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，因為現在污泥的問(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?，F在的污泥處理由過(guò)去的相對比較單一的處理模式，向著(zhù)多元化的深度處理方向發(fā)展，我們面對很多種類(lèi)的原料，比如我們有高濃度的污泥，也有高溫熱水解和厭氧消化的污泥，同時(shí)還有不同有機質(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，或者某一個(gè)評價(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。一個(gè)方面描述了污泥的基本理化性質(zhì)，如同檢測其他指標一樣，另外一方面解決面對工程技術(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，盡管污水處理提標改造是日趨完善的，但我們要面對含固率更高，流變行為更加復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，相對于傳統的低固污泥，流變性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化。它對整個(gè)污泥處理過(guò)程，不管采用什么樣的流程工藝，會(huì )影響到工藝的設計，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)轉化和生物轉化過(guò)程。對管道運輸來(lái)講，則會(huì )影響壓力降計算、泵的選型，以及后續的處理，比如說(shuō)脫水環(huán)節、儲存等等。

常常很多物料性質(zhì)一個(gè)指標、兩個(gè)指標足夠反映，但是對于流變特性來(lái)說(shuō)則需要系列的參數，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)程基礎的技術(shù)支撐是什么東西?這是一個(gè)典型的流動(dòng)曲線(xiàn)圖，中間是牛頓流體，穿過(guò)原點(diǎn)的一條線(xiàn)，是一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)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(zhù)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 )表現有屈服值的假塑性流體。

描述這些流變參數，也有些典型的流變模型，這些模型在工程中用的怎么樣?在工程設計里有沒(méi)有體現，工程設計時(shí)候能不能直接拿它來(lái)用，我們也做了一些分析，通過(guò)數學(xué)的手段做一些顯著(zhù)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)際測試的曲線(xiàn)，重點(diǎn)關(guān)注了傳統的污泥厭氧消化4%的含固率，現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(xiàn)和黏度曲線(xiàn)的變化情況，隨著(zhù)含固率提高慢慢出現了屈服應力值。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(zhù)剪切速率的增加，實(shí)際上黏度是趨于穩定的，剪切速率進(jìn)一步增加對它沒(méi)有影響，它趨于穩定了，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 )，生物處理要保護微生物的活性，攪拌強度不能太大了，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，基于這樣的一些設計它一定會(huì )有偏差。也許我們主觀(guān)想象這樣去設計是一種情況，但實(shí)際上里面的流動(dòng)狀況不是你設想的情況。

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，污泥里面的有機質(zhì)問(wèn)題，其實(shí)有機質(zhì)也是很重要的指標，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，現有的研究看，污泥濃度的變化隨著(zhù)污泥濃度的增加，污泥的黏度、屈服應力、稠度系數和流動(dòng)指數，都呈一個(gè)指數形式的變化，這是我們幾組的實(shí)驗結果，規律性非常明顯，而且規律的重現性也非常好。我們可以看一下曲線(xiàn)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?大概可以看一下轉變的轉折點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候在我們設計的時(shí)候，也許可以提供一些參考，基本上在我們現有做的研究里，大概7%到8%含固率的污泥其屈服應力、黏度都發(fā)生急劇的變化。我們縱向坐標可能幅度大了一點(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，按照水的設計，基本上可以按照牛頓流體的規律描述，但是到了7到8%以上發(fā)生很大的變化了。我們所有工藝里涉及到含固率變化、濃度的變化的時(shí)候，可以反映這樣一個(gè)規律。

實(shí)測的結果顯示，對于牛頓流體來(lái)講，它的黏度主要受溫度的影響。但是對于非牛頓流體來(lái)看，隨著(zhù)物料成分、物料組分構成的變化，相應的流變特性以及對應的參數會(huì )發(fā)生很大的變化?？傮w上來(lái)講，對非牛頓流體來(lái)講，同一個(gè)物料流變性能和相關(guān)的指標，隨溫度的變化沒(méi)有那么大，而且從我們測試的這一批數據里，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。

我們目前主要系統性整理的數據是低溫熱水解，高溫熱水解也在做，后續有機會(huì )交流，這部分測的是低溫熱水解的情況，雖然只是55度，它的SCOD的釋放非常明顯。表觀(guān)黏度隨剪切速率變化，根據變化曲線(xiàn)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，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主要取決于液相的黏度。同時(shí)我們也測了一下這幾種類(lèi)型污泥的屈服應力，屈服應力對污泥的儲存和運輸，以及泵送影響非常大，對于這些指標可以表征不同類(lèi)型的處理工藝和處理階段，從另外一個(gè)側面來(lái)反映物料情況，以及對于工程設計做一定的指導。

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。傳統用觸變環(huán)的面積，但是觸變環(huán)的面積會(huì )發(fā)現，雖然同樣的面積，不同的黏度是不能夠體現變化情況，我們的研究建議可以用觸變動(dòng)力學(xué)系數，來(lái)表征觸變的情況，這是測試觸變環(huán)圖，僅僅看前面曲線(xiàn)變化差距不大，但是觸變動(dòng)力系數卻差距非常大。觸變性意味著(zhù)在一段時(shí)間里污泥結構的重建，不利于混合和生物的反應，這個(gè)都可以進(jìn)一步指導反應器的設計，攪拌、管道運輸等。

我們也有一些結論性的結果，到底它臨界點(diǎn)在什么地方，這樣對我們工程的設計可能更有指導意義。這是在我們現有研究里，現有研究里基本上在7.3%，或者7%到8%的范圍，是急劇變化的點(diǎn)，在工藝設計時(shí)候可以考慮這樣一個(gè)方向，屈服應力也表現出這樣的情況。流變特性工程應用，一個(gè)方面是在管道運輸，目前對非牛頓流體，我們在設計水頭損失的時(shí)候缺乏統一的計算方法，往往是借助水的計算方法，放大一定倍數，原來(lái)4%含固率的時(shí)候，我們放大三四倍，現在我們已經(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

我們在研究結果里看到，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)基本上趨于穩定，達到極限黏度，極限黏度可以拿來(lái)作為管道中的設計的基本依據和參考。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)，我們在水的研究里有很多手段，污泥不透明，系統的構成、性質(zhì)更加復雜，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)，對于不同的流變模型里，流動(dòng)性和流變參數有緊密的關(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，適合遠距離輸送，相關(guān)的研究也證明這點(diǎn)。同時(shí)研究反應器的時(shí)候，還有一個(gè)死區，如果做過(guò)反應器設計的時(shí)候，原來(lái)用最小速度，但最小速度對不同反應器的體系，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，相對于誰(shuí)的最小速度，這個(gè)界定方法有爭議，我們是從流變角度看，怎么樣去確定反應器的死區，怎么樣進(jìn)一步消減反應器的死區，也做了一些初步的工作。

我們也做了一些污泥的反應器優(yōu)化設計，污泥的性質(zhì)比較復雜，包括本身不透明的特點(diǎn)，我們實(shí)驗結合CFD(計算計流體力學(xué))數值模擬研究，借助相關(guān)的軟件平臺，做了一些不同類(lèi)型的反應器里的流態(tài)、流場(chǎng)的分析。這是我們模擬反應器死區的分布圖，我們也做了不同類(lèi)型的，有機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)保集團股份有限公司 李金河 總工 ) ：感謝曹教授，非常精彩的報告，曹教授不但搞得科學(xué)研究，對設計也非常清晰，我們現在設計人遇到污泥的設計、管道設計都比較困惑，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律來(lái)考慮，可以按照水計算方法設計，適當放大，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