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(duì)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(duì)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(duì)象，通過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中，進(jìn)料餐廚垃圾TS保持不變，由于反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)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(cè)定、 以及動(dòng)力粘度，并測(cè)定其上清液的、 及氨氮含量，以評(píng)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(guò)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(guò)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(cè)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(duì)流變特性影響測(cè)試通過(guò)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(cè)定不同溫

5、度下的動(dòng)力粘度，繪制粘溫曲線12溫度對(duì)流變特性影響測(cè)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(shuō)明溫度升高的過(guò)程對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)流變特性影響測(cè)試通過(guò)恒溫水浴控制污泥樣品溫度為(35.00.1)，通過(guò)由低到高的剪切速率(2.0941.8 s-1)，測(cè)定污泥的動(dòng)力粘度，繪制粘度曲線。樣品測(cè)定時(shí)，半連續(xù)式消化污泥TS和對(duì)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(duì)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(duì)流變特性影響測(cè)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(shuō)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(duì)流變特性影響測(cè)試Abu-Jdayil等(2010)認(rèn)為T(mén)S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(duì)流變特性影響測(cè)試污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體。攪拌會(huì)對(duì)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(cè)定取序批式消化污泥進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)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(shuō)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(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)定過(guò)程中污泥溫度變化較小，可認(rèn)為測(cè)定時(shí)溫度對(duì)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(cè)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(chǎng)以及剪切力場(chǎng)，進(jìn)而改變污泥的流變性質(zhì)并對(duì)傳質(zhì)和傳熱起主導(dǎo)作用，對(duì)污泥顆粒的粒徑和生長(zhǎng)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(duì)于厭氧消化反應(yīng)器，攪拌不適或者污泥長(zhǎng)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(duì)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