无机混凝剂自骨架化强化污泥脱水：超越电荷中和的孔隙网络重构机制

本文突破传统认知，揭示无机混凝剂(PAC/PFS)在污泥脱水中的自骨架化作用：通过Al3+/Fe3+原位水解形成微米级骨架结构，使孔隙协调数提升80-89%，绝对渗透率提高3.5-4.4倍，压缩系数降低63-69%，实现脱水性能（Wc=63.92%）接近飞灰(FA)基准。该发现为污泥调理提供了"结构调控"新视角。

　　

Highlight

本研究证明混凝剂调理对污泥脱水性能和滤饼结构的提升远超传统电荷中和机制，揭示了一种此前被忽视的无机混凝剂"类骨架"结构功能。除优化表面电荷和絮体尺寸外，大部分Al³⁺/Fe³⁺在混凝初期快速固定于形成中的滤饼内，通过原位水解形成微米级框架结构。这些框架使孔隙协调数相对原污泥(RS)提升80%(PAC)和89%(PFS)，将喉道直径离散度缩小至1.2μm，有效孔隙率提高两个数量级，同时降低弯曲度。最终绝对渗透率达到RS的3.5-4.4倍，压缩系数下降63-69%，杨氏模量近乎翻倍，表现优于PAM且接近FA水平。渗透率与Wc、压缩性与Wc间的强相关性，凸显了水力连通性和机械稳定性对高效脱水的协同重要性。

Conclusions

本研究证实无机混凝剂不仅具有传统电荷中和功能，还能通过自骨架化形成类骨架框架，从而支撑卓越的污泥脱水性能。主要发现包括：

• PAC和PFS显著改善脱水性能，将滤饼含水率降至63.92%和65.58%，CST缩短60%以上，表现优于PAM且接近FA基准

• SEM和EDS显示PAC/PFS水解产物在原位形成纤维状微骨架，通过3D重构证实其使孔隙协调数提升80-89%，喉道直径离散度降低至1.2μm

• 渗透率模拟显示骨架结构使绝对渗透率提高3.5-4.4倍，压缩系数降低63-69%，杨氏模量提升85-92%

• 强结构-性能相关性表明自骨架化通过协同优化水力传导路径和机械支撑来增强脱水

该发现填补了传统混凝理论与先进污泥调理策略间的认知鸿沟，为减少刚性骨架材料依赖提供了新思路。