Differences in rheological and fractal properties of conditioned and raw sewage sludge

Rheological tests for raw and conditioned activated sludge(AS) or anaerobic digested sludge(ADS) show that power-law relationships can be used to describe the evolution of several rheological parameters,i.e.,limiting viscosity(η∞),yield stress(τy),cohesion energy of the sludge network(Ec),and storage modulus(G’),with total suspended solid(TSS) content in raw and conditioned sludge.A gel-like structure that behaves similar to weak-link flocs/aggregates was observed in AS and ADS.As derived from the double-logarithmic plots of G’-TSS content,the mass fractal dimensions of the raw and conditioned AS or ADS flocs/aggregates were 2.70 and 2.53 or 2.85 and 2.79,respectively.The rheological tests also indicate that both polymer conditioning and increased TSS content led to improved elastic behavior,cohesion energy,and yield stress of the sludge network,as well as expanded the corresponding linear viscoelastic range.The porosity of AS or ADS flocs/aggregates will be improved by polymer conditioning.     

对影响热水解污泥临界剪切应力主要因素的实验研究

热水解广泛应用于污泥厌氧消化的预处理之中,研究热水解污泥临界剪切应力的主要影响因素,准确预测污泥流变特性,对后续厌氧反应器的有效运行是十分必要的.本文研究了预剪切强度、温度(15~85℃)、浓度(8.6%~15.6%)、剪切速率范围(0.01~1000 s-1)对热水解污泥临界剪切应力的影响.实验采用含固率(Total solid,简称TS)8.6%TS15.6%的热水解污泥,在0.01~1000 s-1的剪切速率范围内对热水解污泥进行流变特性的测试.结果发现:流动曲线中是否出现临界剪切应力与污泥浓度和剪切速率范围有关,与预剪切强度及温度无关.对于160℃-30 min的热水解污泥而言,当TS10%时,流动曲线符合Herschel-Bulkley模型;当TS=10%时,在0.1~10 s-1内开始出现临界剪切应力将流动曲线分为两部分;TS10%时,流动曲线符合改进的Herschel-Bulkley模型.     

好氧污泥絮体与厌氧颗粒污泥的剪切稳定性分析

通过标准的剪切实验装置检测了好氧污泥絮体和厌氧颗粒污泥在不同剪切条件下剥离的分散胶体浓度的变化.结果表明,厌氧颗粒污泥的剪切敏感性(KSS)比好氧活性污泥高1个数量级,证明了好氧活性污泥的剪切稳定性更好.好氧活性污泥絮体在剪切下剥离的分散胶体平衡浓度(md,∞)分别随着污泥悬浊液的固体浓度(mT)和剪切强度(G)的增加而增加.AE模型的模拟结果显示,好氧活性污泥絮体样品1在剪切作用下粘附-剥离的平衡常数(Km)比样品2的高,相应的DG0adh/RT值更小,证明其在剪切作用下的粘附过程更易发生.修正AE模型可以更好地模拟不同剪切强度下污泥絮体上分散胶体的剥离过程,其不仅能够给出未施加剪切的稳定状态时因布朗运动而导致的分散胶体浓度,而且能确定与污泥絮体上分散胶体的剥离能量相关的DH/R值.模拟结果表明,好氧活性污泥絮体样品1上分散胶体的剥离需要更多的能量,剪切强度的升高对样品2的影响更加明显.活性污泥剪切稳定性的差异证明了其与污泥结构、性质以及污水处理厂运行效果之间的关系比较复杂.     

超声对污泥流变性及絮凝脱水性的影响

采用旋转粘度法研究了活性污泥体系的流变特性,考察和比较了超声处理前后污泥粘度及过滤比阻的变化,并就超声处理污泥的絮凝脱水性能进行了相关测试和分析.结果表明,随剪切速率的增大,污泥表观粘度降低,流动性增大,表现出流体变稀;污泥的流变特性反映出其胶状网络结构具有相对稳定性,污泥对水的结合能力强,因此,其过滤比阻高、脱水性能差;在固定频率25 kHz条件下,低声能密度(0.10～0.15W·mL-1)、短时间(2～3 min)超声处理可有效降低污泥表观粘度及过滤比阻;在絮凝剂(PDMDAAC)投量为污泥干固体质量(TS的)0.5%时,超声处理污泥的过滤比阻与滤饼含水率可分别降低至最小值0.18×109s2·g-1和65.7%.实验结果表明,将超声与絮凝剂结合用于污泥调理是可行的.     

不同剪切条件下活性污泥理化性质及脱水性能的响应特征

通过实验室模拟,研究了原始活性污泥和最佳投药量下调理污泥的毛细管吸水时间、粒度、分形维数、Zeta电位和上清液SS值等参数随剪切强度与时间的变化规律,确定了污泥的剪切敏感性和强度因子及粒径、强度等参数与速度梯度（G）值之间的关系.结果表明,剪切导致原始污泥和调理污泥的脱水性能变差,相应的临界剪切强度分别为700 r·min^-1（G=554.6 s^-1）和400 r·min^-1（G=239.5 s^-1）,并暴露出更多带负电荷的新鲜表面.原始污泥的质量分形维数受剪切作用影响不大,其粒径在一定范围内随剪切强度的增加而减小,而调理污泥絮体的质量分形维数却随之上升,粒度随之降低.原始污泥与调理污泥絮体的K_SS值分别为4.73×10^-2、8.33×10^-2,稳定絮体粒径常数γ值分别为4.99×10^-2、35.19×10^-2,且前者的强度因子较高,它们均表明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,污泥粒径、强度均与G值呈现较好的指数关系.     

水热处理高含固污泥的无害化效能和资源属性影响

污水处理厂污泥除含有易腐有机质和营养物质外,还富集了大量的抗生素、抗性基因（ARGs）、病原菌等污染物质.水热处理作为预处理技术,可提高高含固污泥的生物转化率,然而对于高含固污泥的无害化效能和资源属性的影响研究较少.因此,本文考察了不同温度水热处理条件对高含固污泥无害化效能的影响,选取具有代表性的4种氟喹诺酮抗生素（FQs）、ARGs及常见病毒作为无害化的评价指标.结果表明,在160℃和180℃处理60 min的情况下,总FQs去除率分别达到了42.5%和59.5%,而低温条件下FQs的去除效果不明显,表明FQs具有一定的热稳定性.高温处理同样对ARGs的消减效果明显,在180℃水热处理后,ARGs和水平转移因子的消减超过了6个数量级（6 logs）,显著降低了ARGs的传播风险.尽管高含固污泥中可以检出病毒基因如人腺病毒等,但污泥中病毒对水热温度非常敏感,在120℃的水热条件下即可消减病毒基因.除此以外,水热处理可以释放大量的营养物质如多糖、蛋白质、挥发性脂肪酸等,有助于提高和改善后续的微生物转化效率.     

污泥厌氧消化系统消化原料流变特性研究

考察了4种污泥厌氧消化原料的流变特性,研究了原料浓度、温度以及添加餐厨垃圾等因素对污泥流变特性的影响,以期为厌氧消化工艺的设计及设备选用提供基础参数.试验结果表明,脱水污泥、脱水污泥与餐厨垃圾混合物、剩余污泥、剩余污泥与餐厨垃圾混合物4种原料均为假塑性流体,且符合幂律方程.随消化原料固体浓度由1%增至10%,原料黏度升高.剩余污泥和剩余污泥与餐厨垃圾混合物在TS=3%时流变指数最大,而脱水污泥和脱水污泥与餐厨垃圾混合物在TS=5%时流变指数最大.添加餐厨垃圾可以改善污泥的流变特性,使得混合液的流变指数较纯污泥有不同程度的升高,使其更接近牛顿流体.随着温度由15℃升高到55℃,4种原料的黏度呈线性趋势降低,流变指数则逐渐升高,其中脱水污泥的黏度对温度变化最为敏感.     

硫粉投加量与污泥含固率之比对生物淋滤过程的影响

通过接种污泥硫细菌混合菌液,研究了S粉投加量与污泥含固率之比(SA/TS)对城市污泥中重金属生物淋滤效果的影响.结果表明,增大SA/TS值能显著缩短淋滤时间,提高淋滤效果.当SA/TS为2.5,经过8 d生物淋滤,Cu和Zn的淋滤效果可达到最佳,溶出率分别为66.2%和63.9%.淋滤进行16 d后,Pb的溶出率为30.8%.对于Cu,不论淋滤前后有机态都是较强的结合态.Zn的溶出主要是由于结合能力强的铁锰氧化态在淋滤过程中被大量浸出.Pb经过16 d的淋滤,铁锰氧化态所占比例有所下降而有机态比例上升.加大SA/TS有利于提高S粉的利用率,对N的保存影响不大,但增加了P的流失.     

Physical characteristics of conditioned anaerobic digested sludge – A fractal, transient and dynamic rheological viewpoint

The changes in the physical characteristics of unconditioned and conditioned anaerobic digested sludge (ADS) biosolids, such as capillary suction time (CST), yield stress, average size and fractal dimensions, were investigated through a CST test, transient and dynamic rheological test and image analysis. The results showed that the optimum polymer dose range was observed when CST or its reciprocal value was employed as an indicator. There were good correlations between the yield stresses determined from both a controlled shear stress test and a strain amplitude sweep test. The yield stress and storage modulus (G′) increased as the polymer dose increased in most cases. A frequency sweep test revealed that polymer conditioning could extend the frequency sweep ranges for their elastic behaviors over viscous behaviors as well as the gel-like structure in the linear viscoelastic range. These results implied that more deformation energy was stored in this rigid structure, and that elastic behavior became increasingly dominant with the addition of the polymer in most cases. In addition, both the average sizes and two-dimensional fractal dimensions for conditioned ADS biosolids presented a similar up-climax-down variation trend as the polymer doses increased, whereas the critical polymer doses at the highest average sizes or two-dimensional fractal dimensions, were different. Correlation analysis revealed that the conditioned ADS dewaterability was not correlated with the yield stresses, while the average sizes or the two-dimensional fractal dimensions for conditioned ADS biosolids could be taken as the indication parameters for ADS dewaterability.     

Physical characteristics of conditioned anaerobic digested sludge - A fractal,transient and dynamic rheological viewpoint

The changes in the physical characteristics of unconditioned and conditioned anaerobic digested sludge (ADS) biosolids,such as capillary suction time (CST),yield stress,average size and fractal dimensions,were investigated through a CST test,transient and dynamic rheological test and image analysis.The results showed that the optimum polymer dose range was observed when CST or its reciprocal value was employed as an indicator.There were good correlations between the yield stresses determined from both a controlled shear stress test and a strain amplitude sweep test.The yield stress and storage modulus (G') increased as the polymer dose increased in most cases.A frequency sweep test revealed that polymer conditioning could extend the frequency sweep ranges for their elastic behaviors over viscous behaviors as well as the gel-like structure in the linear viscoelastic range.These results implied that more deformation energy was stored in this rigid structure,and that elastic behavior became increasingly dominant with the addition of the polymer in most cases.In addition,both the average sizes and two-dimensional fractal dimensions for conditioned ADS biosolids presented a similar up-climax-down variation trend as the polymer doses increased,whereas the critical polymer doses at the highest average sizes or two-dimensional fractal dimensions,were different.Correlation analysis revealed that the conditioned ADS dewaterability was not correlated with the yield stresses,while the average sizes or the two-dimensional fractal dimensions for conditioned ADS biosolids could be taken as the indication parameters for ADS dewaterability.     

不同预处理对电镀污泥电动过程的影响

以风干电镀污泥为电动处理试验材料,水为阳极电解液,柠檬酸-柠檬酸铵缓冲液为阴极电解液,施加25 V直流电压条件下电动运行5 d,研究了水、低浓度木钙和硝酸等预处理对电镀污泥电动过程的影响。结果表明,各处理的阴极电解液pH值变化平稳,都维持在3-3.5较理想的范围。而1%木钙、1%硝酸饱和预处理电镀污泥,明显改变了电动过程中电渗流和电流密度的大小,对电镀污泥Cu、Ni的去除率也有明显增加。其中,木钙、硝酸预处理后对Cu的去除率由对照的13.24%分别提高到19.05%和25.55%,即去除量分别增大3 516.35 mg/kg和7 457.62 mg/kg;木钙、硝酸预处理后对Ni的去除率由对照的14.68%分别提高到16.47%和28.85%,即去除量分别增大800.91 mg/kg和6 359.92 mg/kg。     

低剂量长波紫外胁迫下活性污泥硝化活性及氧化应激响应

选取具备良好硝化能力的活性污泥为试验对象,考察其在不同强度(0,0.15,0.39,0.62和1.16μE/(L·s))及不同时间(0,1,2,3和4h)的长波紫外(UVA)辐照下,氨氧化菌(AOB)及亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性的响应情况.结果显示:UVA辐照强度的增加对NOB活性产生显著性影响(P＜0.01),而对...     

冻融处理对不同阴极构型MFC产电及有机物降解的影响

为了研究不同阴极构型的微生物燃料电池(MFC)处理剩余污泥时的产电以及有机物降解情况,构建了铁氰化钾双室MFC以及生物阴极双室MFC两套系统,分析了两套系统处理剩余污泥时电压、功率密度以及有机物变化及降解情况.结果表明,处理冻融污泥时,铁氰化钾双室MFC8h达到稳定电压0.726V,运行6d时SCOD达到峰值3771.4mg/L,此时最大功率密度最高为10.3W/m3,周期结束(20d)TCOD去除率为70.3%;生物阴极双室MFC运行3d达到稳定电压0.76V并持续22d后下降,15~20d时SCOD达到峰值4538.0mg/L,并获得最高的最大功率密度13.7W/m3,周期结束(30d)去除80.6%的TCOD.相对于铁氰化钾双室MFC,生物阴极双室MFC能够更为彻底的促进污泥有机物溶出并利用其产电,对溶解性碳水化合物利用以及有机物的降解得更为彻底,同时更利于MFC系统的长期稳定运行.     

进水中碳水化合物分子大小对污泥沉降性能的影响

为弄清楚碳水化合物分子大小和污泥沉降性能之间的影响关系,在3个序批式系统中,分别以颗粒型淀粉、溶解型淀粉和葡萄糖为碳源,考察了长期运行中系统的污泥沉降性能和处理能力.结果证明:碳水化合物分子越小,活性污泥对环境的变化越敏感,当运行条件不利时越容易引发污泥膨胀问题;大分子碳源吸附于絮体内部能够提高污泥的沉降性能;糖类作碳源时,活性污泥的PHA贮存量约为0.6mmol C/L,但系统SVI仍然能够维持在150mL/g以下;胞外聚合物中多糖与蛋白质(C/P)的比值与污泥的SVI呈正相关性,SVI从100mL/g增长到600mL/g,C/P比从0.248增长到1.201;以颗粒型淀粉、溶解型淀粉和葡萄糖为碳源时,系统的优势丝状菌分别为Type 0041、M. parvicella和S. natans;进水以葡萄糖作单一碳源时,系统的除磷能力能达到80%以上.     

不同碳源种类对好氧颗粒污泥合成PHA的影响

影响好氧颗粒污泥稳定性的因素众多,其中碳源种类的不同会造成好氧颗粒污泥合成聚羟基烷酸酯(PHA)的不同,进而影响其稳定性能.采用混合碳源驯化培养的好氧颗粒污泥进行试验.考察了厌氧条件下,乙酸钠等八种碳源对好氧颗粒污泥合成PHA的影响.结果表明,颗粒污泥对乙酸钠和蔗糖具有较好的转化能力,合成PHA的量分别为102.19mgCOD/g·VSS和70.58mgCOD/g·VSS,显著高于其他碳源的PHA合成量(5~26mg/g×VSS).故以蔗糖和乙酸钠作碳源均有利于颗粒污泥稳定性能的维持,而当以甲醇作碳源时好氧颗粒污泥的贮存能力最差.     

气升流速变化对SBR污泥颗粒化的作用及机理

采用两个相同的SBR反应器:R1保持恒定气升流速3.0 cm·s~(-1),R2气升流速由3.0 cm·s~(-1)逐渐降低至1.0 cm·s~(-1),对比研究了气升流速变化对絮体污泥凝聚和颗粒化的作用.结果表明:R1中35 d后絮体污泥全部转变成均值粒径为564.59μm的颗粒污泥;R2中24 d后絮体污泥全部转变成均值粒径978.71μm的颗粒污泥.R2气升流速由3.0 cm·s~(-1)逐渐降至2.0 cm·s~(-1)时,污泥的分形维数(D2)增大;气升流速由2.0cm·s~(-1)逐渐降到1.6 cm·s~(-1)时,D2先下降后上升,污泥粒径比增长率为0.16±0.01,微生物颗粒表面所受的剪切解吸附率随粒径的增长由调整前的1.35×10~(-2)mg·cm~(-2)·d~(-1)(以VSS计,下同)略微降低后升高至1.88×10~(-2)mg·cm~(-2)·d~(-1),颗粒结构变得更加致密;气升流速小于1.6 cm·s~(-1)之后,旋涡尺度作用减弱,D2持续减小.总体上,当气升流速递减后,R2中污泥混合液流变特性发生了变化,形成的漩涡尺度大于R1,促使更多体积分数的污泥分布在漩涡尺度的耗散范围内,加剧耗散对应范围粒径大小的污泥剪切凝聚,加快了污泥颗粒化进程.     

固体浓度对生物淋滤法去除制革污泥中铬的影响

采用序批式摇床培养,研究了含固率为2%～10%的污泥浓度对生物淋滤法去除制革污泥中重金属Cr效果的影响.结果表明,淋滤处理8d,不同浓度处理Cr的去除率均达95%以上;污泥浓度越低,则污泥中Cr的去除率相对越高,去除速率也越快.如含固率在6%以下的污泥其Cr的去除率在第6d时就达100%. 6%的污泥浓度在实际应用中较为合适.在相同的pH值条件下不同含固率的污泥均有相似的Cr去除率.Cr大量溶出时,具有明显的pH临界点.当pH<2时污泥中Cr的去除率才可达到80%以上.     

不同溶剂和反应温度对污泥热液化制取生物质油性质影响研究

选取4种溶剂(水、乙醇、正己烷、水-乙醇共溶济)作为污泥热液化制取生物质油的溶剂,分析溶剂种类和反应温度对热液化效果和生物质油性质的影响.结果表明:相同温度下,生物质油产率随溶剂种类变化趋势为:乙醇水-乙醇共溶剂正己烷水,最高产率为54.82%(乙醇溶剂,240℃).污泥有机物转化率随溶剂种类变化趋势为:水-乙醇共溶剂乙醇水正己烷,最高有机物转化率为96.40%(水-乙醇共溶剂,330℃).污泥经热液化处理后,碳、氢、氮、硫元素在生物质油中富集,氧含量下降,热值36 MJ·kg-1(乙醇、240℃除外).不同溶剂油成分差别较大,采用水或正己烷,产物主要是脂肪酸类、烷烃及部分酰胺和腈类,采用乙醇或水-乙醇共溶剂,产物主要是酯类、烷烃类.生物质油沸点集中分布在250~500℃,添加乙醇溶剂可显著提高生物质油轻组分含量.     

不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响研究

通过对不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响进行研究,考察了不同流态下微波辐射作用处理后污泥沉降性能、脱水性能的变化,以及微波辐射作用下流态对污泥挥发性悬浮固体(VSS)溶解率、上清液中COD和污泥微观形态的影响.结果表明,流态对污泥的沉降性能和脱水性能有一定影响,微波辐射功率越高,流态对污泥沉降性能和脱水性能的影响越显著.微波辐射功率较低时,雷诺数Re越大,污泥的沉降比(SV)、比阻和泥饼含水率越小;微波辐射功率较高时,Re为2300的临界流态下污泥的沉降性能和脱水性能最好.随着Re的增大,VSS溶解率和上清液中COD升高,微波辐射功率分别为300、500、700和900W时,Re为3000的紊流流态下上清液中COD分别达到1.1、2.1、3.6和6.7g·L-1.SEM观察结果表明,微波辐射及流态产生的协同剪切应时适宜时,有利于污泥颗粒的絮凝反应,高强度的微波辐射和紊流产生的较大剪切应力导致污泥絮体被打碎.     

电导率对城镇污泥电渗透脱水效果的影响

采用电渗透脱水技术对经机械脱水的城镇污泥泥饼进行深度脱水,考察了使用添加Na2SO4溶液以及使用去离子水清洗的方式改变污泥的电导率对污泥电渗透脱水效果与能耗的影响.结果表明,随着添加的Na2SO4的量的增加,污泥的电导率从1103μS/cm上升至2575μS/cm,电渗透脱水后污泥的最终含水率从51.2%降低至45.7%,脱水效果有所提高,但是由于初始阶段通过污泥泥饼的电流的增加,脱水过程中所需能耗也相应上升23.3%~69.2%.随着对污泥清洗次数的增加, 污泥的电导率从988μS/cm上升至371μS/cm,电渗透脱水后污泥的最终含水率从52.3%增加至53.1%,脱水效果有所下降,但是由于初始阶段通过污泥泥饼的电流的降低,使得所需能耗降低15%~24%.因此,对电导率较低的污泥使用电渗透脱水技术进行深度脱水,可以在保证脱水效果的情况下最大限度地降低能耗.