絮凝调理对给水厂污泥絮体理化特性与微观结构的影响研究

论文摘要

给水厂污泥是一种典型的非牛顿流体。本研究从单个颗粒（污泥絮体）与群体系统（整个体系）两个角度,采用理化指标测定、显微镜拍摄、比表面分析、流变测试等技术方法,探讨了絮凝调理对给水厂污泥脱水性能、理化性质、形貌特征以及流变特性的影响,分析了絮凝调理前后污泥类凝胶与分形结构的变化。研究结果如下：对于给水厂污泥样品1和样品2,通过阳离子型有机高分子絮凝剂CZ8698的调理,对应的最佳投药量分别为24.00kg·ton-1干泥和18.75kg·ton-1干泥,相应的毛细吸水时间CST值分别由97.97±5.75s和131.68±2.50s降低至11.57±0.58s和13.10±0.62s,污泥的脱水性能达到最佳。污泥上清液表面张力和污泥的接触角也分别增加到最大值：70.98±0.26mN·m-1和38.00±2.5°,表面电荷密度与Zeta电位接近于O。随着CZ8698投药量的增加,调理污泥颗粒絮体的粒径逐渐增大,相应的一维分形维数D1（lglgP-lgdL）的范围为1.01-1.05,表明絮体边缘规则程度变化不大；而二维分形维数D2（lgA-lgdL）由1.68升高至1.93, D2’（lgA-lgP）在1.56～1.86范围内波动上升,絮体密实程度随投药量增加而增强。通过N2吸附-脱附等温线和流变学方法分析了给水厂污泥的群体特征。基于分形FHH （Frenkel-Halaey-Hill）吸附和脱附方程,得到原始污泥的孔分形维数Ds分别为2.53和2.33。在最佳投药量处达到最大值2.55和2.52,标度空间LF分别为0.28-2.77nm和0.30-1.02nm,此时絮体的空间填充能力最强。应用热力学模型计算得到的Ds为2.84-2.89,大于分形FHH模型计算的结果,标度空间为0.10-2.19nm,与吸附Ds较为接近。给水厂污泥调理前后都具有剪切变稀的性质,后者触变性更强。调理后污泥的极限粘度与浓度表现出线性关系,与多数市政污泥η∞-TSS呈指数关系不同。调理前后污泥log10η∞与1/T之间的关系均符合阿仑尼乌斯公式,相应的活化能Ea分别为17.86J·mol-1和26.91J·mol-1,高于厌氧颗粒污泥的2.51J·mol-1。Herschel-Bulkley模型和宾汉塑性模型适用于描述调理前后污泥的流变行为。基于Shih模型中极限粘度与污泥浓度的关系,计算得调理前后污泥的质量分形维数Df分别为1.75和2.48。调理后的污泥属于weak-link絮体/聚集体。动态流变测试中,多数情况下,屈服应力τyT,污泥网络结构凝聚能EcT随着污泥浓度的升高而增加,但强度并没有一直提高。调理前后污泥都具有类凝胶结构和线性粘弹性（LVE）范围,超过该范围后,污泥网络结构的粘性增强,结构由凝胶转化为溶胶。此外由控制剪切应力CSS和振幅扫描SAS测试可以发现,在多数浓度下,絮凝剂的投加使得给水厂污泥网络结构的强度提高、弹性下降、LVE范围延长。根据Shih模型对1gG’和lgTSS的关系的模拟结果可知,调理前后污泥的Df分别为2.69和2.66,且给水厂调理前后污泥均为weak-link絮体。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.引言
• 1.1.问题的提出
• 1.2.给水厂污泥的污染现状
• 1.3.污泥絮凝调理技术研究进展
• 1.3.1.絮凝调理机制
• 1.3.2.絮凝剂在污泥脱水中的应用及进展
• 1.3.3.给水厂污泥絮凝调理研究
• 1.4.絮体形貌表征与分形研究进展
• 1.4.1.分形的概念
• 1.4.2.絮体分形维数确定方法
• 1.4.3.絮体分形特征的研究进展
• 1.5.流变学在污泥调理与脱水工艺中的应用
• 1.5.1.流变学
• 1.5.2.流变学在污泥脱水中的应用
• 1.6.研究的目的及意义
• 1.7.研究主要内容与技术路线
• 2.实验材料与方法
• 2.1.污泥样品的采集及性质
• 2.1.1.污泥采集
• 2.1.2.污泥性质测定
• 2.2.污泥的絮凝调理
• 2.2.1.实验流程
• 2.2.2.污泥脱水性能监测
• 2.3.污泥絮体的表征
• 2.3.1.单颗粒表征技术与方法
• 2.3.2.群体表征技术与方法
• 3.给水厂污泥的絮凝调理及絮体理化性质研究
• 3.1.给水厂污泥的性质
• 3.1.1.给水厂污泥基本性质
• 3.1.2.给水厂污泥金属元素组成
• 3.1.3.给水厂污泥沉降性能
• 3.2.CPAM调理投药量对给水厂污泥脱水性能的影响
• 3.3.絮凝调理对污泥絮体理化性质影响
• 3.3.1.絮凝调理后污泥固液悬浮理化性质的变化
• 3.3.2.絮凝调理对絮体强度的影响
• 3.4.小结
• 4.给水厂污泥絮体的形貌与结构特征研究
• 4.1.不同投药量下污泥絮体形貌变化
• 4.1.1.不同投药量下污泥絮体CCD图像
• 4.1.2.典型投药量下絮体SEM形貌
• 4.2.絮体的粒度分布
• 4.3.絮体的图像分形特征
• 4.4.给水厂污泥絮体的表面微观结构特征
• 2吸附-脱附等温线分析'>4.4.1.N₂吸附-脱附等温线分析
• 4.4.2.表面孔隙分布规律分析
• 4.4.3.孔表面分形维数
• 4.5.小结
• 5.给水厂污泥类凝胶结构解析
• 5.1.稳态流变测试
• 5.1.1.给水厂污泥典型流变特性
• 5.1.2.给水厂污泥浓度对极限粘度的影响
• 5.1.3.温度对给水厂污泥流变特性的影响
• 5.1.4.给水厂污泥流变模型模拟
• 5.2.瞬态流变测试
• 5.3.动态流变测试
• 5.4.基于流变特征的质量分形维数
• 5.4.1.基于极限粘度的质量分形维数
• 5.4.2.基于储存模量与临界剪切形变的质量分形维数
• 5.5.絮体的类凝胶结构特征
• 5.5.1.频率扫描与类凝胶结构
• 5.5.2.絮体结构与特征
• 5.6.小结
• 6.结论与展望
• 6.1.结论
• 6.2.展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 攻读硕士学位期间主要成果
• 致谢