隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和污水處理廠處理效率的提高，剩余污泥產(chǎn)量逐年增加.據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市污泥年產(chǎn)量已達(dá)3000萬噸(以80%含水率計(jì))，其中80%未得到妥善處理.在眾多的污泥處理方法中，厭氧消化技術(shù)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥減量和回收能源，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用.然而，目前污泥厭氧消化的效率不高，尤其是我國(guó)污水處理廠厭氧消化池的運(yùn)行效果不夠理想，設(shè)計(jì)和運(yùn)行缺乏理論指導(dǎo).對(duì)于一個(gè)厭氧消化系統(tǒng)，物料的流變特性是工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重要參數(shù)，對(duì)傳質(zhì)、傳熱、攪拌和物料輸送等厭氧消化單元有重要意義.在厭氧消化過程單元設(shè)計(jì)中，必須清楚原料的流體類型，計(jì)算出原料的流變參數(shù)，才能對(duì)厭氧消化、特別是高濃度物料厭氧消化進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)以及設(shè)備選用與開發(fā).此外，原料的流變特性也是厭氧消化工藝控制的重要依據(jù).
由于流變特性在厭氧消化工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重要作用，一些學(xué)者對(duì)污泥的流變特性做了初步研究.Pollice和Laera研究了在不同水力停留時(shí)間下污泥以黏度表征的流變特性.Chen和Hashimoto對(duì)新鮮污泥的流變特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)的濃度變化范圍是2.71%～6.53%，溫度變化范圍為 9.5～26 ℃，這個(gè)較低的濃度和溫度變化范圍不能適應(yīng)如今廣泛使用的中高溫(>35 ℃)、高濃度(>8%)厭氧消化.Sozanski 等用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)污泥進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)研究，對(duì)流變曲線進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了流變模型，并針對(duì)模型給出了經(jīng)驗(yàn)公式和一些預(yù)測(cè)參數(shù)值來探討污泥在不同濃度和溫度下的流變特性.Bos使用毛細(xì)管流變儀和旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)污泥流變特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立了溫度和含水率對(duì)污泥流變特性影響的流變方程.
目前，關(guān)于污泥厭氧消化原料流變特性的研究主要集中在污泥本身，而對(duì)于餐廚垃圾與污泥混合物料的流變特性研究，國(guó)內(nèi)外卻鮮有報(bào)道.近年來，國(guó)內(nèi)外采用餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵的研究及沼氣工程日益增多，大部分研究都集中在餐廚垃圾對(duì)泥質(zhì)的改善方面，而對(duì)于添加餐廚垃圾對(duì)污泥流變特性的影響研究卻很少，導(dǎo)致混合發(fā)酵原料流變特性參數(shù)仍然缺乏，制約了厭氧消化單元過程的優(yōu)化設(shè)計(jì).
本文對(duì)4種主要的厭氧消化原料——脫水污泥、脫水污泥與餐廚垃圾混合物、剩余污泥以及剩余污泥與餐廚垃圾混合物的流變特性進(jìn)行了研究，考察了物料濃度和溫度對(duì)流變特性參數(shù)的影響，并擬合了相應(yīng)模型，以期為厭氧消化設(shè)備選用及工藝設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù).
2 材料和方法
2.1 試驗(yàn)材料
脫水污泥(dewatered sludge，以下簡(jiǎn)稱DS)和剩余污泥(waste activated sludge，以下簡(jiǎn)稱WAS)取自天津市張貴莊污水處理廠，餐廚垃圾取自天津大學(xué)學(xué)生食堂，原料取回后保存于4 ℃冰箱冷藏待用，餐廚垃圾首先經(jīng)人工分選出其中的雜物，包括塑料、紙類及骨頭等，然后用破碎機(jī)破碎后攪勻冷藏.DS的總固體濃度(TS)和揮發(fā)性固體濃度(VS)分別為16.4%和9.4%，WAS的TS和VS濃度分別為2.6%和1.4%，破碎后餐廚垃圾的TS和VS濃度分別為19.3%和18.9%.
2.2 試驗(yàn)方法
2.2.1 固體濃度對(duì)原料流變特性影響
根據(jù)原料的起始 TS濃度，用蒸餾水分別將DS、DS與餐廚垃圾按TS 4 ∶ 1混合的混合物(the mixture of dewatered sludge and food waste，以下簡(jiǎn)稱MDF)配制成TS濃度分別為1%、3%、5%、8%和10%的混合液裝于500 mL 燒杯中;用恒溫水浴鍋控制混合液溫度為35 ℃，樣品經(jīng)過攪拌之后，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(NDJ5-S，中國(guó)上海)測(cè)量 4 個(gè)攪拌轉(zhuǎn)速(6、12、30、60 r · min-1)下的黏度，待讀數(shù)基本穩(wěn)定時(shí)，每10 s 讀數(shù)1次，共讀取7個(gè)黏度值，取算術(shù)平均值.
由于WAS的流體稠度系數(shù)(K)較高，在濃度大于5%時(shí)，物料的黏度急劇增大，不利于污泥厭氧消化的進(jìn)行，并且污水廠WAS濃縮后濃度一般在3%～5%，所以對(duì)于WAS流變特性的研究只在較低濃度下進(jìn)行.根據(jù)原料的起始TS，用蒸餾水或離心機(jī)分別將WAS、WAS與餐廚垃圾按TS 4 ∶ 1混合的混合物(the mixture of waste activated sludge and food waste，以下簡(jiǎn)稱MWF)配制成TS濃度分別為1%、3%和5%的混合液裝于500 mL燒杯中，黏度測(cè)量方法同上.
2.2.2 溫度對(duì)原料流變特性影響
將上述4種原料配制成TS為5%的混合液并裝于 500 mL 燒杯中，用恒溫水浴鍋將混合液溫度分別控制在 15、25、35、45 ℃和55 ℃條件下，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量黏度.
黏度隨溫度變化趨勢(shì)采用線性模型描述，如式(1)所示.
式中，μ為表觀黏度(mPa · s);t為溫度(℃).
3 結(jié)果與討論
3.1 4種發(fā)酵原料的流變特性
黏度是反映原料流變特性的重要指標(biāo).根據(jù)流體黏度的變化規(guī)律，可將流體分為兩大類：在一定溫度下，流體的黏度值不隨剪切速率變化而變化，為一常數(shù)，這類流體稱為牛頓流體;在一定溫度下，其黏度值隨剪切速率的變化而變化，這類流體稱為非牛頓流體.
非牛頓流體極為普遍，廣泛存在于化工、食品及建筑材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域.由于與牛頓流體相比，非牛頓流體的流變特性極為復(fù)雜，在研究過程中經(jīng)常會(huì)遇到各種困難.因此，到目前為止，對(duì)于非牛頓流體的研究還很少，而針對(duì)污泥以及餐廚垃圾與污泥混合物的研究則更少.由于非牛頓流體的普遍性及其流變特性的復(fù)雜性，在研究過程中，逐漸形成了一些描述非牛頓流體剪切應(yīng)力和剪切速率之間關(guān)系的非牛頓流體流變模型，常用的非牛頓流體流變模型主要有冪律方程(Power-law model)、賓漢方程(Bingham model)、Herschel-Bulkley方程、Cassion方程、Sisko方程等(李學(xué)哲等，2009).張新瑜等(2008)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了活性污泥的流變特性符合 Ostwald de Vaele 模型.Hasar(2004)研究了MBR反應(yīng)器中活性污泥的流變特性，結(jié)果表明，低剪切速率范圍內(nèi)活性污泥最適合的流動(dòng)模型是Ostwald de Vaele 模型.Ostwald de Vaele 模型又稱沒有屈服應(yīng)力的冪律模型，是最常用的模型之一，而本次試驗(yàn)所選取的剪切速率(6～60 r · min-1)屬于低剪切速率范圍，因此可以使用冪律方程(如式2)來描述其流變特性.
式中：μ為表觀黏度(mPa · s); N 為轉(zhuǎn)速(r · s-1); K為流體稠度系數(shù)(Pa · sn); n為流體流變指數(shù)(無因次).
根據(jù)式(2)，測(cè)定不同轉(zhuǎn)速條件下的原料黏度，由冪律方程擬合得到4種發(fā)酵原料的流變特性參數(shù)，如表 1所示.流變指數(shù)n是衡量實(shí)際流體與牛頓流體相似程度的指標(biāo).當(dāng)n為1時(shí)，此時(shí)流體為牛頓流體;n小于1時(shí)，流體為假塑性或者剪切變稀流體;n大于1時(shí)，流體為膨脹塑性或者剪切增稠流體.從表 1中可以看出，4種原料的流變指數(shù)n都小于1，在 TS 為 5%、溫度為35 ℃條件下都為假塑性流體(陳志平等，2004).造成這4種原料呈現(xiàn)明顯的假塑性流體性質(zhì)的原因可能是污泥主要由微生物聚集體(即活性污泥菌膠團(tuán))、廢水帶入的無機(jī)性沉渣、少量未降的有機(jī)物等大分子物質(zhì)和大量的水分組成，污泥混合液中大分子物質(zhì)的存在會(huì)使原料在受到剪切后發(fā)生分子的重排，分子趨向與流動(dòng)方向一致，流動(dòng)阻力下降，從而使表觀黏度在剪切速率增大時(shí)減小(劉刈等，2009).4種原料中WAS的流變指數(shù)最小，剩餐的最大，這說明在 TS 為 5%、溫度為35 ℃條件下4種原料中MWF的流變性質(zhì)最接近牛頓流體，而WAS偏離牛頓流體的程度最大.此外，4種原料中MDF的黏度最小，WAS的黏度最大，而流體稠度系數(shù)作為黏度的量度，使得通過擬合的得到的4種原料的流體稠度系數(shù)中MDF最小，WAS最大.
表1 4種發(fā)酵原料在 TS=5%、35 ℃條件下的流變指數(shù)(n)、流體稠度系數(shù)(K)和黏度(μ)
3.2 TS對(duì)4種原料流變特性的影響
3.2.1 TS對(duì)黏度的影響
4種發(fā)酵原料在不同剪切速率條件下的黏度隨TS濃度的變化如圖 1所示.其中，DS與MDF在TS為1%時(shí)，黏度很小，已經(jīng)超出了旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測(cè)量范圍，故未在圖 1中表示.由圖 1可以看出，隨著TS濃度的升高，4種發(fā)酵原料的黏度隨之增大，并呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì).這說明，TS濃度越高，污泥中的絮體結(jié)構(gòu)相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密，從而使得表觀黏度越大(Monteiro，1997).此外，由圖 1還可以得出，隨著剪切速率的增大、原料濃度的減小，原料黏度降低的幅度就越大，呈現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象;而相關(guān)研究表明，污泥的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低(李學(xué)哲等，2009;Yang et al., 2009;張新瑜等，2008;董玉婧等，2012;Klinksieg et al., 2007; Aranowski et al., 2010)，這是假塑性流體的性質(zhì)之一，可見這4種原料屬于假塑性流體.
Guibaud等認(rèn)為污泥混合液之所以具有假塑性流體等非牛頓流特性可能是由于轉(zhuǎn)子的剪切作用，使得原本不均勻的污泥顆粒產(chǎn)生定向流或者是使得污泥絮體解絮以致表觀黏度下降而造成的(Guibaud et al., 2004).
圖1 35 ℃條件下4種發(fā)酵原料黏度隨濃度的變化
3.2.2 TS對(duì)流變指數(shù)的影響
目前，大中型沼氣工程發(fā)酵原料濃度差別很大，不同的原料、水力停留時(shí)間都會(huì)造成厭氧消化罐內(nèi)的濃度差別，濃度變化從低濃度物料的 2%到目前高濃度厭氧消化進(jìn)料濃度 10%左右(鄧良偉等，2007)，所以有必要考察固體濃度對(duì)發(fā)酵原料流變特性的影響.
由圖 2可以看出在60 r · min-1剪切速度下添加餐廚垃圾后的MWF和MDF的黏度較相應(yīng)的純泥而言都有所降低，一方面可能是由于餐廚垃圾的含水率較原泥的含水率低，在配制混合液時(shí)會(huì)加入更多的水稀釋，從而導(dǎo)致黏度的降低;另一方面通過對(duì)TS為3%、5%、8%濃度的餐廚垃圾進(jìn)行黏度的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)黏度值均在50 mPa · s以下，因此推測(cè)將一種很低黏度的流體混入相對(duì)較高黏度流體后，可能會(huì)使得混合液黏度變小.在TS為5%時(shí)，DS和MDF的黏度明顯小于WAS和MWF.本課題組前期試驗(yàn)結(jié)果顯示，在TS為5%濃度下分別對(duì)MWF和MDF進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，MDF與MWF混合厭氧發(fā)酵平均日產(chǎn)氣量分別為411.5 mL · L-1 · d-1、256.2 mL · L-1 · d-1，MDF厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量是MWF的1.6倍.MDF比MWF的產(chǎn)氣性能好，這可能跟MDF的黏度較低，便于物料與反應(yīng)器中基質(zhì)和微生物混合有關(guān).由圖 2還可以看出，DS和MDF的黏度在TS=1%到TS=8%的濃度區(qū)間內(nèi)變化較為緩慢，但當(dāng)TS從8%增長(zhǎng)到10%時(shí)，物料的黏度急劇增大，因此對(duì)于高濃度物料的消化系統(tǒng)而言，如果物料不進(jìn)行預(yù)處理，TS=8%是一個(gè)較為利于厭氧消化的濃度條件.
圖2 不同TS濃度條件下4種原料黏度的比較以及變化(35 ℃、剪切速度60 r · min-1)
由圖 3可以看出，4種原料的流變指數(shù)均隨TS濃度升高而呈先升高后降低的趨勢(shì)，不同的是WAS和MWF是在TS=3%時(shí)流變指數(shù)最大，而DS和MDF是在TS=5%時(shí)流變指數(shù)最大.造成這種差異的原因可能是WAS和DS組成成分不同做造成的.WAS和MWF在TS=3%時(shí)更接近牛頓流體，說明在TS=3%時(shí)厭氧消化系統(tǒng)中傳質(zhì)和傳熱效果較好，有利于厭氧消化過程的進(jìn)行.而對(duì)于DS和MDF而言，TS=5%時(shí)流變指數(shù)最大，同樣在這個(gè)濃度下也有利于物料的混合，這也從另一方面解釋了前期發(fā)酵試驗(yàn)中在TS為5%濃度下MDF比MWF的產(chǎn)氣性能好的原因.
圖3 不同 TS 濃度條件下4種原料的流變指數(shù)n的變化(35 ℃、剪切速度60 r · min-1)
3.3 溫度對(duì)流變特性的影響
3.3.1 溫度對(duì)黏度的影響
4種發(fā)酵原料在不同剪 切速率條件下的黏度隨溫度的變化如圖 4所示.由圖 4可以看出，這4種原料黏度隨溫度變化基本符合線性關(guān)系.4種原料的黏度隨著溫度的升高而下降;剪切速率越低黏度越大，且下降的幅度越大.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是隨著溫度的升高，污泥的活性成分被激活，會(huì)表現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象，含水率越高，流變參數(shù)就越低(張曉斌，2014).而從現(xiàn)有的研究顯示，高溫發(fā)酵或?qū)Πl(fā)酵原料進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗笤龠M(jìn)行發(fā)酵的工藝，單位VS產(chǎn)氣量均高于中溫發(fā)酵;造成這種結(jié)果的原因除了在高溫條件下原料內(nèi)大分子物質(zhì)水解程度較高外，還可能是高溫條件下原料的黏度較低，使得混合更加充分，從而使得產(chǎn)氣效率較高.
圖4 4種原料黏度隨溫度的變化(TS=5%)
3.3.2 溫度對(duì)流變指數(shù)的影響
TS為5%時(shí)4種原料流變指數(shù)隨溫度的變化情況如圖 5所示.由圖 5可以看出4種原料的流變指數(shù)隨著溫度的升高而增大.這說明溫度越高，這4種原料的流變性質(zhì)越接近牛頓流體.在這4種原料中，可以明顯的看出WAS的流變指數(shù)最小，偏離牛頓流體的程度最大;MWF的流變指數(shù)最大，最趨向于牛頓流體.通過對(duì)原始餐廚垃圾的流變特性分析，含水率為81.54%的未稀釋餐廚的黏度為1814 mPa · s，流變指數(shù)為0.6177，流變指數(shù)大于本文所研究的4種原料的任何1種;可能是餐廚垃圾較純污泥更趨向于牛頓流體，餐廚垃圾的加入導(dǎo)致污泥流變特性的改變，使得混合液較純泥更趨向于牛頓流體.DS的流變指數(shù)升高的幅度較大，其余3種原料升高的幅度較小.這說明相對(duì)于其他3種原料，DS的黏度對(duì)溫度變化更敏感。
圖5 4種原料流變指數(shù)n隨溫度的變化(TS=5%)
4 結(jié)論
1)隨著固體濃度由1%升高到10%，4種消化原料的黏度隨之增大，并呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì).此外，隨著剪切速率的增大，原料的濃度越小，黏度降低的幅度就越大，呈現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象.
2)隨著固體濃度由1%升高到10%，4種厭氧消化原料的流變指數(shù)呈先升高后降低的趨勢(shì)，WAS和MDF在TS=3%時(shí)流變指數(shù)最大，而DS和MDF在TS=5%時(shí)流變指數(shù)最大.
3)4種厭氧消化原料在總固體(TS)濃度為 5%、35 ℃條件下都為低黏度假塑性流體，MWF的流變特性最接近牛頓流體，而WAS偏離牛頓流體的程度最大;添加餐廚可以改變污泥的流變特性，使其黏度減小，流變指數(shù)增大.
4)當(dāng)溫度由15 ℃升高到55 ℃時(shí)，4種原料的流變指數(shù)也隨之增大，這說明隨著溫度的升高，這4種原料的流變性質(zhì)趨向于接近牛頓流體;DS的流變指數(shù)升高的幅度較大，其余3種原料升高的幅度較小，說明DS的黏度對(duì)溫度變化更敏感.
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