污泥厭氧消化過程的流變規(guī)律與脫水性能

曹秀芹，王浩冉，江 坤，柳 婷，朱開金，任曉莉

污泥厭氧消化過程的流變規(guī)律與脫水性能

曹秀芹1,2，王浩冉2，江 坤3，柳 婷2，朱開金4，任曉莉4

（1. 北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；3. 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；4. 太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008）

為闡明厭氧消化過程中污泥流變學(xué)與污泥理化性能（脫水性能）之間的關(guān)聯(lián)及低溫水解預(yù)處理對污泥厭氧消化產(chǎn)氣的影響，對常規(guī)污泥及低溫?zé)崴忸A(yù)處理污泥進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)束時，低溫?zé)崴?厭氧消化的揮發(fā)性固體（volatile solids, VS）去除水平較常規(guī)厭氧消化污泥提高3.7個百分點(diǎn)，低溫?zé)崴忸A(yù)處理也使得消化污泥的脫水性提高1.59%；污泥屈服應(yīng)力分別了降低了64.51%和71.47%；稠度系數(shù)分別減小了90.94%和92.83%，污泥流動性增強(qiáng)。整個消化過程VS/總固體（total solids, TS）和屈服應(yīng)力隨時間的變化均呈對數(shù)下降趨勢；通過線性方程擬合和皮爾遜相關(guān)性分析表明，屈服應(yīng)力與VS/TS、屈服應(yīng)力變化與脫水性能改善兩兩間的擬合優(yōu)度（R）均大于0.94，表明在厭氧消化過程中屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)力變化與污泥VS/TS、脫水性能具有較好的線性關(guān)系。研究結(jié)果從流變學(xué)角度為厭氧消化過程中的監(jiān)控和優(yōu)化提供新思路和理論依據(jù)。

污泥；厭氧消化；低溫?zé)崴?；屈服?yīng)力；脫水性能

0 引 言

統(tǒng)計(jì)表明，2017年中國城鎮(zhèn)廢水排放總量達(dá)到了6 996 609.97萬t[1]。2020年污泥產(chǎn)量將達(dá)到6 000萬t[2]。21世紀(jì)廢水處理廠產(chǎn)生的污泥已使污泥的處理和處置成為關(guān)鍵的環(huán)境問題之一[3]。通常，厭氧消化（anaerobic digesters，AD）由于具有減少污泥的質(zhì)量和體積，產(chǎn)生甲烷等能源氣體，以及改善污泥的脫水性等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，被廣泛應(yīng)用于污水污泥的處理。相關(guān)研究表明，由于厭氧消化受到有機(jī)物水解速率低的限制，為了增強(qiáng)污水污泥的溶解性進(jìn)一步促進(jìn)AD過程，多種預(yù)處理如：堿、熱、超聲波、臭氧、酶、電化學(xué)等被成功應(yīng)用[6-7]。實(shí)踐表明，污泥通過熱水解預(yù)處理，可以提高消化效率，增加沼氣產(chǎn)量，同時還可提高有機(jī)負(fù)荷率[8-9]。

消化池內(nèi)物料的均質(zhì)化和產(chǎn)氣均依賴于污泥黏度和結(jié)構(gòu)特征，污泥流變影響著厭氧降解的功能和產(chǎn)氣效率[10]，且消化過程中污泥的有效混合已被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)最佳過程性能的關(guān)鍵物理操作[11]。同時，污泥處理高效設(shè)計(jì)和運(yùn)行需要準(zhǔn)確預(yù)測不同設(shè)備（如泵、換熱器和混合系統(tǒng)）的流體動力學(xué)功能，而預(yù)測這些過程的正確流動行為需要對污泥流變學(xué)有準(zhǔn)確的認(rèn)識[12-15]。因此更好地了解厭氧消化過程中污泥的流變行為有助于改善其設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

近年來，相關(guān)研究者已開始嘗試在厭氧消化、熱水解預(yù)處理等技術(shù)中建立污泥流變參數(shù)與污泥理化參數(shù)之間的關(guān)系。曹秀芹等[16]通過低溫?zé)崴?厭氧消化工藝中污泥的流變特性分析表明，極限黏度與總固體含量（total solids, TS）之間呈指數(shù)關(guān)系；Kevin等[17]報(bào)道了污泥隨著熱水解溫度的升高，儲存模量（storage moduli,′）和損失模量（loss moduli,″）逐漸升高，并對含固率（7%～13%）的污泥，建立不同熱水解條件下污泥含固率與極限黏度、流變特性指數(shù)，稠度系數(shù)的預(yù)測方程；Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)厭氧消化過程中，儲存模量′與有機(jī)物濃度呈線性關(guān)系；Mori等[19]報(bào)道在厭氧消化后，表觀黏度和屈服應(yīng)力隨著有機(jī)物含量的減少而降低。Pevere等[20]和Dai等[21]建議流變學(xué)表征可用過程控制方法來監(jiān)測反應(yīng)器中消化進(jìn)行時污泥的變化，但并未給出特定的流變參數(shù)。然而對于污泥厭氧消化過程中有機(jī)物可降解性、污泥理化特性和流變性能之間的相互關(guān)系缺乏全面的研究，缺少流變性參數(shù)是否能夠描述厭氧消化性能的進(jìn)一步探究。

本文將常規(guī)厭氧消化污泥和低溫?zé)崴?厭氧消化污泥進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，檢測厭氧消化過程中污泥的理化特性如：揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）、pH值、VS/TS（volatile solids, VS; total solids, TS）等、流變特性和脫水特性，建立污泥厭氧消化期間流變特征與表征過程性能（效率）的特征理化參數(shù)間的關(guān)系，以期為評價和監(jiān)測AD進(jìn)程（性能）提供流變學(xué)的控制指標(biāo)。同時考慮污泥脫水的巨大成本，研究消化過程中污泥流變與脫水之間的關(guān)系，提高對污泥流變性和脫水性之間關(guān)系的認(rèn)識與理解，為進(jìn)一步探索如何控制優(yōu)化污泥脫水提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品來源及預(yù)處理

接種污泥取自北京某污水廠中試厭氧消化反應(yīng)罐，原污泥取自污水廠脫水污泥。首先預(yù)培養(yǎng)種泥除去其殘留可生物降解有機(jī)物，預(yù)培養(yǎng)在35 ℃水浴中進(jìn)行2 d。接種污泥的基本理化指標(biāo)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為了比較不同基質(zhì)對厭氧消化中流變和理化性質(zhì)改變的影響，本研究共設(shè)置2個處理，分別以原污泥和低溫?zé)崴馕勰嘧鳛榛|(zhì)（稱常規(guī)厭氧消化和低溫?zé)崴?厭氧消化）。污泥低溫?zé)崴鈼l件：在實(shí)驗(yàn)室可智能控溫的小型試熱反應(yīng)釜中進(jìn)行污泥的熱水解試驗(yàn)，工作時維持反應(yīng)釜內(nèi)攪拌轉(zhuǎn)速為36 r/min，溫度為90 ℃，熱解時長48 h。基質(zhì)與種泥的混合比例為2∶1 (質(zhì)量比)[6]，試驗(yàn)設(shè)置3個平行組，每組包括8個平行反應(yīng)器以定期地評估理化性質(zhì)（如VFAs、pH值、VS/TS等）和流變特性。本試驗(yàn)厭氧消化反應(yīng)器為實(shí)驗(yàn)室小試反應(yīng)器，反應(yīng)器體積為500 mL，試驗(yàn)前充入氮?dú)猓３址磻?yīng)器內(nèi)良好的厭氧環(huán)境，反應(yīng)器內(nèi)溫度為（37±1）℃，整個消化試驗(yàn)運(yùn)行20 d。厭氧消化前基質(zhì)的基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2.1 常規(guī)理化指標(biāo)的分析方法

總氨氮（total ammonia nitrogen content, TAN）由2種主要形式組成，即自由氨（free ammonia nitrogen content, FAN）和銨根離子（NH4+），其各自的相對含量與溫度、pH值有關(guān)[22]。基于溫度和pH值，F(xiàn)AN濃度可以通過式（1）計(jì)算獲得[23]：

式中FAN為自由氨的質(zhì)量濃度，mg/L；TAN是總氨質(zhì)量濃度，mg/L；(K)表示開爾文溫度，K。

基于VS去除水平（removal level based on VS, VSr）通過式（2）計(jì)算[24]，假設(shè)不可降解物質(zhì)（無機(jī)部分）的質(zhì)量是恒定的。

式中VSt表示消化第d污泥中的VS/TS值，VS0表示厭氧消化啟動時污泥中的VS/TS值。

1.2.2 污泥脫水指標(biāo)的分析方法

試驗(yàn)引入離心脫水方法，這種方法作為可濾性測量的可靠替代被廣泛接受[25-26]。使用污泥離心過濾后所得泥餅的含固率TSt（TSt：表示厭氧消化第天，污泥離心脫水泥餅的固體含量）來判斷污泥的脫水性。本研究中，選擇離心轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心時間20 min，將離心后的污泥通過0.45m孔徑的微孔纖維濾膜以得到離心脫水過濾泥餅[6]。

1.2.3 污泥流變指標(biāo)的分析方法

使用HAAKE Viscotester 550旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（德國Haake 公司）測定污泥流變特性，由于實(shí)際測量過程中樣品溫度難以維持在(37±1) ℃，測量選用比較常用且經(jīng)典的(20±0.1) ℃[27]。所有樣品在測試前均先使用0.6 mm的篩子進(jìn)行過濾[28]，減小污泥由大顆粒導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差。對于每組流變試驗(yàn)，將50 mL污泥樣品引入杯形為圓柱形幾何形狀（內(nèi)徑29 mm，外徑32 mm，長度44 mm），流變儀剪切速率設(shè)定為在180 s內(nèi)由0增大到1 000 s-1，由剪切速率掃描試驗(yàn)獲得污泥流動曲線。由于Herschel-Bulkley (H-B) 模型涵蓋了假塑性、剪切稀化和屈服應(yīng)力這些特性，且能夠較好描述靜止和流動條件下污泥的流變行為[29]，其模型表達(dá)式如式（3）所示。使用H-B模型對不同厭氧發(fā)酵時間污泥獲得的污泥流動曲線進(jìn)行擬合。

式中表示剪切應(yīng)力，Pa；0表示屈服應(yīng)力，Pa；稱為流體稠度系數(shù)（fluid consistency index），反映材料黏性的大小，Pa·sn；表示剪切速率，s-1；表示流動指數(shù)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

污泥pH值采用Mettler-Toledo-210型pH計(jì)測定。TS，VS根據(jù)質(zhì)量法測定，為避免吸水，將殘留物立即置于干燥器中以達(dá)到室溫(25±1) ℃。然后將干燥的樣品在馬弗爐中550 ℃下燃燒2 h，其后質(zhì)量的減輕用于計(jì)算VS/TS。在測量溶解性有機(jī)物之前，先將污泥樣品在10 000 r/min下離心處理20 min，然后將上清液通過孔徑為0.45m的微纖維濾膜以收獲濾液，所得濾液用于后續(xù)溶解性有機(jī)物含量的測定。揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）含量通過配備火焰離子化檢測器（FID）和毛細(xì)管柱（Rtx-WAX，0.25 mm×30 m）的日本島津GC-2010 Plus氣相色譜儀測量，N2用作載氣，流量為30 mL/min，濾液預(yù)先用甲酸酸化將pH值調(diào)節(jié)至2.0。進(jìn)樣口和檢測器的工作溫度分別為210 ℃和250 ℃，柱溫為100 ℃（保持1 min），并在10 min增加至210 ℃（保持1 min）。氨氮含量（TAN）通過納氏試劑測定，以上所有指標(biāo)測定每次共需要抽取污泥樣品50 mL。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)前期每隔2 d取樣一次，隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定每隔3 d取樣一次，最后一次取樣在第20天，第21天結(jié)束厭氧消化試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥厭氧消化性能

隨著厭氧消化過程的進(jìn)行，反應(yīng)器中各項(xiàng)理化指標(biāo)隨消化時間改變?nèi)鐖D1所示。

圖1 厭氧消化過程中pH值，F(xiàn)AN，VFAs和VSr隨消化時間的變化

對產(chǎn)酸微生物和產(chǎn)甲烷菌而言，其最適pH值分別在5～8.5和6.5～7.8范圍之間[30-31]。圖1顯示出厭氧消化過程中pH值的變化，在整個厭氧消化過程中，pH值均維持在6.8～7.9之間，雖在厭氧消化進(jìn)行到18 d時，常規(guī)厭氧消化的pH值超過7.8，但國內(nèi)相關(guān)研究表明，厭氧消化過程中大多數(shù)細(xì)菌可以在pH值為5～8.5的范圍內(nèi)生長良好[32]。試驗(yàn)中pH值波動在厭氧消化允許的范圍之內(nèi)。

厭氧消化過程易受某些累積化學(xué)物質(zhì)（如鈉、鉀、銨鹽等）抑制，這些鹽類會引起毒性效應(yīng)從而對微生物起到抑制作用，其中FAN被認(rèn)為是最主要的抑制劑[33]。隨著消化時間的延長，由于含氮有機(jī)物質(zhì)如蛋白質(zhì)等的降解，F(xiàn)AN濃度先上升然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定，之后維持在某一范圍內(nèi)上下浮動。同時，由圖1可知，低溫?zé)崴馕勰嘀械腇AN濃度只是比常規(guī)厭氧消化污泥稍有增加，說明90 ℃低溫?zé)崴庥懈纳频鞍踪|(zhì)由顆粒狀向溶解態(tài)的水解作用，蛋白質(zhì)大部分被溶解而不是降解[34]試驗(yàn)中FAN的濃度位于10～130 mg/L之間，低于Mccarty等[35]所報(bào)道的抑制水平150 mg/L。

VFAs在厭氧消化過程中變化如圖1所示，常規(guī)厭氧消化和低溫?zé)崴鈪捬跸?～5 d和0～3 d內(nèi)VFAs濃度顯著增加，這一階段VFAs的積累也導(dǎo)致了厭氧消化前期pH值的下降。低溫?zé)崴馕勰嘞扔诔Ｒ?guī)厭氧消化污泥2 d達(dá)到VFAs的最大值，原因是低溫?zé)崴饧铀倭怂膺@一限速步驟，縮短了厭氧消化的運(yùn)行時間[36]。之后隨著消化過程的繼續(xù)進(jìn)行，VFAs被不斷轉(zhuǎn)化為CO2和CH4，其濃度隨之下降，最后達(dá)到一個較低的水平。在厭氧消化之前。低溫?zé)崴馕勰嘀械腣FAs含量比常規(guī)厭氧消化污泥中的要高，原因可能是由于脂質(zhì)的降解所引起的[37]，由于熱處理的作用，長鏈脂肪酸可能被還原成較低分子量的脂肪酸，而它們本身可以在低鏈脂肪酸中被降解[9]。VFAs的產(chǎn)生也可能源于少量蛋白質(zhì)降解[38]。

如圖1所示，隨著消化時間的不斷延長，VS去除水平逐漸升高，并最終趨于平衡，表示隨消化過程進(jìn)行，有機(jī)物逐漸被微生物分解后趨于穩(wěn)定化。研究表明，在污泥厭氧消化期間，VS減少量在30%～45%的范圍內(nèi)[39]，本試驗(yàn)中常規(guī)厭氧消化的最終VS去除率為44.6%。低溫?zé)崴?厭氧消化的最終VS去除水平達(dá)到48.3%，較常規(guī)厭氧消化污泥高3.7個百分點(diǎn)。厭氧消化產(chǎn)生的氣體體積與VS降解呈正相關(guān)[40]，預(yù)示著低溫?zé)崴忸A(yù)處理后，污泥具有更高的沼氣產(chǎn)量。

2.2 厭氧消化過程中污泥脫水性能

對于不包含預(yù)處理過程的常規(guī)厭氧消化單元而言，消化產(chǎn)物的脫水性隨著消化過程的繼續(xù)而不斷惡化[41]，也有報(bào)道脫水性得到了改善[42]。其他研究人員發(fā)現(xiàn)了厭氧消化期間污泥的脫水性不穩(wěn)定：出現(xiàn)一開始有所改善隨后惡化[4]，一開始惡化隨后改善[43]，或保持大致不變等情況[44]。但是，當(dāng)超聲波或低溫?zé)崴獾阮A(yù)處理應(yīng)用于厭氧消化時，普遍認(rèn)為消化物的脫水性可以得到改善[6]。

試驗(yàn)采用離心脫水的方法來評價厭氧消化對污泥脫水性的作用。隨著消化過程的進(jìn)行，消化污泥的脫水性隨時間的改變?nèi)鐖D2所示。

注：TS0是厭氧消化啟動時，污泥離心脫水泥餅的固體含量；TSt是厭氧消化第t天，污泥離心脫水泥餅的固體含量。

由圖2可知，消化污泥的脫水能力均隨著消化持續(xù)時間的延伸而得到改善，這表明厭氧消化增強(qiáng)了污泥的脫水性。消化污泥中揮發(fā)性有機(jī)固體主要成分是多糖和蛋白質(zhì)等物質(zhì)，能夠顯著影響污泥網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度和結(jié)合水含量[45]，由于消化過程使得VS不斷被溶解或去除，導(dǎo)致結(jié)合水得到釋放，污泥結(jié)構(gòu)變得更為松散流動性能加強(qiáng)，引起脫水能力的提升。Dai等[21]使用熱重分析儀（純氮?dú)廨d氣系統(tǒng)）測量了厭氧消化前后污泥中的水分分布情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過厭氧處理后污泥中的結(jié)合水和表面水的含量減少，而自由水和間隙水所占的比例增加，有利于脫水的進(jìn)行。本試驗(yàn)在整個消化過程中，低溫?zé)崴?厭氧消化中TSt/TS0的值均高于常規(guī)厭氧消化，污泥低溫?zé)崴忸A(yù)處理厭氧消化后，較常規(guī)厭氧消化污泥的脫水性提高1.59%。

2.3 厭氧消化過程中污泥流變特性的改變

根據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法，獲得在不同厭氧消化時間內(nèi)污泥流動曲線圖，使用 Herschel-Bulkley模型對污泥流動曲線進(jìn)行擬合，擬合情況如表2和表3所示。

表2 常規(guī)厭氧消化污泥流動曲線H-B模型擬合

注：0t為厭氧消化第天污泥屈服應(yīng)力，Pa；為流體稠度系數(shù)；為流動指數(shù)；2為擬合優(yōu)度，下同。

Note:0tis the yield stress of sludge when anaerobic digestion in thedays, Pa;is dimensionless consistency coefficient;is consistency index;2is goodness of fit, the same below.

表3 低溫?zé)崴?厭氧消化污泥流動曲線H-B模型擬合

從表2和表3中可以看出，伴隨厭氧消化持續(xù)時間的不斷增長，屈服應(yīng)力（0t）和流體稠度系數(shù)（）不斷降低，而流動指數(shù)（）值持續(xù)上升，說明污泥經(jīng)過厭氧消化后流動性變好。低溫?zé)崴?厭氧消化污泥和常規(guī)厭氧消化污泥在第20 天的屈服應(yīng)力較在初始時的屈服應(yīng)力分別了降低了64.51%和71.47%。經(jīng)20 d厭氧消化后，低溫?zé)崴忸A(yù)處理厭氧消化污泥τ0t值較常規(guī)厭氧消化污泥減少42.41%。低溫?zé)崴?厭氧消化污泥和常規(guī)厭氧消化污泥在第20天的稠度系數(shù)（）較在初始時的稠度系數(shù)分別了降低了90.94%和92.83%。經(jīng)20 d厭氧消化后，低溫?zé)崴忸A(yù)處理厭氧消化污泥值較常規(guī)厭氧消化污泥減少24.13%。且整個厭氧消化過程中，低溫?zé)崴忸A(yù)處理污泥較傳統(tǒng)常規(guī)污泥的流動性增強(qiáng)，可能是低溫?zé)崴?厭氧消化污泥較常規(guī)厭氧消化污泥VS去除率較高的原因之一。

研究表明固體含量是影響污泥流變性的一個最主要的因素[14,46]，這是因?yàn)楣腆w含量的增加可以減少污泥顆粒之間的距離，增加他們之間的相互作用，并隨后增強(qiáng)污泥在受到剪切時的流動阻力[47]。伴隨厭氧消化的進(jìn)行，VS不斷被降解去除，導(dǎo)致固體含量持續(xù)減小，這可能是引起污泥流動性能改善的主要原因。Dai等[21]揭示了厭氧消化處理可以改變污泥中的水分分布，使結(jié)合水和表面水的含量減少，同時增加了自由水和間隙水的含量，這也是引起污泥流動性改善的原因之一。

2.4 厭氧消化過程中污泥流變特性與理化指標(biāo)關(guān)系

本研究中選擇屈服應(yīng)力作為考察厭氧消化過程的特征流變參數(shù)。同時，有針對地選擇VS/TS比值作為監(jiān)測消化進(jìn)程的特征理化參數(shù)，探究消化過程中污泥的特征流變和理化參數(shù)間的關(guān)系。

伴隨消化過程的進(jìn)行，污泥的VS/TS比值、0t（0t表示厭氧消化第天污泥屈服應(yīng)力）隨消化時間的改變分別如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，在整個厭氧消化期間，VS/TS比值不斷降低，同時屈服應(yīng)力也不斷減小。消化過程使VS不斷被降解去除，造成系統(tǒng)內(nèi)的TS含量的下降，而TS含量與屈服應(yīng)力值呈正相關(guān)，從而引起消化過程屈服應(yīng)力的降低。通過數(shù)據(jù)擬合，伴隨消化過程中，污泥VS/TS比值與0t均大致遵循對數(shù)下降的趨勢，擬合優(yōu)度均達(dá)到0.98以上。對數(shù)方程擬合式如圖3、圖4所示。

圖3 厭氧消化過程VS/TS的變化

圖4 厭氧消化過程屈服應(yīng)力的改變

作對應(yīng)不同消化時間的屈服應(yīng)力（0t）和VS/TS比值的圖，如圖5所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0t和VS/TS之間存在著線性關(guān)系，擬合方程如圖5所示，擬合優(yōu)度2在0.94以上，表明污泥中的VS主要影響污泥0t，同時0t的改變也可以反映VS的變化。如圖6所示，消化過程中污泥屈服應(yīng)力變化（0t/00）和脫水性能（TSt/TS0）的改變存在線性關(guān)系，擬合方程如圖6所示，擬合優(yōu)度R2在0.97以上，表明0t/00與TSt/TS0具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

圖5 屈服應(yīng)力τ0t和VS/TS關(guān)系

注：τ00為厭氧消化啟動時污泥屈服應(yīng)力，Pa。

為全面了解污泥流變性（0t、0t/00）和理化性質(zhì)（VS/TS、TSt/TS0）之間的關(guān)系，使用Pearson相關(guān)性進(jìn)行了總體交互作用的統(tǒng)計(jì)研究。統(tǒng)計(jì)概率是通過線性回歸得到的，每個相關(guān)性的置信限度為95%。當(dāng)值小于0.05時，驗(yàn)證各參數(shù)之間的相關(guān)性[48]，結(jié)果如表4所示。

表4 不同污泥理化性質(zhì)與流變性能皮爾遜相關(guān)性

注：*在0.01級別（雙尾）相關(guān)性顯著；（+）：正相關(guān)；（-）：負(fù)相關(guān)；

Note: *. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed). (+) Positive correlation; (-) Negative correlation.

由表4可知，在常規(guī)厭氧消化污泥反應(yīng)過程中，屈服應(yīng)力與VS/TS（=0.975，＜0.01）、0t/00與TSt/TS0（=?0.989，＜0.01）兩者之間有較強(qiáng)的相關(guān)性；在低溫?zé)崴?厭氧消化污泥反應(yīng)過程中，0t與VS/TS（=0.990，＜0.01）、0t/00與TSt/TS0（=?0.992，＜0.01）兩者之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。表明在厭氧消化過程中屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)力變化與污泥VS/TS、脫水性能具有較好的線性關(guān)系，建議實(shí)際工程中通過改變攪拌（包括機(jī)械攪拌、氣體攪拌等）的速率，可控制反應(yīng)器內(nèi)部剪切應(yīng)力；改善污泥厭氧消化性能；提高污泥脫水性能的效果。本文從流變學(xué)角度為厭氧消化過程中的監(jiān)控和優(yōu)化提供新思路和理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）常規(guī)厭氧消化的最終VSr為44.6%，低溫?zé)崴?厭氧消化的最終VSr為48.3%，較常規(guī)厭氧消化污泥高3.7個百分點(diǎn)；在整個厭氧消化過程中，低溫?zé)崴?厭氧消化中TSt/TS0的值均高于常規(guī)厭氧消化，低溫?zé)崴忸A(yù)處理使得消化物的脫水性提高1.59%。表明低溫?zé)崴忸A(yù)處理有助于厭氧消化產(chǎn)氣效率及污泥脫水性能的提高。

2）經(jīng)低溫?zé)崴馓幚砦勰?，在整個厭氧消化過程中，污泥的0t值均小于常規(guī)厭氧消化污泥，表明低溫?zé)崴?消化污泥在厭氧消化過程中的流動性能優(yōu)于常規(guī)厭氧消化污泥；常規(guī)厭氧消化和低溫?zé)崴?厭氧消化污泥結(jié)束后，其τ分別了降低了64.47%和71.51%；值分別減小了90.94%和92.83%，污泥流動性增強(qiáng)。

3）在整個消化過程中，VS/TS（volatile solids/total solids）和屈服應(yīng)力隨時間的變化均呈對數(shù)下降趨勢；通過線性方程擬合和皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計(jì)研究表明，厭氧消化過程中，0t與VS/TS、0t/00與TSt/TS0兩者間的擬合優(yōu)度2均大于0.94，皮爾遜相關(guān)性分析表明在厭氧消化過程中屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)力變化與污泥VS/TS值、脫水性能具有較好的線性關(guān)系。由于厭氧消化的復(fù)雜性，后續(xù)試驗(yàn)將采用相關(guān)試驗(yàn)和方法驗(yàn)證流變學(xué)指標(biāo)作為監(jiān)控優(yōu)化指標(biāo)的可行性；并進(jìn)一步探究厭氧消化過程中污泥不同形態(tài)水分的變化規(guī)律與污泥流變學(xué)之間的關(guān)系，闡明厭氧消化過程中污泥流變學(xué)與脫水性能變化機(jī)理。

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Rheology and dewaterability of sludge during anaerobic digestion

Cao Xiuqin1,2, Wang Haoran2, Jiang Kun3, Liu Ting2, Zhu Kaijin4, Ren Xiaoli4

(1.100044;2.100044; 3.200070; 4.030008)

Biogas is one of the most hopeful renewable energy sources in the world. The anaerobic digestion (AD) process has been studied intensively over the last few decades, its application on biomass and solid waste digestion, as well as in wastewater treatment, agriculture. In order to gain a comprehensive insight, the interactive relationship between substrate rheology, physicochemical properties, and biogas production as well sludge dewaterability was investigated. Anaerobic digestion experiments were performed on conventional sludge and low temperature thermal hydrolysis pretreatment sludge. The experiment lasted for 20 days. Rheological indicators and physical and chemical indicators of conventional sludge and low temperature thermal sludge were determined by the rotational viscometer method and standard method during anaerobic digestion. The results showed that the pH value was maintained 6.8 to 7.9, which was within the allowable range of anaerobic digestion. The concentration of Free Ammonia (FAN) is between 10-130 mg/L, which was lower than the inhibition level of anaerobic digestion. The content of VFAs (Volatile Fatty Acid) in low temperature thermal hydrolysis sludge was higher than that in conventional anaerobic digestion sludge. The final Volatile solids removal level (VSr) of low temperature thermal hydrolysis-anaerobic digestion reached was 48.3%, and it was higher than conventional anaerobic digestion (44.6%). The dewaterability of sludge increased with the anaerobic time during the AD, andthe low temperature thermal pretreatment increased the dewaterability of digestion by 1.59%, which demonstrated the improved dewaterability of low temperature thermally hydrolysis treated sludge. After the conventional anaerobic digestion and the low temperature thermal digestion, the yield stress of the sludge decreased by 64.51% and 71.47%, respectively. The consistency coefficient decreased by 90.94% and 92.83%, respectively. It implied the sludge fluidity significantly enhanced.During the whole digestion process, the VS/ Total solids (TS) and yield stress (0t) showed a logarithmic downward trend with time. Using the linear equation fitting and Pearson correlation statistics analysis, the correlation between rheological (yield stress and yield stress change) and physicochemical parameters (VS/TS and dewaterability) were investigated. The results showed that all the goodness of fit (2) were greater than 0.94. During the whole conventional anaerobic digestion, the yield stress was positively and strongly correlated with VS/TS value (=0.975,<0.01), and the yield stress change was negatively and strongly correlated with dewaterability (=-0.989,<0.01). During low temperature thermal hydrolysis anaerobic digestion, the yield stress was positively and strongly correlated with VS/TS value (=0.990,<0.01), and the yield stress change was negatively and strongly correlated with dewaterability improved (=-0.992,<0.01). It is implied that there is a strong correlation between sludge yield stress and sludge VS/TS value. From the perspective of rheology, it provided the new ideas and theoretical basis for monitoring and optimization in the process of anaerobic digestion. In this study, the theoretical basis and feasibility of rheological control indicators for evaluating and monitoring low temperature thermal hydrolysis and anaerobic digestion processes (performance) were provided. Finally, the future work should focus on investigating the specific effects of specific ingredients (including polysaccharides, proteins, lipids, humic acids, glycoproteins, etc.) in EPS on sludge dehydration, and exploring the different forms of water in the sludge during anaerobic digestion, to reveal the relationship between the change law and sludge rheology, and clarifying the mechanism of sludge rheology and dehydration performance during anaerobic digestion. At the same time, the research on the influence of rheology on the level of chemistry and microorganism also needs to make progress.

sludge; anaerobic digestion; low temperature thermal hydrolysis; yield stress; dewaterability

2019-11-06

2020-02-20

北京建筑大學(xué)市屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（X18182），山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201803D31074）。

曹秀芹，教授，主要從事污泥及固體廢棄物資源化利用、CFD 數(shù)值模擬等方面研究。Email：caoxiuqin@bucea.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.027

X703

A

1002-6819(2020)-05-0233-08

曹秀芹，王浩冉，江 坤，柳 婷，朱開金，任曉莉. 污泥厭氧消化過程的流變規(guī)律與脫水性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：233－240. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.027 http://www.tcsae.org

Cao Xiuqin, Wang Haoran, Jiang Kun, Liu Ting, Zhu Kaijin, Ren Xiaoli. Rheology and dewaterability of sludge during anaerobic digestion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 233－240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.027 http://www.tcsae.org