屈服应力作为流变学指标，用于表征污泥在压缩主导的机械脱水过程中压缩性和渗透性的演变

《Journal of Environmental Management》：Yield stress as a rheological proxy for compressibility and permeability evolution during compression-dominated mechanical dewatering of sludge

研究采用聚丙烯隔膜滤压机及铝氯化镁与阳离子聚丙烯酰胺复合调理工艺，结合低场核磁共振、计算机断层扫描和流变学分析，系统揭示了污泥机械压缩过程中孔隙结构演变、屈服应力（σy）、压缩系数（Cc）及渗透系数（k）的动态变化规律，发现σy与Cc、k均呈显著负相关（R2=0.827-0.920，p<0.05），表明σy可作为污泥脱水性能的有效预测指标，为工业化脱水过程优化提供理论支撑。

　　

刘文辉|曾远平|陈宣新|何志毅|高云燕|王厚锋|曾 Raymond Jianxiong

福建省土壤环境健康与调控重点实验室，福建农林大学资源与环境学院，福州，350002，中国

摘要

污泥的压缩性和渗透性是衡量机械脱水效率的关键指标，但传统的测量方法（如固结试验）通常耗时较长，这限制了它们在实时过程优化中的应用。屈服应力（σ_y）反映了絮体结构和网络强度，显示出预测脱水性能的潜力。然而，现有研究主要集中在实验室规模的过程上，这不足以代表实际情况。本研究使用聚丙烯隔膜压滤机结合实用的调理策略（氯化铝与阳离子聚丙烯酰胺的联合使用），系统地研究了在实际植物条件下污泥孔结构、σ_y、压缩性和渗透性的动态变化。先进的表征技术，包括低场核磁共振、计算机断层扫描和流变分析，被用来监测结构和机械变化。机械压缩显著减小了孔径和总孔隙度，同时增加了孤立孔的比例，从而形成了更紧密的絮体网络。与此同时，σ_y、储能模量（G′）和复合模量（G?）持续增加，其中σ_y提高了458%（从3278 Pa增加到18,300 Pa），表明结构刚性增强。相比之下，压缩指数（C_c）和渗透系数（k）分别下降了72.7%（从2.79降至0.76）和85.2%（从8.04 × 10^?6降至1.19 × 10^?6 cm/s），反映了脱水性能的恶化。σ_y与C_c（R² = 0.827、0.856和0.889，p < 0.05）和k（R² = 0.845、0.892和0.920，p < 0.05）之间存在强烈的负相关性，这突显了σ_y作为污泥脱水性能可靠代理的潜力。总体而言，结果表明σ_y的测量可以用来预测和优化在实际压缩条件下的污泥脱水效果，从而在实验室研究和全规模操作之间架起桥梁。这些发现扩展了流变指标的应用范围，并为改进全规模污泥管理策略提供了实用工具。

引言

可持续的污泥管理现在被认为是污水处理工程中的一个核心挑战，而机械脱水是关键的上游步骤，它为后续处理（如焚烧、填埋和资源回收）准备了污泥（Cao等人，2021；Hao等人，2020；Li等人，2023；Wu等人，2019）。一般来说，污泥脱水包括三个主要阶段：调理、过滤和压缩，其主要目标是降低污泥含水量，以符合日益严格的环境法规（Lee和Wang，2000；To等人，2016）。先前的研究表明，当污泥饼的含水量降至约80%时，渗透性显著下降，而进一步压缩所需的能量和污泥网络的内聚强度则急剧上升（Mowla等人，2013）。因此，约80%的含水量通常被视为过滤和压缩阶段的一个临界阈值。在整个脱水过程中，污泥饼的孔结构演变直接决定了其压缩性和渗透性，从而影响了整体脱水效率（Rao等人，2019，2022a）。因此，详细研究机械压缩过程中的孔结构及相关机械性质对于提高脱水效率、降低能耗和促进污泥的资源化利用至关重要。

迄今为止，污泥的压缩性和渗透性主要通过地质技术方法进行表征，例如固结沉降试验和渗透仪测量（Bao等人，2024；Wu等人，2019，2021；Xu等人，2021b；Zhang等人，2022）。然而，这些传统方法存在两个主要限制：首先，它们需要大量固体含量高（>15%）的污泥，这往往超过了实验室规模研究的采样和储存能力；其次，实验耗时且程序复杂（例如，一批固结沉降试验可能需要超过六天），这与污泥样本的时间敏感性相矛盾（Wang等人，2022；Xu等人，2023；Zhang等人，2022）。因此，迫切需要开发更高效和实用的测试方法，或识别能够间接但可靠地反映污泥压缩和渗透行为的关键指标。

近年来，流变参数，特别是屈服应力（σ_y），被广泛用于分析污泥脱水机制、指导操作设置和预测脱水性能（Cao等人，2023；Hou等人，2024；Shrestha等人，2019；Wang等人，2017；Zhang等人，2024a）。许多研究表明，σ_y可用于评估污泥絮体网络的稳定性，为优化絮凝剂的添加剂量和顺序以及工业操作中的脱水过程提供有用信息（Jiang和Zhou，2020；Wang等人，2018，2019）。其他研究将σ_y与其他流变参数结合，成功用于预测过滤和离心过程中的脱水效率和能源需求（Liu等人，2023，2024a；Wang等人，2020）。这些发现表明，流变方法在污泥脱水方面具有巨大潜力，并为改进过程控制提供了新的技术选择。相比之下，σ_y在机械压缩阶段的作用研究较少。尽管现有文献表明σ_y反映了絮体网络的强度和稳定性，但其与污泥压缩性和渗透性的具体关系尚未详细探讨（Das等人，2022；Liu等人，2024a，2024b）。因此，系统研究σ_y、压缩性和渗透性在机械压缩过程中的动态相互作用，不仅扩展了σ_y在污泥脱水过程中的应用，也加深了我们对相关机制的理解。

基于此背景，本研究使用高压隔膜压滤机和工业级调理剂（即氯化铝与阳离子聚丙烯酰胺的联合使用），在所研究的污水处理厂常规应用的剂量下，对实际污泥调理和压缩过程进行了研究，以确保工程代表性。通过低场核磁共振、计算机断层扫描和流变测量来跟踪内部孔结构和σ_y的变化，并将其与压缩指数（Cc）和渗透系数（k）相关联。主要目的是明确σ_y如何影响机械压缩，并评估σ_y是否可以作为深层污泥脱水性能的代理指标。此外，该研究旨在扩大流变方法在全规模污泥处理中的实际应用，并为更好的过程控制和更高效的污泥资源利用提供理论和技术支持。

部分摘录

原始污泥和化学品

原始污泥来自中国福建省福州市阳利市污水处理厂的二次浓缩池。该厂采用氧化沟工艺，设计处理能力为600,000 m³/d，主要处理周边城市的生活污水。收集后，污泥样本在3天内冷却并储存在4°C下，然后进行表征（Wang等人，2022）。原始污泥的主要性质总结在表S1中。

氯化铝

机械压缩过程中污泥孔结构的变化

为了定量和直观地了解污泥在机械压缩过程中的孔结构演变，使用LF-NMR结合CT来表征内部孔结构（Liu等人，2025；Rao等人，2022b；Zhang等人，2024b）。图1显示了TS含量在17%到37%之间的污泥饼的孔径分布，表明所有检测到的孔都位于0～ 2.5 μm的狭窄范围内。为了比较，孔被分为八个区间：0 ～ 0.1、0.1 ～

结论

本研究系统地研究了在污水处理厂的全规模调理和脱水过程中获得的污泥在机械压缩过程中的孔结构、屈服应力（σ_y）、压缩性和渗透性的动态变化。此外，还量化了这些参数之间的潜在相关性。随着TS含量从17%增加到37%，细孔（<0.16 μm）的比例从58.8%增加到90.4%，而相互连接的

CRediT作者贡献声明

刘文辉：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理。曾远平：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理。陈宣新：调查、数据管理。何志毅：调查、数据管理。高云燕：调查、数据管理。王厚锋：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、数据管理，

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（Open AI）和Deepseek来改进语法、措辞和手稿的整体可读性。使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

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致谢

作者感谢国家自然科学基金（52270120、52000033）的财政支持。