宏观裂纹率作为连接污泥脱水过程中线性过滤与非线性表达的结构代理指标

《Process Safety and Environmental Protection》：Macroscopic crack ratio as a structural surrogate linking linear filtration and nonlinear expression in sludge dewatering

　　

摘要
污泥脱水通常使用毛细吸水时间 (CST) 和过滤比阻 (SRF) 进行评估，然而这些线性过滤指标提供的关于后期滤饼压实和水分挤出的信息有限，而后者最终决定了脱水性能。在此，我们评估了在真空过滤过程中通过时间分辨图像提取的滤饼表面裂纹率 (CR)，将其作为连接过滤行为与最终脱水性能的宏观、可获取工艺的结构指标。污泥使用聚合硫酸铁 (PFS)、聚丙烯酰胺 (PAM) 和粉煤灰 (FA) 进行调理，剂量水平不同，以产生不同的滤饼形成路径。调理路线产生了明显不同的裂纹演化模式和脱水结果，总体顺序为 FA > PFS > PAM。FA 调理后的滤饼表现出最早且最发达的表面裂纹网络，最终 CR 达到 7.86%，同时具有最低的压缩系数 s (0.82)、最高的渗透系数 k (50.8 × 10?6 cm/s) 和最低的滤饼含水率 (54.51%)。相比之下，PAM 调理显著降低了 CST 和 SRF，但产生的裂纹发展有限 (CR≤3.34%)，压缩性更高 (s=1.96)，渗透性更低 (k = 14.1×10?6 cm/s)，最终含水率更高 (65.00%)，这表明过滤性的改善不一定意味着脱水性的改善。CR 与含水率、压缩性 (p≤0.001) 和渗透性密切相关，同时与 CST 和 SRF 保持显著关联 (p≤ 0.01)，表明表面开裂既捕捉了早期过滤的遗留影响，也捕捉了支配后期挤压的结构约束。提出了一种“收缩 - 开裂 - 传输”框架，将 CR 解释为滤饼收缩、应力释放和有利排水结构发展的综合响应。这些发现表明，CR 可作为连接过滤性与最终脱水性的低成本、可视化的结构变量，支持调理剂筛选和过程监测，尽管仍需要更广泛的验证。

引言
剩余污泥的安全处置和资源化利用是实现污水处理行业污染减排和碳中和的核心任务 (Chu et al., 2024)。由于其强烈的胶体稳定性和显著的压缩性，污泥通常需要调理以降低固 - 液分离阻力，然后再进行机械脱水 (Tun?al and Mujumdar, 2023)。然而，在实际操作中，污泥性质随污水来源、季节变化和处理工艺而显著波动 (Chang et al., 2023, Jones and Schuler, 2010)。这种高度不确定性导致调理性能不稳定，并对脱水过程的稳定控制构成重大挑战 (Hyrycz et al., 2022, Jiang et al., 2023)。因此，快速评估调理效率以及可靠预测最终脱水性能仍是污泥脱水优化和化学投加控制中的关键问题 (Ling et al., 2025)。
毛细吸水时间 (CST) 和过滤比阻 (SRF) 被广泛用作调理剂筛选和污泥过滤性评估的常规指标，因为其操作简便且响应迅速 (Liu et al., 2023, Pavez-Jara et al., 2026, Sanchis-Perucho et al., 2023)。然而，这些指标主要描述早期滤液释放和过滤阻力，即过滤性，而不是实际机械脱水期间实现的最终脱水性 (Pan et al., 2003, Vaxelaire and Olivier, 2006)。正如 To 等人综述的那样，这些指标主要反映早期滤液释放和过滤速率，不足以预测实际机械脱水中可实现的最终脱水性 (To et al., 2016)。这一局限性进一步体现在 Sanchis-Perucho 等人的工作中，他们进一步比较了包括 CST、过滤时间 (TTF) 和 SRF 在内的离线方法的能力，表明这些方法主要估算过滤性和过滤阻力，其响应受污泥特性和处理条件的影响很大 (Sanchis-Perucho et al., 2023)。因此，CST 和 SRF 仍适用于早期筛选，但在预测深度脱水过程（特别是板框过滤和隔膜压榨）中的最终滤饼含水率方面存在内在局限性 (Vaxelaire and Olivier, 2006)。Stickland 提出的压缩流变学框架进一步表明，污泥作为一种可压缩悬浮液，表现出依赖于浓度的网络强度，其最终固结程度由施加载荷与滤饼抗压缩阻力之间的相互作用决定 (Stickland, 2015)。因此，传统过滤指标与最终脱水性能之间的不匹配很大程度上源于它们捕捉初始过滤阶段后非线性滤饼挤压的能力有限 (Pavez-Jara et al., 2026)。与主要反映早期过滤阻力的 CST 和 SRF 不同，引入 CR 作为一种互补的宏观结构指标，期望提供关于最终脱水性的额外信息，而这些信息未被传统过滤性指标完全反映。
为了弥合传统过滤指标与最终脱水性能之间的差距，近期关于污泥脱水的研究已超越单一过滤性指标，转向滤饼结构 (Liu et al., 2025)、水分分布和孔隙网络连通性 (Rao et al., 2019) 的多尺度表征。计算机断层扫描 (X-CT)、纳米 CT、低场核磁共振 (LF-NMR) (Sun et al., 2025) 和微模型已被应用于揭示孔隙结构演化、水分迁移路径和水力通道连续性如何调节污泥压实过程中的水分传输 (Liu et al., 2025, Zhang et al., 2024)。Wang 等人利用纳米 CT 和微模型证明，真实的三维孔隙特征及其演化为理解污泥脱水行为提供了重要基础 (Wang et al., 2024)。Xiao 等人进一步使用 X 射线微 CT 可视化了骨架材料调理污泥滤饼中的水分传输通道，为骨架构建在改善滤饼排水路径中的作用提供了直接的结构证据 (Xiao et al., 2024)。与此同时，宏观剪切流变学 (Liu et al., 2025)、基于电化学阻抗谱 (EIS) 的在线监测 (Zhang et al., 2022) 以及整合图像和理化特征的机器学习软测量模型也被用于捕捉污泥网络强度或水分释放阻力的变化 (Li et al., 2023)。例如，Zhang 等人提出了一种基于水 - 电模拟的量化污泥脱水性的潜在在线方法，将水分释放阻力转化为可监测的电信号响应 (Hyrycz et al., 2022, Li et al., 2025)。尽管这些方法提供了有价值的机理信息，但大多数仍是离线的、仪器密集型的，或难以转化为快速工艺评估 (Wu et al., 2018, Zhang et al., 2022)。这些局限性凸显了需要一种低成本、可视化且结构可解释的宏观代理指标来评估污泥脱水过程中滤饼结构的演化。与 X-CT、LF-NMR 和 EIS 不同，CR 不解析内部结构，但能够对过滤过程中同一滤饼上的表面裂纹演化进行低成本、直接的时间分辨可视化。
值得注意的是，在多孔介质领域，如土力学和岩土工程，干燥或固结过程中形成的宏观裂纹网络已被广泛认为是材料在应力下的关键结构响应，对局部渗透性和整体渗流行为有深远影响 (Liu et al., 2013, Tang et al., 2021)。在土壤干燥裂纹研究中，Tang 等人建立了一个系统的基于图像的量化框架，并提出了表面裂纹率、裂纹密度和连通性指数等裂纹结构参数，证明表面裂纹图像可以为表征多孔介质水力 - 力学状态变化提供宏观基础 (Tang et al., 2024)。Qiu 等人进一步表明，阐明孔隙破裂的演化机制对于预测多孔介质中的非线性渗流行为至关重要。在污泥脱水实践中，操作人员也常用真空过滤后表面开裂的程度来经验性地判断调理效果和预期的脱水状态 (Qiu et al., 2020)。Zhang 等人初步观察到，机械脱水过程中形成的裂纹可能代表了滤饼内部增强支撑、收缩行为和排水路径重建的综合宏观表达 (Zhang et al., 2024)。然而，与土壤和岩石等多孔介质相比，污泥脱水中滤饼表面裂纹的定量使用仍然有限 (Yang et al., 2025)。特别是，很少有研究系统地评估裂纹几何参数作为结构代理指标，并考察它们与 CST 和 SRF 等线性过滤指标以及滤饼含水率、压缩性和渗透性等与非线性挤压相关参数之间的关系。这种差距限制了污泥脱水评估从经验视觉判断向结构导向量化的转变。
基于此背景，本研究提出裂纹率 (CR) 作为连接线性过滤行为与非线性挤压性能的宏观结构代理指标。选择聚合硫酸铁 (PFS)、聚丙烯酰胺 (PAM) 和粉煤灰 (FA) 分别代表三种典型的调理路径：主要涉及电荷中和和部分自骨架化的无机絮凝 (Chen et al., 2026)、以聚合物吸附桥接和絮体固结为主的柔性絮凝 (Wei et al., 2018)，以及基于物理支撑和排水通道维护的刚性骨架构建 (Bao et al., 2024)。采用标准化的图像采集和图像分析方法追踪真空过滤过程中污泥滤饼表面裂纹的起始和扩展。具体而言，本研究旨在：(1) 比较不同调理机制下滤饼开裂的动态演化；(2) 定量评估 CR 与早期线性过滤指标（包括 CST 和 SRF）以及后期挤压相关参数（包括压缩系数、宏观渗透系数和最终滤饼含水率）之间的关系；以及 (3) 提出一种“收缩 - 开裂 - 传输”机理模型，解释裂纹发展与深度脱水性能之间的结构联系。预期结果将阐明表面开裂是否可以作为工艺可获取的结构指标，用于调理剂筛选和脱水过程评估。

章节片段
实验材料与调理程序
本研究使用的污泥采集自中国福州杨柳污水处理厂（处理能力为 600,000 m3/d）的浓缩池。收集后，污泥通过孔径为 150 μm 的 100 目不锈钢筛以去除砂砾和其他粗杂质。筛分后的污泥在 4 °C 下储存，所有实验均在一周内完成 (Wang et al., 2022)。污泥的基本理化性质为
调理路线对过滤性和脱水性的影响
为了区分不同调理剂对早期过滤和后期挤压的影响，使用 CST 和 SRF 来表征初始线性过滤性能，即过滤性，而使用压缩系数 (s)、宏观渗透系数 (k) 和最终滤饼含水率 (Wc) 来评估后期压实行为和最终脱水性能，即脱水性。如图 2 所示，PFS、PAM 和 FA 均改善了
结论
本研究评估了使用污泥滤饼表面裂纹率 (CR) 作为宏观结构替代指标的可行性，以解决传统线性过滤指标与后期非线性脱水参数之间长期存在的脱节问题。主要结论如下：
•最终 CR 的顺序为 FA (7.86%) > PFS (5.31%) > PAM (≤3.34%) > RS（约 2.07%），与整体脱水性能良好吻合，并得到后期阶段...的支持
CRediT 作者贡献声明
刘知浩：数据整理、调查。陈浩然：数据整理、调查。袁一文：调查、可视化、写作 - 初稿、数据整理、形式分析。王厚峰：概念化、项目管理、调查、数据整理、写作 - 初稿、写作 - 审查与编辑、资金获取、监督。任世宇：调查、数据整理。曾建雄：写作 - 审查与编辑、资金获取、监督。
写作过程中生成式 AI 及 AI 辅助技术的声明
在本工作的准备过程中，作者使用了 Deepseek 和 ChatGPT 以提高语言和可读性、分析内容并协助结构组织。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金 (52270120) 和福建省生态工业发展绿色技术重点实验室开放研究基金 (WYKF-EIGT2023-2) 的财政支持。
袁一文 | 陈浩然 | 刘知浩 | 任世宇 | 黄长吉 | 曾建雄 | 王厚峰