热水解污泥的流变特性及其强化换热机理研究

With the rapid urbanization in China recently, large amounts of sewage sludge produced from waste water treatment has become more and more difficult to be disposed, and consequently resulted in serious secondary pollution. Many scientific problems are involved in sludge treatment that are relevant to the subjects of rheology, non-Newtonian fluid flow and heat transfer. This project is aimed to understand these phenomena and harness the fundamental physical mechanisms through experimental and theoretical investigations, which include establishing the constitutive equation of rheological behavior, the governing equations of multiphase flow and heat transfer in tubes of different shapes, and clarifying the mechanism of heat transfer enhancement for developing heat exchangers with high efficiency. The physicochemical properties and rheological characterizations of the sludge after thermal hydrolysis and anaerobic digestion are launched and the results are summarized for establishing a small database; the flow and heat transfer characteristics of sludge in tubes with diverse geometric configurations are then investigated. These results are anticipated to provide theoretical bases and technological references for increasing the organics dissolution, reducing the viscoelasticity effects, and increasing the solid concentration in anaerobic tank and gas production per unit volume, which eventually contribute to energy saving and environmental protection.

近年来随着我国城市的快速发展，污水厂产生的大量污泥难以处置，已经带来严重的二次污染问题。在污泥处理处置中存在复杂的流变特性变化和流动换热过程。本项目拟通过实验测试与数值模拟分析相结合，构建高含固污泥流变特性本构方程，建立其在管道中固-液两相非牛顿流体流动换热数学模型，明确其强化换热机理，为发展高效换热器提供理论基础。具体工作有：实验研究热水解后污泥和厌氧消化后污泥的物理化学性质和流变特性，并建立小型数据库；实验与数值模拟研究污泥在不同管道中的流动换热特性。通过本项目研究，不仅在理论上可以掌握污泥作为非牛顿流体的复杂流变特性以及流动换热机理，还为工程应用中如何提高污泥有机质溶出率、降低污泥粘度、提高厌氧消化罐含固率和单位体积产气率提供技术指导，对节约能源和环境保护等具有重要意义。

随着我国经济发展、城市化进程的加快，每年产生大量市政污泥。未经过稳定化处理的污泥存在二次污染的隐患。如何处理处置污泥，使之变废为宝，达到污泥的减量化、无害化和资源化，是我国节能与环保领域面临的一项重要课题。本项目负责人及参与的研究成员按照项目申请所提出的科学问题研究思路和主要研究内容，开展了相关的研究。研究方法是基于实验与数值模拟技术。在该项经费的支持下，通过实验耗材和设备等采购，以及自制的简单设备搭建起相关的污泥流动与换热实验平台。同时，结合课题组已有的和国家重点实验室等相关平台完成相关的污泥的物化特性、流变特性测试分析以及数值模拟工作。目前所取得的主要成果总结如下：.（1）针对热水解污泥和厌氧消化污泥，发现高含固污泥是具有屈服应力的假塑性流体，具有粘弹性。构建了适合我国污泥流动特性的流变本构方程，明确浓度和温度对流变特性的影响。阐明了提高污泥脱水性能的机制。提出了利用污泥弹性模量作为新的控制参数来监测实际工程中厌氧消化过程的程度。（2）数值模拟方法研究了热水解污泥在扭曲管换热器中的流动换热特性，明确了SA湍流模型对模拟污泥非牛顿流动换热的有效性。相对于光滑圆管，扭曲管对高普朗特数的流体具有更显著的强化换热特性。（3）获得了与污泥具有相近的流变特性的透光性流体，实现了替代污泥的PIV可视化实验测试。实验结果与数值模拟结果一致。（4）在上述成果的基础上，拓展了研究内容。采用强氧化剂高铁酸钾(K2FeO4)对污泥的厌氧消化进行预处理，研究了不同浓度K2FeO4对各厌氧反应器中甲烷产量的变化情况。获得最佳K2FeO4浓度，并阐明影响污泥消化产甲烷的机理。（5）采用高铁酸钾联合超声对污泥预处理，获得了高铁酸钾联合超声预处理剩余污泥产甲烷的最佳条件。其相关机理研究正在开展中。.这些成果对于提高我国污泥处理处置效率，实现污泥的资源化，提供了重要的理论依据和技术指导，对节约能源和环境保护具有十分重要的意义。