曹秀芹：大家下午好，我是北京建筑大學(xué)曹秀芹。這兩天通過(guò)前面專(zhuān)家的報(bào)告收獲很大。一方面我們需要前瞻性的、理念性的、方向性的，到底污泥怎么處理，朝什么方向走，另外一部分更多則是一些可以操作的、可以落地的污泥技術(shù)，可以去用的，因?yàn)楝F(xiàn)在污泥的問(wèn)題已經(jīng)堆到家門(mén)口了，這個(gè)事怎么解決，我想大家坐在這兒要找到一個(gè)更適合的也不是絕對(duì)唯一的方法，來(lái)解決污泥問(wèn)題。

其實(shí)我想把我們這兩年做的研究工作，給大家做個(gè)匯報(bào)。現(xiàn)在的污泥處理由過(guò)去的相對(duì)比較單一的處理模式，向著多元化的深度處理方向發(fā)展，我們面對(duì)很多種類(lèi)的原料，比如我們有高濃度的污泥，也有高溫?zé)崴夂蛥捬跸奈勰?，同時(shí)還有不同有機(jī)質(zhì)的聯(lián)合厭氧消化，有濕式厭氧消化和干式厭氧消化，濕式15%以下，干式15%以上，這樣一個(gè)不同含水率的情況，覆蓋面這么大，和我們傳統(tǒng)處理工藝比起來(lái)發(fā)生了很大的變化。污泥這樣一種原料流體性質(zhì)，發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，從流變特性這個(gè)角度把我們做的工作和大家交流一下。

從污泥的流變特性來(lái)講，比如我們講某一個(gè)指標(biāo)，或者某一個(gè)評(píng)價(jià)的體系，如果是既具有反映物料的理化性質(zhì)，同時(shí)也從工程的層面來(lái)加以描述，我們覺(jué)得流變特性是一個(gè)兼具這兩個(gè)特性的指標(biāo)。一個(gè)方面描述了污泥的基本理化性質(zhì)，如同檢測(cè)其他指標(biāo)一樣，另外一方面解決面對(duì)工程技術(shù)層面的問(wèn)題，比如說(shuō)我們談到沉降性能的問(wèn)題，脫水性能以及泵站、管道等輸送過(guò)程中流動(dòng)阻力的問(wèn)題，同時(shí)還有黏附性的問(wèn)題。從這樣一個(gè)角度看，盡管污水處理提標(biāo)改造是日趨完善的，但我們要面對(duì)含固率更高，流變行為更加復(fù)雜的污泥處理處置問(wèn)題。高含固污泥是典型的非牛頓流體，相對(duì)于傳統(tǒng)的低固污泥，流變性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化。它對(duì)整個(gè)污泥處理過(guò)程，不管采用什么樣的流程工藝，會(huì)影響到工藝的設(shè)計(jì)，各個(gè)處理單元的傳質(zhì)、傳熱、混合性能以及具體的化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。對(duì)管道運(yùn)輸來(lái)講，則會(huì)影響壓力降計(jì)算、泵的選型，以及后續(xù)的處理，比如說(shuō)脫水環(huán)節(jié)、儲(chǔ)存等等。

常常很多物料性質(zhì)一個(gè)指標(biāo)、兩個(gè)指標(biāo)足夠反映，但是對(duì)于流變特性來(lái)說(shuō)則需要系列的參數(shù)，從流動(dòng)狀態(tài)朝類(lèi)固態(tài)甚至朝固態(tài)發(fā)展，這樣一個(gè)過(guò)程基礎(chǔ)的技術(shù)支撐是什么東西?這是一個(gè)典型的流動(dòng)曲線圖，中間是牛頓流體，穿過(guò)原點(diǎn)的一條線，是一個(gè)線性關(guān)系，比如說(shuō)我們研究比較多的水的問(wèn)題，它是一個(gè)線性關(guān)系，我們比較好從一點(diǎn)工況類(lèi)推到另一點(diǎn)工況。隨著污泥含固率的變化，它由牛頓流體變成非牛頓流體，非牛頓流體又有不同的類(lèi)型，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)有屈服值的假塑性流體。

描述這些流變參數(shù)，也有些典型的流變模型，這些模型在工程中用的怎么樣?在工程設(shè)計(jì)里有沒(méi)有體現(xiàn)，工程設(shè)計(jì)時(shí)候能不能直接拿它來(lái)用，我們也做了一些分析，通過(guò)數(shù)學(xué)的手段做一些顯著性的分析，到底在什么范圍適用于什么樣的流變模型。這是我們實(shí)際測(cè)試的曲線，重點(diǎn)關(guān)注了傳統(tǒng)的污泥厭氧消化4%的含固率，現(xiàn)在朝高濃度的方向走，我們到93%的含水率(即7%的含固率)，10%的含固率的情況，流動(dòng)曲線和黏度曲線的變化情況，隨著含固率提高慢慢出現(xiàn)了屈服應(yīng)力值。你要讓這類(lèi)污泥流動(dòng)要給它一定的力，給它力就要消耗能量，它直接反映污泥整個(gè)輸送過(guò)程中，或者反映攪拌過(guò)程中能量的消耗。右邊圖是反映黏度的變化，隨著剪切速率的增加，實(shí)際上黏度是趨于穩(wěn)定的，剪切速率進(jìn)一步增加對(duì)它沒(méi)有影響，它趨于穩(wěn)定了，這個(gè)值通常叫做極限黏度。但是事實(shí)上我們很多處理設(shè)備，有可能是處在低剪切速率下。尤其是在關(guān)注生物處理的時(shí)候，都有這樣一個(gè)體會(huì)，生物處理要保護(hù)微生物的活性，攪拌強(qiáng)度不能太大了，很多時(shí)候處在低剪切速率范圍下，低剪切速率范圍下黏度變化是急劇的變化過(guò)程，基于這樣的一些設(shè)計(jì)它一定會(huì)有偏差。也許我們主觀想象這樣去設(shè)計(jì)是一種情況，但實(shí)際上里面的流動(dòng)狀況不是你設(shè)想的情況。

我們從影響因素上看，有很多影響因素，其中重要的影響因素是污泥濃度和溫度，污泥里面的有機(jī)質(zhì)問(wèn)題，其實(shí)有機(jī)質(zhì)也是很重要的指標(biāo)，這部分相關(guān)研究成果還在整理過(guò)程中，我們主要就前兩點(diǎn)污泥濃度和溫度的情況看一下。從濃度來(lái)講，現(xiàn)有的研究看，污泥濃度的變化隨著污泥濃度的增加，污泥的黏度、屈服應(yīng)力、稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)，都呈一個(gè)指數(shù)形式的變化，這是我們幾組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，規(guī)律性非常明顯，而且規(guī)律的重現(xiàn)性也非常好。我們可以看一下曲線在什么地方突然拉升起來(lái)了，突然變陡了，突然變陡了以后會(huì)怎么樣?大概可以看一下轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候在我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候，也許可以提供一些參考，基本上在我們現(xiàn)有做的研究里，大概7%到8%含固率的污泥其屈服應(yīng)力、黏度都發(fā)生急劇的變化。我們縱向坐標(biāo)可能幅度大了一點(diǎn)，如果小一些，在4%左右也是一個(gè)變化點(diǎn)，4%的時(shí)候即原來(lái)傳統(tǒng)的污泥濃縮消化的時(shí)候，4%基本上近似把它視作牛頓流體，按照水的設(shè)計(jì)，基本上可以按照牛頓流體的規(guī)律描述，但是到了7到8%以上發(fā)生很大的變化了。我們所有工藝?yán)锷婕暗胶搪首兓?、濃度的變化的時(shí)候，可以反映這樣一個(gè)規(guī)律。

實(shí)測(cè)的結(jié)果顯示，對(duì)于牛頓流體來(lái)講，它的黏度主要受溫度的影響。但是對(duì)于非牛頓流體來(lái)看，隨著物料成分、物料組分構(gòu)成的變化，相應(yīng)的流變特性以及對(duì)應(yīng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生很大的變化?？傮w上來(lái)講，對(duì)非牛頓流體來(lái)講，同一個(gè)物料流變性能和相關(guān)的指標(biāo)，隨溫度的變化沒(méi)有那么大，而且從我們測(cè)試的這一批數(shù)據(jù)里，基本上產(chǎn)生急劇拉升是在7%到8%含固率之間，比如熱水解、厭氧消化，很多工藝在采用7%到8%的濃度。

我們目前主要系統(tǒng)性整理的數(shù)據(jù)是低溫?zé)崴猓邷責(zé)崴庖苍谧?，后續(xù)有機(jī)會(huì)交流，這部分測(cè)的是低溫?zé)崴獾那闆r，雖然只是55度，它的SCOD的釋放非常明顯。表觀黏度隨剪切速率變化，根據(jù)變化曲線也可從流變學(xué)的角度進(jìn)一步佐證熱水解有利于提高后續(xù)的厭氧消化性能，低剪切速率下，它確實(shí)能夠降低黏度，而有利于傳質(zhì)、傳熱。在低剪切速率范圍內(nèi)，黏度主要取決于固體顆粒之間的相互作用，在高減輕速率范圍內(nèi)主要取決于液相的黏度。同時(shí)我們也測(cè)了一下這幾種類(lèi)型污泥的屈服應(yīng)力，屈服應(yīng)力對(duì)污泥的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，以及泵送影響非常大，對(duì)于這些指標(biāo)可以表征不同類(lèi)型的處理工藝和處理階段，從另外一個(gè)側(cè)面來(lái)反映物料情況，以及對(duì)于工程設(shè)計(jì)做一定的指導(dǎo)。

還有一大類(lèi)特性是觸變性，比如一個(gè)物料給它一定的力會(huì)變形，這個(gè)力撤回來(lái)又彈回來(lái)，是一個(gè)可逆的過(guò)程，觸變性也是表征流體流變性很重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)用觸變環(huán)的面積，但是觸變環(huán)的面積會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然同樣的面積，不同的黏度是不能夠體現(xiàn)變化情況，我們的研究建議可以用觸變動(dòng)力學(xué)系數(shù)，來(lái)表征觸變的情況，這是測(cè)試觸變環(huán)圖，僅僅看前面曲線變化差距不大，但是觸變動(dòng)力系數(shù)卻差距非常大。觸變性意味著在一段時(shí)間里污泥結(jié)構(gòu)的重建，不利于混合和生物的反應(yīng)，這個(gè)都可以進(jìn)一步指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，攪拌、管道運(yùn)輸?shù)取?/p>

我們也有一些結(jié)論性的結(jié)果，到底它臨界點(diǎn)在什么地方，這樣對(duì)我們工程的設(shè)計(jì)可能更有指導(dǎo)意義。這是在我們現(xiàn)有研究里，現(xiàn)有研究里基本上在7.3%，或者7%到8%的范圍，是急劇變化的點(diǎn)，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)候可以考慮這樣一個(gè)方向，屈服應(yīng)力也表現(xiàn)出這樣的情況。流變特性工程應(yīng)用，一個(gè)方面是在管道運(yùn)輸，目前對(duì)非牛頓流體，我們?cè)谠O(shè)計(jì)水頭損失的時(shí)候缺乏統(tǒng)一的計(jì)算方法，往往是借助水的計(jì)算方法，放大一定倍數(shù)，原來(lái)4%含固率的時(shí)候，我們放大三四倍，現(xiàn)在我們已經(jīng)到10%，或者更高的含固率，到底放大多少倍合適?這個(gè)需要我們一定的研究來(lái)做支

我們?cè)谘芯拷Y(jié)果里看到，管道輸送和泵送過(guò)程中，污泥流動(dòng)狀態(tài)比較類(lèi)似于高剪切速率下的狀態(tài)，高剪切速率下?tīng)顟B(tài)基本上趨于穩(wěn)定，達(dá)到極限黏度，極限黏度可以拿來(lái)作為管道中的設(shè)計(jì)的基本依據(jù)和參考。同時(shí)它也可以用于判斷污泥的流態(tài)，到底是什么樣的狀態(tài)，我們?cè)谒难芯坷镉泻芏嗍侄危勰嗖煌该鳎到y(tǒng)的構(gòu)成、性質(zhì)更加復(fù)雜，怎么去了解里面到底是什么樣的狀況?在這里面也可以看出來(lái)，對(duì)于不同的流變模型里，流動(dòng)性和流變參數(shù)有緊密的關(guān)系。

我們相關(guān)的研究表明低于極限黏度低于0.5的時(shí)候，適合遠(yuǎn)距離輸送，相關(guān)的研究也證明這點(diǎn)。同時(shí)研究反應(yīng)器的時(shí)候，還有一個(gè)死區(qū)，如果做過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的時(shí)候，原來(lái)用最小速度，但最小速度對(duì)不同反應(yīng)器的體系，它的速度范圍不一樣，比如有些速度范圍比較大，有些速度范圍本身就比較小，怎么樣用最小速度，相對(duì)于誰(shuí)的最小速度，這個(gè)界定方法有爭(zhēng)議，我們是從流變角度看，怎么樣去確定反應(yīng)器的死區(qū)，怎么樣進(jìn)一步消減反應(yīng)器的死區(qū)，也做了一些初步的工作。

我們也做了一些污泥的反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)，污泥的性質(zhì)比較復(fù)雜，包括本身不透明的特點(diǎn)，我們實(shí)驗(yàn)結(jié)合CFD(計(jì)算計(jì)流體力學(xué))數(shù)值模擬研究，借助相關(guān)的軟件平臺(tái)，做了一些不同類(lèi)型的反應(yīng)器里的流態(tài)、流場(chǎng)的分析。這是我們模擬反應(yīng)器死區(qū)的分布圖，我們也做了不同類(lèi)型的，有機(jī)械攪拌等等不同形式的，剛才有專(zhuān)家講到他們厭氧消化污泥含固率多少，我特別關(guān)心他們用什么樣的攪拌方式，攪拌效果怎么樣，污泥產(chǎn)氣量的不穩(wěn)定，會(huì)不會(huì)和這個(gè)有很大關(guān)系。

我要講的就這么多，謝謝大家。

主持人：天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司李金河總工

主持人(天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司 李金河 總工 ) ：感謝曹教授，非常精彩的報(bào)告，曹教授不但搞得科學(xué)研究，對(duì)設(shè)計(jì)也非常清晰，我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)人遇到污泥的設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)都比較困惑，到底1.5倍還是3.0倍，我困惑了多年，終于可以不用困惑了。曹教授跟我們非常明確的說(shuō)4%含固率基本可以按照牛頓流體規(guī)律來(lái)考慮，可以按照水計(jì)算方法設(shè)計(jì)，適當(dāng)放大，非常期待曹教授還有進(jìn)一步的研究成果。

附件: 曹秀芹 教授PPT