热水解污泥在厌氧消化反应器内流场特性研究

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面对国家在污泥处理和环境改善方面的重大需求,必须对剩余污泥进行相应的处理以实现其“减量化、稳定化、无害化、资源化”目标。厌氧消化因其高的能量回收效率、有限的环境影响等优点被广泛使用,为了强化厌氧消化的性能和后续污泥的脱水能力以及改善污泥卫生状况,热、碱、超声波等预处理方法常与厌氧消化组成联合工艺,其中热水解技术在实际工程中获得了广泛应用。近年来,计算流体力学(CFD)方法成为预测和优化生物反应系统混合效果的有力工具。本文对沧州市某污水处理厂的活性污泥以及宁波市某污泥集中处理厂的热水解污泥进行流变特性分析,使用液液射流与气液射流搅拌方式分别对活性污泥与热水解污泥进行搅拌混合,分析讨论活性污泥与热水解污泥在厌氧消化反应器内的速度分布、黏度分布、受搅拌的均匀性情况。现得到以下结论。(1)通过CFD模拟值与前期流场实验的实验值(入射流量、流速)对比表明,利用CFD模拟非牛顿流体射流搅拌混合特性的方法是可行的。在液液射流搅拌的流场实验中,进口压力为226043 Pa时,此时流场的混合效果最明显。搅拌混合效果分析表明,喷嘴内部活性污泥、消化污泥混合效果无明显差异,该入射压力下,液液喷嘴泵送活性污泥时入射流量314.57 m3·h-1,入射速度为3.37m·s-1,消化污泥入射流量为312.05 m3·h-1,入射速度为3.20 m·s-1,两种污泥均得到较好的混合。搅拌槽内两种污泥混合效果差别较大,活性污泥主体推送距离可达11 m。消化污泥的主体推送距离可达9 m,主体推送距离后的流速范围在0.000 m?s-10.002 m?s-1。(2)横切面速度云图以及纵面速度云图以及流线图显示,流动区域速度主要集中在0.60 m·s-1左右,流场中心区域流速低。流线图表征出物料在罐体内呈逆时针方向循环上升状态。根据斯托克斯定律计算出该反应器的沉降速度为0.30m·s-1,反应器中沉降速度小于该值的区域集中在中心区域,并且该部分体积达到600.88 m3,反应器内死区体积占总容积20.58%。热水解污泥在搅拌过程中受到“主体对流扩散”、“旋涡扩散”和“分子扩散”三种扩散机理的共同作用。流场中污泥所受的剪切应变云图表明,流场内剪切速率分布不均,可以分为射流影响区(1.50200 s-1)和流动循环区(0.001.50 s-1)。(3)根据横切面速度云图、纵面速度云图以及流线图可知,流动区域速度主要集中在0.75 m·s-1左右,流场中心区域流速低,物料在罐体内呈逆时针方向循环状态。低速度梯度值出现在罐体中心区域两侧,靠近喷嘴处速度梯度值增大。并且z=2.20 m平面与z=9.00 m平面存在差异,这表明,气体的存在是造成速度梯度变化的原因。罐内主体处于低速度梯度范围,低速梯度区(LGZ):0≤<3 s-1。与液液射流相比,气液射流装置内部掺混效果好于液液射流装置,死区占比小于液液射流搅拌装置。
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