专家PPT分享 | 污泥流变特性分析

报告人：北京建筑大学 曹秀芹 教授

曹秀芹：大家下午好，我是北京建筑大学曹秀芹。这两天通过前面专家的报告收获很大。一方面我们需要前瞻性的、理念性的、方向性的，到底污泥怎么处理，朝什么方向走，另外一部分更多则是一些可以操作的、可以落地的污泥技术，可以去用的，因为现在污泥的问题已经堆到家门口了，这个事怎么解决，我想大家坐在这儿要找到一个更适合的也不是绝对唯一的方法，来解决污泥问题。

其实我想把我们这两年做的研究工作，给大家做个汇报。现在的污泥处理由过去的相对比较单一的处理模式，向着多元化的深度处理方向发展，我们面对很多种类的原料，比如我们有高浓度的污泥，也有高温热水解和厌氧消化的污泥，同时还有不同有机质的联合厌氧消化，有湿式厌氧消化和干式厌氧消化，湿式15%以下，干式15%以上，这样一个不同含水率的情况，覆盖面这么大，和我们传统处理工艺比起来发生了很大的变化。污泥这样一种原料流体性质，发生了根本性的转变，从流变特性这个角度把我们做的工作和大家交流一下。

从污泥的流变特性来讲，比如我们讲某一个指标，或者某一个评价的体系，如果是既具有反映物料的理化性质，同时也从工程的层面来加以描述，我们觉得流变特性是一个兼具这两个特性的指标。一个方面描述了污泥的基本理化性质，如同检测其他指标一样，另外一方面解决面对工程技术层面的问题，比如说我们谈到沉降性能的问题，脱水性能以及泵站、管道等输送过程中流动阻力的问题，同时还有黏附性的问题。从这样一个角度看，尽管污水处理提标改造是日趋完善的，但我们要面对含固率更高，流变行为更加复杂的污泥处理处置问题。高含固污泥是典型的非牛顿流体，相对于传统的低固污泥，流变性质发生了巨大的变化。它对整个污泥处理过程，不管采用什么样的流程工艺，会影响到工艺的设计，各个处理单元的传质、传热、混合性能以及具体的化学转化和生物转化过程。对管道运输来讲，则会影响压力降计算、泵的选型，以及后续的处理，比如说脱水环节、储存等等。

常常很多物料性质一个指标、两个指标足够反映，但是对于流变特性来说则需要系列的参数，从流动状态朝类固态甚至朝固态发展，这样一个过程基础的技术支撑是什么东西?这是一个典型的流动曲线图，中间是牛顿流体，穿过原点的一条线，是一个线性关系，比如说我们研究比较多的水的问题，它是一个线性关系，我们比较好从一点工况类推到另一点工况。随着污泥含固率的变化，它由牛顿流体变成非牛顿流体，非牛顿流体又有不同的类型，有时会表现有屈服值的假塑性流体。

描述这些流变参数，也有些典型的流变模型，这些模型在工程中用的怎么样?在工程设计里有没有体现，工程设计时候能不能直接拿它来用，我们也做了一些分析，通过数学的手段做一些显著性的分析，到底在什么范围适用于什么样的流变模型。这是我们实际测试的曲线，重点关注了传统的污泥厌氧消化4%的含固率，现在朝高浓度的方向走，我们到93%的含水率(即7%的含固率)，10%的含固率的情况，流动曲线和黏度曲线的变化情况，随着含固率提高慢慢出现了屈服应力值。你要让这类污泥流动要给它一定的力，给它力就要消耗能量，它直接反映污泥整个输送过程中，或者反映搅拌过程中能量的消耗。右边图是反映黏度的变化，随着剪切速率的增加，实际上黏度是趋于稳定的，剪切速率进一步增加对它没有影响，它趋于稳定了，这个值通常叫做极限黏度。但是事实上我们很多处理设备，有可能是处在低剪切速率下。尤其是在关注生物处理的时候，都有这样一个体会，生物处理要保护微生物的活性，搅拌强度不能太大了，很多时候处在低剪切速率范围下，低剪切速率范围下黏度变化是急剧的变化过程，基于这样的一些设计它一定会有偏差。也许我们主观想象这样去设计是一种情况，但实际上里面的流动状况不是你设想的情况。

我们从影响因素上看，有很多影响因素，其中重要的影响因素是污泥浓度和温度，污泥里面的有机质问题，其实有机质也是很重要的指标，这部分相关研究成果还在整理过程中，我们主要就前两点污泥浓度和温度的情况看一下。从浓度来讲，现有的研究看，污泥浓度的变化随着污泥浓度的增加，污泥的黏度、屈服应力、稠度系数和流动指数，都呈一个指数形式的变化，这是我们几组的实验结果，规律性非常明显，而且规律的重现性也非常好。我们可以看一下曲线在什么地方突然拉升起来了，突然变陡了，突然变陡了以后会怎么样?大概可以看一下转变的转折点，这个时候在我们设计的时候，也许可以提供一些参考，基本上在我们现有做的研究里，大概7%到8%含固率的污泥其屈服应力、黏度都发生急剧的变化。我们纵向坐标可能幅度大了一点，如果小一些，在4%左右也是一个变化点，4%的时候即原来传统的污泥浓缩消化的时候，4%基本上近似把它视作牛顿流体，按照水的设计，基本上可以按照牛顿流体的规律描述，但是到了7到8%以上发生很大的变化了。我们所有工艺里涉及到含固率变化、浓度的变化的时候，可以反映这样一个规律。

实测的结果显示，对于牛顿流体来讲，它的黏度主要受温度的影响。但是对于非牛顿流体来看，随着物料成分、物料组分构成的变化，相应的流变特性以及对应的参数会发生很大的变化。总体上来讲，对非牛顿流体来讲，同一个物料流变性能和相关的指标，随温度的变化没有那么大，而且从我们测试的这一批数据里，基本上产生急剧拉升是在7%到8%含固率之间，比如热水解、厌氧消化，很多工艺在采用7%到8%的浓度。

我们目前主要系统性整理的数据是低温热水解，高温热水解也在做，后续有机会交流，这部分测的是低温热水解的情况，虽然只是55度，它的SCOD的释放非常明显。表观黏度随剪切速率变化，根据变化曲线也可从流变学的角度进一步佐证热水解有利于提高后续的厌氧消化性能，低剪切速率下，它确实能够降低黏度，而有利于传质、传热。在低剪切速率范围内，黏度主要取决于固体颗粒之间的相互作用，在高减轻速率范围内主要取决于液相的黏度。同时我们也测了一下这几种类型污泥的屈服应力，屈服应力对污泥的储存和运输，以及泵送影响非常大，对于这些指标可以表征不同类型的处理工艺和处理阶段，从另外一个侧面来反映物料情况，以及对于工程设计做一定的指导。

还有一大类特性是触变性，比如一个物料给它一定的力会变形，这个力撤回来又弹回来，是一个可逆的过程，触变性也是表征流体流变性很重要的指标。传统用触变环的面积，但是触变环的面积会发现，虽然同样的面积，不同的黏度是不能够体现变化情况，我们的研究建议可以用触变动力学系数，来表征触变的情况，这是测试触变环图，仅仅看前面曲线变化差距不大，但是触变动力系数却差距非常大。触变性意味着在一段时间里污泥结构的重建，不利于混合和生物的反应，这个都可以进一步指导反应器的设计，搅拌、管道运输等。

我们也有一些结论性的结果，到底它临界点在什么地方，这样对我们工程的设计可能更有指导意义。这是在我们现有研究里，现有研究里基本上在7.3%，或者7%到8%的范围，是急剧变化的点，在工艺设计时候可以考虑这样一个方向，屈服应力也表现出这样的情况。流变特性工程应用，一个方面是在管道运输，目前对非牛顿流体，我们在设计水头损失的时候缺乏统一的计算方法，往往是借助水的计算方法，放大一定倍数，原来4%含固率的时候，我们放大三四倍，现在我们已经到10%，或者更高的含固率，到底放大多少倍合适?这个需要我们一定的研究来做支

我们在研究结果里看到，管道输送和泵送过程中，污泥流动状态比较类似于高剪切速率下的状态，高剪切速率下状态基本上趋于稳定，达到极限黏度，极限黏度可以拿来作为管道中的设计的基本依据和参考。同时它也可以用于判断污泥的流态，到底是什么样的状态，我们在水的研究里有很多手段，污泥不透明，系统的构成、性质更加复杂，怎么去了解里面到底是什么样的状况?在这里面也可以看出来，对于不同的流变模型里，流动性和流变参数有紧密的关系。

我们相关的研究表明低于极限黏度低于0.5的时候，适合远距离输送，相关的研究也证明这点。同时研究反应器的时候，还有一个死区，如果做过反应器设计的时候，原来用最小速度，但最小速度对不同反应器的体系，它的速度范围不一样，比如有些速度范围比较大，有些速度范围本身就比较小，怎么样用最小速度，相对于谁的最小速度，这个界定方法有争议，我们是从流变角度看，怎么样去确定反应器的死区，怎么样进一步消减反应器的死区，也做了一些初步的工作。

我们也做了一些污泥的反应器优化设计，污泥的性质比较复杂，包括本身不透明的特点，我们实验结合CFD(计算计流体力学)数值模拟研究，借助相关的软件平台，做了一些不同类型的反应器里的流态、流场的分析。这是我们模拟反应器死区的分布图，我们也做了不同类型的，有机械搅拌等等不同形式的，刚才有专家讲到他们厌氧消化污泥含固率多少，我特别关心他们用什么样的搅拌方式，搅拌效果怎么样，污泥产气量的不稳定，会不会和这个有很大关系。

我要讲的就这么多，谢谢大家。

主持人：天津创业环保集团股份有限公司李金河总工

主持人(天津创业环保集团股份有限公司 李金河 总工 )  ：感谢曹教授，非常精彩的报告，曹教授不但搞得科学研究，对设计也非常清晰，我们现在设计人遇到污泥的设计、管道设计都比较困惑，到底1.5倍还是3.0倍，我困惑了多年，终于可以不用困惑了。曹教授跟我们非常明确的说4%含固率基本可以按照牛顿流体规律来考虑，可以按照水计算方法设计，适当放大，非常期待曹教授还有进一步的研究成果。

附件: 曹秀芹 教授PPT