專家PPT分享 | 汙泥流變特性分析

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北極星水處理網訊:報告人：北京建築大學 曹秀芹 教授

曹秀芹：大家下午好，我是北京建築大學曹秀芹。這兩天通過前面專家的報告收穫很大。一方面我們需要前瞻性的、理念性的、方向性的，到底汙泥怎麼處理，朝什麼方向走，另外一部分更多則是一些可以操作的、可以落地的汙泥技術，可以去用的，因為現在汙泥的問題已經堆到家門口了，這個事怎麼解決，我想大家坐在這兒要找到一個更適合的也不是絕對唯一的方法，來解決汙泥問題。

其實我想把我們這兩年做的研究工作，給大家做個匯報。現在的汙泥處理由過去的相對比較單一的處理模式，向著多元化的深度處理方向發展，我們面對很多種類的原料，比如我們有高濃度的汙泥，也有高溫熱水解和厭氧消化的汙泥，同時還有不同有機質的聯合厭氧消化，有溼式厭氧消化和乾式厭氧消化，溼式15%以下，乾式15%以上，這樣一個不同含水率的情況，覆蓋面這麼大，和我們傳統處理工藝比起來發生了很大的變化。汙泥這樣一種原料流體性質，發生了根本性的轉變，從流變特性這個角度把我們做的工作和大家交流一下。

從汙泥的流變特性來講，比如我們講某一個指標，或者某一個評價的體系，如果是既具有反映物料的理化性質，同時也從工程的層面來加以描述，我們覺得流變特性是一個兼具這兩個特性的指標。一個方面描述了汙泥的基本理化性質，如同檢測其他指標一樣，另外一方面解決面對工程技術層面的問題，比如說我們談到沉降性能的問題，脫水性能以及泵站、管道等輸送過程中流動阻力的問題，同時還有黏附性的問題。從這樣一個角度看，儘管汙水處理提標改造是日趨完善的，但我們要面對含固率更高，流變行為更加複雜的汙泥處理處置問題。高含固汙泥是典型的非牛頓流體，相對於傳統的低固汙泥，流變性質發生了巨大的變化。它對整個汙泥處理過程，不管採用什麼樣的流程工藝，會影響到工藝的設計，各個處理單元的傳質、傳熱、混合性能以及具體的化學轉化和生物轉化過程。對管道運輸來講，則會影響壓力降計算、泵的選型，以及後續的處理，比如說脫水環節、儲存等等。

常常很多物料性質一個指標、兩個指標足夠反映，但是對於流變特性來說則需要系列的參數，從流動狀態朝類固態甚至朝固態發展，這樣一個過程基礎的技術支撐是什麼東西?這是一個典型的流動曲線圖，中間是牛頓流體，穿過原點的一條線，是一個線性關係，比如說我們研究比較多的水的問題，它是一個線性關係，我們比較好從一點工況類推到另一點工況。隨著汙泥含固率的變化，它由牛頓流體變成非牛頓流體，非牛頓流體又有不同的類型，有時會表現有屈服值的假塑性流體。

描述這些流變參數，也有些典型的流變模型，這些模型在工程中用的怎麼樣?在工程設計裡有沒有體現，工程設計時候能不能直接拿它來用，我們也做了一些分析，通過數學的手段做一些顯著性的分析，到底在什麼範圍適用於什麼樣的流變模型。這是我們實際測試的曲線，重點關注了傳統的汙泥厭氧消化4%的含固率，現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，流動曲線和黏度曲線的變化情況，隨著含固率提高慢慢出現了屈服應力值。你要讓這類汙泥流動要給它一定的力，給它力就要消耗能量，它直接反映汙泥整個輸送過程中，或者反映攪拌過程中能量的消耗。右邊圖是反映黏度的變化，隨著剪切速率的增加，實際上黏度是趨於穩定的，剪切速率進一步增加對它沒有影響，它趨於穩定了，這個值通常叫做極限黏度。但是事實上我們很多處理設備，有可能是處在低剪切速率下。尤其是在關注生物處理的時候，都有這樣一個體會，生物處理要保護微生物的活性，攪拌強度不能太大了，很多時候處在低剪切速率範圍下，低剪切速率範圍下黏度變化是急劇的變化過程，基於這樣的一些設計它一定會有偏差。也許我們主觀想像這樣去設計是一種情況，但實際上裡面的流動狀況不是你設想的情況。

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汙泥濃度和溫度，汙泥裡面的有機質問題，其實有機質也是很重要的指標，這部分相關研究成果還在整理過程中，我們主要就前兩點汙泥濃度和溫度的情況看一下。從濃度來講，現有的研究看，汙泥濃度的變化隨著汙泥濃度的增加，汙泥的黏度、屈服應力、稠度係數和流動指數，都呈一個指數形式的變化，這是我們幾組的實驗結果，規律性非常明顯，而且規律的重現性也非常好。我們可以看一下曲線在什麼地方突然拉升起來了，突然變陡了，突然變陡了以後會怎麼樣?大概可以看一下轉變的轉折點，這個時候在我們設計的時候，也許可以提供一些參考，基本上在我們現有做的研究裡，大概7%到8%含固率的汙泥其屈服應力、黏度都發生急劇的變化。我們縱向坐標可能幅度大了一點，如果小一些，在4%左右也是一個變化點，4%的時候即原來傳統的汙泥濃縮消化的時候，4%基本上近似把它視作牛頓流體，按照水的設計，基本上可以按照牛頓流體的規律描述，但是到了7到8%以上發生很大的變化了。我們所有工藝裡涉及到含固率變化、濃度的變化的時候，可以反映這樣一個規律。

實測的結果顯示，對於牛頓流體來講，它的黏度主要受溫度的影響。但是對於非牛頓流體來看，隨著物料成分、物料組分構成的變化，相應的流變特性以及對應的參數會發生很大的變化。總體上來講，對非牛頓流體來講，同一個物料流變性能和相關的指標，隨溫度的變化沒有那麼大，而且從我們測試的這一批數據裡，基本上產生急劇拉升是在7%到8%含固率之間，比如熱水解、厭氧消化，很多工藝在採用7%到8%的濃度。

我們目前主要系統性整理的數據是低溫熱水解，高溫熱水解也在做，後續有機會交流，這部分測的是低溫熱水解的情況，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，根據變化曲線也可從流變學的角度進一步佐證熱水解有利於提高後續的厭氧消化性能，低剪切速率下，它確實能夠降低黏度，而有利於傳質、傳熱。在低剪切速率範圍內，黏度主要取決於固體顆粒之間的相互作用，在高減輕速率範圍內主要取決於液相的黏度。同時我們也測了一下這幾種類型汙泥的屈服應力，屈服應力對汙泥的儲存和運輸，以及泵送影響非常大，對於這些指標可以表徵不同類型的處理工藝和處理階段，從另外一個側面來反映物料情況，以及對於工程設計做一定的指導。

還有一大類特性是觸變性，比如一個物料給它一定的力會變形，這個力撤回來又彈回來，是一個可逆的過程，觸變性也是表徵流體流變性很重要的指標。傳統用觸變環的面積，但是觸變環的面積會發現，雖然同樣的面積，不同的黏度是不能夠體現變化情況，我們的研究建議可以用觸變動力學係數，來表徵觸變的情況，這是測試觸變環圖，僅僅看前面曲線變化差距不大，但是觸變動力係數卻差距非常大。觸變性意味著在一段時間裡汙泥結構的重建，不利於混合和生物的反應，這個都可以進一步指導反應器的設計，攪拌、管道運輸等。

我們也有一些結論性的結果，到底它臨界點在什麼地方，這樣對我們工程的設計可能更有指導意義。這是在我們現有研究裡，現有研究裡基本上在7.3%，或者7%到8%的範圍，是急劇變化的點，在工藝設計時候可以考慮這樣一個方向，屈服應力也表現出這樣的情況。流變特性工程應用，一個方面是在管道運輸，目前對非牛頓流體，我們在設計水頭損失的時候缺乏統一的計算方法，往往是藉助水的計算方法，放大一定倍數，原來4%含固率的時候，我們放大三四倍，現在我們已經到10%，或者更高的含固率，到底放大多少倍合適?這個需要我們一定的研究來做支

我們在研究結果裡看到，管道輸送和泵送過程中，汙泥流動狀態比較類似於高剪切速率下的狀態，高剪切速率下狀態基本上趨於穩定，達到極限黏度，極限黏度可以拿來作為管道中的設計的基本依據和參考。同時它也可以用於判斷汙泥的流態，到底是什麼樣的狀態，我們在水的研究裡有很多手段，汙泥不透明，系統的構成、性質更加複雜，怎麼去了解裡面到底是什麼樣的狀況?在這裡面也可以看出來，對於不同的流變模型裡，流動性和流變參數有緊密的關係。

我們相關的研究表明低於極限黏度低於0.5的時候，適合遠距離輸送，相關的研究也證明這點。同時研究反應器的時候，還有一個死區，如果做過反應器設計的時候，原來用最小速度，但最小速度對不同反應器的體系，它的速度範圍不一樣，比如有些速度範圍比較大，有些速度範圍本身就比較小，怎麼樣用最小速度，相對於誰的最小速度，這個界定方法有爭議，我們是從流變角度看，怎麼樣去確定反應器的死區，怎麼樣進一步消減反應器的死區，也做了一些初步的工作。

我們也做了一些汙泥的反應器優化設計，汙泥的性質比較複雜，包括本身不透明的特點，我們實驗結合CFD(計算計流體力學)數值模擬研究，藉助相關的軟體平臺，做了一些不同類型的反應器裡的流態、流場的分析。這是我們模擬反應器死區的分布圖，我們也做了不同類型的，有機械攪拌等等不同形式的，剛才有專家講到他們厭氧消化汙泥含固率多少，我特別關心他們用什麼樣的攪拌方式，攪拌效果怎麼樣，汙泥產氣量的不穩定，會不會和這個有很大關係。

我要講的就這麼多，謝謝大家。

主持人：天津創業環保集團股份有限公司李金河總工

主持人(天津創業環保集團股份有限公司 李金河 總工 )  ：感謝曹教授，非常精彩的報告，曹教授不但搞得科學研究，對設計也非常清晰，我們現在設計人遇到汙泥的設計、管道設計都比較困惑，到底1.5倍還是3.0倍，我困惑了多年，終於可以不用困惑了。曹教授跟我們非常明確的說4%含固率基本可以按照牛頓流體規律來考慮，可以按照水計算方法設計，適當放大，非常期待曹教授還有進一步的研究成果。

附件: 曹秀芹 教授PPT

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