随着我国城镇化水平不断提高,污水处理设施建设得到了高速发展,城镇污水处理厂数超过3900座,预计全国年污泥总产生量很快突破4000万吨,而80%以上的污泥并未得到有效且安全的处理和处置,成为水环境中重要的二次污染源,污泥的快速有效处理已经刻不容缓。减量是污泥处理过程中最基础的步骤,其目的是降低污泥含水率、减小污泥体积。污泥脱水技术正经历着从单一技术到多技术联合使用的过程,多技术联合使用本质上属于多场的联合作用,污泥脱水过程的理论核心是作用场之间以及作用场与污泥之间的相互作用,目前的研究对作用场与污泥直接以及作用场之间的相互作用缺乏透彻的理解,污泥脱水过程中多场的耦合作用研究几乎处于空白。本文基于污泥减量的的研究思路,创新性的提出通过表面活性剂调理及旋流作用强化污泥脱水的思路,在污泥调理及脱水过程实现污泥减量,降低污泥处置成本。自合成偶联表面活性剂,通过实验和分子动力学模拟研究,寻求活性污泥与表面活性剂之间的对应关系,从微观尺度理解表面活性剂在污泥处理过程中应用的分子机理。通过实验研究剪切力场下污泥破解过程,定量化表征污泥絮体的变化规律,探讨旋流剪切场中污泥破解机制。采用PIV技术对旋流分离器内流场进行测试,采用高速数字摄像技术对旋转流场中的颗粒转动特性进行测量。最后研究旋流分离器大规模并列放大过程中流量、压降分布特性。所完成的研究工作和取得的创新性研究成果如下：(1)自合成了偶联表面活性剂12-3-12,2Br,并与单链表面活性剂DTAB进行对比实验,投加两种不同的表面活性剂对活性污泥对进行调理,表面活性剂的调理会对污泥絮体特性、污泥脱水宏观指标、污泥沉降指标产生显著影响。12-3-12,2Br的调理对污泥絮体特性的影响较DTAB更为显著；12-3-12,2B-调理后的污泥过滤性能、滤饼含水率等效果更佳；DTAB的加入能够持续降低污泥体积,12-3-12,2Br-在低投加量时,沉降性能改善明显,投加量过大,污泥沉降效果反而变差。(2)采用粗粒化的分子动力学模拟方法,研究了偶联表面活性剂和聚电解质链的相互作用过程及偶联表面活性剂与聚电解质链形成复合物的结构。模拟发现,表面活性剂的数量和聚电解质链的亲疏水性对相互作用过程及最终形成复合物的结构有直接影响；吸附经历“瓶刷”、“串珠”、“串珠”长大、复合物胶束四个过程,最终形成比较稳定的复合物胶束。对于亲水性聚电解质链,吸附驱动力主要为静电吸引,最终形成棒状胶束。对于疏水性聚电解质链,吸附驱动力为静电吸引与疏水缔合的协同作用,最终形成球状胶束。表面活性剂联结基团长度对吸附过程影响不显著；电荷密度对亲水聚电解质链的吸附产生协同作用,而疏水聚电解质链的吸附几乎不受电荷密度的影响。偶联表面活性剂与聚电解质物质之间的强烈相互作用,能够破坏污泥絮体结构并释放内部的自由水,提高污泥的脱水速率。同时偶联表面活性剂的存在,阻断了水分子与聚电解质物质的结合,释放出部分结合水,提高污泥的脱水程度。(3)实验研究了旋流分离器内剪切力场下的污泥破解过程,对比表面活性剂调理前后,旋流剪切作用的不同,从污泥絮体特性、污泥脱水性能和污泥沉降性能三个方面考察了旋流剪切对污泥脱水的影响。研究表明,在旋流分离器内存在因速度梯度产生的强剪切应力,以及强湍流流动和局部压力脉动,会对污泥絮体絮体特性产生重要的影响。在旋流作用下,污泥絮体结构会发生破解,絮体表面杂质被磨损移除而显得细腻；絮体破解同时释放有机质至水中,上清液中多糖与蛋白质浓度增加显著,随着旋流剪切作用时间增加,多糖与蛋白质浓度增加减缓；絮体的破解导致污泥的絮凝性能大大降低,使得污泥的过滤性能变差；剪切作用同时也会导致滤饼含水率的降低。旋流分离器作为污泥破解的动力源,除了提供剪切作用外,还会使污泥固液分离、粒度分级。未经表面活性剂调理的污泥,对剪切作用更为敏感,而调理后的污泥9脱水效果更好一些,就脱水性而言,表面活性剂调理与旋流剪切双重作用效果良好。(4)采用PIV和高速数字摄像技术对污泥旋流分离器内流场及颗粒转动特性进行了测试研究。流场及颗粒运动研究表明,内部的流场流态取决于旋流分离器的结构参数；轴向速度分布受旋流分离器单进口及空气柱影响,并非完全轴对称结构；径向速度沿轴向分布呈现出运动方向交替变换的规律。测试颗粒除了绕旋流分离器中心轴线作公转运动外,还绕自身轴线作自转运动,以及随机性更强的翻转运动。颗粒公转、自转、翻转运动受进口流量影响显著,线速度、角速度及分离因数均随进口流量增大而增大。颗粒的公转、自转规律性更明显,翻转运动随机性更强。颗粒自转角速度明显大于公转和翻转角速度,自转分离因数是公转分离因数的10～15倍,这表明在旋流分离器内,颗粒自转的强度要远大于公转强度,这是之前研究所不曾关注的。(5)以U-U型并列配置为研究对象,建立中试和工程化装置,进行大规模污泥旋流分离设备并列的流量、压力分布特性研究。12倍并列放大中试装置,流量和压降分布在P=0.10MPa时最为均匀,最大的波动值分别为3.6%和7.2%；流量和压降的实验测量值与理论计算值能够很好的吻合。300倍并联放大工程化装置,沿轴向从下至上,旋流分离器流量分配呈递减的趋势,沿周向流量分布相对均匀；沿轴向压降分布波动较大,沿周向波动则相对平缓。在低进口压力下,流量和压降分布相对误差较大,分别为11.0%和8.5%。随着进口压力增大,流量和压降的实验测量值与理论计算值吻合的很好,表明流量与压降分布能够达到预期。