余 理， 陳 廣， 周丕仁， 季鴻先， 鄧文義

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620；2.上海城投污水處理有限公司， 上海 201203)

濕污泥是污水處理過程中經(jīng)濃縮和機(jī)械脫水排放的副產(chǎn)物，含水率約為80%。目前我國濕污泥排放量已超6 000萬t，預(yù)計到2025年將突破9 000萬t[1]，可見濕污泥處理問題十分嚴(yán)峻。傳統(tǒng)上濕污泥多采用卡車和船舶輸送，但易造成惡臭氣體泄漏、交通堵塞并增加汽車尾氣排放量[2]。管道輸送則具有密閉性好、高效低耗、便于自動化管理的優(yōu)點[3]，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和安全性方面也頗具競爭力[4-5]。實際應(yīng)用中，管道輸送多用于輸送含水率高于90%的濃縮污泥，因為這類污泥的流動阻力較小[6-7]。然而，濕污泥是一種濃密的黏稠物料，流動性極差，會產(chǎn)生嚴(yán)重的壁面黏附現(xiàn)象，致使輸送阻力和能耗大幅增加，甚至引發(fā)設(shè)備安全問題[8-11]。因此，有必要開展?jié)裎勰喙艿垒斔徒叼し矫娴难芯俊?/p>

目前已有一些采用管道輸送泥漿、石油的研究報道，如管道注氣[12-13]、摻稀輸送[14-15]、水膜輸送[16-17]、加熱流體[18-19]等。其中：摻稀輸送法通過添加輕質(zhì)油稀釋稠油，來減弱膠質(zhì)與瀝青質(zhì)膠束間的相互作用力，從而達(dá)到降黏的目的，但該法需要設(shè)置特別的管線，輸送壓力也會隨之增高。加熱流體法需要消耗大量的熱能，且需要對管道施加保溫措施[20]。水膜輸送法則通過在管壁注水形成環(huán)狀水膜來潤濕壁面，從而降低摩擦阻力并提高流動性，該法操作簡便，輸送能耗低，但如何長距離穩(wěn)定維持水膜尚待研究[21]。

不少研究者基于水膜減阻原理開展試驗，但研究仍存在一些不足。如：石油管路采用水膜輸送時，油水的密度差導(dǎo)致輸送過程中出現(xiàn)偏心水環(huán)，最終水環(huán)失效使得油相與管壁接觸[17,22]。姚杰[23]研究發(fā)現(xiàn)，相同加水量下水膜輸送法的降黏效果顯著優(yōu)于水與污泥預(yù)混的方式，但未探究加水量與降黏效果之間的關(guān)系。呂馥言[24]以煤泥為材料對水膜邊界層厚度、煤泥流速、煤泥濃度、輸送管徑等因素進(jìn)行研究，試驗中煤泥含水率為65%～69%，其黏度不超過10 Pa·s[25]，而濕污泥含水率為68.16%～80.50%時，其黏度高達(dá)738～1 742 Pa·s[26]，可見濕污泥輸送物料的流動阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤泥。綜上，這些類似物料的水膜輸送變化趨勢不適用于濕污泥。

為解決濕污泥管道的高流阻問題，基于水膜輸送法并采用自制的小型水膜降黏裝置，探究水-泥比、濕污泥含水率、濕污泥流量、水溫等因素對管道內(nèi)濕污泥流動性的影響，并尋求最佳降黏參數(shù)。研究結(jié)果對于濕污泥管道的水膜輸送具有一定指導(dǎo)意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用濕污泥為上海市某污水處理廠排放的機(jī)械脫水污泥，原泥含水率w=82.4%，取回后置于4 ℃冰箱中儲存。采用電熱鼓風(fēng)干燥箱將濕污泥含水率分別降至75.0%和70.0%后備用。對原泥烘干后得到的干基成分進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 干基污泥的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of dried sludge %

1.2 試驗裝置及測試方法

1.2.1 濕污泥流變性能測試

采用美國博勒飛DV-II+Pro型旋轉(zhuǎn)黏度計及其配套的槳葉式轉(zhuǎn)子對濕污泥的流變特性進(jìn)行測試。試驗過程中，每次稱取150 g濕污泥置于250 mL燒杯中，并適當(dāng)壓實。將轉(zhuǎn)子插入于燒杯內(nèi)濕污泥的中心位置，設(shè)置恒定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0.1 r/min，啟動黏度計，從電腦控制端得出相應(yīng)流變數(shù)據(jù)。試驗測定3種含水率的濕污泥，每種含水率下重復(fù)測試3次，結(jié)果取平均值。

1.2.2 濕污泥水膜降黏測試

濕污泥水膜降黏裝置示意圖如圖1所示。步進(jìn)電機(jī)連接金屬推桿推動濕污泥勻速向上運動，當(dāng)濕污泥經(jīng)過水膜發(fā)生器出口時，開啟注射泵。水從水膜發(fā)生器的圓環(huán)縫隙中流出并隨濕污泥不斷向上運動，持續(xù)潤濕濕污泥外表面，從而在管壁與濕污泥的接觸面上形成水膜，這樣減少了濕污泥與管壁的直接接觸，極大地降低了濕污泥的流動阻力。當(dāng)濕污泥在管道流動時，濕污泥與管壁間的黏附作用給整個管道裝置施加一個向上的剪切應(yīng)力，此時天平讀數(shù)變?yōu)楣苈费b置重力與剪切應(yīng)力之差。隨著水膜的持續(xù)潤濕，剪切應(yīng)力下降，天平示數(shù)也隨之變化，因此通過計算即可得出濕污泥剪切應(yīng)力在水膜作用下的變化。

1—注射泵；2—步進(jìn)電機(jī)；3—金屬推桿；4—電機(jī)控制器；5—濕污泥；6—水膜發(fā)生器；7—金屬壓塊；8—電子天平。圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

試驗時，先稱取35 g濕污泥，置于與管道等直徑的直筒內(nèi)，將濕污泥壓制成內(nèi)徑為30 mm、高為45 mm的柱狀。為保證試驗的重復(fù)性，每次施壓時間為3 min，壓塊質(zhì)量為2.4 kg。將壓好的柱狀濕污泥緩慢推至水膜發(fā)生器的出水口處，再開啟注射泵。當(dāng)注射泵注射水量累計13 mL時，水膜裝置容器內(nèi)注滿水，此時記錄天平讀數(shù)m1，同時啟動電機(jī)，推動濕污泥向上流動。每隔1 s記錄天平讀數(shù)m2i，直至濕污泥走完整個管路。試驗完畢后，清洗管道以及水膜裝置，再進(jìn)行下一次試驗。濕污泥流動過程中剪切應(yīng)力的計算如式(1)所示。

(1)

式中：τi為每秒剪切應(yīng)力，Pa，其中i=1，2,…,x，x取值為75.0、37.5、25.0，隨試驗工況變化；m1為天平初始讀數(shù)，kg；m2i為天平每秒記錄讀數(shù)，kg；r為金屬管道半徑，m；l為泥塊高度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

1.3 試驗工況

試驗過程中電機(jī)的行程(即濕污泥流動距離)為75 mm，濕污泥流量Q設(shè)置為42.4、84.8和127.2 mL/min，濕污泥含水率w分別為82.4%、75.0%和70.0%。水-泥比R，即每次試驗注水流量與濕污泥流量之比，設(shè)置0.005、0.010、0.020、0.030和0.050等工況;同時將原泥(R=0)作為參照樣。探究水溫試驗時，依次選取t=18.5，40.0，60.0 ℃等工況。

根據(jù)式(2)計算理論的水膜厚度[27]，結(jié)果如表2所示。

(2)

式中：r為水膜厚度，mm；Q1為注水流量，mL/s；D為管道直徑，mm；v為濕污泥流速，mm/s。

表2 水膜厚度理論計算結(jié)果

2 結(jié)果討論

2.1 濕污泥流變特性曲線分析

濕污泥含水率為 82.4%、75.0%和70.0%時其剪切應(yīng)力隨時間變化的曲線如圖2所示。

圖2 不同含水率濕污泥剪切應(yīng)力隨時間變化的曲線Fig.2 Curves of wet shear stress with time of sludge under different water contents

由圖2可知，濕污泥的應(yīng)力-時間曲線主要經(jīng)歷4個階段：(1)濕污泥剪切應(yīng)力急劇上升的線性階段，此時濕污泥內(nèi)部絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，表明濕污泥尚未流動，線性結(jié)束階段的濕污泥剪切應(yīng)力又被記為靜態(tài)屈服應(yīng)力[28]；(2)非線性階段，此時濕污泥內(nèi)部絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)被持續(xù)剪切，部分超過彈性極限發(fā)生斷裂；(3)濕污泥剪切應(yīng)力出現(xiàn)峰值，該值也被稱為動態(tài)屈服應(yīng)力[29]，此時濕污泥絕大部分的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)已被破壞，開始以黏性液體的形式流動；(4)濕污泥剪切應(yīng)力呈逐步下降趨勢，展現(xiàn)出濕污泥剪切變稀的流變特性[30]。

濕污泥動態(tài)屈服應(yīng)力隨其含水率的降低而顯著升高。如將測得的數(shù)據(jù)以中位數(shù)±波動值形式呈現(xiàn)，可見原泥(含水率為82.4%)的動態(tài)屈服應(yīng)力為(2 079±82)Pa，75.0%和70.0%含水率的濕污泥動態(tài)屈服應(yīng)力分別為(4 621±607)和(7 961±736)Pa。這是因為濕污泥含水率越低，濕污泥中的黏性有機(jī)物占比越高。在相同含水率下的重復(fù)試驗中，濕污泥動態(tài)屈服應(yīng)力存在較大差異，這主要是由濕污泥組分分布不勻所致。濕污泥幾乎不具有流動性，其內(nèi)部存在的不規(guī)則分布的空穴和間隙會對黏度計轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)受力產(chǎn)生顯著影響。從圖2可以看出，隨著濕污泥含水率降低，濕污泥中的空穴和間隙數(shù)量增多，導(dǎo)致試驗重復(fù)性也越差。此外，不少的試驗研究[31-33]也同樣表明濕污泥的流變特性參數(shù)難以精確測量。

2.2 剪切應(yīng)力曲線變化分析

原泥在Q=42.4 mL/min時，不同水-泥比下濕污泥管壁剪切應(yīng)力隨時間變化的曲線如圖3所示。

圖3 不同水-泥比下濕污泥剪切應(yīng)力隨時間變化的曲線Fig.3 Curves of wet sludge shear stress changing with time under different water-sludge ratios

在初始幾秒內(nèi)，金屬推桿推動濕污泥運動需要克服管壁的靜摩擦力，故剪切應(yīng)力急劇上升。濕污泥剪切應(yīng)力峰值約為1 959 Pa，非常接近于原泥的動態(tài)屈服應(yīng)力，表明動態(tài)屈服應(yīng)力可有效表征濕污泥在管道中由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)時需要克服的最大應(yīng)力[28]。隨著濕污泥繼續(xù)推進(jìn)，濕污泥流經(jīng)水膜發(fā)生器，當(dāng)R>0.005時，水膜有明顯的潤滑作用，濕污泥剪切應(yīng)力開始顯著下降。在約63 s后，濕污泥剪切應(yīng)力變化曲線趨于平緩，表明此時濕污泥與管道接觸面間的水膜分布已趨于穩(wěn)定。值得注意的是，當(dāng)R=0.010和0.020時，形成的水膜較薄(見表2)，隨著濕污泥的繼續(xù)流動，水會向濕污泥內(nèi)部緩慢滲透，致使水膜再度變薄。水膜變薄后對剪切應(yīng)力的影響更明顯，因此出現(xiàn)較明顯的剪切應(yīng)力回升現(xiàn)象。平穩(wěn)段內(nèi)的濕污泥平均剪切應(yīng)力可反映環(huán)形水膜的降黏效果，故后文以該段數(shù)據(jù)作為濕污泥剪切應(yīng)力進(jìn)行分析，并按式(3)計算濕污泥的降黏效率。

(3)

式中：η為濕污泥降黏效率，%；τnw為不加水時平穩(wěn)段內(nèi)的濕污泥平均剪切應(yīng)力，Pa；τww為環(huán)形水膜作用下平穩(wěn)段內(nèi)的濕污泥平均剪切應(yīng)力，Pa。

2.3 水-泥比及濕污泥初始含水率對剪切應(yīng)力及降黏效率的影響

Q=42.4 mL/min時，不同含水率的濕污泥剪切應(yīng)力及降黏效率隨水-泥比變化的曲線如圖4所示。由圖4(a)可知，濕污泥的剪切應(yīng)力均隨著水-泥比升高而顯著下降。以w=82.4%工況為例，在Q=42.4 mL/min下，當(dāng)R從0增加到0.050時，濕污泥剪切應(yīng)力由1 817 Pa降低為516 Pa，R=0.050時降黏效率η高達(dá)71.6%。這是因為水-泥比越高，邊界水膜越厚，潤滑效果越顯著，如R=0.050時，理論水膜厚度為0.375 0 mm，濕污泥能被水膜更好地包裹，阻隔了濕污泥和金屬壁面間的直接接觸。由黏度計測量結(jié)果可知，常溫下w=70.0%的濕污泥黏度約為395 kPa·s，而20 ℃水的黏度僅為1.005 mPa·s，可見水膜起到了良好的潤滑效果，能顯著降低濕污泥管道流動阻力。

圖4 不同含水率下濕污泥剪切應(yīng)力及降黏效率隨水-泥比的變化曲線(Q=42.4 mL/min)Fig.4 Curves of wet sludge shear stress and viscosity reduction efficiency changing with water-sludge ratio under different moisture content(Q=42.4 mL/min)

由圖4(b)可知，不同含水率濕污泥的降黏效率在R=0.030處出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點。原因可能是：在R<0.030時水膜較薄，無法保證濕污泥與壁面間水膜全覆蓋，并且水與濕污泥的密度差別不大，易向濕污泥內(nèi)部滲透而逐漸消失，故增加水-泥比可顯著提高η；而高水-泥比情況下水膜更厚，可很好地實現(xiàn)全覆蓋，也能更好地抵抗因滲透而導(dǎo)致的水膜損失，因此進(jìn)一步提升水-泥比對降黏效果的影響較小。此外，η隨著濕污泥初始含水率的升高而降低。這是由于原泥含水率較高，初始剪切應(yīng)力較小，因此水膜的降黏效果被弱化；而w=70.0%時濕污泥初始剪切應(yīng)力較大，結(jié)合圖4(a)可知，剪切應(yīng)力隨水-泥比增大而下降的趨勢相比原泥更顯著，故η也越大；再者，濕污泥含水率越低，污泥絮體結(jié)構(gòu)更加致密，水分滲透阻力也較大，這可能有利于提高水膜的穩(wěn)定性，從而提高降黏效率。

2.4 濕污泥流量對剪切應(yīng)力及降黏效率的影響

w=82.4%時，不同濕污泥流量下濕污泥剪切應(yīng)力及降黏效率隨水-泥比變化的曲線如圖5所示。由圖5(a)可知，剪切應(yīng)力隨濕污泥流量升高而增大，如R=0.020時，當(dāng)Q由42.4 mL/min增至127.2 mL/min時，濕污泥剪切應(yīng)力由1 157 Pa增至1 591 Pa。這是因為濕污泥流量越大，其與管壁接觸時內(nèi)部的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)被剪切破壞得越嚴(yán)重，濕污泥顆粒與管道壁面的摩擦作用越大，導(dǎo)致剪切應(yīng)力增大[20]。

圖5 不同濕污泥流量下濕污泥的剪切應(yīng)力及降黏效率隨水-泥比的變化曲線(w=82.4%)Fig.5 Curves of wet sludge shear stress and viscosity reduction efficiency changing with water-sludge ratio under different flow rates(w=82.4%)

當(dāng)R從0增大至0.050時，濕污泥流量為42.4、84.8和127.2 mL/min下的剪切應(yīng)力下降幅值分別為1 301、1 439和1 462 Pa，表明隨著濕污泥流量升高則降黏幅度有輕微增大；但由于剪切應(yīng)力隨濕污泥流速升高而增大的趨勢更顯著，因此濕污泥的降黏效率反而隨濕污泥流速增大而減小(見圖5(b))。在Q=84.8和127.2 mL/min工況下，R=0.030時的降黏效率轉(zhuǎn)折點不再明顯，這可能是由于高流量下濕污泥流速更快，邊界水膜受到的剪切作用更強(qiáng)，其均勻性更差且更容易發(fā)生破裂[17,24]。由第2.3節(jié)可知，增大水-泥比能更好地維持水膜穩(wěn)定，因此轉(zhuǎn)折點可能要在更高的水-泥比下才會出現(xiàn)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和可行性，本文未開展更高水-泥比下的降黏試驗。

2.5 水膜溫度對剪切應(yīng)力及降黏效率的影響

采用R=0.030、Q=42.4 mL/min的工況探究水膜溫度對濕污泥流動性的影響。圖6為w=82.4%、75.0%和70.0%的濕污泥在18.5、40.0和60.0 ℃下的濕污泥剪切應(yīng)力隨時間變化曲線。降黏曲線穩(wěn)定段的濕污泥平均剪切應(yīng)力以及降黏效率列于表3。值得注意的是，為了突出水膜溫度的影響，表3中的降黏效率以18.5 ℃水膜穩(wěn)定段剪切應(yīng)力為基準(zhǔn)進(jìn)行計算。

圖6 不同含水率和溫度下濕污泥剪切應(yīng)力隨時間變化的曲線Fig.6 Curves of wet sludge shear stress with time under different water contents and temperatures

由表3可知：當(dāng)水膜溫度升高至60.0 ℃時，原泥剪切應(yīng)力降為562 Pa，降黏效率為15.1%；而相同條件下w=70.0%的濕污泥降黏效率可達(dá)31.3%。由此表明，提高水膜溫度有利于提高濕污泥降黏效果，且濕污泥含水率越低，水膜溫度對剪切應(yīng)力和降黏效率的影響越顯著。這主要是因為：一方面，水膜黏度隨著溫度的升高而降低，18.5和60.0 ℃下水的黏度分別為1.005和0.469 mPa·s，水膜黏度下降了53%；另一方面，隨著水膜溫度升高，與水膜接觸的濕污泥的溫度也有所升高，導(dǎo)致這部分濕污泥黏度有所下降[34]。

表3 不同水溫下濕污泥剪切應(yīng)力及降黏效率

2.6 濕污泥管道水膜降黏輸送的應(yīng)用分析

探究了多種因素影響下的濕污泥降黏效率，這些因素大體可分為兩類：一類涉及水膜的穩(wěn)定性，包括水-泥比、濕污泥流量等；另一類涉及水膜的物性參數(shù)，即水溫。

水-泥比是影響水膜降黏的首要因素，水-泥比越大，濕污泥降黏效果越好，可大幅節(jié)約濕污泥管道輸送能耗，并有助于實現(xiàn)濕污泥管道長距離輸送。但是水-泥比過高會導(dǎo)致濕污泥含水率顯著上升、體積增大，從而增大濕污泥后續(xù)減量化處理成本。如試驗中在Q=42.4 mL/min，R=0.030時出現(xiàn)了降黏效率的轉(zhuǎn)折點，可以認(rèn)為是該條件下的最佳降黏工況，既保證了降黏效果又避免了R值過大對濕污泥處理帶來的不利影響。隨著濕污泥流量增大，濕污泥的管道剪切應(yīng)力及水膜降黏幅度都有所增大，但管道剪切應(yīng)力增大幅度更顯著，故降黏效率反而隨流量升高而下降。因此，在通過管道輸送濕污泥時，可優(yōu)先考慮上述兩種因素，并結(jié)合水膜降黏前后的整體經(jīng)濟(jì)性來選擇合理的水-泥比和流量，從而使?jié)裎勰喙艿垒斔托б孢_(dá)到最優(yōu)。

研究表明，水溫升高能進(jìn)一步提高濕污泥降黏效果，但也需要考慮加熱所帶來的系統(tǒng)能耗?？赏ㄟ^工業(yè)余熱的再利用方式，將污泥焚燒尾氣余熱、污泥熱干化尾氣余熱等進(jìn)行回收利用，這樣有助于降低系統(tǒng)能耗。此外，水溫升高改變了降黏效果，可能又會影響上述最佳水-泥比、流量等參數(shù)的選取。因此，對于水膜降黏參數(shù)的選取要綜合考慮。

3 結(jié) 語

采用污泥黏度計以及小型水膜降黏裝置，對管道濕污泥動態(tài)屈服應(yīng)力和水膜降黏時的水-泥比、濕污泥含水率、濕污泥流量、水溫等影響因素進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)濕污泥含水率顯著影響濕污泥動態(tài)屈服應(yīng)力，當(dāng)濕污泥含水率由82.4%降至70.0%時，動態(tài)屈服應(yīng)力由(2 079±82) Pa升至(7 961±736) Pa。

(2)濕污泥降黏效率隨水-泥比增大而升高，當(dāng)濕污泥含水率為82.4%、流量為42.4 mL/min時，0.030水-泥比是濕污泥降黏的最佳工況。

(3)濕污泥降黏效率隨含水率降低而升高，當(dāng)濕污泥含水率由82.4%降至70.0%時，水-泥比為0.030、流量為42.4 mL/min下的降黏效率由63.6%升至77.4%。

(4)隨著濕污泥流量增大，濕污泥的管道剪切應(yīng)力及濕污泥降黏幅度都有所升高，但管道剪切應(yīng)力上升幅度更顯著，因此降黏效率反而隨濕污泥流量升高而下降。

(5)水膜溫度升高可提升濕污泥降黏效果，且濕污泥含水率越低則提升降黏效果越顯著；相比18.5 ℃水膜，60.0 ℃、R=0.030時70.0%含水率的濕污泥降黏效率提高了31.3%。