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污泥厌氧反应器搅拌机理的实验与模拟研究

袁海光  
【摘要】:随着我国污水处理进程的不断深入,作为污水处理副产物的污泥的处理问题越来越引发关注,厌氧消化作为污泥处理处置的主要手段,污泥在厌氧消化反应器中的搅拌传质过程对厌氧消化效率的影响近年来已开始被研究。本文以95%含水率污泥为对象,采用示踪法对其在搅拌槽反应器中的混合特性进行研究发现:通过监测三个不同高度取样口处示踪剂浓度变化规律可知当转速为140 rpm时的混合均匀时间为31分钟。此时三个取样点处示踪剂浓度分别为最终浓度的70%、80%、98%,但呈现出快速的上升趋势,即在140 rpm的搅拌转速下,污泥在达到理论计算的搅拌均匀效果时,相关搅拌区域还没有较好的混合均匀或“即将”混合均匀,不能满足最佳的搅拌混合均匀时间,当转速为180 rpm时的混合均匀时间为19.5分钟,此时三个取样点处示踪剂浓度分别为最终浓度的65%、81%、98%,但呈现出快速的上升趋势,即在180rpm的搅拌转速下,污泥在达到理论计算的搅拌均匀效果时,相关搅拌区域即将混合均匀,较能满足最佳的搅拌混合均匀时间。当转速为220 rpm时的混合均匀时间为8.5分钟,此时三个取样点处示踪剂浓度分别为最终浓度的81%、78%、99%,并呈现稳定态势,即在220 rpm的搅拌转速下,污泥在达到理论计算的搅拌均匀效果时,相关搅拌区域已经混合均匀,较能满足最佳的搅拌混合均匀时间,也就是说220 rpm的搅拌转速对95%含水率的污泥搅拌充分,然而通过能耗分析发现转速220 rpm时的能耗效率相较于180 rpm时较高,具有不可持续性。通过CFD技术对搅拌槽流场的非湍流模型对180 rpm转速的混合过程进行数值模拟可知,表面处的示踪剂首先在上层桨叶所产生的回流作用下随液流流动至搅拌轴处,然后通过上层桨叶的轴向抽吸作用随液流裹挟至上层桨叶处,随后在上层桨叶的径向射流作用下随液流推送至器壁,或斜向下方推流至下层桨叶区域并参与下层桨叶的轴向流和径向流运动中,实现包含示踪剂液流的总体循环过程,并通过不断的剪切撕拉作用实现示踪剂的扩散传质,达到最总的混合均匀。依据相似原理与模型试验基础理论中的雷诺准则和佛汝德准则从理论上证明了15g·L~-11 KCl-XGKT溶液作为95%含水率污泥相似溶液的可行性,然后通过混合示踪试验对该理论分析进行验证。添加KCl后,当剪切速率在(0-180)s~(-1)范围内时,两流体流变特性曲线的相关指数分别为R~2=0.9953、R~2=0.8935均表现出最高的相似性,说明在密度相似前提下,15 g·L~(-1) KCl-XGKT溶液具有95%含水率污泥相似的流变性能。混合示踪实验和显著性分析表明,15g·L~(-1)KCl-XGKT溶液不仅具有95%含水率污泥无显著性差异的流变性能、符合同流体运动的相似准则,而且还满足实际流场混合实验。所以15g·L~(-1)KCl-XGKT溶液可以作为污泥的透明相似溶液,为后续进行污泥厌氧消化流场的可视化研究提供一种可行性方法。


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