專(zhuān)家PPT分享 | 污泥流變特性分析
曹秀芹:大家下午好,我是北京建筑大學(xué)曹秀芹。這兩天通過(guò)前面專(zhuān)家的報(bào)告收獲很大。一方面我們需要前瞻性的、理念性的、方向性的,到底污泥怎么處理,朝什么方向走,另外一部分更多則是一些可以操作的、可以落地的污泥技術(shù),可以去用的,因?yàn)楝F(xiàn)在污泥的問(wèn)題已經(jīng)堆到家門(mén)口了,這個(gè)事怎么解決,我想大家坐在這兒要找到一個(gè)更適合的也不是絕對(duì)唯一的方法,來(lái)解決污泥問(wèn)題。
其實(shí)我想把我們這兩年做的研究工作,給大家做個(gè)匯報(bào)?,F(xiàn)在的污泥處理由過(guò)去的相對(duì)比較單一的處理模式,向著多元化的深度處理方向發(fā)展,我們面對(duì)很多種類(lèi)的原料,比如我們有高濃度的污泥,也有高溫?zé)崴夂蛥捬跸奈勰啵瑫r(shí)還有不同有機(jī)質(zhì)的聯(lián)合厭氧消化,有濕式厭氧消化和干式厭氧消化,濕式15%以下,干式15%以上,這樣一個(gè)不同含水率的情況,覆蓋面這么大,和我們傳統(tǒng)處理工藝比起來(lái)發(fā)生了很大的變化。污泥這樣一種原料流體性質(zhì),發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變,從流變特性這個(gè)角度把我們做的工作和大家交流一下。
從污泥的流變特性來(lái)講,比如我們講某一個(gè)指標(biāo),或者某一個(gè)評(píng)價(jià)的體系,如果是既具有反映物料的理化性質(zhì),同時(shí)也從工程的層面來(lái)加以描述,我們覺(jué)得流變特性是一個(gè)兼具這兩個(gè)特性的指標(biāo)。一個(gè)方面描述了污泥的基本理化性質(zhì),如同檢測(cè)其他指標(biāo)一樣,另外一方面解決面對(duì)工程技術(shù)層面的問(wèn)題,比如說(shuō)我們談到沉降性能的問(wèn)題,脫水性能以及泵站、管道等輸送過(guò)程中流動(dòng)阻力的問(wèn)題,同時(shí)還有黏附性的問(wèn)題。從這樣一個(gè)角度看,盡管污水處理提標(biāo)改造是日趨完善的,但我們要面對(duì)含固率更高,流變行為更加復(fù)雜的污泥處理處置問(wèn)題。高含固污泥是典型的非牛頓流體,相對(duì)于傳統(tǒng)的低固污泥,流變性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化。它對(duì)整個(gè)污泥處理過(guò)程,不管采用什么樣的流程工藝,會(huì)影響到工藝的設(shè)計(jì),各個(gè)處理單元的傳質(zhì)、傳熱、混合性能以及具體的化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。對(duì)管道運(yùn)輸來(lái)講,則會(huì)影響壓力降計(jì)算、泵的選型,以及后續(xù)的處理,比如說(shuō)脫水環(huán)節(jié)、儲(chǔ)存等等。
常常很多物料性質(zhì)一個(gè)指標(biāo)、兩個(gè)指標(biāo)足夠反映,但是對(duì)于流變特性來(lái)說(shuō)則需要系列的參數(shù),從流動(dòng)狀態(tài)朝類(lèi)固態(tài)甚至朝固態(tài)發(fā)展,這樣一個(gè)過(guò)程基礎(chǔ)的技術(shù)支撐是什么東西?這是一個(gè)典型的流動(dòng)曲線圖,中間是牛頓流體,穿過(guò)原點(diǎn)的一條線,是一個(gè)線性關(guān)系,比如說(shuō)我們研究比較多的水的問(wèn)題,它是一個(gè)線性關(guān)系,我們比較好從一點(diǎn)工況類(lèi)推到另一點(diǎn)工況。隨著污泥含固率的變化,它由牛頓流體變成非牛頓流體,非牛頓流體又有不同的類(lèi)型,有時(shí)會(huì)表現(xiàn)有屈服值的假塑性流體。
描述這些流變參數(shù),也有些典型的流變模型,這些模型在工程中用的怎么樣?在工程設(shè)計(jì)里有沒(méi)有體現(xiàn),工程設(shè)計(jì)時(shí)候能不能直接拿它來(lái)用,我們也做了一些分析,通過(guò)數(shù)學(xué)的手段做一些顯著性的分析,到底在什么范圍適用于什么樣的流變模型。這是我們實(shí)際測(cè)試的曲線,重點(diǎn)關(guān)注了傳統(tǒng)的污泥厭氧消化4%的含固率,現(xiàn)在朝高濃度的方向走,我們到93%的含水率(即7%的含固率),10%的含固率的情況,流動(dòng)曲線和黏度曲線的變化情況,隨著含固率提高慢慢出現(xiàn)了屈服應(yīng)力值。你要讓這類(lèi)污泥流動(dòng)要給它一定的力,給它力就要消耗能量,它直接反映污泥整個(gè)輸送過(guò)程中,或者反映攪拌過(guò)程中能量的消耗。右邊圖是反映黏度的變化,隨著剪切速率的增加,實(shí)際上黏度是趨于穩(wěn)定的,剪切速率進(jìn)一步增加對(duì)它沒(méi)有影響,它趨于穩(wěn)定了,這個(gè)值通常叫做極限黏度。但是事實(shí)上我們很多處理設(shè)備,有可能是處在低剪切速率下。尤其是在關(guān)注生物處理的時(shí)候,都有這樣一個(gè)體會(huì),生物處理要保護(hù)微生物的活性,攪拌強(qiáng)度不能太大了,很多時(shí)候處在低剪切速率范圍下,低剪切速率范圍下黏度變化是急劇的變化過(guò)程,基于這樣的一些設(shè)計(jì)它一定會(huì)有偏差。也許我們主觀想象這樣去設(shè)計(jì)是一種情況,但實(shí)際上里面的流動(dòng)狀況不是你設(shè)想的情況。
我們從影響因素上看,有很多影響因素,其中重要的影響因素是污泥濃度和溫度,污泥里面的有機(jī)質(zhì)問(wèn)題,其實(shí)有機(jī)質(zhì)也是很重要的指標(biāo),這部分相關(guān)研究成果還在整理過(guò)程中,我們主要就前兩點(diǎn)污泥濃度和溫度的情況看一下。從濃度來(lái)講,現(xiàn)有的研究看,污泥濃度的變化隨著污泥濃度的增加,污泥的黏度、屈服應(yīng)力、稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù),都呈一個(gè)指數(shù)形式的變化,這是我們幾組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,規(guī)律性非常明顯,而且規(guī)律的重現(xiàn)性也非常好。我們可以看一下曲線在什么地方突然拉升起來(lái)了,突然變陡了,突然變陡了以后會(huì)怎么樣?大概可以看一下轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn),這個(gè)時(shí)候在我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候,也許可以提供一些參考,基本上在我們現(xiàn)有做的研究里,大概7%到8%含固率的污泥其屈服應(yīng)力、黏度都發(fā)生急劇的變化。我們縱向坐標(biāo)可能幅度大了一點(diǎn),如果小一些,在4%左右也是一個(gè)變化點(diǎn),4%的時(shí)候即原來(lái)傳統(tǒng)的污泥濃縮消化的時(shí)候,4%基本上近似把它視作牛頓流體,按照水的設(shè)計(jì),基本上可以按照牛頓流體的規(guī)律描述,但是到了7到8%以上發(fā)生很大的變化了。我們所有工藝?yán)锷婕暗胶搪首兓舛鹊淖兓臅r(shí)候,可以反映這樣一個(gè)規(guī)律。
實(shí)測(cè)的結(jié)果顯示,對(duì)于牛頓流體來(lái)講,它的黏度主要受溫度的影響。但是對(duì)于非牛頓流體來(lái)看,隨著物料成分、物料組分構(gòu)成的變化,相應(yīng)的流變特性以及對(duì)應(yīng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生很大的變化??傮w上來(lái)講,對(duì)非牛頓流體來(lái)講,同一個(gè)物料流變性能和相關(guān)的指標(biāo),隨溫度的變化沒(méi)有那么大,而且從我們測(cè)試的這一批數(shù)據(jù)里,基本上產(chǎn)生急劇拉升是在7%到8%含固率之間,比如熱水解、厭氧消化,很多工藝在采用7%到8%的濃度。
我們目前主要系統(tǒng)性整理的數(shù)據(jù)是低溫?zé)崴猓邷責(zé)崴庖苍谧?,后續(xù)有機(jī)會(huì)交流,這部分測(cè)的是低溫?zé)崴獾那闆r,雖然只是55度,它的SCOD的釋放非常明顯。表觀黏度隨剪切速率變化,根據(jù)變化曲線也可從流變學(xué)的角度進(jìn)一步佐證熱水解有利于提高后續(xù)的厭氧消化性能,低剪切速率下,它確實(shí)能夠降低黏度,而有利于傳質(zhì)、傳熱。在低剪切速率范圍內(nèi),黏度主要取決于固體顆粒之間的相互作用,在高減輕速率范圍內(nèi)主要取決于液相的黏度。同時(shí)我們也測(cè)了一下這幾種類(lèi)型污泥的屈服應(yīng)力,屈服應(yīng)力對(duì)污泥的儲(chǔ)存和運(yùn)輸,以及泵送影響非常大,對(duì)于這些指標(biāo)可以表征不同類(lèi)型的處理工藝和處理階段,從另外一個(gè)側(cè)面來(lái)反映物料情況,以及對(duì)于工程設(shè)計(jì)做一定的指導(dǎo)。
還有一大類(lèi)特性是觸變性,比如一個(gè)物料給它一定的力會(huì)變形,這個(gè)力撤回來(lái)又彈回來(lái),是一個(gè)可逆的過(guò)程,觸變性也是表征流體流變性很重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)用觸變環(huán)的面積,但是觸變環(huán)的面積會(huì)發(fā)現(xiàn),雖然同樣的面積,不同的黏度是不能夠體現(xiàn)變化情況,我們的研究建議可以用觸變動(dòng)力學(xué)系數(shù),來(lái)表征觸變的情況,這是測(cè)試觸變環(huán)圖,僅僅看前面曲線變化差距不大,但是觸變動(dòng)力系數(shù)卻差距非常大。觸變性意味著在一段時(shí)間里污泥結(jié)構(gòu)的重建,不利于混合和生物的反應(yīng),這個(gè)都可以進(jìn)一步指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì),攪拌、管道運(yùn)輸?shù)取?/p>
我們也有一些結(jié)論性的結(jié)果,到底它臨界點(diǎn)在什么地方,這樣對(duì)我們工程的設(shè)計(jì)可能更有指導(dǎo)意義。這是在我們現(xiàn)有研究里,現(xiàn)有研究里基本上在7.3%,或者7%到8%的范圍,是急劇變化的點(diǎn),在工藝設(shè)計(jì)時(shí)候可以考慮這樣一個(gè)方向,屈服應(yīng)力也表現(xiàn)出這樣的情況。流變特性工程應(yīng)用,一個(gè)方面是在管道運(yùn)輸,目前對(duì)非牛頓流體,我們?cè)谠O(shè)計(jì)水頭損失的時(shí)候缺乏統(tǒng)一的計(jì)算方法,往往是借助水的計(jì)算方法,放大一定倍數(shù),原來(lái)4%含固率的時(shí)候,我們放大三四倍,現(xiàn)在我們已經(jīng)到10%,或者更高的含固率,到底放大多少倍合適?這個(gè)需要我們一定的研究來(lái)做支
我們?cè)谘芯拷Y(jié)果里看到,管道輸送和泵送過(guò)程中,污泥流動(dòng)狀態(tài)比較類(lèi)似于高剪切速率下的狀態(tài),高剪切速率下?tīng)顟B(tài)基本上趨于穩(wěn)定,達(dá)到極限黏度,極限黏度可以拿來(lái)作為管道中的設(shè)計(jì)的基本依據(jù)和參考。同時(shí)它也可以用于判斷污泥的流態(tài),到底是什么樣的狀態(tài),我們?cè)谒难芯坷镉泻芏嗍侄?,污泥不透明,系統(tǒng)的構(gòu)成、性質(zhì)更加復(fù)雜,怎么去了解里面到底是什么樣的狀況?在這里面也可以看出來(lái),對(duì)于不同的流變模型里,流動(dòng)性和流變參數(shù)有緊密的關(guān)系。
我們相關(guān)的研究表明低于極限黏度低于0.5的時(shí)候,適合遠(yuǎn)距離輸送,相關(guān)的研究也證明這點(diǎn)。同時(shí)研究反應(yīng)器的時(shí)候,還有一個(gè)死區(qū),如果做過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的時(shí)候,原來(lái)用最小速度,但最小速度對(duì)不同反應(yīng)器的體系,它的速度范圍不一樣,比如有些速度范圍比較大,有些速度范圍本身就比較小,怎么樣用最小速度,相對(duì)于誰(shuí)的最小速度,這個(gè)界定方法有爭(zhēng)議,我們是從流變角度看,怎么樣去確定反應(yīng)器的死區(qū),怎么樣進(jìn)一步消減反應(yīng)器的死區(qū),也做了一些初步的工作。
我們也做了一些污泥的反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì),污泥的性質(zhì)比較復(fù)雜,包括本身不透明的特點(diǎn),我們實(shí)驗(yàn)結(jié)合CFD(計(jì)算計(jì)流體力學(xué))數(shù)值模擬研究,借助相關(guān)的軟件平臺(tái),做了一些不同類(lèi)型的反應(yīng)器里的流態(tài)、流場(chǎng)的分析。這是我們模擬反應(yīng)器死區(qū)的分布圖,我們也做了不同類(lèi)型的,有機(jī)械攪拌等等不同形式的,剛才有專(zhuān)家講到他們厭氧消化污泥含固率多少,我特別關(guān)心他們用什么樣的攪拌方式,攪拌效果怎么樣,污泥產(chǎn)氣量的不穩(wěn)定,會(huì)不會(huì)和這個(gè)有很大關(guān)系。
我要講的就這么多,謝謝大家。
主持人:天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司李金河總工
主持人(天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司 李金河 總工 ) :感謝曹教授,非常精彩的報(bào)告,曹教授不但搞得科學(xué)研究,對(duì)設(shè)計(jì)也非常清晰,我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)人遇到污泥的設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)都比較困惑,到底1.5倍還是3.0倍,我困惑了多年,終于可以不用困惑了。曹教授跟我們非常明確的說(shuō)4%含固率基本可以按照牛頓流體規(guī)律來(lái)考慮,可以按照水計(jì)算方法設(shè)計(jì),適當(dāng)放大,非常期待曹教授還有進(jìn)一步的研究成果。
附件: 曹秀芹 教授PPT