污泥流变学及其厌氧消化混合特性数值模拟研究进展

污泥作为一种非牛顿流体,其流变特性对厌氧消化过程中的传质、传热、搅拌和物料输送等有着重要影响。系统阐述了污泥流变学属性,如流变特性的影响因素、流变模型以及其测试方法。由于污泥在厌氧消化反应器中流场的复杂性及其本身的不透明性,难以对其流场进行高效的实验测试,利用计算流体力学(CFD)技术结合流变学参数对流场进行数值模拟是一种有效工具。因此,综合分析了CFD技术在污泥厌氧消化过程中的研究现状及其搅拌混合过程中旋转桨叶处理方法的选择,并对污泥厌氧消化过程中进行数值模拟存在问题及进一步研究方向进行了展望。随着深入研究,以污泥流变学、计算流体力学为基础结合污泥厌氧消化生化反应过程联合数值模拟研究,将会为控制污泥的厌氧消化工艺提供更加全面和重要的技术措施。     

高含固厌氧消化污泥流变特性

采用完全混合式反应器R1、R2和R3(搅拌频率分别设为不搅拌、每10 min转动5 min和每10 min转动8min),在序批式运行的状态下,考察了不同搅拌频率对高含固厌氧消化过程中污泥流变特性的影响,探究了污泥表观黏度降低的主要原因以及污泥流变特性与各项物化指标的关系。结果表明,各个反应器消化污泥表观黏度μ值在发酵的前4天均出现大幅降低,下降幅度依次达到73.3%、77.8%和80.0%,从厌氧装置设计和运行的角度来看,脱水污泥高含固厌氧消化具有可行性。各反应器消化污泥的含固率(total solid,TS)以及挥发性固体(volatile solid,VS)占TS的比例VS/TS与表观黏度μ值以及稠度系数K值呈现显著性的指数关系,而污泥颗粒中胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的含量与污泥表观黏度之间的相关关系则较弱。厌氧消化的初始阶段,微生物(主要是水解菌与产酸菌)的作用是污泥黏度急剧降低的主要原因。     

基于猪粪流变特性的厌氧消化反应器内的数值模拟

采用流变仪对不同含固率猪粪的流变性质进行测量,分析其流变特性,将流变数据与非牛顿流体模型进行拟合,得到用于描述猪粪流变特性的最佳流变方程。结果表明:猪粪是一种非牛顿流体,黏度随剪切速率的增加而减小并趋于稳定。基于其流变特性,运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟技术,对猪粪厌氧消化反应器内的流场进行研究。模拟结果显示:反应器内速度最大值出现在桨叶末端,猪粪流体在其反应器内的宏观循环运动状态为沿着搅拌轴径向的绕流运动;壁面及顶部和底部区域速度几乎为零,形成死区,容积比率为29.85%。     

上流式多级厌氧反应器中厌氧颗粒污泥特性研究

高品质厌氧颗粒污泥是厌氧反应器实现高效、稳定运行的关键和基础.在实现上流式多级厌氧反应器(UMAR)处理木薯变性淀粉废水高效运行的基础上,对厌氧颗粒污泥的浓度分布、粒径分布、沉降速度、产甲垸活性,辅酶F420和生物相等作进一步的研究.根据在实验工艺条件下培养得到的厌氧颗粒污泥的性能,探讨厌氧颗粒污泥的可能形成机制.     

生产性IC反应器厌氧颗粒污泥的生物学特征

IC反应器以絮状污泥接种用于处理酒糟废水,运行至第180d时分别测定反应器第1、第2反应室颗粒污泥的VSS、产甲烷活性、胞外多聚物和辅酶F420等各项生物学指标。结果表明反应器内颗粒污泥具有较强活性,反应器COD去除率基本稳定在95%以上,出水COD不超过1000mg/L。     

餐厨垃圾干式厌氧消化过程流变特性变化及其对反应器流场的影响

餐厨垃圾的有机组成是影响其干式厌氧消化性能的重要因素。以实际餐厨垃圾为研究对象,通过向其中投加馒头改变其有机组成,进而研究不同有机组成下物料厌氧消化过程中的流变特性变化及产甲烷特性。结果表明,不同有机组成物料的甲烷产气量与其粘度具有一定的负相关关系,表明物料流动性的提高有助于其产甲烷效率的提高。而物料流变特性的差异则主要可归因于TS、VS以及溶解性有机物释放的差异。物料的屈服应力与其TS、VS具有一定的线性相关关系。CFD模拟结果表明,随着厌氧消化的进行,反应器内流场逐渐变好,死区率降低,且死区率与物料TS质量分数、屈服应力及表观粘度呈正相关关系。因此,针对不同有机组成物料流变特性及反应器流场的不同需选取合适的搅拌策略,以实现搅拌效率与搅拌能耗之间的平衡。本研究结果可为优化干式厌氧消化反应器的运行提供参考。     

臭氧预处理对剩余污泥特性及厌氧消化的影响

研究了臭氧预处理对剩余污泥特性及厌氧消化的影响,考察了臭氧投加量对污泥特性的影响,并进行了预处理后污泥厌氧消化产气的实验。结果表明,当臭氧处理时间为15 min时,污泥上清液中SCOD含量达到最高为1 006.08 mg·L-1,较未处理污泥提高了420.85%。污泥上清液中蛋白质和多糖含量在臭氧处理时间为10 min时达到最高。氨氮的含量在15 min时达到最大值。三维荧光结果显示随着臭氧投加量的增加污泥中的富里酸类物质有不同程度的减少,在臭氧处理时间为20 min时富里酸类物质减少量最为明显。显微镜和扫描电镜结果显示随着臭氧投加量的增加污泥中的微生物细胞结构受到了不同程度破坏。厌氧消化结果显示当臭氧处理时间为10 min时,污泥产甲烷率达到最高为318.39 mL·（g·VS）-1,较空白对照组提高了396.00%。     

污泥厌氧消化的人工神经网络模型

基于污泥固体停留时间(SRT)为20 d的污泥中温厌氧消化实验,建立一个3层BP神经网络,以前1~20 d的进泥挥发性悬浮固体(VSS)、当天消化罐pH值和碱度共22个参数为输入,预测污泥消化系统日产气量,结果表明,网络具有良好的学习能力、泛化能力和辨识能力,能够较为准确地预测出系统日产气量。此外,根据进泥VSS不同,利用网络预测能力,调节pH值和碱度到合适的值,系统日产气量有明显提高,进一步证明了网络具有良好的预测能力和实用性。     

垂直折流厌氧污泥床（VBASB）反应器的研究

本项研究的目的在于开发一种具有广泛适应性的高效率厌氧处理新工艺。VBASB将厌氧接触法(ACP)、厌氧滤器(AF)和升流式厌氧污泥床(UASB)组合在一个单元体反应器中,兼有三者的功能。立式套筒结构迫使料液垂直折流,内筒和中筒处于全混合状态,发挥ACP的优势,外筒下部的污泥层和顶部的三相分离器,发挥UASB的优势,外筒的中上部设置填料层,发挥AF的优势。通过进料泵和回流泵,在管道中使进水和升温用的蒸汽与回流料液充分混合并用以控制反应pH值和温度。用有效容积为25m~3的VBASB反应器处理酒精废醪的结果为:当进水COD平均为45g/l,SS平均为18g/l时,在55℃高温发酵下,正常运行的COD容积负荷为17kg/m~3·d,最高达到26～29kg/m~3·d,COD去除率平均为95％。研究结果证明,VBASB比AF和UASB对商SS有机废水的厌氧处理有更好的适应性,在进水SS高达18g/l时仍可保持高COD容积负荷和高COD去除率的厌氧处理。     

剩余污泥热水解厌氧消化中试研究

针对糖纸厂污水活性污泥法处理后剩余污泥进行热水解厌氧消化中试研究,结果表明,热水解预处理工艺能够有效改善污泥性质,SCOD与VFA分别提高5.2和7.6倍,在厌氧消化过程中随着水力停留时间(HRT)缩短,消化罐有机负荷和比沼气产率提高,在2.5 kg VS/(m3·d)、HRT=12 d条件下达到28.1 Nm3/t。整个厌氧消化过程中无过度酸化现象发生,沼气甲烷含量稳定,平均达到60%。     

城市污水厂污泥两相厌氧消化工艺与传统厌氧消化工艺的比较研究

本文以高温酸化——中温甲烷化两相厌氯消化工艺为主,对城市污水厂污泥进行了两相厌氧消化工艺与传统厌氧消化工艺的比较研究。结果表明,在总停留时间均为10天的情况下,两相消化工艺对VSS的去除率比中温传统消化工艺提高50％左右,比高温传统消化工艺提高35％左右。高温酸化0.5天后,中温甲烷化8.5天,即可达到中温传统法20天的处理效果。另外,该两相厌氧工艺对大肠杆菌群和粪源大肠杆菌群的灭活量在2～3个数量级,灭菌效果优于中温传统法,且产甲烷反应器中保持较高的缓冲能力。因而,高温酸化——中温甲烷化两相厌氧消化工艺可达到对城市污水厂污泥的稳定和灭菌,是一种高效可靠的新型污泥处理工艺,具有较大的实用价值。     

污泥厌氧消化过程中磷行为的数学模型研究进展

城市污水处理厂的剩余污泥在厌氧消化过程中会释放大量的磷,因此厌氧消化是潜在的可以实施磷回收的工艺。利用数学模型可更清楚地描述厌氧消化过程中生化和物理-化学反应过程。由国际水协会提出的厌氧消化模型1号(ADM1)没有包含对磷行为的描述。主要介绍了目前基于ADM1描述厌氧消化过程中针对磷的行为所作的修改与扩展,总结了与磷释放和沉淀有关的生化过程和物理-化学过程模型,最后在此基础上提出了相关的研究展望。     

超声波联合厌氧消化处理制药污泥

以制药废水处理厂污泥为研究对象,采用超声波技术研究了污泥破解过程中污泥溶解性、沉降性、温度pH和粒径分布等变化情况,以及超声预处理对污泥后续厌氧消化的影响。研究结果表明,超声波能强化污泥的溶解性,在超声比能耗0到250000 kJ/kgTS范围内,污泥上清液的SCOD、TOC、TN和TP值均大幅增加,当比能耗相同时,高能短时的超声条件更利于污泥破解;污泥经超声波处理后,温度上升至40~52℃,pH值在6.9±0.2范围内有所波动,体积平均粒径削减58.75%~72.81%,污泥沉降比SV30由35%急剧升高至95%左右,使脱水性能变差。经ES 250000 kJ/kg TS的超声预处理,污泥厌氧消化的甲烷产量提高了36.81%,VS去除率由33.89%提高到53.11%,TCOD去除率由16.65%提高到89.23%,促进了污泥厌氧消化的产气效率和减量化效果。     

污泥厌氧消化前处理技术研究现状及展望

污泥厌氧消化产生的沼气用于发电是一种具有广阔应用前景的垃圾资源化方法.厌氧消化前采用不同的预处理方法能促进污泥内微生物细胞的分解、加速胞内物质的释放、加快污泥的水解速率,这是增强污泥厌氧消化性能的关键.综述了当前研究和应用较多的物理法、化学法和生物法等污泥预处理技术,分析了各种方法的原理、特点、处理效果及应用前景.     

耐酸厌氧消化污泥处理餐厨垃圾

采用耐酸驯化的厌氧消化污泥处理餐厨垃圾,在酸性条件下（pH=4．5）,对实验装置容积负荷从1．0kgVS／（m3·d）分9次逐级增加到5．0kgVS／（m3·d）的过程进行了跟踪监测,并较深入地研究了驯化污泥代谢活性和处理效果。实验结果表明,pH4．5的耐酸厌氧消化污泥,最佳投加负荷约为4．5kgVS／（m3·d）,此负荷下容积产气率,CH4含量平均值均达最大,分别为1．68m3／（m3·d）,75．0％。耐酸厌氧消化装置持续增料运行46d,产甲烷菌仍能保持较高的活性,其COD去除率范围为40．4％-75．0％,仍能保持pH7．2时处理效果的65．0％-91．8％,表明在低pH、低碱度下实现稳定的产甲烷过程是可行的。     

絮凝剂对高速厌氧反应器污泥颗粒化的强化作用

以考察絮凝剂对厌氧反应器中活性污泥性能的影响为目的,将聚合氯化铝(PAC)、聚丙稀酰胺(PAM)、聚季铵盐3种不同类型絮凝剂以不同投加量添加到反应器中,采用生物化学甲烷势(BMP)和厌氧毒性测定(ATA)分析方法,评价了3种絮凝剂的厌氧生物可降解性以及3种絮凝剂对厌氧污泥产甲烷活性、沉降性能等方面的促进或抑制作用。确定以聚季铵盐作为厌氧污泥颗粒化促进剂,建议采用多次投加方式,反应器中聚季铵盐质量浓度以10-50mg／L为宜。     

厌氧颗粒污泥启动复合式厌氧折流板反应器的研究

研究以厌氧颗粒污泥接种的复合式厌氧折流板反应器(HABR)启动：在HABR中直接接种厌氧颗粒污泥,以退浆废水为试验进水,在系统水力停留时间为168 h,中温(32±1) ℃,进水pH值6.5～8,碱度适当偏高条件下,进入反应器废水COD浓度由1 800 mg/L逐渐提高到13 520 mg/L,运行60 d后系统COD去除率最低为45%,并且保持稳定,出水pH值和碱度相对比较稳定,污泥明显呈颗粒状,反应器启动完成。反应器可以在短时间内重新启动,污泥活性很快得到恢复。     

市政污泥流变特性及圆管流数值模拟研究

通过对市政污泥粘度测量实验,得到污泥剪切速率与剪切应力关系数据,并且观察到剪切稀化现象;运用分段拟合方法求解出初始屈服应力和临界剪切速率,从而得到全范围污泥流变曲线。在此基础上,建立污泥管流模型并完成计算,计算结果与参考文献中经验公式和实验结果接近。且可知管径、流速以及流动指数对管道流动的影响显著。人口流速不变的条件下,减小流动管径33％,驱动压力增大了152．1％;管径不变条件下,提高人口流速10倍,驱动压力增大了11倍;保持管径和入口流速条件不变,增大流动指数10倍,驱动压力减少了20．2％。     

颗粒污泥接种UASB反应器处理木糖醇废水试验研究

采用颗粒污泥接种UASB厌氧反应器处理木糖醇生产废水,对废水进行预调配后,由电控柜控制间歇进水.试验结果表明在进水COD为3～5g/L,COD容积负荷在2.70～4.64 kg/(m3·d)的范围时,有机污染物的去除率可稳定地保持在76%～88%,对厌氧出水再进行普通活性污泥法好氧后处理,出水COD可达到100 ms/L以下,稳定地达到国家要求的废水一级排放标准.     

接种厌氧消化污泥EGSB反应器的快速启动

对接种市政消化污泥的EGSB反应器的启动进行实验研究以寻求快速启动EGSB反应器的有效方法。接种厌氧消化污泥EGSB反应器的成功启动仅需要46d。在整个启动期保持适当的液体上升流速是非常重要的。启动初期，高液体上升流速能够将悬浮污泥冲出反应器，使适合聚集的微生物留在反应器内。接下来需要降低进水流量和液体上升流速以利于构建稳定的微生态系统，使高活性颗粒污泥尽快形成。然后适当提高液体上升流速能保持污水与微生物的良好接触，促进颗粒污泥内外高效传质，形成更加稳定高效的微生物群落结构。为尽快形成高活性颗粒污泥，保证产甲烷菌的最佳营养需求是关键，可通过考虑进水基质、微量营养元素和硫化物来提高其活性。