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厌氧消化可使污泥得到稳定化处理，并已被广泛应用。厌氧消化过程指在厌氧微生物作用下将污泥中有机质进行稳定化处理，同时产生可回收利用的能源。该技术对污泥资源化处理和回收利用有着重要意义[1-2]。目前，国内已经建成的厌氧消化处理项目在实际运行过程中会出现消化物质不能充分混合、物料分层、长期运行后底部出现大量沉渣等不良状况[3-5]。在进行厌氧消化反应前对污泥进行热水解预处理，可以明显改良厌氧消化性能，提高产气量并改善污泥脱水效果。与此同时，控制和管理好厌氧消化过程对取得良好的处理效果也是极为重要的[6]。在厌氧消化反应器内，良好的混合条件可以促进底物均匀分布，避免造成污泥悬浮以及污泥沉降[7]。
已有研究表明，数学模型是未来厌氧消化反应器设计的替代工具[8]。为实现这个目标，计算流体力学(CFD)方法被应用[9]。随着数字技术和具有计算能力的数字机器的开发，CFD方法广泛应用于流体动力学领域，其中包括给水和排水工程[10-14]。近来，CFD方法也用来研究厌氧消化反应器内物料的流动。TERASHIMA等[15]建立了一个3D CFD模型，考虑了污泥流变特性，定量研究工程化厌氧消化器中的混合条件。MERONER等[16]利用CFD模拟4个不同的圆形厌氧消化罐内单相和多相流的混合特性，使用Fluent建模，选择标准K-ε模型。WU等[17-18]应用CFD模型来表征卵形厌氧消化器中有引流管的机械搅拌混合，模拟搅拌桨在转速为400~750 r·min-1状况下的搅拌混合状况。机械搅拌应用较多，但是机械搅拌方式存在较多问题难以解决，而两级射流喷嘴以及射流泵的研究主要集中在流体等基础学科方面的理论机理[19-20]。工程方面，多应用在化工、石油等产业上[21-22]。国外关于有机固体废弃物中温厌氧消化射流搅拌的研究多以专利形式呈现，国内关于此类研究目前大多处于实验室阶段，可供工程实践的参考设计数据较少，且射流搅拌对工程放大后高含固污泥热水解-厌氧消化的作用机理尚不清楚。
1 实验部分
1.1 物料性质
实验污泥来自于宁波市某污泥集中处理厂，该厂采用热水解预处理-中温厌氧消化联合处理工艺，高含固污泥先经55 ℃热水解预处理，固体停留时间为3 d，冷却至(35±1)℃后进入反应器进行中温厌氧消化。实验中污泥为经过热水解罐处理后的热水解污泥。污泥含水率W利用质量法测定，含水率为92.46%，属于高含固污泥，具有典型的高黏性、剪切变稀等非牛顿特性流体，其流变特性与常规污泥区别很大，因此，使用HAAKE Viscotester 550型旋转黏度计测定污泥的流变特性并用Herschel-Bulkley模型进行拟合，拟合后曲线如图 1所示。其中，相关系数R2为0.997，拟合度较高，稠度系数K、流变指数n。热水解污泥参数如表 1所示。
图1 热水解污泥与Herschel-Bulkley模型拟合曲线图
Fig. 1 Fit graph of thermal-hydrolyzed sludge and Herschel-Bulkley Model
Fig. 1 Fit graph of thermal-hydrolyzed sludge and Herschel-Bulkley Model
图1 热水解污泥与Herschel-Bulkley模型拟合曲线图
Fig. 1 Fit graph of thermal-hydrolyzed sludge and Herschel-Bulkley Model
Fig. 1 Fit graph of thermal-hydrolyzed sludge and Herschel-Bulkley Model
表1 热水解污泥参数
Table 1 Thermal-hydrolyzed sludge parameters
Table 1 Thermal-hydrolyzed sludge parameters
表1 热水解污泥参数
Table 1 Thermal-hydrolyzed sludge parameters
Table 1 Thermal-hydrolyzed sludge parameters
| 污泥含水率/% | 密度/(kg·m-3) | 稠度系数/(Pa·s) | 流变指数 |
| 92.46 | 1 180 | 0.728 15 | 0.574 72 |
1.2 几何模型
基于某污泥集中处理站厌氧消化反应器的数据建立几何模型，并进行模型简化，如图 2所示，以反应器底面圆心为原点，圆心与喷嘴轴心线所在平面方向为x轴建立空间三维直角坐标系。反应器结构参数见表 2，反应器直径D，罐体总高度H，液面高度h1，液-液射流装置安装高度h2，污泥回流管安装高度h3，有效容积2 915.40 m3。距反应器底部2.20 m位置各安装一个直径0.15 m的液-液射流喷嘴装置，安装角度按逆时针方向偏离26°。
图2 反应器的几何模型和液-液射流装置结构示意图
Fig. 2 Geometric model of reactor and structure diagram of liquid-liquid jet nozzle
Fig. 2 Geometric model of reactor and structure diagram of liquid-liquid jet nozzle
图2 反应器的几何模型和液-液射流装置结构示意图
Fig. 2 Geometric model of reactor and structure diagram of liquid-liquid jet nozzle
Fig. 2 Geometric model of reactor and structure diagram of liquid-liquid jet nozzle
表2 反应器结构参数
Table 2 Reactor structure parameters
Table 2 Reactor structure parameters
表2 反应器结构参数
Table 2 Reactor structure parameters
Table 2 Reactor structure parameters
| m | ||||||
| H | h1 | h2 | h3 | D | d1 | d2 |
| 18.50 | 14.50 | 2.20 | 1.20 | 16.00 | 4.00 | 2.00 |
1.3 网格划分
分析不同的网格，以便得到更简单准确的折中方案。最后，经比较得出，使用混合网格模型，既简单有效又能保证网格质量，网格划分如图 3所示。该网格主要有以下特征：具有较小单元的六面体网格；接近精细化的自动曲率；对齐指定的坐标系。所得网格主要由六面体单元组成，并且表面是经过修整的单元格。修整过的单元格是多面体单元，但通常被认为是具有一个或多个角被切掉的六面体单元。综合分析，整个体积被看作是高质量的网格。由于流场中存在湍流区域，经网格无关性检测表明，该网格划分方法使得模拟更加接近于实验。节点数量为1 538 068个，网格数量为9 037 261个。
图3 网格划分
Fig. 3 Grid model
Fig. 3 Grid model
1.4 求解器参数
使用计算流体力学软件ANSYS Workbench 17.2对流场进行模拟，3D、隐式、基于压力的瞬态求解器来预测流场。应用SIMPLE压力-速度耦合方法，并且对于所有离散项使用二阶逆风离散方案。其中压力、密度、体积力、动量、动能和耗散、松弛因子分别为0.3、1.0、1.0、0.7、1.0和0.9，检查缩放残差的大小以收敛。残差被定义为在每次迭代之后的每个守恒方程之间的差值，当缩放的残差低于10-3时实现收敛。
边界条件设置：射流喷嘴入口设置为速度进口(velocity-int)，使用功率为22.50 kW的射流泵，使得2个液-液射流喷嘴进口速度达到6.00 m·s-1；反应器内部出口以及射流喷嘴顶端负压抽吸的入口均设置为内部界面(interior)；其他面设置为壁面(wall)。
2 结果与分析
计算收敛后，通过后处理得到的速度矢量图、速度云图、流线图、剪切应变云图以及死区分布图判别分析混合效果。
2.1 反应器内混合效果分析
2.1.1 喷嘴所在平面速度
为考察液-液射流搅拌污泥的射流出流特征、反应器内流场特性，取喷嘴中心所在的横断面做速度云图以及速度矢量图，如图 4所示，为突出速度变化，将速度变化范围设为0~1.50 m·s-1。
图4 z=2.20 m平面流场速度云图及速度矢量图
Fig. 4 z=2.20 m plane flow field velocity contour and velocity vector
Fig. 4 z=2.20 m plane flow field velocity contour and velocity vector
根据速度云图与速度矢量图，物料流动呈对流状态，以速度为衡量标准，速度1.50 m·s-1的区域为射流影响区，低于该速度值的区域为流场循环区。射流过程中，在距喷嘴出口8.00 m处，速度开始衰减，并以0.80 m·s-1的速度到达壁面，到达壁面后，物料呈逆时针方向循环流动，速度衰减至0.40 m·s-1。对流循环作用造成反应器中心位置物料始终处在较低的速度下，掺混效果不明显。
2.1.2 垂直于喷嘴的平面速度
由于液-液射流喷嘴安装在反应器靠近底部的位置，为了对比观察反应器上半部分与下半部分的搅拌混合状况，作液-液射流喷嘴轴心线的垂直面的速度云图，如图 5所示。
图5 垂直于喷嘴的平面流场速度云图
Fig. 5 Vertical velocity of plane flow field perpendicular to nozzle
Fig. 5 Vertical velocity of plane flow field perpendicular to nozzle
速度云图显示流场上下区域流动状况基本一致，并且左右两侧速度大致呈对称分布，这表明液-液射流装置安装在靠近底部位置并不影响流场上部区域的流动混合。
2.1.3 流线
为了明确射流搅拌热水解污泥的装置特性，分析其射流特征及厌氧消化反应器内整体循环流动情况，作液-液喷嘴在反应器内所处横断面(平面z=2.20 m)以及反应器内部做3D流线图，如图 6所示，为突出射流的速度变化，将速度显示范围设定为0~1.50 m·s-1。
图6 速度流线图
Fig. 6 Velocity steamline
Fig. 6 Velocity steamline
由图 6可知，液-液射流装置在搅拌过程中，反应器中心区域流体循环运动弱；喷嘴出口射流流束一方面向前进行主体推送作用，另一方面对周围流体进行卷吸作用，射流流束到达壁面时沿着壁面循环流动，进而带动整个反应器内物料的掺混；液-液喷嘴主要产生轴向流动，径向流动次之，而几乎无切向流动，反应器中心区域混合效果较差。因此，在工程中使用该形式喷嘴搅拌时，为增加反应器内流体置换作用，增加传质效果，可以考虑在反应器上部增设射流搅拌装置以增加反应器内中心区域的流动搅拌均匀程度，也为下一步研究奠定基础。
2.2 死区
在厌氧消化搅拌过程中，不可避免地出现搅拌混合不均匀、传质效果差、基本不流动的区域，这些区域称之为死区。使用关于沉降的斯托克斯定律来定义死区阈值。沉降速度的vS计算公式如下：
| vS=(29)r2g(ρp−ρf)/μ |
式中：r为颗粒半径，mm；g为重力加速度，9.8 m·s-2；ρp为颗粒密度，g·mm-3；ρf为液体密度，g·L-1；μ为液体黏度，Pa·s。
在液-液射流搅拌的流场中，由公式计算该流场中沉降速度阈值为0.30 m·s-1, 流场中速度小于0.30 m·s-1的区域即为死区，总体积为600.88 m3，死区布局如图 7所示，占整个流场区域的20.58%。
图7 反应器内死区分布图(v < 0.3 m·s-1)
Fig. 7 Plot of dead zone(v < 0.3 m·s-1) in whole reactor
Fig. 7 Plot of dead zone(v < 0.3 m·s-1) in whole reactor
2.3 液-液射流搅拌机理及特性
热水解污泥作为一种高含固率污泥，在厌氧消化搅拌过程中有效提升其生化、物化传质效果在实际工程中一直是一项挑战，因此，有必要结合本文所研究的搅拌装置——液-液喷嘴，针对高含固率污泥作液-液射流搅拌的搅拌机理、流场特性探究。
2.3.1 搅拌过程分析
结合模拟过程初始条件得到的模拟结果，展开液-液射流搅拌高含固污泥的搅拌机理讨论。结合图 5和图 6中宏观流场进行整体流动分析，场内除中心区域外整体循环流动效果好、高速流体与低速流体间受到剪切作用形成漩涡、流体湍动掺混作用强，槽内流体通过这2种扩散作用进行“宏观混合”，并通过该过程增大了分子扩散的表面积，减小了扩散距离，增强了宏观混合效果，促进了分子扩散作用，因此，热水解污泥的搅拌过程是“主体对流扩散”、“旋涡扩散”和“分子扩散”3种扩散机理的综合作用，作用范围依次减小。该作用促进厌氧消化的搅拌过程中微生物与基质的充分接触，增进其传质、传热效果，进而改善生化反应过程，促进产气和污泥中有机质的充分降解。
2.3.2 剪切应变分析
高黏度物料的混合机理及其对应的搅拌装置特性，其主要的混合机理为“剪切”，但针对高含固污泥，还应考虑其流变特性。因此，做液-液射流喷嘴壁面处污泥所受剪切应变云图，如图 8所示。两侧喷嘴出口轴心线垂直面上的剪切应变衰减结果如图 9所示。喷嘴外流场z=2.20 m平面做剪切应变云图，如图 10所示。
图8 一级喷嘴内壁剪切应变速率云图
Fig. 8 Contours of strain rate near first stage nozzle in wall
Fig. 8 Contours of strain rate near first stage nozzle in wall
图9 喷嘴出口轴心线垂直面上的剪切应变速率云图
Fig. 9 Contours of strain rate diagram on vertical plane of nozzle outlet axis
Fig. 9 Contours of strain rate diagram on vertical plane of nozzle outlet axis
图9 喷嘴出口轴心线垂直面上的剪切应变速率云图
Fig. 9 Contours of strain rate diagram on vertical plane of nozzle outlet axis
Fig. 9 Contours of strain rate diagram on vertical plane of nozzle outlet axis
图10 z=2.20 m平面剪切应变速率云图
Fig. 10 Contours of strain rate in plane of z=2.20 m
Fig. 10 Contours of strain rate in plane of z=2.20 m
由图 9和图 10可知，全流场(喷嘴内和外流场)的污泥剪切速率在流场内变化梯度大，分布极为不均。由图 9可知，喷嘴内污泥处在高剪切强度内、剪切速率范围为200~500 s-1；通过观察剪切速率在喷嘴轴心线上的衰减规律(见图 9)，出射流体剪切速率在-7.00~-5.00 m范围内迅速衰减至5 s-1。观察剪切速率云图(图 10)可知，射流影响区的剪切速率变化范围为1.50~200 s-1，射流循环区的剪切速率变化范围为0~1.50 s-1。
剪切作用对高黏度液体的搅拌机理有重要意义，所以结合热水解后污泥流动曲线进行讨论。对厌氧消化罐内原本静止的高含固率污泥，其受到液-液喷嘴发出的高速自由射流的强剪切作用，污泥所受剪切应力迅速突破其屈服应力，随出射污泥一同进行轴向主体推送运动。与此同时，由于射流边界上的高剪切速率对周围高黏度污泥的“剪切作用”，周围污泥流变特性发生变化，表现出高剪切速率范围内的剪切变稀特性，所在区域污泥分子尺寸变小。从而使得该部分污泥被持续卷吸进入主体流束中，将动量传递给低速流体，使2个部分流体彻底混合，增加射流宽度及长度。
污泥底物在剪切作用下，会促使悬浮状态的有机物快速溶解，污泥絮体直径减小，同时不改变污泥絮体的沉降性能。污泥分子间的相对运动强度适中，有助于内部微生物与基质的有效接触，增强了不同微生物种群之间的联系，微生物活性得以提升，进而促进了场内的传质效果。现有研究表明，生物处理装置中，射流搅拌对微生物生长有着显著的优势。熊向峰等[27]对比分析射流搅拌、沼液回流搅拌、机械搅拌和无搅拌状况下牛粪厌氧发酵产气量的比较，实验结果反应射流搅拌状况下厌氧产酸菌、厌氧纤维素分解菌和产甲烷细菌的数量明显高于其他搅拌方式，并且总产气量高于不搅拌36.1%，高于机械搅拌和沼液回流搅拌10%。因此，合理控制射流搅拌的强度，对于提升整体反应效果有着积极的作用。
3 结论
1) 根据速度云图、矢量图以及流线图可知，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，物料在罐体内呈逆时针方向循环上升状态。
2) 根据斯托克斯定律计算出该反应器的沉降速度为0.30 m·s-1，反应器中沉降速度小于该值的区域集中在中心部位，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%。
3) 热水解污泥搅拌过程中“主体对流扩散”、“旋涡扩散”和“分子扩散”3种扩散机理综合作用。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(1.50~200 s-1)和流动循环区(0~1.50 s-1)。
4) 尽管CFD模拟技术在某些方面还具有一定的不确定性，但是对大型的厌氧消化反应器的初步研究，以及为后期的改良优化提供了探索的工具，也对实际工程提供了很好的技术参数。在此基础上，计划通过改变液-液射流装置的安装角度、安装高度以及调整射流强度与工程实验结合，进一步模拟优化改善搅拌的混合效果。
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