第３３ 卷第１２ 期
２０１３ 年１２ 月
環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)
Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ
Ｖｏｌ． ３３，Ｎｏ． １２
Ｄｅｃ． ， ２０１３
基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Ｎｏ． ５１０７８０３５，２１１７７０１０）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（Ｎｏ． ２０１０００１４１１０００４）；人力資源和社會(huì)
保障部留學(xué)回國(guó)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助重點(diǎn)項(xiàng)目
Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （Ｎｏ． ５１０７８０３５，２１１７７０１０）， ｔｈｅ Ｐｈ． Ｄ． Ｐｒｏｇｒａｍｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ
Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （Ｎｏ． ２０１０００１４１１０００４） ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｏｖｅｒｓｅａｓ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｃｈｏｌａｒ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
作者簡(jiǎn)介： 張?jiān)剑ǎ保梗福?mdash;），女，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙｕｅｓｌｉｆｅ＠ ｌｉｖｅ． ｃｎ； ∗通訊作者（責(zé)任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｉｌｉｍａｉｌ＠１２６． ｃｏｍ
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ： ＺＨＡＮＧ Ｙｕｅ （１９８９—）， ｆｅｍａｌｅ， Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙｕｅｓｌｉｆｅ＠ ｌｉｖｅ． ｃｎ； ∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｉｌｉｍａｉｌ＠１２６． ｃｏｍ
張?jiān)�，王毅力�?２０１３． 不同剪切條件下活性污泥理化性質(zhì)及脫水性能的響應(yīng)特征［Ｊ］． 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，３３（１２）：３２３４⁃３２４３
Ｚｈａｎｇ Ｙ， Ｗａｎｇ Ｙ Ｌ． ２０１３． Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ （ＡＳ） ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ［Ｊ］． Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３３（１２）：３２３４⁃３２４３
不同剪切條件下活性污泥理化性質(zhì)及脫水性能的響
應(yīng)特征
張?jiān)�，王毅�?lowast;
北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京市水體污染源控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京１０００８３
收稿日期：２０１３⁃０３⁃２３ 修回日期：２０１３⁃０４⁃１６ 錄用日期：２０１３⁃０４⁃１６
摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬，研究了原始活性污泥和最佳投藥量下調(diào)理污泥的毛細(xì)管吸水時(shí)間、粒度、分形維數(shù)、Ｚｅｔａ 電位和上清液ＳＳ 值等參數(shù)隨
剪切強(qiáng)度與時(shí)間的變化規(guī)律，確定了污泥的剪切敏感性和強(qiáng)度因子及粒徑、強(qiáng)度等參數(shù)與速度梯度（Ｇ）值之間的關(guān)系． 結(jié)果表明，剪切導(dǎo)致原
始污泥和調(diào)理污泥的脫水性能變差，相應(yīng)的臨界剪切強(qiáng)度分別為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
帶負(fù)電荷的新鮮表面． 原始污泥的質(zhì)量分形維數(shù)受剪切作用影響不大，其粒徑在一定范圍內(nèi)隨剪切強(qiáng)度的增加而減小，而調(diào)理污泥絮體的質(zhì)量
分形維數(shù)卻隨之上升，粒度隨之降低． 原始污泥與調(diào)理污泥絮體的ＫＳＳ 值分別為４． ７３ × １０ －２ 、８． ３３ × １０ －２ ，穩(wěn)定絮體粒徑常數(shù)γ 值分別為
４． ９９ ×１０ －２ 、３５． １９ ×１０ －２ ，且前者的強(qiáng)度因子較高，它們均表明原始污泥的剪切穩(wěn)定性更好． 剝離是原始污泥剪切破碎的主要機(jī)制，而調(diào)理污
泥在臨界剪切強(qiáng)度以上呈現(xiàn)越來(lái)越明顯的剪切分裂機(jī)制． 此外，污泥粒徑、強(qiáng)度均與Ｇ 值呈現(xiàn)較好的指數(shù)關(guān)系．
關(guān)鍵詞：活性污泥；理化性質(zhì)；脫水性能；剪切強(qiáng)度；剪切穩(wěn)定性
文章編號(hào)：０２５３⁃２４６８（２０１３）１２⁃３２３４⁃１０ 中圖分類號(hào)：Ｘ７０３ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ
Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ （ＡＳ） ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ＺＨＡＮＧ Ｙｕｅ， ＷＡＮＧ Ｙｉｌｉ∗
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｆｏｒ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００８３
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２３ Ｍａｒｃｈ ２０１３； �。颍澹悖澹椋觯澹� ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ １６ Ａｐｒｉｌ ２０１３； �。幔悖悖澹穑簦澹� １６ Ａｐｒｉｌ ２０１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｓｕｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ （ＣＳＴ）， ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ， ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ， ｚｅｔａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ
ａｎｄ ｓｕｓｐｅｎｄｉｎｇ ｓｏｌｉｄ （ＳＳ） ｉｎ ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ ｏｆ ｒａｗ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ （ＡＳ） ｗｉｔｈ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｉｍｅ． Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，
ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ ｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ （Ｇ） ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｓｈｅａｒ ｃｏｕｌｄ
ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂｏｔｈ ｒａｗ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ， ａｎｄ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｏｆ ｍｏｒｅ ｆｒｅｓｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｈａｒｇｅ． Ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｗ ａｎｄ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ ｓａｍｐｌｅｓ， ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ７００ ｒ·ｍｉｎ －１ （Ｇ ＝５５４． ６ ｓ －１ ） ａｎｄ ４００ ｒ·ｍｉｎ －１ （Ｇ ＝２３９． ５ ｓ －１ ）， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｍｐｏｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｗ ＡＳ， ｔｈｅ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｒｏｕｇｈｌｙ ｋｅｐｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｃ ｓｉｚｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｌｉｇｈｔｌｙ． Ｆｏｒ ｔｈｅ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ， ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｉｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｃ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ （ｓｈｅａｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ （ＫＳＳ） ＝８． ３３ ×１０ －２ ， ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔ （γ） ＝３５． １９ ×１０ －２ ）， ｔｈｅ ｒａｗ ＡＳ ｓｈｏｗｅｄ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｓｈｅａｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｉｔｓ ｌｏｗｅｒ ＫＳＳ ｏｆ ４． ７３ ×１０ －２ ， ｌｏｗｅｒ γ ｏｆ ４． ９９ ×１０ －２ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｃｔｏｒ ｖａｌｕｅ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗａｓ
ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｗ ＡＳ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂｅｃａｍｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｈｅａｒ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｇｏｏｄ ｅｘｐｏｎｅｎｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ； ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ； ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ； ｓｈｅａｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
１２ 期張?jiān)降龋翰煌羟袟l件下活性污泥理化性質(zhì)及脫水性能的響應(yīng)特征
１ 引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
隨著我國(guó)污水處理行業(yè)的高速發(fā)展，城市污水
處理量也在不斷提高，其所產(chǎn)生的大量剩余污泥越
來(lái)越成為我國(guó)污水行業(yè)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題． 研究預(yù)
測(cè)，“十二五”期間污泥（含水率８０％）年產(chǎn)量的增
長(zhǎng)速度可達(dá)２４６ 萬(wàn)ｔ·ａ－１ （張韻等，２０１０；王嵐等，
２０１０）． 因此，污泥的減量化、無(wú)害化和資源化已經(jīng)
成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)． 目前，在大型市政污水處
理廠中，絮凝調(diào)理⁃壓力場(chǎng)脫水是污泥減量的主流工
藝，也是污水處理廠中運(yùn)行成本的主要貢獻(xiàn)者． 然
而，在調(diào)理污泥經(jīng)過(guò)管道流向脫水裝置的過(guò)程中，
污泥泵、管道、彎頭等組件會(huì)使調(diào)理污泥受到局部
阻力的剪切． 初步研究表明（Ａｂｕ⁃Ｏｒｆ ｅｔ ａｌ． ，１９９７），
這種剪切會(huì)導(dǎo)致污泥絮體的破碎，使得本來(lái)處于最
佳調(diào)理狀態(tài)的污泥絮體表面暴露出更多的負(fù)電荷，
從而降低污泥的脫水性能． 針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外
的定量研究很少． 國(guó)外一些研究者在探討攪拌強(qiáng)度
和最佳投藥量的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，攪拌強(qiáng)度的增大會(huì)導(dǎo)
致最佳投藥量增加，形成粒徑更小、強(qiáng)度更高的絮
體（ Ｄｅｎｔｅｌ ｅｔ ａｌ． ， １９９７； ２０００； Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ． ， ２０１１；
Öｒｍｅｃｉ ｅｔ ａｌ． ，２００９；Ｂｉｇｇｓ ｅｔ ａｌ． ，２０００），這些結(jié)果也
表明調(diào)理污泥絮體在一定強(qiáng)度的剪切下會(huì)發(fā)生破
碎． 國(guó)內(nèi)一些研究人員也開(kāi)始在污泥脫水、運(yùn)輸工
藝改進(jìn)等方面注意到了剪切破碎的問(wèn)題． 譬如，吳
淼等（２００８）通過(guò)測(cè)試城市污泥的流變特性和輸送
特性，探討了遠(yuǎn)距離輸送管道中污泥流變特性、粒
徑等相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；馮騫等（２００８）研究了攪
拌型反應(yīng)器中剪切對(duì)活性污泥沉降性能的影響，指
出較高的剪切作用下，污泥不能以絲狀菌為骨架生
長(zhǎng)，而是形成更加密實(shí)的小絮體．
近年來(lái)，水處理混凝單元的絮體結(jié)構(gòu)隨剪切的
響應(yīng)特征成了研究的熱點(diǎn)． Ｊａｒｖｉｓ 等（２００５）綜述了
絮體強(qiáng)度和破碎的研究進(jìn)展，指出一般情況下絮體
強(qiáng)度隨著絮體粒徑的減小而增大，而且大量證據(jù)顯
示絮體粒徑與施加的剪切速率存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)
系． 俞文正等（２０１０；２０１１）研究認(rèn)為，在硫酸鋁和聚
合有機(jī)電解質(zhì)作為混凝劑的高嶺土－ 腐殖酸體系
中，當(dāng)電中和作用為主導(dǎo)時(shí)，絮體再絮凝能力較強(qiáng)，
前后粒徑變化不大，但增加剪切速率會(huì)導(dǎo)致破碎再
絮凝后絮體剩余濁度和顆粒數(shù)降低；而當(dāng)卷掃機(jī)理
占主導(dǎo)時(shí)，絮體再絮凝能力較低，破碎過(guò)程明顯不
可逆． 張忠國(guó)等（２００９）對(duì)聚合氯化鋁（ＰＡＣｌ）混凝絮
體破碎和恢復(fù)情況的研究顯示，卷掃混凝和再穩(wěn)區(qū)
絮體強(qiáng)度較大，不易破碎，且破碎后不能完全恢復(fù)；
電中和混凝區(qū)絮體強(qiáng)度最小，易破碎，但破碎后可
完全恢復(fù)；穩(wěn)定區(qū)絮體強(qiáng)度較大，不易破碎且破碎
后絮體可進(jìn)一步增長(zhǎng)． 李濤等（２００６）研究了高嶺土
體系中硫酸鋁和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺形成的絮體，通
過(guò)分析在不同混凝機(jī)理下絮體粒徑、強(qiáng)度、分形維
數(shù)等參數(shù)與Ｇ 值的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)架橋作用形成的
絮體強(qiáng)度最高，但分形維數(shù)相對(duì)最低；卷掃作用形
成的絮體強(qiáng)度最弱，但分形維數(shù)相對(duì)較高；電中和
作用形成的絮體強(qiáng)度和分形維數(shù)分別介于其它二
者之間．
由此可見(jiàn)，有關(guān)水處理中混凝單元中絮體的剪
切破碎過(guò)程的研究結(jié)果可以為調(diào)理污泥的相關(guān)研
究提供參考． 本文正是針對(duì)上述問(wèn)題，模擬調(diào)理污
泥在管道運(yùn)輸過(guò)程中的剪切強(qiáng)度，采用毛細(xì)管吸水
時(shí)間、分形維數(shù)、剪切敏感性、強(qiáng)度等參數(shù)定量表征
污泥絮體的變化規(guī)律，探討其響應(yīng)特征，確定污泥
發(fā)生剪切破碎的臨界條件，初步探討相關(guān)過(guò)程的機(jī)
制，為污泥調(diào)理⁃脫水工藝條件的優(yōu)化提供支撐．
２ 材料與方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ）
２． １ 實(shí)驗(yàn)材料
活性污泥樣品采自北京市某污水處理廠的濃
縮污泥，迅速運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后在（４． ０ ± ０． ５）℃ 下保
存，考慮到污泥樣品的不穩(wěn)定性，要求所有實(shí)驗(yàn)在５
ｄ 內(nèi)完成． 因此，本實(shí)驗(yàn)共采集５ 個(gè)批次的污泥樣品
進(jìn)行不同階段的實(shí)驗(yàn)． 表１ 給出了這５ 個(gè)批次污泥
樣品的基本性質(zhì)，可見(jiàn)雖然不同批次的污泥樣品在
ＴＳＳ 和ＶＳＳ 方面均有差異，但ｐＨ 值及電導(dǎo)率較為
接近．
表１ 活性污泥基本性質(zhì)
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｓａｍｐｌｅｓ
樣品
編號(hào)ｐＨ 電導(dǎo)率
／ （ｍＳ·ｃｍ －１ ）
ＴＳＳ
／ （ｇ·Ｌ －１ ）
ＶＳＳ
／ （ｇ·Ｌ －１ ）
１ ６． ９５ ±０． ０１ １． ２６ ±０． ０４ ８． ９３ ±０． １６ ６． １３ ±０． ２１
２ ７． ００ ±０． ０２ １． ２８ ±０． ０２ ７． ８５ ±０． １３ ５． ６４ ±０． ５２
３ ７． ００ ±０． ０１ １． ３１ ±０． ０４ ７． ６７ ±０． １９ ５． ３７ ±０． １４
４ ７． ０２ ±０． ０１ １． ２２ ±０． ０６ ８． ２３ ±０． ５１ ６． ３５ ±０． ２７
５ ６． ９８ ±０． ０２ １． ２９ ±０． ０３ ８． ３０ ±０． ０８ ６． ０２ ±０． ０５
２． ２ 實(shí)驗(yàn)方法
２． ２． １ 絮凝調(diào)理 絮凝調(diào)理實(shí)驗(yàn)裝置采用六聯(lián)攪
拌器（ＪＴＹ⁃６ 型），量取活性污泥５００ ｍＬ 于１． ５ Ｌ 燒
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環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)３３ 卷
杯中，調(diào)理過(guò)程如下：①在快速攪拌（８００ ｒ·ｍｉｎ－１ ）
的條件下迅速加入一定體積０． ５％ 的陽(yáng)離子聚丙烯
酰胺溶液（ＷＤ⁃４９６０），然后繼續(xù)攪拌１ ｍｉｎ；②慢速
攪拌（６２ ｒ·ｍｉｎ－１ ）５ ｍｉｎ． 測(cè)定調(diào)理后污泥的毛細(xì)吸
水時(shí)間（ＣＳＴ），�。� 次平行實(shí)驗(yàn)的平均值．
２． ２． ２ 剪切裝置 圖１ 為剪切裝置示意圖
（Ｍｉｋｋｅｌｓｅｎ ｅｔ ａｌ． ，２００２）． 該裝置由一個(gè)２ Ｌ 的圓形
有機(jī)玻璃燒杯和可調(diào)轉(zhuǎn)速的攪拌系統(tǒng)組成，其中，
燒杯內(nèi)壁平均布設(shè)４ 個(gè)距杯底３． ７５ ｃｍ、高７． ５ ｃｍ
的擋板，單層攪拌槳尺寸為６ ｃｍ ×３ ｃｍ（長(zhǎng)× 寬），
距杯底３ ｃｍ． 該裝置可以進(jìn)行剪切響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和剪切
敏感性測(cè)試．
圖１ 剪切裝置示意圖
Ｆｉｇ． １�。樱悖瑁澹恚澹簦椋� ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｉｎｇ
剪切實(shí)驗(yàn)程序：量�。保� ５ Ｌ 的污泥樣品于燒杯，
調(diào)節(jié)控制器電壓，設(shè)定攪拌槳轉(zhuǎn)速（Ｐ ＝ １００、２００、
３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００ ｒ·ｍｉｎ－１，對(duì)應(yīng)的Ｇ
值分別為３０． ０、８４． ７、１５５． ６、２３９． ５、３３４． ８、４４０． １、
５５４． ６、６７７． ５、８０８． ５ ｓ－１ ），剪切污泥樣品一定時(shí)間
后，立即采樣進(jìn)行后續(xù)測(cè)試．
剪切敏感性（ＫＳＳ）測(cè)試程序：量取１． ５ Ｌ 濃度約
為４ ｇ·Ｌ－１的污泥樣品于燒杯中，以９８０ ｒ·ｍｉｎ－１ （Ｇ
值為８００ ｓ－１）的轉(zhuǎn)速進(jìn)行剪切． 在第１ ｈ 內(nèi)每隔１０
ｍｉｎ、第２ ｈ 內(nèi)每隔２０ ｍｉｎ 取樣２０ ｍＬ，２２００ ｒ·ｍｉｎ－１
下離心２ ｍｉｎ，在６５０ ｎｍ 波長(zhǎng)下測(cè)定各離心上清液
的吸光值（ Ｍｉｋｋｅｌｓｅｎ ｅｔ ａｌ． ， ２００２； Ｓｈｅｎｇ ｅｔ ａｌ． ，
２００８；王毅力等，２００９），通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線將其轉(zhuǎn)換為
濁度值（ＦＴＵ），再乘以１． ２ ｍｇ·Ｌ－１·ＦＴＵ－１ （轉(zhuǎn)換因
子）得出ＳＳ（ｇ·Ｌ－１ ）（Ｄｕｒｓｕｎ，２００７），然后采用公式
（１）對(duì)上述不同時(shí)間下上清液中懸浮膠體質(zhì)量濃度
進(jìn)行擬合．
ｍｄ，ｔ ＝ ｍｄ，¥ ＋ （ｍｄ，０ － ｍｄ，¥） ６
π２ Σ９
Ｎ ＝ １
１ Ｎ２ ｅ－Ｎ２Ｄｔ
（１）
式中，ｍｄ，０、ｍｄ，ｔ 、ｍｄ，∞ 分別為開(kāi)始時(shí)、ｔ 時(shí)刻和平衡時(shí)
懸浮膠體的質(zhì)量濃度（ｇ·Ｌ－１，以ＳＳ 計(jì)）；Ｄ 為有效
擴(kuò)散常數(shù)（ｓ－１）；Ｎ 為整數(shù)．
２． ２． ３ 脫水性能測(cè)試 采用毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀
（３０４Ｍ 型，Ｔｒｉｔｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）測(cè)定污泥樣品的毛細(xì)
吸水時(shí)間（ＣＳＴ）． 使用紫外⁃可見(jiàn)分光光度計(jì)（Ｔ６
型，北京普析通用有限公司）在６５０ ｎｍ 波長(zhǎng)處測(cè)定
上清液的吸光值， 得到污泥上清液ＳＳ （ Ｄｕｒｓｕｎ，
２００７）．
２． ２． ４ 理化性質(zhì)測(cè)試 各剪切條件下的污泥絮體
形貌照片采用數(shù)碼相機(jī)（ＤＳＣ⁃Ｔ９ 型，Ｓｏｎｙ，日本）拍
攝． 污泥粒度由激光粒度儀（ Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ２０００，
Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ 公司，英國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，并依據(jù)文
獻(xiàn)（Ｗｕ ｅｔ ａｌ． ，２００２）計(jì)算其質(zhì)量分形維數(shù)． 上清液
中懸浮膠體的Ｚｅｔａ 電位通過(guò)Ｚｅｔａ 電位分析儀
（Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ Ｚ 型，Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，英國(guó)）進(jìn)行
測(cè)定（Ｄｕｒｓｕｎ，２００７）．
根據(jù)Ｂａｃｈｅ 等（２００４）的研究，絮體強(qiáng)度可用如
下公式求得：
１４
πｄ２σ ＝ ２ × ρｗ ×π６ｄ３ × ３ ε３／ ４
ν１／ ４ （２）
ε ＝ ν·Ｇ２ （３）
式中， σ 為單位面積上的強(qiáng)度（Ｎ·ｍ－２ ），ρｗ 為水的
密度（ｋｇ·ｍ－３），ε 為能耗速率（ｍ·２ ｓ－３ ），ｖ 為運(yùn)動(dòng)粘
度（ｍ２·ｓ－１ ），Ｇ 為速度梯度（ｓ－１ ），ｄ 為污泥粒徑
（ｍ）．
３ 結(jié)果與討論（Ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）
３． １ 活性污泥脫水性能的變化
通過(guò)不同投藥量（ＷＤ⁃４９６０）調(diào)理下活性污泥
ＣＳＴ 值的變化，確定出調(diào)理的最佳投藥量為２． ５
ｇ·ｋｇ－１． 圖２ 為各剪切強(qiáng)度下原始污泥和調(diào)理污泥
的ＣＳＴ 值隨時(shí)間的變化曲線． 由圖２ａ 和ｂ 可見(jiàn)，原
始污泥在小于４００ ｒ·ｍｉｎ－１ （Ｇ ＝ ２３９． ５ ｓ－１ ）的剪切
強(qiáng)度下，其ＣＳＴ 值變化不大；當(dāng)剪切強(qiáng)度增大到７００
ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝５５４． ６ ｓ－１）及以上時(shí)，ＣＳＴ 值在１５ ｓ 內(nèi)
迅速增加，之后隨剪切時(shí)間的延長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定． 對(duì)
于調(diào)理污泥（圖２ｃ、ｄ），當(dāng)剪切強(qiáng)度增加到４００
ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝２３９． ５ ｓ－１）時(shí)，ＣＳＴ 值在剪切初期（６０ ｓ
以內(nèi)）無(wú)明顯變化，此后開(kāi)始較大幅度的升高，在更
高的剪切強(qiáng)度下，調(diào)理污泥ＣＳＴ 值基本上隨著剪切
時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù)增加，但并未出現(xiàn)與原始污泥類
似的穩(wěn)定值． 上述變化過(guò)程表明，對(duì)于原始污泥，７００
ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝ ５５４． ６ ｓ－１ ）是其脫水性能變差的臨界
３２３６
１２ 期張?jiān)降龋翰煌羟袟l件下活性污泥理化性質(zhì)及脫水性能的響應(yīng)特征
剪切強(qiáng)度；而對(duì)于調(diào)理污泥，這一臨界值卻為４００
ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝２３９． ５ ｓ－１ ），由此可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)中調(diào)理
污泥更為剪切敏感．
圖２ 不同剪切強(qiáng)度下污泥樣品的ＣＳＴ 值隨時(shí)間的變化曲線（ａ． ｂ． 原始污泥；ｃ． ｄ． 調(diào)理污泥）
Ｆｉｇ． ２�。茫瑁幔睿纾� ｉｎ ＣＳＴ ｖａｌｕｅｓ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ （ａ． ｂ． ｒａｗ ＡＳ； ｃ． ｄ． ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ）
不同剪切強(qiáng)度下污泥上清液ＳＳ 值隨剪切時(shí)間
的變化趨勢(shì)如圖３ 所示． 可見(jiàn)，大部分情況下，原始
污泥上清液ＳＳ 值開(kāi)始隨剪切時(shí)間的延長(zhǎng)迅速升高，
并在６０ ｓ 后趨于穩(wěn)定，剪切越強(qiáng)，ＳＳ 值升高幅度越
大． 此外，低強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的剪切并不能導(dǎo)致污泥上
清液中ＳＳ 的濃度高于較高強(qiáng)度時(shí)的平衡值． 由圖
３ｂ 可見(jiàn)，在１００ ｒ·ｍｉｎ－１ 以上的剪切強(qiáng)度下，調(diào)理污
泥上清液的ＳＳ 值隨剪切時(shí)間的延長(zhǎng)開(kāi)始迅速上升
而后緩慢增加． 這些結(jié)果與ＣＳＴ 值的響應(yīng)趨勢(shì)基本
一致． 結(jié)合ＣＳＴ 和ＳＳ 指標(biāo)的變化可知，調(diào)理污泥和
原始污泥對(duì)剪切呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)，這可能由于其
剪切破碎模式不同所致．
圖３ 不同剪切強(qiáng)度下污泥上清液ＳＳ 值隨剪切時(shí)間的變化曲線（ａ． 原始污泥；ｂ． 調(diào)理污泥）
Ｆｉｇ． ３�。郑幔颍椋幔簦椋铮睿� ｏｆ ＳＳ ｖａｌｕｅｓ ｉｎ ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ ｏｆ ＡＳ ｍａｔｒｉｘ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ （ａ． ｒａｗ ＡＳ； ｂ． ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ）
３２３７
環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)３３ 卷
３． ２ 剪切對(duì)污泥理化性質(zhì)影響
３． ２． １ 活性污泥幾何特征的變化 剪切前后污泥
絮體形貌照片如圖４ 所示． 比較圖４ 中原始污泥在
受到９００ ｒ·ｍｉｎ－１ 剪切前后的形貌照片，可以發(fā)現(xiàn)，
絮體形貌在剪切前后變化的不明顯． 對(duì)于經(jīng)過(guò)ＷＤ⁃
４９６０ 調(diào)理后的污泥，圖４ 顯示其絮體粒徑增加，呈
深土黃色，并具有清晰的邊界和不規(guī)則的形貌，隨
著剪切的加強(qiáng)，調(diào)理絮體粒徑減小，顏色逐漸變淺．
圖４ 活性污泥絮體在不同剪切強(qiáng)度下的形貌照片
Ｆｉｇ． ４ Ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ＡＳ ｆｌｏｃｓ／ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ
�。校幔颍耄澹� 等（１９７２） 研究表明， 絮體碰撞效率
（Ｒｃｏｌ）和破碎效率（Ｒｂｒ ） 共同決定絮體形成效率
（Ｒｆｌｏｃ），它們之間的關(guān)系滿足如下方程：
Ｒｆｌｏｃ ＝ αＲｃｏｌ － Ｒｂｒ （４）
式中，Ｒｃｏｌ 為污泥顆粒間的碰撞效率，α 為碰撞導(dǎo)致
粘附的系數(shù)． 絮體的粒徑是生長(zhǎng)和破碎共同作用的
結(jié)果，當(dāng)剪切強(qiáng)度增大到某一臨界值時(shí)，絮體破碎
占主導(dǎo)地位，粒徑達(dá)到一個(gè)新的平衡．
剪切強(qiáng)度對(duì)活性污泥粒度的影響如圖５ 所示．
由圖可知，調(diào)理前后污泥絮體的粒徑均隨著剪切強(qiáng)
度的增加而減小． 原始污泥顆粒（圖５ａ）初始粒徑約
為（７０． ３６ ± １． ７４） μｍ， 經(jīng)過(guò)１００ ｒ·ｍｉｎ－１ （ Ｇ ＝
３０． ０ ｓ－１）的剪切其粒徑變化不大，此后，隨剪切強(qiáng)
度的增加絮體粒徑降低的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)． 調(diào)理污泥
（圖５ｂ）初始粒徑為（４２６． ８２ ± ７． ７８） μｍ，在低于
４００ ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝２３９． ５ ｓ－１ ）的剪切下，絮體粒徑小
幅度變小；當(dāng)剪切強(qiáng)度達(dá)到４００ ｒ·ｍｉｎ－１ （Ｇ ＝２３９． ５
ｓ－１）時(shí)，絮體粒長(zhǎng)在１５ ｓ 內(nèi)迅速變小至（２４７． ７１ ±
０．７５） μｍ，并在６０ ｓ 后逐漸趨于穩(wěn)定，且剪切強(qiáng)度
越高，絮體粒徑越小，在９００ ｒ·ｍｉｎ－１ 的剪切作用下
甚至達(dá)到初始粒徑的１／４ 以下． 這一結(jié)果表明，４００
ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝ ２３９． ５ ｓ－１ ）是調(diào)理污泥破碎的臨界剪
切強(qiáng)度，這與圖２ 結(jié)果一致． 對(duì)于原始污泥，尚無(wú)法
從粒徑變化角度分辨出其臨界剪切強(qiáng)度． 比較圖５ａ
３２３８
１２ 期張?jiān)降龋翰煌羟袟l件下活性污泥理化性質(zhì)及脫水性能的響應(yīng)特征
與ｂ 可知，即使在本研究中最大強(qiáng)度的剪切作用下， 調(diào)理污泥的平衡粒徑依然比原始污泥高．
圖５ 不同剪切強(qiáng)度下污泥粒度隨時(shí)間的變化曲線（ａ． 原始污泥；ｂ． 調(diào)理污泥）
Ｆｉｇ． ５�。茫瑁幔睿纾� ｉｎ ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ（ａ． ｒａｗ ＡＳ； ｂ． ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ）
圖６ 為不同剪切強(qiáng)度下污泥質(zhì)量分形維數(shù)隨時(shí)
間的變化曲線． 如圖６ａ 所示，剪切作用對(duì)原始污泥
分形維數(shù)的影響不大，各剪切強(qiáng)度下的分形維數(shù)均
在２． ２ ～２． ３ 范圍內(nèi)． 而經(jīng)過(guò)絮凝調(diào)理的活性污泥絮
體密實(shí)程度降低，其質(zhì)量分形維數(shù)為１． ８６ ±０． ０１（Ｇ
＝０ ｓ－１），之后絮體質(zhì)量分形維數(shù)隨著剪切強(qiáng)度的
增加而升高，即使在Ｐ ＝９００ ｒ·ｍｉｎ－１的條件下，其質(zhì)
量分形維數(shù)達(dá)到２． ２ 左右，依然低于原始污泥絮體．
一般而言，質(zhì)量分形維數(shù)是顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)放程度
的表征． 上述結(jié)果顯示，ＷＤ⁃４９６０ 的調(diào)理導(dǎo)致絮體
的密實(shí)程度降低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放． 結(jié)合圖５ 的結(jié)
果可知，剪切作用破壞了調(diào)理污泥絮體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)
構(gòu)，使得絮體破碎，粒徑變小，但其相對(duì)密實(shí)程度卻
逐漸增加，盡管如此，由于絮體中陽(yáng)離子聚丙烯酰
胺（ＣＰＡＭ）的存在及作用，導(dǎo)致其粒徑仍比原始污
泥絮體大，內(nèi)部開(kāi)放結(jié)構(gòu)仍較高． 這也說(shuō)明本試驗(yàn)
所采用的剪切強(qiáng)度和時(shí)間尚無(wú)法使得調(diào)理污泥絮
體破碎到與原始污泥一致的幾何結(jié)構(gòu)． 此外，對(duì)于
原始污泥而言，剪切降低其絮體尺寸但未明顯改變
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的開(kāi)放程度． 兩種污泥樣品的這種差異
可能源自不同的剪切破碎模式．
圖６ 不同剪切強(qiáng)度下污泥分形維數(shù)隨時(shí)間的變化曲線（ａ． 原始污泥；ｂ． 調(diào)理污泥）
Ｆｉｇ． ６�。茫瑁幔睿纾� ｉｎ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ＡＳ ｆｌｏｃｓ／ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ （ａ． ｒａｗ ＡＳ； ｂ． ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ）
３． ２． ２ 活性污泥電學(xué)性質(zhì)的變化 圖７ 給出了不
同剪切強(qiáng)度下污泥絮體的Ｚｅｔａ 電位隨時(shí)間的變化
曲線． 圖７ａ 顯示，原始污泥離心上清液中膠體的
Ｚｅｔａ 電位為（ －７． ５３ ±０． ５４）ｍＶ，隨著剪切的進(jìn)行，
Ｚｅｔａ 電位總體下降，但波動(dòng)較大（ － ８． ８７ ～ － １１． １７
ｍＶ 之間）． 最佳投藥量下調(diào)理污泥絮體的Ｚｅｔａ 電位
為（０． ３６ ±０． ４１）ｍＶ（圖７ｂ），符合Ｌｅｅ 等（２０１０）最
佳投藥量下Ｚｅｔａ 電位接近０ ｍＶ 的研究結(jié)果． 在剪
切作用下，它們的Ｚｅｔａ 電位在１５ ｓ 內(nèi)迅速下降到
－６． ６６ ｍＶ以下，在６０ ｓ 之前下降趨勢(shì)明顯，此后呈
３２３９
環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)３３ 卷
現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)或趨于穩(wěn)定，甚至達(dá)到－ １０． １８
ｍＶ． 此外，在較長(zhǎng)的剪切時(shí)間下，高剪切強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致
Ｚｅｔａ 電位的降低幅度增大，這種現(xiàn)象在調(diào)理污泥絮
體中表現(xiàn)的更加明顯． 這些結(jié)果與Ｄｅｎｔｅｌ 等（２０００）
的研究中調(diào)理污泥絮體剪切后流動(dòng)電流（ＳＣＤ）負(fù)向
偏移的結(jié)果具有一致性．
盡管如此，剪切后調(diào)理污泥的Ｚｅｔａ 電位依然低
于未受到剪切的原始污泥，結(jié)合圖５ 中剪切后調(diào)理
污泥的粒徑總是大于原始污泥的結(jié)果可以推測(cè)，剪
切作用下調(diào)理污泥的破碎機(jī)制涉及該絮體中原始
污泥顆粒的橫穿破裂，導(dǎo)致原始污泥顆粒內(nèi)部帶負(fù)
電荷表面的暴露，引起上述Ｚｅｔａ 電位降低的結(jié)果．
圖７ 不同剪切強(qiáng)度下污泥ｚｅｔａ 電位與剪切時(shí)間的關(guān)系（ａ． 原始污泥；ｂ． 調(diào)理污泥）
Ｆｉｇ． ７�。郑幔颍椋幔簦椋铮睿� ｏｆ ｚｅｔａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ＡＳ ｆｌｏｃｓ／ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ （ａ． ｒａｗ ＡＳ； ｂ． ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ）
３． ２． ３ 剪切敏感性 圖８ 顯示了剪切敏感性測(cè)試
過(guò)程中懸浮膠體的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，以
及公式（１）的擬合曲線，相應(yīng)的剪切敏感性參數(shù)如
表２ 所示． 調(diào)理污泥ＫＳＳ值高于原始污泥，擴(kuò)散參數(shù)
Ｄ 也有同樣趨勢(shì)，這說(shuō)明原始污泥剪切穩(wěn)定性更好．
一般而言，顆粒破碎存在分裂和剝離兩種機(jī)制，分
裂不會(huì)產(chǎn)生懸浮膠體，而剝離會(huì)產(chǎn)生較高濃度的分
散的膠體粒子（Ｊａｒｖｉｓ ｅｔ ａｌ． ，２００５）． 由圖８ 也可看
出，調(diào)理污泥剪切后其懸浮膠體的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于
原始污泥， 且數(shù)據(jù)波動(dòng)較大． 此外， 圖５ 中９００
ｒ·ｍｉｎ－１剪切作用下，調(diào)理污泥的粒徑只比原始粒徑
值減小了１／４ 左右，而同樣剪切強(qiáng)度下，調(diào)理污泥的
粒徑卻減小了３／４ 以上． 綜合上述結(jié)果可知，原始污
泥絮體剪切破碎的機(jī)制主要為剝離機(jī)制；對(duì)于調(diào)理
污泥，圖５ 顯示小于４００ ｒ·ｍｉｎ－１ 的剪切強(qiáng)度導(dǎo)致污
泥粒徑比原始值下降的比例不超過(guò)１／４，這表明剝
離作用占主要地位；而當(dāng)剪切強(qiáng)度超過(guò)４００ ｒ·ｍｉｎ－１
臨界值時(shí)，絮體粒徑迅速降低到原始值的１／２ 左右，
這表明分裂機(jī)制起主要作用，隨著剪切強(qiáng)度的增
大，分裂機(jī)制越來(lái)越明顯．
圖８ 剪切后污泥體系上清液膠體粒子ｍｄ，ｔ隨時(shí)間的變化（ａ． 原始污泥，ｂ． 調(diào)理污泥）
Ｆｉｇ． ８ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｍｄ，ｔ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｃｏｌｌｏｉｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ＡＳ ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ ｗｉｔｈ ｓｈｅａｒ ｔｉｍｅ （ａ． ｒａｗ ＡＳ； ｂ． ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ＡＳ）
３２４０
１２ 期張?jiān)降龋翰煌羟袟l件下活性污泥理化性質(zhì)及脫水性能的響應(yīng)特征
表２ 污泥的剪切敏感性（ＫＳＳ ）及其它相關(guān)參數(shù)
Ｔａｂｌｅ ２�。裕瑁� ｓｈｅａｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ （ＫＳＳ） ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ＡＳ
污泥種類ｍｄ，ｔ ／ （ｇ·Ｌ －１ ） ｍｄ ，∞ ／ （ｇ·Ｌ －１ ） ＫＳＳ Ｄ ／ ｓ －１
原始污泥３． ３０ ±０． ０２ ０． １５６１８ ±０． １２９０６ ０． ０４７３ ０． ００２１９ ±０． ００４４５
絮凝調(diào)理后污泥３． ３０ ±０． ０２ ０． ２７４７６ ±０． ０２７５３ ０． ０８３３ ０． ０１４１４ ±０． ００４７４
３． ２． ４ 強(qiáng)度因子 強(qiáng)度因子（Ｆ）是顆粒強(qiáng)度的最
基本評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，其值越大則顆粒越不容易剪切
破碎，不同剪切強(qiáng)度下的強(qiáng)度因子值有所差別
（Ｊａｒｖｉｓ ｅｔ ａｌ． ，２００５； Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ． ，２０１１），其值可以
根據(jù)公式（５）得出．
Ｆ ＝ ｄ２ ／ ｄ１ ×１００ （５）
式中，ｄ１指破碎前絮體的穩(wěn)定平均粒徑（ｍ），ｄ２ 指絮
體破碎后的穩(wěn)定平均粒徑（ｍ）．
不同Ｇ 值下污泥的強(qiáng)度因子變化見(jiàn)圖９． 可見(jiàn)，
各剪切強(qiáng)度下原始污泥的強(qiáng)度因子均高于調(diào)理污
泥，且隨Ｇ 值的增加下降幅度較小，無(wú)法判斷臨界
剪切強(qiáng)度． 但如圖２ａ 所示，由原始污泥的ＣＳＴ 變化
可得到其臨界剪切強(qiáng)度，可見(jiàn)剪切作用對(duì)原始污泥
脫水性能和粒徑的影響作用有所不同． 原始污泥的
脫水性能受剪切作用的影響在臨界剪切前后差異
較大，但由于原始污泥粒徑相對(duì)較小，在剪切強(qiáng)度
增大的過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生明顯的突變． 這可能是由
于原始污泥絮體剪切破碎的機(jī)制主要為剝離機(jī)制，
而剝離造成粒徑突變的概率較�。� 調(diào)理污泥的強(qiáng)度
因子在Ｇ 值較低時(shí)下降緩慢，當(dāng)Ｇ 值增加到２３９． ５
ｓ－１（４００ ｒ·ｍｉｎ－１ ）時(shí)開(kāi)始明顯下降． 表明調(diào)理污泥
比原始污泥更容易破碎，且對(duì)大于４００ ｒ·ｍｉｎ－１ 的剪
切強(qiáng)度更為敏感，這與兩種污泥剪切敏感性ＫＳＳ 的
測(cè)試結(jié)果一致．
圖９ 不同速度梯度（Ｇ）下污泥強(qiáng)的度因子的變化
Ｆｉｇ． ９�。茫瑁幔睿纾澹� ｉｎ ＡＳ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ
（Ｇ） ｖａｌｕｅｓ
３． ２． ５ 污泥絮體的粒徑、強(qiáng)度與Ｇ 值的相關(guān)性分
析 一般而言，污泥絮體的粒徑會(huì)隨著Ｇ 值的增加
而減�。ǎ蹋澹� ｅｔ ａｌ． ， ２００１）． 污泥粒徑（ｄ５０ ） 和強(qiáng)度
（σ）對(duì)Ｇ 值響應(yīng)的線性擬合結(jié)果如圖１０ 所示． 相應(yīng)
的關(guān)系式分別為ｄ５０ ＝ ｅ４． ３５４ Ｇ －０． ０４９９ （原始污泥） 和
ｄ５０ ＝ ｅ７． ２２２７Ｇ －１． ３５１９（調(diào)理污泥），確定系數(shù)（Ｒ２ ）分別
為０． ９１６１ 和０． ９５６６，ｐ 值均小于０． ０１，表明ｄ５０值與
Ｇ 值的指數(shù)函數(shù)均存在很好的線性關(guān)系；上述擬合
方程指數(shù)為－ γ，其中，γ 為穩(wěn)定絮體粒徑常數(shù)，可以
指示絮體的強(qiáng)度，即γ 值越大，表明絮體越容易隨
剪切強(qiáng)度的增加而破碎（Ｂａｃｈｅ， ２００４；Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ． ，
２００９）． 調(diào)理污泥的γ 值高于原始污泥，表示前者更
容易在剪切強(qiáng)度增加時(shí)發(fā)生破碎，這與剪切敏感性
ＫＳＳ顯示的結(jié)果具有一致性． 此外，李濤等（２０１０）模
擬出的鋁鹽在吸附電中和與卷掃絮凝作用時(shí)絮體
的γ 值分別為０． ６１０７ 和０． ５６１８，而陽(yáng)離子聚丙烯
酰胺與高嶺土形成的絮體的γ 值為０． ３６７４，與本研
究的γ 值０． ３５１９ 較接近，在該高嶺土體系中，陽(yáng)離
子聚丙烯酰胺主要通過(guò)高分子長(zhǎng)鏈的粘結(jié)架橋作
用進(jìn)行絮凝，相應(yīng)絮體的強(qiáng)度高于鋁鹽在吸附電中
和或卷掃絮凝作用時(shí)的絮體強(qiáng)度．
圖１０ 污泥粒徑（ ｄ５０ ） 和強(qiáng)度（ σ） 與速度梯度（ Ｇ） 之間的雙對(duì)
數(shù)關(guān)系圖
Ｆｉｇ． １０�。模铮酰猓欤�⁃ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｐｌｏｔｓ ｏｆ ｆｌｏｃ ｓｉｚｅ （ｄ５０ ） ｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ （σ）
ｖｅｒｓｕｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ （Ｇ）
由圖１０ 可看出，相同Ｇ 值下的原始污泥強(qiáng)度
始終小于調(diào)理污泥，這一結(jié)果與強(qiáng)度因子指示的結(jié)
３２４１
環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)３３ 卷
果相反． 通過(guò)對(duì)比這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式可以發(fā)
現(xiàn)，強(qiáng)度因子與剪切前后絮體直徑比值的倒數(shù)成正
比，而強(qiáng)度則與某一剪切條件下的絮體直徑成正
比，這可能是導(dǎo)致σ 與強(qiáng)度因子表征結(jié)果相反的原
因． σ 與Ｇ 值也存在指數(shù)關(guān)系，擬合方程分別為σ ＝
ｅ－１． ６３８８Ｇ１． ４４５（原始污泥）和σ ＝ ｅ１． ４３１１ Ｇ１． １１０４ （調(diào)理污
泥），對(duì)應(yīng)的Ｒ２分別為０． ９９９７ 和０． ９８１４．
此外，通過(guò)對(duì)調(diào)理污泥分形維數(shù)與強(qiáng)度和強(qiáng)度
因子數(shù)據(jù)的擬合發(fā)現(xiàn)，σ 與分形維數(shù)ＤＦ的指數(shù)函數(shù)
存在很好的線性關(guān)系，Ｒ２ 為０． ９１９６，相應(yīng)的關(guān)系式
為σ ＝ ｅ－９． ６５０７Ｄ２４． ２２３４
Ｆ ，強(qiáng)度因子與ＤＦ的指數(shù)函數(shù)之
間也存在很好的線性關(guān)系，Ｒ２ 為０． ９８１３，相應(yīng)關(guān)系
式為Ｆ ＝ ｅ１． １４８４ ＤＦ
－０． １１５１，但原始污泥的分形維數(shù)和
強(qiáng)度與強(qiáng)度因子間均無(wú)明顯的相關(guān)性．
４ 結(jié)論（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）
１）最佳投藥量下的調(diào)理污泥對(duì)剪切呈現(xiàn)出更
為敏感的特點(diǎn)，原始污泥和調(diào)理污泥脫水性能變差
的臨界剪切強(qiáng)度分別為７００ ｒ·ｍｉｎ－１ （Ｇ ＝ ５５４． ６
ｓ－１）和４００ ｒ·ｍｉｎ－１（Ｇ ＝２３９． ５ ｓ－１ ）． 隨剪切強(qiáng)度的
增加，調(diào)理污泥形成結(jié)構(gòu)更為致密的小絮體，而原
始污泥的結(jié)構(gòu)變化不大． 調(diào)理污泥的剪切敏感性比
原始污泥高，相應(yīng)強(qiáng)度因子低． 污泥粒徑、強(qiáng)度均與
Ｇ 值之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)關(guān)系．
２）剪切導(dǎo)致污泥迅速暴露出更多的帶負(fù)電荷
的新鮮表面． 剝離是原始污泥剪切破碎的主要機(jī)
制，而調(diào)理污泥的剪切破碎機(jī)制與剪切強(qiáng)度有關(guān)，
剪切強(qiáng)度低于４００ ｒ·ｍｉｎ－１ 時(shí)，剝離作用占主導(dǎo)，４００
ｒ·ｍｉｎ－１ 及以上分裂機(jī)制為主，且隨剪切強(qiáng)度的增加
越來(lái)越重要．
責(zé)任作者簡(jiǎn)介：王毅力（１９７２—），男，博士，北京林業(yè)大學(xué)環(huán)
境科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師． 主要研究領(lǐng)域?yàn)椋涵h(huán)境
顆粒物的分形特征與微界面分形反應(yīng)過(guò)程、環(huán)境水質(zhì)學(xué)、水
（體）污染控制與修復(fù)工程、生物反應(yīng)器中污泥的分子生態(tài)
學(xué)解析等． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｉｌｉｍａｉｌ ＠ １２６． ｃｏｍ．
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