基于污泥介观结构演变的厌氧消化多尺度耦合模型研究

Anaerobic digestion is an important technology of sludge harmlessness and resource recovery, which is a multi-scale complex process including microscopic biochemical reaction, mesoscopic structure evolution and macroscopic flow and mass transfer. Currently, there are many studies on micro-biochemical reactions and macro-flow models, but the integrated effect of biochemical reactions with shearing and mass transfer has not been fully considered. Therefore, anaerobic digestion models with multi-scale processes are urgently needed. The mesoscopic structure of sludge is the key link between the micro and macro models. The lack of this link becomes the bottleneck of the multi-scale coupling model. Therefore, this project takes the evolution of mesoscopic structure characteristics of sludge as the entry point to carry out the following studies: 1) Establish the measurement method of mesoscopic structure characteristic parameters and study the mesoscopic structure changes in the process of sludge anaerobic digestion. 2) Based on the mesoscopic structure characteristics of sludge, analyze the correlation among mesoscopic structure, macroscopic hydrodynamic properties and microscopic organic matter. 3) Build a multi-scale coupling model of anaerobic digestion sludge based on the correlation parameters among scales. 4) Based on the multi-scale model, the integrated mechanism of sludge organic matter bioconversion and flow mass transfer was studied. This study is helpful to integrate the existing studies of various scales, realize the numerical simulation of the whole process of anaerobic digestion from micro to macro, and further understand the coupling mechanism of biochemical reactions and flow and mass transfer in anaerobic digestion.

厌氧消化是重要的污泥无害化、资源化技术，是包括微观生化反应、介观结构演化及宏观流动传质的多尺度复杂过程。现有研究大多仅关注微观生化反应或宏观流动，少有考虑生化反应与流动传质的耦合作用机理，缺乏耦合多尺度过程的厌氧消化模型，因而无法有效模拟非理想混合状态反应器运行情况。污泥介观结构是连接微观和宏观模型之间的关键环节，该环节的缺失成为建立多尺度耦合模型的瓶颈问题。为此，本项目以污泥介观结构特性演化为切入点，开展以下研究：首先对污泥厌氧消化过程中介观结构变化进行表征，进而分析介观结构与宏观流体动力学性质、微观有机质之间的关联；然后基于尺度间关联方程，采用多层次协同耦合方法，构建污泥厌氧消化多尺度耦合模型；最后基于多尺度模型，研究污泥生化反应与流动传质的耦合作用机制。本研究有助于整合现有各尺度的分散研究，实现对厌氧消化从微观到宏观的全过程数值模拟，深入理解厌氧消化生化反应与流动传质的耦合作用机理。

厌氧消化是重要的污泥无害化、资源化技术，是包括微观生化反应、介观结构演化及宏观流动传质的多尺度复杂过程。现有研究大多仅关注微观生化反应或宏观流动，少有考虑生化反应与流动传质的耦合作用机理，缺乏耦合多尺度过程的厌氧消化模型，因而无法有效模拟非理想混合状态反应器运行情况。.本项目以污泥介观结构特性演化为切入点，开展了以下研究：一是建立介观结构特征参数测量方法，研究污泥厌氧消化过程中介观结构变化；二是基于污泥介观结构特征，分析介观结构与宏观流体动力学性质、微观有机质之间的关联；三是基于尺度间关联参数，构建污泥厌氧消化多尺度耦合模型；四是基于多尺度模型，研究污泥有机物生物转化与流动传质的耦合作用机制。.取得了以下重要结果和关键数据：一是，针对高含固污泥提出改进的脱水性能和流变特性测试方法。二是，探索了高铁酸钾联合超声的协同处理是否对污泥的甲烷产率有协同作用，并研究了两相厌氧消化系统中次氯酸钙对污泥产生生物甲烷的影响。结果表明，适当的高锰酸钾添加量与超声预处理相结合，可显著促进污泥消化产甲烷，并以超声配合为最佳条件0.05 g/g TSS 高锰酸钾。三是，研究了序批式中温厌氧消化过程对高含固污泥流变特性和总有机质的影响，建立了污泥体系的结构强度与总有机质的关系，发现污泥线性粘弹区的粘弹性模量随厌氧消化时间的增加呈指数下降关系，厌氧消化过程对污泥的弹性影响比粘性更大，提出通过污泥流变学指标来监测厌氧消化过程的程度。四是，基于COMSOL建立了混合泵污泥厌氧反应器多尺度质流模型，并采用粒子图像测速法（PIV）实验进行了验证。.基于以上研究，本项目提炼了介观结构与微观生化、宏观流动之间的关联，构建了厌氧消化多尺度耦合模型，揭示例如其生化反应与流动传质的耦合作用机理，从宏观到微观，实现污泥厌氧消化全过程模拟，弥补了已有模型研究中对污泥介观结构演化和多尺度耦合模拟方面的不足。