污泥厌氧消化系统

污泥厌氧消化系统

1 引言

随着城市规模的扩大和污水处理厂处理效率的提高，剩余污泥产量逐年增加.据统计，我国城市污泥年产量已达3000万吨(以80%含水率计)，其中80%未得到妥善处理.在众多的污泥处理方法中，厌氧消化技术能够同时实现污泥减量和回收能源，在国内外得到了广泛应用.然而，目前污泥厌氧消化的效率不高，尤其是我国污水处理厂厌氧消化池的运行效果不够理想，设计和运行缺乏理论指导.对于一个厌氧消化系统，物料的流变特性是工艺设计和运行中的重要参数，对传质、传热、搅拌和物料输送等厌氧消化单元有重要意义.在厌氧消化过程单元设计中，必须清楚原料的流体类型，计算出原料的流变参数，才能对厌氧消化、特别是高浓度物料厌氧消化进行合理的工艺设计以及设备选用与开发.此外，原料的流变特性也是厌氧消化工艺控制的重要依据.

由于流变特性在厌氧消化工艺设计和运行中的重要作用，一些学者对污泥的流变特性做了初步研究.Pollice和Laera研究了在不同水力停留时间下污泥以黏度表征的流变特性.Chen和Hashimoto对新鲜污泥的流变特性进行了研究，试验的浓度变化范围是2.71%～6.53%，温度变化范围为 9.5～26 ℃，这个较低的浓度和温度变化范围不能适应如今广泛使用的中高温(>35 ℃)、高浓度(>8%)厌氧消化.Sozanski 等用旋转流变仪对污泥进行流变试验研究，对流变曲线进行分析，设计了流变模型，并针对模型给出了经验公式和一些预测参数值来探讨污泥在不同浓度和温度下的流变特性.Bos使用毛细管流变仪和旋转流变仪对污泥流变特性进行试验研究，建立了温度和含水率对污泥流变特性影响的流变方程.

目前，关于污泥厌氧消化原料流变特性的研究主要集中在污泥本身，而对于餐厨垃圾与污泥混合物料的流变特性研究，国内外却鲜有报道.近年来，国内外采用餐厨垃圾与污泥联合厌氧发酵的研究及沼气工程日益增多，大部分研究都集中在餐厨垃圾对泥质的改善方面，而对于添加餐厨垃圾对污泥流变特性的影响研究却很少，导致混合发酵原料流变特性参数仍然缺乏，制约了厌氧消化单元过程的优化设计.

本文对4种主要的厌氧消化原料——脱水污泥、脱水污泥与餐厨垃圾混合物、剩余污泥以及剩余污泥与餐厨垃圾混合物的流变特性进行了研究，考察了物料浓度和温度对流变特性参数的影响，并拟合了相应模型，以期为厌氧消化设备选用及工艺设计提供基础参数.

2 材料和方法

2.1 试验材料

脱水污泥(dewatered sludge，以下简称DS)和剩余污泥(waste activated sludge，以下简称WAS)取自天津市张贵庄污水处理厂，餐厨垃圾取自天津大学学生食堂，原料取回后保存于4 ℃冰箱冷藏待用，餐厨垃圾首先经人工分选出其中的杂物，包括塑料、纸类及骨头等，然后用破碎机破碎后搅匀冷藏.DS的总固体浓度(TS)和挥发性固体浓度(VS)分别为16.4%和9.4%，WAS的TS 和VS浓度分别为2.6%和1.4%，破碎后餐厨垃圾的TS和VS浓度分别为19.3%和18.9%.

2.2 试验方法

2.2.1 固体浓度对原料流变特性影响

根据原料的起始 TS浓度，用蒸馏水分别将DS、DS与餐厨垃圾按TS 4 ∶ 1混合的混合物(the mixture of dewatered sludge and food waste，以下简称MDF)配制成TS浓度分别为1%、3%、5%、8%和10%的混合液装于500 mL 烧杯中;用恒温水浴锅控制混合液温度为35 ℃，样品经过搅拌之后，用旋转黏度计(NDJ5-S，中国上海)测量 4 个搅拌转速(6、12、30、60 r · min-1)下的黏度，待读数基本稳定时，每10 s 读数1次，共读取7个黏度值，取算术平均值.

由于WAS的流体稠度系数(K)较高，在浓度大于5%时，物料的黏度急剧增大，不利于污泥厌氧消化的进行，并且污水厂WAS浓缩后浓度一般在3%～5%，所以对于WAS流变特性的研究只在较低浓度下进行.根据原料的起始TS，用蒸馏水或离心机分别将WAS、WAS与餐厨垃圾按TS 4 ∶1混合的混合物(the mixture of waste activated sludge and food waste，以下简称MWF)配制成TS浓度分别为1%、3%和5%的混合液装于500 mL烧杯中，黏度测量方法同上.

2.2.2 温度对原料流变特性影响

将上述4种原料配制成TS为5%的混合液并装于 500 mL 烧杯中，用恒温水浴锅将混合液温度分别控制在 15、25、35、45 ℃和55 ℃条件下，用旋转黏度计测量黏度.

黏度随温度变化趋势采用线性模型描述，如式(1)所示.

式中，μ为表观黏度(mPa · s);t为温度(℃).

3 结果与讨论

3.1 4种发酵原料的流变特性

黏度是反映原料流变特性的重要指标.根据流体黏度的变化规律，可将流体分为两大类：在一定温度下，流体的黏度值不随剪切速率变化而变化，为一常数，这类流体称为牛顿流体;在一定温度下，其黏度值随剪切速率的变化而变化，这类流体称为非牛顿流体.

非牛顿流体极为普遍，广泛存在于化工、食品及建筑材料、生物医学等领域.由于与牛顿流体相比，非牛顿流体的流变特性极为复杂，在研究过程中经常会遇到各种困难.因此，到目前为止，对于非牛顿流体的研究还很少，而针对污泥以及餐厨垃圾与污泥混合物的研究则更少.由于非牛顿流体的普遍性及其流变特性的复杂性，在研究过程中，逐渐形成了一些描述非牛顿流体剪切应力和剪切速率之间关系的非牛顿流体流变模型，常用的非牛顿流体流变模型主要有幂律方程(Power-law model)、宾汉方程(Bingham model)、Herschel-Bulkley方程、Cassion方程、Sisko 方程等(李学哲等，2009).张新瑜等(2008)通过实验验证了活性污泥的流变特性符合 Ostwald de Vaele 模型.Hasar(2004)研究了MBR反应器中活性污泥的流变特性，结果表明，低剪切速率范围内活性污泥最适合的流动模型是Ostwald de Vaele 模型.Ostwald de Vaele 模型又称没有屈服