餐厨垃圾中温干式厌氧消化污泥的流变特性研究

1、餐厨垃圾中温干式厌氧消化污泥的流变特性研究王彦祥，何琴，李蕾，等环境科学学报，（）：1实验背景利用中温干式厌氧消化技术处理餐厨垃圾，具有能耗低、有效利用反应器容积并且消化污泥产出量低的优点。前人对影响反应器产气效率和运行稳定性的因素进行了研究析，得出餐厨垃圾成分、温度、TS、搅拌强度及颗粒粒径等因素会对厌氧消化造成不同程度的影响2实验目的以餐厨垃圾为进料进行半连续式和序批式的中温厌氧消化试验，以反应器中的厌氧消化污泥为研究对象，通过绘制粘温曲线、粘度曲线和流动曲线，考察温度、TS和剪切速率对污泥流变性的影响，以期为厌氧消化反应器的设计，热交换系统、污泥泵送系统和物料混合系统的优化提供基础数据。

2、3材料与方法材料餐厨垃圾取自重庆大学区某学生食堂，人工剔除竹筷、纸张等杂质，通过筛网滤掉流动的油脂。半连续式厌氧消化试验的接种污泥取自重庆市白市驿某沼气池，经驯化后使用。序批式厌氧消化试验的接种污泥取自运行稳定时的半连续式厌氧消化反应器。4单相CSTR厌氧消化反应器反应器有效容积为50，上部进料下部出料。关闭进、出料口时反应器内部形成厌氧状态。通过温控仪控制加热循环水，反应器内部温度维持在中温(352)。斜叶式机械搅拌器转速设定为45rmin，运转周期为5 minh 。返回5反应器运行过程中有机负荷（Organic loading rate，OLR）变化情况运行阶段/d120213031848

3、5113OLR/(kgmd)4.5502.5返回6材料与方法半连续式厌氧消化试验进料前将餐厨垃圾粉碎至粒径小于2mm。反应器运行过程中，进料餐厨垃圾TS保持不变，由于反应器运行过程中受到抑制，本试验采用加水稀释的方式降低反应器中的TS半连续式反应器运行期间，每日定时从反应器底部出料口取污泥样品，测定、 以及动力粘度，并测定其上清液的、 及氨氮含量，以评估反应器的运行状况7加水稀释量运行阶段/d15455747594951131）加水量/(mLd)010001001000注：1）第104、105及108天加水量为1000 mLd ，其余日期均为100 mLd8序批式反应器返回9材料与方法序批式厌

4、氧消化试验通过加水将接种污泥稀释至不同TS水平，取300 mL污泥加入500 mL的广口瓶，餐厨垃圾和污泥在试验前粉碎至粒径小于2mm，有机负荷设定为4 kgm-3（以VS计），每个TS设两个平行试验通过往复式恒温水浴振荡器(SHA-C) 维持消化温度35，振荡频率为20 rmin-1。反应结束后测定污泥的TS、VS/TS以及动力粘度。10污泥TS、VS / TS及取样时间11温度对流变特性影响测试通过水浴加热将污泥样品从室温20升至70 ，随后自然降温，粘度计选用3转子，固定剪切速率为41.8 s-1取半连续式反应器内的消化污泥，TS分别为26.23%、22.17%、21.41%，测定不同温

5、度下的动力粘度，绘制粘温曲线12温度对流变特性影响测试污泥的动力粘度随温度的升高而低，即温度越高，流动性越好污泥在自然降温时的动力粘度高于升温时的动力粘度，说明温度升高的过程对污泥流变性造成了不可逆的影响半连续式消化污泥温度动力粘度曲线13温度对污泥的空间结构和流变性影响很大，温度提高时，表面张力减小和分子热运动加剧以及污泥中微生物的活性增强导致污泥颗粒之间的凝聚力减小，动力粘度降低；在降温时污泥颗粒之间的凝聚力提升，同时温度的改变对厌氧消化污泥的空间结构造成了不可逆的影响，导致降温时的动力粘度高于升温时的粘度值。作为进料的餐厨垃圾提供的丰富有机质则影响了污泥表面聚合物的成分及数量，增强了污泥

6、空间结构的稳定性，比较同一温度下的动力粘度，TS含量越高，这种影响越明显。14TS含量和剪切速率对流变特性影响测试通过恒温水浴控制污泥样品温度为(35.00.1)，通过由低到高的剪切速率(2.0941.8 s-1)，测定污泥的动力粘度，绘制粘度曲线。样品测定时，半连续式消化污泥TS和对应选用的粘度计转子分别为29.54% (4)、26.08% (4) 、24.82% (3) 、22.64% (3)序批式消化污泥TS和对应选用的粘度计转子分别为22.48 % (3)、 20.13 % (3) 、18.40 % (3) 、16.46 % (3) 、13.96 % (2) 、12.09 % (2)1

7、5剪切速率动力粘度曲线16TS含量和剪切速率对流变特性影响测试两种污泥的动力粘度均随着剪切速率的提高而减小，并在低剪切速率下（10.4 s-1）随剪切速率的提高而迅速下降；随着剪切速率继续增大（ 20.9s-1），减小幅度下降，最后趋于稳定。TS含量越低，动力粘度值趋于稳定的速度也越快，TS越高，达到稳定值所需要的剪切速率也越大粘度曲线说明餐厨垃圾厌氧消化污泥为非牛顿流体，并具有剪切变稀的特点，TS含量越高这一特征越明显17TS含量和剪切速率对流变特性影响测试Abu-Jdayil等(2010)认为TS含量的提高使污泥颗粒直径彼此更为接近，导致污泥颗粒之间的相互作用更强，导致动力粘度提高；Pev

8、ere等(2006)的研究显示TS含量不变时，颗粒直径的减小会增加颗粒彼此之间接触的表面积，从而增加污泥的极限粘度18TS含量和剪切速率对流变特性影响测试污泥属于剪切变稀的非牛顿流体。搅拌会对污泥产生剪切作用，污泥颗粒间的凝聚力倾向于恢复污泥的空间结构，剪切应力倾向于破坏污泥结构，在临界状态时，污泥结构完全破坏，污泥发生流动。因而剪切速率增大时污泥的空间结构破坏，粘度值降低，流动性增强，相应的传质传热效率提升。19厌氧消化污泥的时间相关性和触变性的测定取序批式消化污泥进行测定，获得剪切速率剪切应力的上升曲线和下降曲线，同时获得相应的粘度曲线，污泥TS和粘度计转子选用同2.3.2节；粘度计使用2

9、转子，固定剪切速率 为31.4 s-1 ，测定污泥动力粘度随剪切时间发生的变化，并记录剪切时的温度变化，绘制温度时间曲线和粘度曲线，污泥TS分别为16.46%、13.96%、12.09%。20厌氧消化污泥的时间相关性和触变性的测定剪切速率剪切应力的上升曲线与下降曲线不重合，形成滞后环，说明餐厨垃圾厌氧消化污泥为时间相关性流体。滞后环同时也是流体触变性的度量，触变性不同的流体，滞后环形状也有所差异，污泥TS含量越高，滞后环面积越大，触变性也越强。21污泥的触变性指的是时间相关性流体受施加的剪切应力作用会导致内部结构的破坏，破坏程度与剪切速率及剪切时间成正相关，从而出现图中 污泥在固定的剪切速率下

10、动力粘度随剪切时间增加逐渐下降的现象。厌氧消化污泥的时间相关性和触变性的测定 =31.4 s-122厌氧消化污泥的时间相关性和触变性的测定污泥的动力粘度随剪切时间增加而降低，并且在刚开始剪切时动力粘度变化快，随后变化趋于稳定。粘度测定过程中污泥温度变化较小，可认为测定时温度对流变性的影响一致。23厌氧消化污泥的时间相关性和触变性的测定研究污泥触变性的意义在于：搅拌速度决定了剪切速率，影响反应器内的速度场以及剪切力场，进而改变污泥的流变性质并对传质和传热起主导作用，对污泥颗粒的粒径和生长状态造成影响。剪切应力与污泥TS含量直接相关，在输送污泥时如果搅拌产生的剪切应力不够高，会使污泥难以维持均质流并可能导致管路堵塞；对于厌氧消化反应器，搅拌不适或者污泥长时间静置会导致污泥结构重建造成静止不动的区域，这会严重影响污泥均质化，而这种效应会随TS含量的提高变得更为明显。因而对于高TS含量的餐厨垃圾厌氧消化污泥，反应器的设计和搅拌系统及泵送系统的优化，污泥的触变性是需要考虑的重要因素。24结论餐厨垃圾中温厌氧消化污泥属于剪切变稀的非牛顿流体，具有时间相关性，为触变性流体，并具有一定的剪切应力。餐厨垃圾中温厌氧消化污泥随着温度提高，动力粘度