水力搅拌加速沼气工程启动的研究—(Ⅱ)流场模拟部分

黄如一，廖功磊，秦浩东，何清燕，蒋辉霞, 龙恩深，梅自力，李冰峰

(1.四川省农村能源办公室，成都 610041；2.农业部沼气科学研究所, 农业农村部生物质发酵产品质量安全风险评估实验室(成都)，成都 610041；3.四川省机械研究设计院，成都 610063；4.四川省农业机械研究设计院，成都 610063；5.四川大学 建筑与环境学院，成都 610065；6.农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100045)

搅拌可显著提升沼气厌氧发酵效率[1-2]，但在沼气工程启动阶段的搅拌到底是有利还是有害尚存一定争议。Jarvisa P[3]认为在发酵启动阶段，生物质初步形成絮凝体形态，结构脆弱，进行搅拌会破坏其结构成型，不利于启动。王玉恒[4]却认为，启动阶段的搅拌可利用水力剪切应力剪除絮凝体的疏松结构，保留其密实部分，使其平均粒径更小，接触效果更佳，有利于启动。王玉恒[5]还在实验中观察到，产气过程中的搅拌可以消除颗粒表面的气泡，进一步提升表面接触效果。

黄如一[6]在本研究的第1部分，设计了一种优化的水力搅拌装置，并通过三台发酵装置的平行实验，针对接种液进行搅拌，验证了水力搅拌对接种液在新发酵装置中重启活性的过程具有显著提升作用。本阶段拟采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，进一步阐明水力搅拌提升重启效率的内在水力学机理，

CFD是现代沼气工程搅拌设计的重要辅助手段[7]，可以实现料液流场的可视化研究，摆脱沼气行业长期以来的不可视障碍[8]，甚至可以在某些特定方面，实现搅拌效果的量化评估[9]，极大地提升了现代沼气工程搅拌方案设计水平。CFD优化设计沼气工程搅拌方案的主要方法是通过数值模拟，重建流场形态图案，在图形可视的基础上，识别流场缺陷和改进路径，辅助优化设计搅拌方案[10]。本研究在实验验证搅拌效果的基础上，进一步利用CFD方法模拟绘制两种搅拌方案的流场图形，通过比较分析阐明优化搅拌方案的内在流体力学机理，从而介绍了CFD辅助设计优化搅拌方案的方法，为工程设计提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验用罐体

实验材料和方法已在前期研究[6]中详细介绍，罐体设计方法如图1所示，罐体总容积635.5 L，发酵间有效容积和气箱容积分别是552.9 L和100.6 L。

1.发酵罐；2.储气间；3.发酵间；4.回流管；5.出水口；6.进水口；7.泵；8.进料口；9.密封塞；10.检修口；11.导气管

为做对比研究，还制作了另外两个罐体。在实验中，带4根循环管的罐体命名为4#，带1根循环管的命名为1#，不搅拌的对照组命名为0#。3台罐体如图2所示，从左至右分别为0#，4#和1#。

图2 3台制造安装好的厌氧发酵装置

1.2 实验结果

前一阶段实验[6]已经验证了水力搅拌对沼气工程接种液活性的快速启动具有显著提升效果，1#产生第1个产气高峰比0#早1天，4#比0#早7天，42日连续产气实验的结果如表1所示。其中，1#和4#的累计沼气产量比0#分别高89%和125%，COD去除率分别比0#高27%和42%。其产生机理需用CFD方法辅助说明。

表1 沼气产量和污染物去除率

1.3 数值模拟计算方法

1.3.1 模拟对象

数值模拟对象是发酵系统的简化模型，循环管的容积很小，并非主要发酵区域。气箱部分仅用于储存产生的沼气，不影响发酵，所以简化模型将它们忽略。仅剩发酵区域的简化模型为一个552.9 L的液柱，底部开口，作为进水口，高位侧面的开口作为出水口。分别将两种罐体建立成网格模型，采用控制容积法划分网格，按每边1,000个网格设置。1#模型共生成3302332个网格，4#模型共生成3295462个网格，如图3所示。

图3 1#和4#实验罐的液柱数值模型

1.3.2 边界条件

持续增大水泵功率至液柱上表面泛起波澜并能扩散到边缘时视为水力通路贯通[11]，此时用转子流速仪测得入口断面流速为0.707 m·s-1，所以进水口的边界条件设定为速度入口，绝对值取其近似值0.7 m·s-1，方向竖直向上。1#的1个出水口和4#的4个出水口均设为压力出口。

1.3.3 数值计算方法

由于接种液易溶于水，固态活性污泥含量很小，故可将模拟介质视为单相液体流[12]。其流体流动连续性方程如下：

(1)

其动量方程如下：

(2)

(3)

(4)

式中：▽为哈密顿微分算子：

(5)

2 结果和讨论

2.1 流场模拟图形分析

利用CFD软件分别模拟计算1#和4#的搅拌流场形态，结果显示差异明显。图4是两者的速度矢量分布立面截面图的对比。通过图4可见，两者的动能都比较充沛，但1#的分布明显不均匀，设有出口的一侧动能充沛，其余方向则严重匮乏。而4#由于在高位设置了对称的压力出口，所以动能沿四个对称方向均衡分布，不留明显的匮乏区。

图4 罐内速度矢量分布图(立面截面)

图5是两个罐体在1 m高度，即出口所在水平面，也是罐体高位的平面截面图。此图更清晰地显示出两者差异，1#的动能大量集中在设有出口的一侧，其余区域则严重匮乏，相比之下，4#的动能分布相对均衡。

图5 罐内速度矢量分布图(1 m高度水平截面)

图6则是两个罐体在0.1 m高度，亦即罐体低位的平面截面图。在罐体低位，1#的动能分布更加匮乏且不均匀，甚至连设有出口的一侧动能也比4#差，这在实验观察中，表现为低位的漩涡更弱。可见，4#的设计方式比1#更容易使大型罐体的流场形成均衡，使动能均匀分布于罐内广大区域。

图6 罐内速度矢量分布图(0.1 m高度水平截面)

2.2 讨论

2.2.1 搅拌对产气效率的影响

通过3个发酵装置产气数据的对比，搅拌能够提升厌氧发酵效率的论点得到进一步印证，两个搅拌的装置产气量分别比不搅拌的对照组高出89%和125%。而两种搅拌形式的提升程度也存在显著差异，4#明显高于1#，说明优化的流场设计产生更均衡的流场形态，对提升搅拌效率存在显著作用。两个搅拌的装置产气高峰也分别比不搅拌的早1天和7天出现，说明搅拌有利于厌氧发酵更快启动，而且均衡搅拌的作用更加显著。

搅拌流场的优化可以利用CFD方法模拟分析。搅拌变静态发酵为动态，使动能均匀分布于发酵区域，避免“死区”[13]。但由于重力的存在，动能分布往往偏向重力方向，所以应该采用逆重力搅拌来抵抗这种趋势[11]。所以本实验的循环流化发酵装置设计成底部进水、高位出水的方案。通过CFD模拟可见，这种设计可以克服重力，在罐体中部形成从底部到顶部的完整水力通路。但1#只在高位设计了1个出口，这样虽足以形成循环流化，不过其动能大量偏向出口一侧，流场仍显得极不均衡。微生物菌种[14]和稀缺元素[15]并不能有效地输运到动能匮乏的区域，造成大量发酵盲区。4#则通过在罐壁四周设置对称出口，形成均衡的流量再分配，流场在水平和垂直两个方向都均衡分布，不留明显的动能匮乏区，使微生物菌种和稀缺元素更加均匀地分布于整个发酵区域，增大有效发酵容积，提升发酵效率。

而在甲烷含量方面，1#和4#均明显高于0#，但两者之间差异不明显，说明只要形成了循环流化，就能提高沼气的甲烷含量，优化流场形态只能细微地增大提升幅度。这可能取决于料液的酸化情况，因为发酵过程中会产生大量酸性副产品，对甲烷菌存在显著毒性，降低甲烷产量，生成多余的二氧化碳，从而降低甲烷含量[16]。发酵区域中若产生局部酸化，容易通过溶解进一步扩散，所以通过搅拌及时降低酸性至关重要。但酸性物质是极易溶于水的，轻微搅拌即可使其迅速溶解，即便1#较差的流场形态使很多区域动能匮乏，但对于抑制酸化而言已经足够，所以其抑制酸化的效果与4#差距并不大。说明只要形成回流搅拌，就能抑制酸化，优化的流场形态对抑制酸化的提升并不大。

2.2.2 搅拌对污染物去除率的影响

除了产沼气，去除污染物是沼气工程的另一重要目的。发酵过程中，4#的COD浓度下降最快，1#下降速度低于4#，而0#下降最慢，且早在第25天便不再显著下降，显示厌氧发酵反应已严重减弱。这首先是由于富含甲烷菌的活性污泥沉降到了底部[17]，使高、中位置的大量区域的发酵原料都难以接触到发酵菌种，形成巨大的静态发酵盲区。其次还可能是由于罐内厌氧发酵反应所需的P，K，S，Fe，Co，Ni等稀缺辅助元素沉降有关[15]。这类物质在料液中的含量本身就极低，但密度却很大，容易沉降到底，其盲区比活性污泥更大。但1#和4#采用反重力搅拌，不断将底部的稀缺物质冲向高位，只要是水力搅拌动能可达区域，水流都可将活性污泥和稀缺元素带到，避免了静态发酵盲区的产生，从而提高发酵效率。

不同于COD在厌氧发酵过程中不断降低的趋势，氨氮存在着累积与转化并存的情况，变化较为复杂[18]。氨氮在低浓度阶段是厌氧发酵微生物的营养来源，并提供发酵体系所需碱度，但浓度太高便会抑制厌氧反应[19]。于芳芳[20]建立了不同COD浓度下氨氮对产甲烷菌的毒性关系模型，指出氨氮浓度过高会对产甲烷菌产生毒性。但张波[21]指出氨氮的毒性是可逆的，通过稀释、搅拌等方法可抑制其累积，解除毒性。实验用接种液的初始氨氮浓度仅为67 mg·L-1，发酵初期3台发酵装置都表现出轻微的氨氮累积现象，且速度相近。但经过较长时间后，两台搅拌的装置氨氮累积速度略低于不搅拌的，并在第28天得到了明显抑制，氨氮浓度回落，产气高峰正是出现在此时。这说明搅拌通过促进氨氮转化，抑制其累积，有利于菌群生长，从而促进了厌氧反应。但1#和4#的氨氮浓度非常接近，说明和pH值类似，只要形成回流搅拌就能促进氨氮转化，降低氨氮累积，优化的流场形态在氨氮方面的优化幅度并不大。

3 结论

水力搅拌可以加快沼气工程接种液发酵重启，获得更佳的产气和污染物去除效率。借助CFD数值模拟方法，辅助分析底部进水高位分散式出水的优化流场设计机理，在于其可以形成更均衡的反重力搅拌，使微生物和稀有元素克服重力沉降作用上冲至高位，并向广大空间均匀扩散，同时稀释毒性物质，能比集中式出水口更快重启，更大幅度提升产气和COD去除率，但在提升甲烷含量方面优化幅度相对较小。