随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，中国主要城市污水排放总量呈现逐年攀升的趋势，随之而产生的污泥量也不断增加。据统计，中国2017年市政污泥总量约有5533.437万吨。市政污泥成分复杂，使得其具有成分复杂，含有致病菌、虫卵、重金属及有机污染物等，若未经安全有效地处理极易对环境造成污染，威胁环境安全与生命健康。目前，中国常用的污泥处置方式主要包括卫生填埋、焚烧、堆肥等，而污泥脱水是实现其无害化处置与资源化利用的重要前提之一。目前，污水处置厂产生的活性污泥含水率大多在96％以上，基于后续处置过程的安全性和经济性考虑，国内相关技术规范一般要求泥饼含水率不得高于60％，其中，若单独焚烧则要求小于50％，而园林绿化和制砖则要求不高于40％。由于污泥含有大量胞内水，未经调理的污泥几乎无法进行脱水处理。常用的污泥调理剂类型可分为化学调理剂、物理调理剂、生物调理剂和复合调理剂等。其中，物理调理剂在污泥调理过程中主要作为骨架构建体，目前所采用的物理调理剂以外源性材料为主，如粉煤灰、活性炭、木屑、赤泥、褐煤、半焦、谷壳等。此类物质存在极性差异大、脱水后污泥成分更加复杂、经济效益差等问题。因此，本研究提出了一种基于高铁酸钾/污泥生物炭协同作用的活性污泥化学-物理联合调理深度脱水研究思路，开展了活性污泥酸化/氧化化学调理脱水、污泥生物炭制备及物理调理活性污泥脱水、高铁酸钾/污泥生物炭协同调理活性污泥脱水研究，并通过低场核磁污泥泥饼水分形态及空间分布研究、氧化调理对污泥流变特性影响研究，系统揭示了污泥胞外聚合物破解及水分转化释放规律，深入阐明了高铁酸钾/污泥生物炭调理活性污泥及其深度脱水机理，本文的主要研究内容及结论如下:
　　1.活性污泥酸化/氧化调理及其胞外聚合物变化与脱水性能研究
　　活性污泥胞外聚合物其具有极强的亲水和持水能力，造成结合水释放难，因此，胞外聚合物破解被认为是污泥高效脱水的关键所在。本文分别开展了酸化和氧化调理对胞外聚合物性质和活性污泥脱水性能的影响研究。结果表明:酸化调理过程中，活性污泥破解度随着污泥液体酸度值降低而增加;胞外聚合物破解产物，即蛋白质和多糖提取量也呈现出相同趋势，同时，紧密结合型胞外聚合物提取液中多糖含量最高;此外，当活性污泥液体由酸性逐渐转变为中性时，胞外聚合物提取液界面电动势和电导率均逐渐降低，但其胞外聚合物的官能团结构未发生显著变化。与之相反，采用高铁酸钾氧化调理时，污泥胞外聚合物的官能团种类随着提取层次的深入逐渐减少。酸化和氧化调理脱水所得泥饼最低含水率为69％，均低于目前污水处理厂污泥泥饼含水率(～80％)。
　　2.污泥生物炭制备及其调理活性污泥脱水研究
　　在机械脱水过程中，污泥水分主要通过渗水通道排出，而污泥所含有机物易受压变形造成通道堵塞，因此，须引入骨架构建体以保障渗水结构。本文以多孔污泥生物炭作为物理调理剂开展了活性污泥调理脱水研究，重点考察了污泥生物炭制备条件及其对污泥脱水性能的影响规律，结果表明:热解终温为500℃时制得的污泥生物炭，具有较好的脱水性能，经BC500调理后活性污泥，沉降10min后，固体体积降至13ml，毛细吸水时间降至12s，脱水后泥饼含水率降到63.5％。采用二氧化碳作为气体活化剂时，将得到BCCO2调理活性污泥，其脱水后污泥泥饼含水率为50％。污泥生物炭粒径范围在1-1.6mm，调理活性污泥后的过滤性能和脱水性能表现良好，毛细吸水时间7.5s，含水率56.2％。最佳的污泥生物炭制备条件为:热解终温500℃，二氧化碳作为气体活化剂，污泥样品粒径范围为1-1.6mm。
　　3.基于高铁酸钾-污泥生物炭的化学-物理联合调理活性污泥脱水性能研究
　　为了实现污泥深度脱水，采用高铁酸钾和污基生物炭对活性污泥进行了化学-物理联合调理脱水研究，结果表明:经高铁酸钾和污泥生物炭共同调理后，污泥破解度为0.79-0.85，毛细吸水时间在pH为6时高达360.8s，脱水泥饼含水率在pH为7时效果最佳58.7％，低于未经调理的污泥泥饼含水率78.8％及目前污水处理厂处理后污泥泥饼的含水率80％左右。
　　4.污泥泥饼残余水分存在形态、含量及其空间分布研究
　　为了进一步揭示高铁酸钾/污泥生物炭协同调理作用机制，采用低场核磁共振对所得泥饼残余水分存在形式、空间分布特征进行研究。结果表明:当用3.0g/L K2FeO4和BC5009g/L BC500调理活性污泥时，污泥泥饼含水率最低42.33％。根据LF-NMR测试结果，T2水分分布曲线，原污泥泥饼中含有水分种类可分为:强结合水(0.01-0.36ms)，弱结合水(0.88-8.43ms)和少量毛细管水(21.26-700ms)。特别地，当添加3.0g/L K2FeO4和9g/L BC500时，水分子与有机物的结合能被削弱，泥饼中所含水分转化为99.682-99.813％结合水(0.23-10.72ms)和0.187-0.318％毛细管水(70-700ms)。通过观察污泥泥饼中水分空间可视化结果，污泥泥饼中残余水量与图像区域亮度成线性正相关，残余水量高区域较残余水量低区域的亮度高。
　　5.氧化调理活性污泥流变学特性研究
　　一般认为污泥为非牛顿流体物质，其流变学行为亦能反映其结构随调理条件的变化，从而为其脱水机理研究提供了有效手段。采用振幅扫描测试、蠕变恢复实验及频率扫描测试研究了污泥调理前后的粘弹性、剪切变形及粘度变化，结果表明:在线性粘弹区内，振幅扫描结果表明污水污泥具有粘弹性和凝胶状结构;蠕变和恢复实验表明，由于高铁酸钾的投加胞外聚合物被破坏，调理后的污泥比原始污泥更容易剪切变形;氧化调理后污泥粘度均呈线性降低。流变测试结果证实了氧化调理对污泥胞外聚合物的破解作用及LE-NMR测试得到的水分变化结果。
　　总体而言，活性污泥氧化-物理联合调理脱水性能显著优于其单一调理过程。其中，当高铁酸钾投加量为3.0g/L、生物炭投加量为9.0g/L时，调理后污泥的毛细吸水时间和破解度分别增加到43s和2.58，同时，所得泥饼含水率为42.3％，较常规压滤所得泥饼减少近35.7％。这主要可归因于二者之间的协同作用:高锰酸钾氧化可有效促进胞外聚合物破解并促进结合水脱缚解离，同时，团块状污泥絮体在强氧化剂作用下分解为具有分散性更好的微小絮体，因此，在一定程度上缓解了渗水通道堵塞问题;此外，污泥生物炭丰富的介孔结构赋予其良好的骨架构建能力，为外场力作用下自由水迁移脱出提供必要的通道，以上两种作用具有良好的协同效应，从而实现调理污泥高效脱水。
　　综上所述，本文以高锰酸钾、污泥生物炭分别为化学、物理调理剂，构建了一种以同源性调理剂为核心及联合调理为特色的活性污泥高效脱水新方法，形成污泥资源化利用新思路。此外，通过低场核磁共振与流变学特征分析联用，从胞外聚合物破解、泥饼残余水分空间分布、浓缩污泥流变行为等多维角度系统阐明了其调理过程及深度脱水机理，为攻克污泥脱水难题提供了新的解决思路与突破方向。