餐廚垃圾中溫干式厭氧消化污泥的流變特性研究

1、餐廚垃圾中溫干式厭氧消化污泥的流變特性研究王彥祥，何琴，李蕾，等環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，（）：1實(shí)驗(yàn)背景利用中溫干式厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾，具有能耗低、有效利用反應(yīng)器容積并且消化污泥產(chǎn)出量低的優(yōu)點(diǎn)。前人對影響反應(yīng)器產(chǎn)氣效率和運(yùn)行穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究析，得出餐廚垃圾成分、溫度、TS、攪拌強(qiáng)度及顆粒粒徑等因素會(huì)對厭氧消化造成不同程度的影響2實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊圆蛷N垃圾為進(jìn)料進(jìn)行半連續(xù)式和序批式的中溫厭氧消化試驗(yàn)，以反應(yīng)器中的厭氧消化污泥為研究對象，通過繪制粘溫曲線、粘度曲線和流動(dòng)曲線，考察溫度、TS和剪切速率對污泥流變性的影響，以期為厭氧消化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，熱交換系統(tǒng)、污泥泵送系統(tǒng)和物料混合系統(tǒng)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、3材料與方法材料餐廚垃圾取自重慶大學(xué)區(qū)某學(xué)生食堂，人工剔除竹筷、紙張等雜質(zhì)，通過篩網(wǎng)濾掉流動(dòng)的油脂。半連續(xù)式厭氧消化試驗(yàn)的接種污泥取自重慶市白市驛某沼氣池，經(jīng)馴化后使用。序批式厭氧消化試驗(yàn)的接種污泥取自運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)器。4單相CSTR厭氧消化反應(yīng)器反應(yīng)器有效容積為50，上部進(jìn)料下部出料。關(guān)閉進(jìn)、出料口時(shí)反應(yīng)器內(nèi)部形成厭氧狀態(tài)。通過溫控儀控制加熱循環(huán)水，反應(yīng)器內(nèi)部溫度維持在中溫(352)。斜葉式機(jī)械攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為45rmin，運(yùn)轉(zhuǎn)周期為5 minh 。返回5反應(yīng)器運(yùn)行過程中有機(jī)負(fù)荷（Organic loading rate，OLR）變化情況運(yùn)行階段/d120213031848

3、5113OLR/(kgmd)4.5502.5返回6材料與方法半連續(xù)式厭氧消化試驗(yàn)進(jìn)料前將餐廚垃圾粉碎至粒徑小于2mm。反應(yīng)器運(yùn)行過程中，進(jìn)料餐廚垃圾TS保持不變，由于反應(yīng)器運(yùn)行過程中受到抑制，本試驗(yàn)采用加水稀釋的方式降低反應(yīng)器中的TS半連續(xù)式反應(yīng)器運(yùn)行期間，每日定時(shí)從反應(yīng)器底部出料口取污泥樣品，測定、 以及動(dòng)力粘度，并測定其上清液的、 及氨氮含量，以評估反應(yīng)器的運(yùn)行狀況7加水稀釋量運(yùn)行階段/d15455747594951131）加水量/(mLd)010001001000注：1）第104、105及108天加水量為1000 mLd ，其余日期均為100 mLd8序批式反應(yīng)器返回9材料與方法序批式厭

4、氧消化試驗(yàn)通過加水將接種污泥稀釋至不同TS水平，取300 mL污泥加入500 mL的廣口瓶，餐廚垃圾和污泥在試驗(yàn)前粉碎至粒徑小于2mm，有機(jī)負(fù)荷設(shè)定為4 kgm-3（以VS計(jì)），每個(gè)TS設(shè)兩個(gè)平行試驗(yàn)通過往復(fù)式恒溫水浴振蕩器(SHA-C) 維持消化溫度35，振蕩頻率為20 rmin-1。反應(yīng)結(jié)束后測定污泥的TS、VS/TS以及動(dòng)力粘度。10污泥TS、VS / TS及取樣時(shí)間11溫度對流變特性影響測試通過水浴加熱將污泥樣品從室溫20升至70 ，隨后自然降溫，粘度計(jì)選用3轉(zhuǎn)子，固定剪切速率為41.8 s-1取半連續(xù)式反應(yīng)器內(nèi)的消化污泥，TS分別為26.23%、22.17%、21.41%，測定不同溫

5、度下的動(dòng)力粘度，繪制粘溫曲線12溫度對流變特性影響測試污泥的動(dòng)力粘度隨溫度的升高而低，即溫度越高，流動(dòng)性越好污泥在自然降溫時(shí)的動(dòng)力粘度高于升溫時(shí)的動(dòng)力粘度，說明溫度升高的過程對污泥流變性造成了不可逆的影響半連續(xù)式消化污泥溫度動(dòng)力粘度曲線13溫度對污泥的空間結(jié)構(gòu)和流變性影響很大，溫度提高時(shí)，表面張力減小和分子熱運(yùn)動(dòng)加劇以及污泥中微生物的活性增強(qiáng)導(dǎo)致污泥顆粒之間的凝聚力減小，動(dòng)力粘度降低；在降溫時(shí)污泥顆粒之間的凝聚力提升，同時(shí)溫度的改變對厭氧消化污泥的空間結(jié)構(gòu)造成了不可逆的影響，導(dǎo)致降溫時(shí)的動(dòng)力粘度高于升溫時(shí)的粘度值。作為進(jìn)料的餐廚垃圾提供的豐富有機(jī)質(zhì)則影響了污泥表面聚合物的成分及數(shù)量，增強(qiáng)了污泥

6、空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，比較同一溫度下的動(dòng)力粘度，TS含量越高，這種影響越明顯。14TS含量和剪切速率對流變特性影響測試通過恒溫水浴控制污泥樣品溫度為(35.00.1)，通過由低到高的剪切速率(2.0941.8 s-1)，測定污泥的動(dòng)力粘度，繪制粘度曲線。樣品測定時(shí)，半連續(xù)式消化污泥TS和對應(yīng)選用的粘度計(jì)轉(zhuǎn)子分別為29.54% (4)、26.08% (4) 、24.82% (3) 、22.64% (3)序批式消化污泥TS和對應(yīng)選用的粘度計(jì)轉(zhuǎn)子分別為22.48 % (3)、 20.13 % (3) 、18.40 % (3) 、16.46 % (3) 、13.96 % (2) 、12.09 % (2)1

7、5剪切速率動(dòng)力粘度曲線16TS含量和剪切速率對流變特性影響測試兩種污泥的動(dòng)力粘度均隨著剪切速率的提高而減小，并在低剪切速率下（10.4 s-1）隨剪切速率的提高而迅速下降；隨著剪切速率繼續(xù)增大（ 20.9s-1），減小幅度下降，最后趨于穩(wěn)定。TS含量越低，動(dòng)力粘度值趨于穩(wěn)定的速度也越快，TS越高，達(dá)到穩(wěn)定值所需要的剪切速率也越大粘度曲線說明餐廚垃圾厭氧消化污泥為非牛頓流體，并具有剪切變稀的特點(diǎn)，TS含量越高這一特征越明顯17TS含量和剪切速率對流變特性影響測試Abu-Jdayil等(2010)認(rèn)為TS含量的提高使污泥顆粒直徑彼此更為接近，導(dǎo)致污泥顆粒之間的相互作用更強(qiáng)，導(dǎo)致動(dòng)力粘度提高；Pev

8、ere等(2006)的研究顯示TS含量不變時(shí)，顆粒直徑的減小會(huì)增加顆粒彼此之間接觸的表面積，從而增加污泥的極限粘度18TS含量和剪切速率對流變特性影響測試污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體。攪拌會(huì)對污泥產(chǎn)生剪切作用，污泥顆粒間的凝聚力傾向于恢復(fù)污泥的空間結(jié)構(gòu)，剪切應(yīng)力傾向于破壞污泥結(jié)構(gòu)，在臨界狀態(tài)時(shí)，污泥結(jié)構(gòu)完全破壞，污泥發(fā)生流動(dòng)。因而剪切速率增大時(shí)污泥的空間結(jié)構(gòu)破壞，粘度值降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，相應(yīng)的傳質(zhì)傳熱效率提升。19厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測定取序批式消化污泥進(jìn)行測定，獲得剪切速率剪切應(yīng)力的上升曲線和下降曲線，同時(shí)獲得相應(yīng)的粘度曲線，污泥TS和粘度計(jì)轉(zhuǎn)子選用同2.3.2節(jié)；粘度計(jì)使用2

9、轉(zhuǎn)子，固定剪切速率 為31.4 s-1 ，測定污泥動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間發(fā)生的變化，并記錄剪切時(shí)的溫度變化，繪制溫度時(shí)間曲線和粘度曲線，污泥TS分別為16.46%、13.96%、12.09%。20厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測定剪切速率剪切應(yīng)力的上升曲線與下降曲線不重合，形成滯后環(huán)，說明餐廚垃圾厭氧消化污泥為時(shí)間相關(guān)性流體。滯后環(huán)同時(shí)也是流體觸變性的度量，觸變性不同的流體，滯后環(huán)形狀也有所差異，污泥TS含量越高，滯后環(huán)面積越大，觸變性也越強(qiáng)。21污泥的觸變性指的是時(shí)間相關(guān)性流體受施加的剪切應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，破壞程度與剪切速率及剪切時(shí)間成正相關(guān)，從而出現(xiàn)圖中 污泥在固定的剪切速率下

10、動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間增加逐漸下降的現(xiàn)象。厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測定 =31.4 s-122厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測定污泥的動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間增加而降低，并且在剛開始剪切時(shí)動(dòng)力粘度變化快，隨后變化趨于穩(wěn)定。粘度測定過程中污泥溫度變化較小，可認(rèn)為測定時(shí)溫度對流變性的影響一致。23厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測定研究污泥觸變性的意義在于：攪拌速度決定了剪切速率，影響反應(yīng)器內(nèi)的速度場以及剪切力場，進(jìn)而改變污泥的流變性質(zhì)并對傳質(zhì)和傳熱起主導(dǎo)作用，對污泥顆粒的粒徑和生長狀態(tài)造成影響。剪切應(yīng)力與污泥TS含量直接相關(guān)，在輸送污泥時(shí)如果攪拌產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不夠高，會(huì)使污泥難以維持均質(zhì)流并可能導(dǎo)致管路堵塞；對于厭氧消化反應(yīng)器，攪拌不適或者污泥長時(shí)間靜置會(huì)導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)重建造成靜止不動(dòng)的區(qū)域，這會(huì)嚴(yán)重影響污泥均質(zhì)化，而這種效應(yīng)會(huì)隨TS含量的提高變得更為明顯。因而對于高TS含量的餐廚垃圾厭氧消化污泥，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和攪拌系統(tǒng)及泵送系統(tǒng)的優(yōu)化，污泥的觸變性是需要考慮的重要因素。24結(jié)論餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體，具有時(shí)間相關(guān)性，為觸變性流體，并具有一定的剪切應(yīng)力。餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥隨著溫度提高，動(dòng)力粘度