城市污水高含固污泥高效厌氧消化装备开发

刘 成，葛芳州，彭光霞

（北京中持绿色能源环境技术有限公司，北京 100192）

近年来，厌氧消化技术因其可以产生沼气进行资源化利用被广泛应用在污泥处理方面。针对厌氧消化的研究主要关注生物质和固体废物消化的应用、工业和农业废水废物的处理，其研究结论多集中在适于高效厌氧发酵的基质或底物的选择方式、厌氧消化工艺流程的选择、相关生物和化学机理的研究以及生化运行指标的优化方案确定。厌氧消化工艺本身相关的物理性质，如市政污泥流变特性与污泥厌氧消化罐几何构造、搅拌结构以及物理流场之间的关联，很少被系统研究。

1 研究背景与目标

《高含固厌氧消化系统装备研究与开发》（2013ZX07315-001-05）是“十二五”国家水专项“城市污水高含固污泥高效厌氧消化装备开发与工程示范”课题的子课题。课题由北京中持绿色能源环境技术有限公司承担，现已结题。

本课题旨在研发一种新型污泥厌氧消化射流搅拌设备，以期优化现有污泥（尤其是成分复杂的城市脱水污泥）厌氧消化过程中的传质、传热效果，降低其能耗，并有效地防止罐体内浮渣层的形成、破除已有浮渣层，解决罐底沉降污泥停滞区存在导致该区域传质传热效果极低的问题。

2 研究内容

课题从污泥流变特性的角度出发，结合高含固率污泥厌氧消化搅拌新装置，对污泥厌氧消化的射流搅拌过程进行了系统研究。首先，基于水力学相关理论，通过选择带有破碎功能的污泥循环泵解决高含固厌氧消化浮渣、细胞破壁问题，研究射流喷嘴的结构形式等途径改进高含固污泥厌氧消化射流搅拌核心设备，确定了液液喷嘴、气液喷嘴两种结构形式的喷嘴尺寸，测定了搅拌污泥的流变特性参数。其次，通过高含固率污泥厌氧消化射流搅拌中试设备研制，选定物理性质与水接近的活性污泥为搅拌物料，进行规模为800 m3的射流搅拌试验研究，依此确定了不同结构形式喷嘴的有效混合方式及其对应的最佳工况。

2.1 厌氧消化罐的污泥射流搅拌装置

2.1.1 新型水力搅拌核心设备射流喷嘴

课题以集成传统搅拌方式优点为设计目的，引入气液混合促进污泥厌氧消化传质效率的设计理念，基于现有设计依据、成果，确定适用于实际工程中污泥厌氧消化罐的污泥射流搅拌装置的结构形式，确定装置结构示意图。新型水力搅拌设备由工作泵、管道系统和两级射流喷嘴构成，其核心设备为两级射流喷嘴，按流体混合形式分为液液喷嘴和气液喷嘴，如图1和图2所示。

图1 两级液液喷嘴示意图［1］Fig.1 Schematic Diagram of Two-Stage Liquid-Liquid Jet Nozzle［1］

图2 两级气液喷嘴示意图Fig.2 Schematic Diagram of Two-Stage Gas-Liquid Jet Nozzle

由图1可知，射流搅拌装置中的液液射流器由一级锥形喷嘴和二级锥形喷嘴构成，一级锥形喷嘴与液液射流管路连接，二级锥形喷嘴罩在一级锥形喷嘴外围，与一级锥形喷嘴之间形成混合室，二级锥形喷嘴的前端为喷射口，该二级锥形喷嘴的上部设有引流孔。该液液射流器在二级锥形喷嘴上开有引流孔，当一级锥形喷嘴内有液体高速通过时，混合室内产生负压会将厌氧发酵罐内的物料吸入二级喷嘴内形成混合液，从而起到抽吸液体和沼气混合搅拌的作用，能够破除厌氧发酵罐内物料顶部的浮渣层。

由图2可知，射流搅拌装置中的气液射流器由一级锥形喷嘴、二级锥形喷嘴、收缩管和扩散管构成，一级锥形喷嘴与气液射流管路连接，二级锥形喷嘴罩在一级锥形喷嘴外围，与一级锥形喷嘴之间形成混合室，二级锥形喷嘴的上部设有沼气管接口，该二级锥形喷嘴的前端经收缩管与扩散管连接，扩散管前端为喷射口。该气液射流器当一级锥形喷嘴内有液体高速通过时，混合室内会产生负压，厌氧发酵罐上部的沼气将被吸入二级喷嘴内，混合液经由收缩管和扩散管喷入厌氧发酵罐内从而起到搅拌混合作用，通过设置所述气液射流器，使得二级锥形喷嘴产生负压的效果好，大大降低了引流压力，降低了能耗。

罗欣等［1］推导出一套适用于未知工作流量和扬程的射流喷嘴水力损失计算公式，并利用实验室小试验证了该公式的准确性、可靠性。其后在小试试验数据的基础上，依据几何放大原理，确定两种结构形式的工业尺寸射流喷嘴的加工尺寸，并使用功率数据放大原理进行校验。

2.1.2 射流混合装置

射流搅拌流场特性试验装置结构如图3所示。装置主要由潜污泵、射流喷嘴、电磁流量计、压力表、阀门及搅拌槽组成。试验在图3所示的池体中进行，具体尺寸为长19.50 m，宽10.30 m，槽中隔板厚0.02 m，长16.5 m，槽内污泥深4.1 m，左侧为半径5.15 m的弯道［2］。葛芳州等［2］研究了射流混合装置的性能，对比分析了不同喷嘴的流场、不同流量的流场、吸气量与流量关系。

图3 反应设施结构示意图［3］Fig.3 Schematic Diagram of Reaction Facility Structure［3］

2.2 污泥射流搅拌装置的混合流场试验

2.2.1 射流搅拌混合均匀程度分析

对液液喷嘴（液液混合）、带气管的气液喷嘴（气液混合）作不同安装高度、不同工况下的搅拌槽内流速方差加权平均，结果表明，液液喷嘴、带气管的气液喷嘴的最佳混合状态均出现在大流量、高安装高度时（喷嘴入射流速为 4.95 m／s，安装高度为 2.0 m）［3］。

对液液喷嘴，在相同安装高度下，其流场混合均匀程度均随着喷嘴入射流速的增加而增加，这与射流对流场的初始动能、动量的增加及其对周围流体的卷吸掺混作用的增强有紧密关系。此外，通过比较相同入射速度下不同安装高度的槽内流速方差加权平均值可知，距池底过近不利于射流的充分发展，从而阻碍了槽内流场的整体搅拌混合均匀程度。因此，适当增大液液喷嘴的安装高度、入射流速对提高其搅拌性能有促进作用。

对气液喷嘴，在相同安装高度下，它的槽内流速方差加权平均值随安装高度变化没有液液喷嘴的明显，这与气液混合射流的特点关系较大。结合气液混合比情况可知，随着入射流速增加，气液混合比急剧上升，抽入空气被入射污泥高剪切速率打碎的细小气泡，这些气泡一经射出，受到射流对其往前的推力，也受到浮力的作用，迅速上浮至池子表面。虽然这种气液混合极大地促进了近射流区的泥气混合，但其对远射流区流场混合影响并不明显。

2.2.2 射流搅拌过程中死区分析

液液喷嘴（液液混合）、气液喷嘴（气液混合）的搅拌槽内死区体积分数随喷嘴安装高度、喷嘴入射速度的变化情况为：在相同情况下，搅拌槽内死区容积分数越大，槽内混合搅拌均匀程度越小。

对确定结构形式、混合形式的喷嘴，为了减小槽内死区，增强搅拌混合效果，促进搅拌传质，可适当减小安装高度、增大入射流量。此外，改变喷嘴安装角度、在槽内适当增设挡板都是后期研究中可以尝试减小槽内死区的方法。

2.2.3 能耗分析

针对污泥射流搅拌装置，其能量输入均用于两部分：喷嘴内流体抽吸混合及喷嘴外搅拌混合。研究表明，装置所需能量输入大小与射流流体混合形式及喷嘴安装高度关系不大，主要受入射速度影响。

对液液喷嘴，蒋竹荷等［3］研究表明：当其入射流速从3.77 m／s增至4.95 m／s时，其流场混合均匀程度增加了32.24%、死区容积百分数减小了12.42%，能量输入增加了8%。因此，其经济入射流速为4.95 m／s。而对气液喷嘴，当其入射流速从3.77 m／s增至4.95 m／s时，其流场混合均匀程度增加了27.52%、死区容积百分数减小了8.57%，能量输入却增加了23.98%。因此，其经济入射流速为3.77 m ／s。

2.3 CFD模拟射流搅拌不同流变特性污泥的流场特性

利用计算流体力学（computational fluid dynamic，CFD）的手段，使用Hershel-Bulkley本构方程描述污泥这种非牛顿流体的流变特性，并使用流场试验全工况分别对适于污泥液液单相、气液两相射流搅拌的模拟方法进行校验。

2.3.1 液液射流搅拌不同流变特性污泥的CFD模拟

对液液射流搅拌装置，选取与流场试验一致的搅拌物料（活性污泥）及工况（试验入射流量分别为150、240、315 m／h）下的模拟结果与试验结果做对比，进行数值模拟方法的验证。基于已验证的数值模拟方法，取流场混合效果最明显的一级喷嘴入射压力226 043 Pa，以牛顿流体（水）作为搅拌参照物料，对比射流搅拌牛顿流体与非牛顿流体的模拟结果。

课题研究了液液射流喷嘴的工作原理：不受流体性质影响，均为一级喷嘴射出的高剪切速率、高压流流束高速流过二级喷嘴混合室，使得二级喷嘴混合室产生负压，外流场流体在压差的作用下被抽入喷嘴，并在一级喷嘴出射流的卷吸作用下在混合室发生剧烈的流体掺混作用并在该出射流的轴向推进作用下，经二级喷嘴收缩段继续加速射至外流场参与其搅拌、混合过程。由液体流量及液体出射流速可知，液液喷嘴在相同入射压力的情况下，泵送能力与污泥流变特性紧密相关。

液液射流搅拌宏观流场的整体流态受搅拌物料特性、搅拌槽几何边界影响。当搅拌流体为水时，液液射流长度长、对称性几乎不受搅拌槽中间隔板影响；当其流动至槽内直角转弯处时遇到垂直隔板阻碍运动，迅速改变流体运动方向而流速大小几乎不变，能量损失小，垂直方向几乎无流动不佳区域。当搅拌流体为污泥时，由于污泥分子间黏滞力的强弱不同及其剪切变稠或剪切变稀的特质，槽内搅拌混合情况明显与水不同，且随污泥非牛顿流体类别、流变特征变化。

2.3.2 气液射流搅拌不同流变特性污泥的CFD模拟

对气液射流搅拌装置，选取与流场试验一致的搅拌物料（活性污泥）及工况（试验入射流量分别为150、240、315 m／h）下的模拟结果与试验结果作对比，进行数值模拟方法的校验。

课题研究了气液射流混合原理不受物理特性影响。高压水（或泥）在一级喷嘴出口高速射流并迅速释放压力；同时，该高速射流迅速带走二级喷嘴混合室内液体使其内产生负压；此时，外部空气在压差的作用下被抽吸进入喷嘴内。其后混合物通过加速管加速、扩散管将流体动能转换为压能，提供搅拌、混合喷嘴外流场的初始动能。因此在实际工程的应用中，可以考虑随着污泥龄的不同，调整气液射流搅拌装置中喷嘴的入口压力值，控制泵送进入消化罐内的流体流量。

以射流搅拌牛顿流体（水）为参照，考察了气液射流搅拌污泥的出射气液混合物的运动轨迹、卷吸效果以及宏观流场的整体湍动情况。研究表明，当搅拌流体为水时，喷嘴出口处气液射流上浮速度快、对称性好，流场湍动主要靠径向压差带动，流场内漩涡尺寸大且多，槽内几乎没有停滞区。当搅拌流体为污泥时，其出射射流上浮速度不如搅拌流体为水的情况快，但其轴向推送作用、不对称卷吸作用与水对比有所增强。此外，搅拌流体为污泥时，槽内漩涡较水略少，这与污泥的黏滞性关联大，因此，对应的槽内流体流动停滞区增多。这均与污泥流变特性及污泥受射流搅拌时所受黏性阻力有密切关系。整体来说，气液射流初始动量大，其气泥混合射流穿透力好；但随着污泥流变特性的不同，气泥射流在流场内的扩散、上浮情况不同。

3 研究展望

本文对高含固率污泥的射流搅拌核心设备——射流喷嘴的工作原理、工作性能及宏观流场特征进行了探索，为今后的工作提供了参考数据。建议今后从以下几个方向做延续性研究。

（1）本研究限于时间进度，未进行厌氧消化罐中的CFD模拟，建议在今后的研究中推进该工作，并做混合时间、搅拌死区容积的探究。此外，应结合示踪试验作模型校验。

（2）实际高含固率污泥的厌氧消化过程中，参与搅拌的物料并非污泥一种，还有掺混于其中的砂砾，同时还有厌氧消化过程中的产气，建议在今后开展包含固体（污泥中的含砂）、气体（厌氧消化过程的产沼气过程）和液体（污泥）的CFD仿真模拟。考虑到实际运行的厌氧消化工程中多遇到污泥顶部有浮渣层、底部有沉积污泥的问题，建议在今后的CFD模拟工作中考虑流固耦合手段，进行射流搅拌破浮渣潜力的考察。

（3）考虑到搅拌的目的为保持物料悬浮及均质化物料，建议在今后的CFD模拟工作中对污泥絮凝潜力及厌氧消化罐内物料均质化（包括物理和生物角度的均质化）作表征指标的探究并做对应的流场可视化工作。

（4）针对污泥厌氧消化过程中的传质传热过程，其传质动力学相关的机理研究及CFD模拟应用对提高搅拌混合效果、促进生物产气有重要意义，建议在今后作推进。

［1］罗欣，彭光霞，李彩斌，等.新型水力搅拌核心设备水力损失公式的推导及应用［J］.净水技术，2016，35（3）：97-102.

［2 ］葛芳州，蒋竹荷，罗欣，等.射流混合装置性能对比试验［J］.净水技术，2017，36（8）：32-36，45.

［3］蒋竹荷，曹秀芹，葛芳州，等.基于污泥流变学的射流搅拌混合特性［J］.环境工程学报，2016，10（10）：5924-5930.