黃原膠溶液模擬消化污泥流動(dòng)性能分析

曹秀芹，袁海光，趙振東，丁 浩

黃原膠溶液模擬消化污泥流動(dòng)性能分析

曹秀芹，袁海光，趙振東，丁 浩

（北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

為污泥消化反應(yīng)器流場(chǎng)的可視化研究提供可行性方法，該文根據(jù)同流體流動(dòng)相似準(zhǔn)則分別從密度和流變學(xué)特性來(lái)分析黃原膠透明溶液作為常規(guī)消化污泥相似溶液的可行性。采用質(zhì)量法和流變儀分別測(cè)量不同濃度污泥和添加KCl的黃原膠溶液的密度及流變特性。結(jié)果表明15 g/L添加KCl的黃原膠溶液與95%含水率污泥在密度不具有顯著性差異的前提下具有相似的流變特性，流變曲線的決定系數(shù)分別為R2=0.995 3（動(dòng)力黏度）、R2=0.893 5（剪切應(yīng)力），均為典型的假塑性非牛頓流體。混合試驗(yàn)表明2種流體中示蹤劑濃度的變化規(guī)律相似且均在40 min后趨于平衡濃度50 mg/L。等同性分析表明，在顯著性水平α=0.05時(shí)，2種流體中以流變特性和密度為參數(shù)的雙側(cè)t檢驗(yàn)不具有顯著性差異，符合同流體流動(dòng)相似準(zhǔn)則。故添加KCl的黃原膠溶液可以作為污泥的透明相似溶液，為污泥等不透明生物質(zhì)流體厭氧消化的模擬及可視化研究奠定基礎(chǔ)。

污泥；流體；消化；黃原膠溶液；相似溶液；示蹤試驗(yàn)；等同性分析

曹秀芹，袁海光，趙振東，丁 浩. 黃原膠溶液模擬消化污泥流動(dòng)性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：260－265. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.033 http://www.tcsae.org

Cao Xiuqin, Yuan Haiguang, Zhao Zhendong, Ding Hao. Analysis on xanthan gum solution to simulate flow performance of digestion sludge[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 260－265. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.033 http://www.tcsae.org

0 引 言

厭氧消化技術(shù)因其具有運(yùn)行費(fèi)用低，能源效益高等優(yōu)點(diǎn)而成為目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種污泥穩(wěn)定化技術(shù)[1-3]。但國(guó)內(nèi)外已建成的污泥厭氧消化項(xiàng)目在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)分層、浮渣、結(jié)殼等現(xiàn)象，且隨著高含固厭氧消化技術(shù)的出現(xiàn)，攪拌效果差、傳質(zhì)傳熱困難、能耗高等問題以及反應(yīng)器在運(yùn)行過(guò)程中的流場(chǎng)分布對(duì)厭氧消化過(guò)程的影響日益受到關(guān)注[4-7]。研究表明厭氧消化工程中混合過(guò)程的能耗占整座污水處理廠能耗的14%～54%[8-9]。因此，混合過(guò)程中流場(chǎng)優(yōu)化和控制日益成為厭氧消化反應(yīng)器設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的重要環(huán)節(jié)。

污泥作為一種不透明非牛頓流體，通常情況下無(wú)法精確及全面地獲得其在厭氧反應(yīng)器中的相關(guān)流動(dòng)特性[10]。隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的快速發(fā)展，CFD模擬仿真技術(shù)開始運(yùn)用到反應(yīng)器的流場(chǎng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有效地完成了對(duì)污泥等不透明流體流場(chǎng)的可視化分析，極大提高了反應(yīng)器流場(chǎng)研究的效率。Karpinska等[11]指出CFD技術(shù)相比于傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)方法該技術(shù)在提高處理效率，降低能耗方面具有可行性。Wu等[12]基于流變學(xué)等其他物料特性利用CFD技術(shù)模擬了非牛頓生物質(zhì)流體在產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中的相關(guān)性能，提出利用耦合的物理-生化模型研究生物質(zhì)能源回收是CFD技術(shù)應(yīng)用于生物反應(yīng)器模擬的主要目標(biāo)，但是模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性還需進(jìn)一步探討，仍需將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證[13]。一些研究人員采用間接驗(yàn)證的方法來(lái)證明CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，Terashima等[14]采用氯化鋰作為示蹤劑來(lái)判斷消化污泥是否攪拌均勻，但由于污泥的不透明性，不能測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)變化情況。Bi等[15]利用加溫條件下，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分布的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)溫度場(chǎng)的測(cè)試間接驗(yàn)證流場(chǎng)模擬的可靠性，但這種方法操作性差且不太適用于生物反應(yīng)器。因此，研究人員開始借助粒子圖像測(cè)速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）和激光多普勒測(cè)速技術(shù)（laser doppler velocimetry，LDV）等現(xiàn)代化的直接測(cè)量手段對(duì)CFD模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證校核，結(jié)果顯示試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好[16-17]。然而基于光學(xué)或聲學(xué)原理的PIV或LDV只能應(yīng)用于透明均質(zhì)流體的流場(chǎng)分布研究中。因此為了準(zhǔn)確研究污泥等不透明生物質(zhì)流體厭氧反應(yīng)器中的流場(chǎng)信息，需要尋找一種在CFD模擬過(guò)程中同污泥的物料特性（黏度、密度）較為相似的透明溶液來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)試驗(yàn)，直觀驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。近年來(lái)開始有大部分學(xué)者利用黃原膠溶液的流變性能來(lái)研究血液的流動(dòng)、血栓等傳質(zhì)問題[18-19]。Brookshier等[20]發(fā)現(xiàn)黃原膠/甘油透明混合溶液（黃原膠0.04%、甘油40%、NaCl 0.5%）能較準(zhǔn)確模擬紅細(xì)胞含量為46%的豬血液的血管動(dòng)力學(xué)特性。Amanullah等[21]使用黃原膠溶液作為模型系統(tǒng)研究多糖發(fā)酵反應(yīng)器中因內(nèi)在流變特性引起的流體混合等傳質(zhì)問題，觀察了攪拌強(qiáng)度對(duì)細(xì)菌形態(tài)和發(fā)酵產(chǎn)物的影響。Low等[22]選用黃原膠溶液（0.15%）作為消化污泥（2.23%）的模擬流體，通過(guò)熒光染料的酸堿中和反應(yīng)研究了厭氧攪拌反應(yīng)器中流場(chǎng)的變化情況。Cao等[23]利用Carreau模型驗(yàn)證了剪切速率在（2.7～300.1）s-1范圍內(nèi)黃原膠溶液作為1.32%含固率污泥相似溶液的可行性。Sajjadi等[24]采用Power law模型模擬了黃原膠溶液（0.3%）流變特性隨消化過(guò)程的變化規(guī)律，驗(yàn)證了CFD模擬消化污泥（2.25%）射流攪拌結(jié)果的準(zhǔn)確性。

這些通過(guò)原型與模型流變特性相似的研究方法為污泥等不透明流體的可視化研究提供了可能性，然而為了確定其合理性與科學(xué)性，其分析過(guò)程需要從流體的主要物理性質(zhì)角度進(jìn)行流動(dòng)相似的理論驗(yàn)證。本試驗(yàn)先從流體主要物理性質(zhì)角度進(jìn)行流動(dòng)相似的理論分析，同時(shí)基于中國(guó)目前大部分污泥厭氧消化工程中污泥含固率在3.2%～6%之間的實(shí)際情況[25-27]，選擇95%含水率污泥作為試驗(yàn)對(duì)象并進(jìn)行混合示蹤試驗(yàn)的流動(dòng)分析，比較2種流體中示蹤粒子濃度隨時(shí)間變化規(guī)律的相似性，最后通過(guò)數(shù)理分析來(lái)確定某一濃度的黃原膠溶液作為污泥相似溶液的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)污泥樣品取自北京某污水處理廠濃縮脫水后的泥餅，含水率為76.4%。通過(guò)向樣品中添加自來(lái)水將泥餅配成含水率為95%的污泥；本試驗(yàn)所用的黃原膠（Xantham Gum-Keltrol T，XGKT）為食品級(jí)，微粒尺寸為80目，密度為836 kg/m3。室溫條件下，分別將經(jīng)準(zhǔn)確稱量的黃原膠粉末分批攪拌溶解于去離子水中，置于轉(zhuǎn)速為500 r/min的電磁攪拌器中攪拌30 min，待混合均勻后移入500 mL容量瓶中定容，得到一定濃度梯度的XGKT透明溶液。KCl粉末（分析純）用于調(diào)整相似溶液的物理特性，LiCl粉末（分析純）用作流動(dòng)混合試驗(yàn)中的示蹤劑。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

101-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；SX2-12-10型箱式電阻爐（天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司）；Haake Viscotester 550型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（德國(guó)Haake公司）；DCY-0506型低溫恒溫槽（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；Sartrious BS223 S 型電子分析天平（德國(guó)Sartrious 公司）；PinAAcle900T原子吸收分光光度計(jì)（美國(guó)PerkinElmer科技公司）。

1.2 試驗(yàn)方法與裝置

1.2.1 試驗(yàn)方法

污泥的含水率、密度等基本指標(biāo)依據(jù)APHA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。95%含水率污泥及由黃原膠粉末配制成不同濃度的XGKT溶液（XGKT solution）的流變特性采用Haake Viscotester 550型旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測(cè)量，采用DCY-0506型恒溫槽將測(cè)量溫度控制在（25±0.1）℃范圍內(nèi)，剪切速率從（0～180）s-1遞增，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)收集并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，得到該剪切速率范圍內(nèi)樣品流變參數(shù)的變化情況。分別對(duì)添加示蹤劑的含水率95%的污泥和15 g/L KCl-XGKT溶液進(jìn)行轉(zhuǎn)速為180 r/min的連續(xù)攪拌混合示蹤試驗(yàn)，每隔5 min取次樣，比較取樣口處2種流體中LiCl濃度隨時(shí)間變化規(guī)律的相似性。鋰的測(cè)定方法為常壓消解后火焰原子吸收光譜法，參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166-2004)中的土壤樣品預(yù)處理法和《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(CJ/T221-2005)中鉀元素測(cè)定的常壓消解后火焰原子吸收光譜法。

1.2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)參考《攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》，反應(yīng)器具體尺寸為：高60 cm，內(nèi)徑38 cm，葉輪共設(shè)2組，葉輪直徑為12 cm，葉輪間距為17 cm，有效容積50 L。

圖1 混合試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of mixing experimental apparatus

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）污泥及相似溶液密度相似性分析試驗(yàn)：通過(guò)配制13、16、19 g/L XGKT透明溶液（XGKT solution）與95%含水率污泥進(jìn)行相似分析。

2）污泥及相似溶液流變性能試驗(yàn)：吳偉都等[28-29]研究表明二價(jià)陽(yáng)離子對(duì)黃原膠溶液流變特性的影響明顯大于一價(jià)陽(yáng)離子，且較高鹽濃度時(shí)Na+影響大于K+。故為調(diào)整2種流體的密度差，用KCl溶液代替水溶液作為溶劑，配制14、15、16 g/L的XGKT透明溶液，密度分別為1033.4、1033.2、1033.6 kg/m3。添加KCl后XGKT溶液的密度與95%含水率污泥的密度接近。2種流體就密度項(xiàng)物理參數(shù)而言，不具有顯著差異，但需要在此密度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上再次驗(yàn)證2種流體的流變特性以期符合同流體運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則。在恒溫（25 ±0.1 ）℃條件下，測(cè)定質(zhì)量濃度為14、15、16 g/L添KCl的XGKT透明溶液（KCl-XGKT solution）及含水率為95%污泥的流變特性。

3）污泥及相似溶液混合性能試驗(yàn)：攪拌強(qiáng)度是影響攪拌效果最重要的參數(shù)，不同物料的最優(yōu)攪拌強(qiáng)度可能有所差異。Buswell等[30]認(rèn)為厭氧消化裝置的每次攪拌時(shí)間不應(yīng)超過(guò)1 h。趙東方[31]通過(guò)示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含固率10%左右的污泥厭氧消化中良好的機(jī)械攪拌強(qiáng)度在（200±40）r/min范圍內(nèi)。本次流動(dòng)混合試驗(yàn)中，去除污泥背景值后示蹤劑LiCl的平衡濃度為50 mg/L。

1.3 分析方法

1.3.1 同流體運(yùn)動(dòng)相似性分析

為了保證模型與原型有相同的流動(dòng)規(guī)律，將模型試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用于原型，模型與原型應(yīng)滿足流動(dòng)相似，同流體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理量可以分為3類：①表征流場(chǎng)幾何形狀的物理量；②表征流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量；③表征流場(chǎng)動(dòng)力的物理量，如密度、動(dòng)力黏度、壓力、慣性力等。因此流動(dòng)相似就要求模型與原型幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。依據(jù)相似原理與模型試驗(yàn)基礎(chǔ)理論中的雷諾準(zhǔn)則和佛汝德準(zhǔn)則，為了使模型與原型流動(dòng)盡可能相似，在滿足幾何相似的前提下，雷諾準(zhǔn)則和佛汝德準(zhǔn)則應(yīng)同時(shí)得到滿足，即2種流體的雷諾數(shù)和佛汝德數(shù)分別相等。當(dāng)模型與原型為不同種流體且長(zhǎng)度比尺為1時(shí)，求得2種流體黏度比尺為1，速度比尺為1，即當(dāng)2種流體黏度與密度的比值相等時(shí)，2種流體的速度等表征流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量相等。田正宏等[32]認(rèn)為流變相似要求模擬介質(zhì)與原型材料的流變曲線一致，流變參數(shù)接近。本試驗(yàn)中首先采用最小二乘法對(duì)流變曲線進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，分析黃原膠溶液與消化污泥的流變曲線相似程度，然后研究2種流體密度的相似程度。通過(guò)擬合度檢驗(yàn)以后，再進(jìn)行等同性檢驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證二者的物理特性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布情況是否一致。

1.3.2 擬合度檢驗(yàn)

首先假設(shè)XGKT透明溶液可做污泥的相似溶液，對(duì)不同濃度的XGKT透明溶液與消化污泥的流變曲線進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。選取剩余平方和檢驗(yàn)法，根據(jù)回歸分析原理，曲線回歸效果用決定系數(shù)R2來(lái)衡量。R2的計(jì)算公式為

式中SR表示回歸平方和；ST表示總偏差平方和；SL表示殘差平方和；yi表示模擬值；f(x)表示原型值。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥及相似溶液物理特性分析

2.1.1 污泥及相似溶液密度分析

由圖2可知，2種流體的黏度隨剪切速率的增加而減小，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加而增加，均表現(xiàn)出假塑性非牛頓流體特性，并且16 g/L XGKT溶液與95%含水率污泥的流變特性具有很好的相似性。說(shuō)明該濃度XGKT溶液作為常規(guī)消化污泥的相似溶液從流變特性角度分析具有可行性。然而同時(shí)發(fā)現(xiàn)在滿足流變相似后XGKT溶液的密度卻小于目標(biāo)溶液的密度，不滿足同流體運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則。

2.1.2 污泥及相似溶液流變性能分析

如圖3所示，發(fā)現(xiàn)，添加KCl后XGKT溶液的黏度與剪切應(yīng)力均稍微增大，這可能是由于在黃原膠濃度較高時(shí)，加入大量的鹽屏蔽了黃原膠三糖側(cè)鏈上的靜電排斥作用，所形成的螺旋骨狀構(gòu)象反過(guò)來(lái)促進(jìn)了溶液中有序黃原膠分子的交聯(lián)程度從而使溶液黏度增加[33]。但仍表現(xiàn)出假塑性非牛頓流體特性。添加KCl后，15 g/L XGKT溶液與95%含水率污泥的流變特性呈現(xiàn)出更好的相似性。

圖2 黃原膠XGKT溶液與污泥的流變特性Fig.2 Rheological characteristics of XGKT solution and sludge

圖3 添加KCl的XGKT溶液與污泥的流變特性Fig.3 Rheological characteristics of XGKT solution with KCl and sludge

為更加直觀表現(xiàn)KCl-XGKT溶液與95%含水率污泥流變性能的相似程度，將2種流體的流變曲線的決定系數(shù)列于表1。由表1可知不同濃度KCl-XGKT溶液中，15 g/L KCl-XGKT溶液與含水率95%污泥的流變性能最為相似，當(dāng)剪切速率在（0～180）s-1范圍內(nèi)變化時(shí)，2種流體黏度和剪切應(yīng)力隨剪切速率回歸曲線的決定系數(shù)分別為R2=0.9953（動(dòng)力黏度）、R2=0.8935（剪切應(yīng)力），均表現(xiàn)出最高的相似性，說(shuō)明在密度相似前提下，15g/L KCl-XGKT溶液具有95%含水率污泥相似的流變性能，其具備作為污泥透明相似溶液的物理特性。然而，在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中影響非牛頓流體運(yùn)動(dòng)的客觀因素遠(yuǎn)不止理論分析中所涉及的物理特性，所以為驗(yàn)證該理論分析的有效性及適用性，需要進(jìn)行相應(yīng)流體混合的示蹤試驗(yàn)。

表1 不同濃度KCl-XGKT溶液與污泥流變曲線的相關(guān)性Table 1 Rheological curve correlation of sludge and KCl-XGKT solution with different concentration

2.1.3 污泥及相似溶液混合性能分析

圖4為含水率為95%的污泥和15 g/L KCl-XGKT溶液中示蹤劑濃度隨混合時(shí)間的變化情況。當(dāng)攪拌強(qiáng)度為180 r/min時(shí)，取樣口處2種流體中示蹤粒子的濃度曲線雖然都出現(xiàn)震蕩的現(xiàn)象，但具有相似的變化趨勢(shì)，均隨著混合過(guò)程而上升，并在40 min后趨于平衡濃度50 mg/L。其中，2種流體中示蹤劑的濃度在前10 min內(nèi)都急劇升高至36 mg/L左右，這可能是由于攜帶大量示蹤劑的流體被攪拌至取樣口處所致。說(shuō)明15 g/L KCl-XGKT溶液不僅具有95%含水率污泥相似的流變性能，符合同流體運(yùn)動(dòng)所要求的相似準(zhǔn)則，而且還滿足實(shí)際流動(dòng)混合示蹤試驗(yàn)。

圖4 KCl-XGKT溶液與污泥流體中示蹤劑濃度隨時(shí)間變化情況Fig.4 Variation of tracer concentration with time in KCl-XGKT solution and sludge

2.2 兩種流體參數(shù)等同性分析

通過(guò)上述分析可知利用15 g/L KCl-XGKT溶液作為95%含水率污泥的相似溶液研究污泥厭氧消化過(guò)程中反應(yīng)器中的流動(dòng)特性具有可行性。然而，2種流體的流動(dòng)參數(shù)是否具有顯著性差異還需要進(jìn)行檢驗(yàn)。假設(shè)所有試驗(yàn)物料的物理特性（黏度、密度）測(cè)量結(jié)果所組成的樣本總體服從正態(tài)分布，X、Y分別表示污泥和KCl-XGKT溶液的物理特性參數(shù)數(shù)據(jù)樣本，n1=4，n2=3分別為2個(gè)樣本數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。由于X、Y服從正態(tài)分布且總體方差未知，且min{n1,n2}＜30，可應(yīng)用雙側(cè)t檢驗(yàn)來(lái)對(duì)污泥和KCl-XGKT溶液物理特性參數(shù)的等同性進(jìn)行驗(yàn)證，在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果差異性，來(lái)確定物理特性參數(shù)的平均值是否在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。2個(gè)樣本方差未知且不同情況下，T統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式為：

式中Sw為2個(gè)樣本數(shù)據(jù)的合并方差。

從式（2）可以看出，如果待檢驗(yàn)的2個(gè)樣本均值差異較小，t值較小，則說(shuō)明2個(gè)樣本的均值不存在顯著差異。由15 g/L KCl-XGKT溶液和95%含水率污泥擬合度檢驗(yàn)結(jié)果可知，2種物料的物理特性參數(shù)相近、參數(shù)曲線相似，測(cè)試數(shù)據(jù)滿足小樣本雙側(cè)t檢驗(yàn)要求，可通過(guò)物料等同性檢驗(yàn)進(jìn)一步分析判斷。其中以極限黏度為流變基本參數(shù)的雙側(cè)t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量為t1、以密度為基本參數(shù)的雙側(cè)t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量為t2。在顯著性水平α=0.05的條件下，t1=?0.111 3、t2=?0.162 2均在±2.570 6范圍內(nèi)，說(shuō)明2種物料流變特性、密度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異，即濃度為15 g/L KCl-XGKT溶液與95%含水率污泥物理特性參數(shù)（黏度、密度）無(wú)顯著性差異。從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度證明了理論分析的有效性，即15 g/L KCl-XGKT溶液作為95%含水率污泥的相似溶液具有可行性。

3 結(jié) 論

1）本文依據(jù)相似原理與模型試驗(yàn)基礎(chǔ)理論中的雷諾準(zhǔn)則和佛汝德準(zhǔn)則從理論上證明了15 g/L KCl-XGKT溶液作為95%含水率污泥相似溶液的可行性，然后通過(guò)流動(dòng)混合示蹤試驗(yàn)對(duì)該理論分析進(jìn)行驗(yàn)證，提供了一種尋找流體相似溶液的可行性方法。

2）研究發(fā)現(xiàn)16 g/L XGKT溶液與95%含水率污泥的流變特性具有很好的相似性。均表現(xiàn)出假塑性非牛頓流體特性，然而在滿足流變相似后黃原膠溶液的密度卻小于目標(biāo)溶液的密度，不滿足同流體運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則。

3）添加KCl后，剪切速率在（0～180）s-1范圍內(nèi)時(shí)，15 g/L KCl-XGKT溶液與95%含水率污泥流變特性曲線的決定系數(shù)分別為R2=0.995 3（動(dòng)力黏度）、R2=0.893 5（剪切應(yīng)力），說(shuō)明在密度相似前提下，2種流體具有相似的流變性能。

4）混合示蹤試驗(yàn)和顯著性分析表明，15 g/L KCl-XGKT溶液不僅具有95%含水率污泥的相似流變性能、符合同流體運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則，而且還滿足示蹤混合試驗(yàn)。因此，15 g/L KCl-XGKT溶液可以作為污泥的透明相似溶液，為深入進(jìn)行污泥厭氧消化流場(chǎng)的可視化研究提供一種可行性方法。

5）由于消化污泥成分多樣、反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其流變特性和密度受到諸多因素的影響，而且污泥在消化過(guò)程中的生物反應(yīng)以及產(chǎn)氣過(guò)程均會(huì)使污泥的流變特性和密度發(fā)生一定的變化。因此本研究后續(xù)將進(jìn)一步展開工作，利用黃原膠相似溶液進(jìn)行CFD驗(yàn)證過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)厭氧消化不同階段污泥的理化特性參數(shù)并同步配制相應(yīng)濃度的黃原膠透明溶液以進(jìn)行可視化的驗(yàn)證研究。

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Analysis on xanthan gum solution to simulate flow performance of digestion sludge

Cao Xiuqin, Yuan Haiguang, Zhao Zhendong, Ding Hao
(Key Laboratory of Urban Storm Water System and Water Environment, Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Anaerobic digestion is a kind of sludge stabilization technology widely used at home and abroad. As an opaque non-Newtonian fluid, it is difficult to obtain the sludge flow characteristics in the digester exactly. Hence, it is necessary to find a sort of transparent fluid to replace it. To ensure the reliability of flow characteristics obtained from transparent analog fluid, it is indispensable to verify the flow similarity with main physical property of the fluid. The feasibility of xanthan gum transparent solution as a similarity solution of digestion sludge was analyzed according to the rheological property and density, respectively, based on the similarity criteria of fluid flow. Under the premise of satisfying the geometric similarity, the Reynolds criterion and the Froude criterion should be met simultaneously, that is, the Reynolds number and the Froude number of 2 kinds of fluids should be equal. The rheological parameter and density of 95% water content digestion sludge and xanthan gum solution at different concentrations were measured by rotating viscometer and gravimetric method severally. The rheological curve of 2 kinds of fluids was tested for a goodness-of-fit, and curve regression effect was characterized by the determination coefficient R2on the principle of regression analysis. First, the xanthan gum solution of 13, 16, and 19 g/L was prepared. It was found that the rheological curves of the 16 g/L xanthan gum solution were similar to those of digestion sludge, and both of them were pseudo plastic non-Newtonian fluid, indicating that this xanthan gum solution could replace the sludge as a similarity solution. But, the xanthan gum solution’s density was smaller than that of the target fluid in this recipe, which did not conform to the fluid flow similarity criteria. So, for adjusting the density disparity, xanthan gum solution of 14, 15, and 16 g/L was made by using KCl solution as the solvent instead of aqueous solution. Because of the fact that the salt screens the electrostatic repulsions of the trisaccharide side chains, the adoption of a helical backbone conformation is allowed, which in turn promotes the increased association of the ordered xanthan molecules in solution. With the addition of KCl, the rheological curves of 15 g/L xanthan gum solution were in reasonable agreement with those of digestion sludge, which were also typical pseudo-plastic non-Newtonian fluid. The determination coefficients of rheological curve of 2 kinds of fluids were R2=0.995 3 (viscosity curve) and R2=0.893 5 (shear stress curve), separately, showing the highest similarity. Tracing test of mixing performance displayed that tracer concentrations at the outlet in these 2 kinds of fluids had the same tendency with the change of time. The result of Welch’s t-test demonstrated that there was no significant difference in the rheological parameter and density of the 2 kinds of fluids at the significant level of 0.05. Given above logical analysis, it should be pointed out that xanthan gum transparent solution used as a similarity solution of digestion sludge is acceptable, which can be used as a basis method for the flow visualization in the anaerobic digester. Generally, future work should focus on applying transparent similarity solution to validate computational fluid dynamics simulation from the perspective of reducing energy consumption and improving biogas yield.

sludges; fluids; digestion; xanthan gum solution; similarity solution; tracer experiment; Welch’s t-test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.033

X703

A

1002-6819(2017)-15-0260-06

2017-03-27

2017-07-25

北京市教委（北京市自然科學(xué)基金）科技重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201310016017）

曹秀芹，女，教授，主要從事污泥及固體廢棄物資源化利用、CFD數(shù)值模擬等方面研究。北京 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，100044。Email：caoxiuqin@bucea.edu.cn