对污泥脱水性能的影响
多元相关方差分析（ANCOVA）显示，聚甲基丙烯酸甲酯剂量对粘度参数和表观粘度没有显著影响（p=0.2-0.6），但对脱水性能有显著影响（p~0）。因此，聚甲基丙烯酸甲酯被从分析中剔除，仅对黄原胶和气相二氧化硅进行了因素效应分析。分析首先评估了流变参数对脱水性能和WRE的影响，因为这些参数都受到下文讨论的主要因素的影响。结论
本研究探讨了不同添加剂（特别是黄原胶、聚甲基丙烯酸甲酯和气相二氧化硅）如何影响污泥流变特性及其对脱水性能的影响，且这种影响与污泥中的有机组分无关。结果表明，载体流体的流变特性（通过添加黄原胶改变）在脱水性能中的作用比悬浮颗粒的影响更为显著。具体来说，黄原胶通过增加载体流体的粘度显著阻碍了脱水过程
资助
本研究得到了澳大利亚研究委员会（ARC）在RMIT大学设立的澳大利亚生物固体资源转化培训中心的支持（资助编号：IC190100033）。
作者贡献声明
Nicky Eshtiaghi：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、研究、概念构思。Andrew S. Ball：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。Damien J. Batstone：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、研究、数据分析、概念构思。Stephan Tait：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、研究。Seyedali Tabatabaei：撰写——初稿撰写、方法论、研究、数据分析
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Nicky Eshtiaghi表示获得了澳大利亚研究委员会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究的开展得到了澳大利亚污水处理厂运营商、我们的项目合作伙伴（尤其是墨尔本水务公司）以及澳大利亚生物固体资源转化ARC培训中心指导委员会成员的支持。
