(11上海市标准化研究院,上海200031; 21同济大学环境科学与工程学院,上海200092;31江西省建筑科学研究院,南昌330006)摘要通过融合污泥粘度与污泥浓度关系式、污泥粘度与温度关系式,得到一个新的关系式:污泥粘度与污泥浓度、温度的关系式,并通过实验数据拟合出各项参数,拟合效果比较理想。得出的污泥粘度与污泥浓度、温度的关系式对了解污泥的粘度变化非常有帮助,同时,该关系式也将为污泥处理、处置方案的制定提供参考依据。关键词污泥粘度污泥浓度温度中图分类号X705文献标识码A文章编号100829241 (2006) 0320072203Exper imenta l deduction of the rela tionship betweensludge v isc id ity, concentra tion and tempera tureZhang Peng1 Wu Zhichao2 Ao Huajun3(11Shanghai Institute of Standardization, Shanghai 200031; 21School of Environmental Science and Engineering,Tongji University, Shanghai 200092; 31J iangxi Academy of Building Research,Nanchang 330006)AbstractBy combining two equations, the relationship between sludge viscidity and sludge concentration,and the relationship between sludge viscidity and temperature,we get a new equation, the relationship of sludgeviscidity, concentration, and temperature. Compared with the experimental data, the new equation is p roved basi2cally coincidentwith the actual fact. The new equation is helpful to comp rehend the change of sludge viscidity ona given condition, and will p rovide useful reference for sludge treatment, disposal and transportation designation.Key wordssludge viscidity; sludge concentration; temperature1污泥粘度概述粘度是表征流体流动性能的一个参数。对于牛顿流体,剪切作用下产生的应力和剪切速率之间存在着线性关系,粘度的大小即等于剪切应力与剪切速率的比值;对于非牛顿流体,剪切应力与剪切速率之间不存在线性关系,这时候我们把剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度。污泥属于触变型非牛顿流体[ 1 ] ,在刚开始剪切的时候测得的表观粘度比较大,随着剪切的进行表观粘度逐渐减小至稳定。这主要是因为剪切作用对污泥中的菌胶团、高分子有机物有拉伸作用,拉伸后的菌胶团、高分子有机物在同等的剪切速率下产生的剪切应力小,故而表现出来的污泥粘度在逐渐变小。在污泥的处理处置和运输转移过程中,污泥粘度的大小是一个必须考虑的重要因素。本文作者旨在研究污泥粘度与污泥浓度和温度之间的关系,为污泥的处理处置、运输转移提供参考和依据。2粘度测量装置和原理粘度的测量方法主要有毛细管法、落球法和旋筒法,此外还有平动法、振动法和光干涉法等,本系列实验采用的是精度比较高的旋筒法。旋筒式测量装置上有2个筒———内筒和外筒,其测量原理是:测量时,以一定的旋转速率旋转内筒或外筒,在旋筒表面产生一定的剪切速率,测定带动旋筒旋转的转矩大小,根据装置的制造参数即可求得液体的粘度。实验使用的旋筒式测量装置是同济大学机电厂生产的NDJ279型旋转式粘度计。表1不同温度和浓度下污泥的粘度Table 1 V isc id ity of sludge under d ifferen t tem pera tures and concen tra tion s (单位: 10 -3 Pa·s) 56. 7 ( g/L) 45. 8 ( g/L) 38. 5 ( g/L) 28. 6 ( g/L) 22. 9 ( g/L) 11. 5 ( g/L) 5. 7 ( g/L) 12℃ 79 41 21 11 5. 5 2. 8 1. 8 22℃ 72 38 18 9 4. 8 2. 2 1. 6 32℃ 63 37 16 8 4. 6 2. 0 1. 2 3实验结果和讨论3. 1实验结果本实验的污泥是上海市曲阳水质净化厂的二沉池回流污泥,分别测定了12、22和32℃下不同浓度(从517～56. 7 g/L)该污泥的粘度值,结果如表1。3. 2污泥粘度与浓度的关系式常见的关于污泥粘度与浓度的模型有Einstein模型[ 2～5 ] 、Leighton模型[ 6 ]和指数模型[ 7 ] 。经过比较[ 8 ] ,指数模型的适用性和符合程度较高。下式是污泥粘度指数模型的表达式μ =μ0αexp (β·MLSS)式中:μ———污泥粘度(10- 3 Pa·s) ;μ0 ———清水粘度(10- 3 Pa·s) ;α———温度相关系数;β———常数系数;MLSS———污泥悬浮物浓度( g/L) 。在已知参数α和β的情况下,利用( 1)式即可根据污泥的浓度推出污泥的粘度。然而,该关系式的不便之处在于参数α是与温度相关的系数,并非一个常数。应用该式计算污泥粘度的前提是,我们必须根据大量的实验测定出对应于不同温度的参数α的值。3. 3污泥粘度与温度的关系式关于污泥粘度与温度的关系,有如下通用式,也称Andrade式[ 1 ] 式中:KMLSS ———污泥浓度相关系数;E———粘流活化能,它表示分子由一个位置迁移到另一位置所需的能量与分子结构,分子链的长短,及温度有关( kJ /mol) ;k———波耳茨曼常数或气体常数( 8. 314 ×10- 3J /mol·K) ;T———绝对温度(K) 。在已知参数KMLSS和E的情况下,利用(2)式即可求出不同温度下的污泥粘度。然而,该关系式的不便之处在于参数KMLSS是与污泥浓度相关的系数,不是一个常数。应用该式计算污泥粘度的前提是,我们必须根据大量的实验测定出对应不同浓度的参数KMLSS的值。3. 4污泥粘度与浓度、温度的关系式分析关系式(1)和(2) ,我们发现两式都包含浓度项和温度项,所不同的是( 1)式中温度项是作为参数,而浓度项是作为自变量; (2)式中浓度项是作为参数,而温度项是作为自变量。如果能根据这2个已有的关系式构建一个污泥浓度和温度都是自变量并且参数全为常数的关系式,那就可以避免上文中提到的应用(1)式和(2)式的不便之处。对比(1)式和(2)式, (1)式中的浓度项以指数形式给出, (2)式中的温度项以指数形式给出,考虑将这2项合并,得到如下污泥粘度与浓度、温度的关系式。 式中:ε是一个常数参数,其他参数和变量的意义同前。对(3) 式两边取对数,转化成线性关系式,如下, 利用表1的数据对关系式进行拟合(方差σ2 =0. 02163) ,得到ε= 0. 6274,污泥的粘流活化能E =1. 005 kJ /moL,系数β= 0. 07767,将这2个数值代入(4)式,得到粘度的如下关系式: 根据关系式(5)可以在已知污泥浓度和温度的情况下推算出污泥的粘度。315拟合关系式与实验结果的比较根据(5)式我们求出不同污泥浓度和温度的污泥粘度,并与表1中的实验结果进行比较,结果如表2所示,其中右上角标有星号标记的是根据式(5)推算出的数据。表2拟合数据与实验结果的比较Table 2 Com par ision of deduced da ta and exper im en ta l result (单位: 10 -3 Pa·s) 56. 7 ( g/L) 45. 8 ( g/L) 38. 5 ( g/L) 28. 6 ( g/L) 22. 9 ( g/L) 11. 5 ( g/L) 5. 7 ( g/L) 12℃ 22℃ 32℃ 79 /783 72 /773 63 /763 41 /343 38 /333 37 /333 21 /193 18 /183 16 /183 11 /93 9 /93 8 /83 5. 5 /5173 4. 8 /5163 4. 6 /5 53 2. 8 /2133 2. 2 /2133 2. 0 /2 33 1. 8 /1153 1. 6 /1153 1. 2 /1 53 从表2中我们可以看出,拟合关系式( 5)中污泥粘度对污泥浓度的敏感度要高于对温度的敏感度,基本上是污泥的浓度决定了污泥的粘度,污泥温度对粘度的影响相对较小,这跟实际情况基本相符。因此,对浓度< 60 g/L,温度在12～32℃范围内的活性污泥,我们都可以根据污泥粘度与浓度、温度的关系式(3)来计算其粘度。4总结了解污泥的粘度特性对污泥的处置和运输具有重要的意义,上文通过观察污泥粘度与污泥浓度的关系式、污泥粘度与温度的关系式的相似处,将2个关系式融合在一块,得出了污泥粘度与温度、污泥浓度的关系式,并经过数据拟合,求出了关系式中参数的数值。需要指出的是,本次实验的参数k、E和β可能只适用于本次实验选用的活性污泥,对于其他类型和其他来源的污泥需要重新通过实验求出关系式(3)中的各项参数值。参考文献[ 1 ] 陈惠钊. 粘度测量. 北京:中国计量出版社, 1994[ 2 ] 李葵英. 界面与胶体的物理化学. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1998[ 3 ] 周祖康,马季铭译. 胶体与表面化学原理. 北京:北京大学出版社, 1986[ 4 ] 程世贤. 对Einstein粘度公式2溶剂化效应的一点建议.广西中医学院学报, 2001, 2: 3～4[ 5 ] 牟伯中,罗平亚. 粘土/水分散体系的粘度方程. 胶体与聚合物, 2001, 1: 25～27[ 6 ] Leighton D1T1, et al. The shear2induced migration of parti2cles in concentrated suspensions. Journal of Fluid Mecha2nism, 1987, 181: 415～439[ 7 ] 顾国维,等. 膜生物反应器———在污水处理中的研究和应用. 北京:化学工业出版社, 2002[ 8 ] 张鹏. 膜分离在剩余活性污泥浓缩中应用的研究. 上海:同济大学[硕士论文] , 2003
