厭氧消化流場可視化技術研究進展

胡玉瑛，王鑫，張世豪，胡鋒平，汪楚喬，吳靜，許莉，許高平

（1 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013；2 清華大學環境學院，北京 100084；3 江西省飲用水安全重點實驗室，江西 南昌 330013）

隨著我國農牧業迅速發展，有機廢棄物產生量也隨之增多。有機廢棄物會引發水體富營養化、土壤酸化及重金屬污染等問題。同時有機廢棄物中碳氫含量很高，合理地處理利用可以產生清潔能源，達到資源循環利用的目的[1]。厭氧消化在高效降解有機廢棄物的同時產生沼氣，相較于焚燒和土地填埋等工藝，是一種綠色經濟的處理方式。然而，有機廢棄物厭氧消化工藝存在處理量少、沼氣產量低等問題，其主要原因在于基質和接種物的混合不均勻，微生物無法充分接觸降解有機物，從而導致處理效果差[2]。因此，厭氧消化過程中水力學特性研究至關重要。近年來，國內外學者已經將計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術應用于厭氧消化反應器的流場分布和優化分析中，Zhang 等[3]應用CFD 研究了牛糞和玉米秸稈厭氧單消化和共消化的混合模式，結果表明死區體積：牛糞單消化＞共消化＞玉米秸稈單消化。Lebranchu等[4]將生物反應試驗和CFD 模擬相結合，發現與傳統的渦輪式葉輪相比，使用雙螺旋式葉輪混合可以提高50%的甲烷產率。曹秀芹等[5]運用CFD對豬糞厭氧消化反應器流場進行研究，認為反應器內速度最大值出現自槳葉末端，而頂部及底部和壁面區域的速度幾乎為零。

然而，研究人員[3-4,6]普遍認為CFD 求解的是經過簡化的理想流動方程，需要有效的驗證手段證明其結果的可靠性。而粒子圖像測速法（particle image velocimetry，PIV）作為近年來應用最為廣泛的測量技術，能夠精確有效測量流場分布，也被應用于厭氧消化領域。但受限于只能測量透明流體的特性，目前PIV技術的應用中都采用了模擬工作流體對厭氧消化復雜流動過程進行可視化分析。此外，一些新的測速技術如正電子發射粒子追蹤技術（positron emission particle tracking，PEPT）也被用于流場可視化[7-9]。

本文對厭氧消化混合過程的流場可視化技術研究進行了總結，闡述了有機廢棄物厭氧消化基質的流變特性，對CFD 在厭氧消化流場可視化中的應用現狀進行綜述，其中重點關注多相流模型的選用。此外，總結了其他流場可視化技術（如PIV技術和PEPT技術）的研究現狀和技術應用。

1 厭氧消化基質流變特性

厭氧消化基質流變特性對厭氧消化的運行至關重要，描述厭氧消化基質流變特性的參數有黏度、極限黏度、表觀黏度、剪切應力和屈服應力等。國內外學者對影響厭氧消化基質的眾多因素都進行了研究，含固率和溫度是最主要的影響因素。

1.1 影響因素

1.1.1 含固率

含固率較高時，厭氧消化系統內物料與微生物之間的充分混合需要更大的混合能量[10]，系統內傳熱傳質效果差，反應器內存在較大的死區，局部區域內氨氮和揮發性脂肪酸發生積累并產生抑制作用，最終導致厭氧消化運行效果差[2]。含固率較低時，雖然較低的混合能量可使系統達到均一的混合狀態，但低含固率厭氧消化的容積利用效率較低，沼氣產量也較低[10]。

厭氧消化基質含固率會影響其黏度[11]。含固率越高，厭氧消化基質中單位體積的顆粒有機物數量也更多，同時顆粒間的擠壓會使其間隙減小，這意味著顆粒間相互作用的機會也更多，故通常含固率越高厭氧消化基質的黏度越高[12]。牛耕蕪等[13]通過實驗測試和數值模擬，研究了厭氧發酵過程中雞糞和污泥聯合底物的流變特性，試驗結果表明，含固率是影響混合液流態的主要因素。

厭氧消化基質的高黏度和高屈服應力意味著需要提供高剪切速率來達到基質和微生物之間的物質交換以及內部傳熱過程的穩定進行，但高剪切速率下，微生物的最佳生存環境可能會被破壞，導致系統運行不穩定甚至崩潰。Tian等[14]研究了秸稈厭氧消化沼液的表觀黏度隨含固率的變化規律，結果表明在剪切速率為0.21～40.73s-1范圍內，隨著含固率的增加，表觀黏度會增加3.12～13.16 倍。劉青青等[15]則考察了不同含固率下污泥的屈服應力的變化規律，認為污泥的屈服應力隨含固率增加而增大，當含固率大于6.77%時，污泥開始轉化為非牛頓流體。Feng 等[16]對厭氧消化污泥的流變特性進行研究，證實含固率的提高會明顯提高污泥的黏度。此外，含固率為8%、10%、13%和16%的污泥的流變特性實驗顯示，其屈服應力與含固率的2.79次方呈線性正相關[17]。黏度和屈服應力對厭氧消化運行的影響相關研究多集中于理論和試驗結果分析，針對黏度和屈服應力對厭氧消化影響的直接研究還未發現。

1.1.2 溫度

溫度變化會直接影響厭氧消化基質的黏度[18]。提高溫度可以減小顆粒的表面張力并加劇分子熱運動，顆粒間凝聚力減小，黏度降低。董登志等[19]測量了含固率為15.8%的厭氧消化污泥在不同溫度下的流變曲線，研究表明溫度升高，剪切速率變大，導致污泥黏度降低，因此流動性變好。張嚴之等[20]研究發現，對于含固率為20%的原污泥，當溫度從13℃上升到80℃時，黏度從63.2Pa·s下降到25.4Pa·s。Liu等[18]測量了豬糞厭氧消化沼液的流變特性參數，發現溫度在10～60℃范圍內，沼液黏度呈下降趨勢，其次提高溫度能夠使含固率為16.6%、18.5%、20.1%和21.5%的沼液達到相同的流動狀態。Jiang等[17]研究表明，隨著含固率的增加，屈服應力值呈冪律增加。但溫度對高固厭氧消化污泥流變特性的影響遠遠小于含固率的影響。Wei 等[21]評價了溫度對市政污水污泥和厭氧消化污泥流變行為的影響，結果證明在溫度在超過40℃時，屈服應力會顯著降低。而在一般適用的中溫消化溫度范圍(35±5)℃，屈服應力對溫度的變化不敏感。

溫度對厭氧消化基質的作用在于其影響分子的運動性能[20]，溫度越高分子的熱運動越強烈，分子間相互作用力越小，從而厭氧消化基質黏度下降。但微生物的新陳代謝需要提供適宜的溫度環境，溫度過高或過低都會影響酶的活性進而影響微生物的正常新陳代謝。因此，優化厭氧消化溫度對系統水力學條件的影響不僅要考慮厭氧消化基質黏度，更要考慮厭氧消化系統內微生物適宜的新陳代謝溫度。

1.2 流變模型

流變特性對理解非牛頓流體流動行為和流場變化規律有重要意義。建立非牛頓流體的流變模型，可以幫助人們從數學層面定量分析流體的流動特性。現有的流變特性模型主要有[22]：①兩參數模型，即Power-law 模 型、Bingham 模 型、Casson 模型；②三參數模型，即Herschel-Bulkley（H-B）模型、Sisko模型；③四參數模型，即Carreau模型、Cross模型。

一般認為：Power-law 模型適用于剪切變稀流體，其模型未考慮屈服應力；H-B 模型中考慮了屈服應力，常用于描述流體的非線性行為；Sisko模型描述中高剪切速率范圍內的流動行為比較合適；Cross模型和Carreau 模型常用于描述食品和血液等流體的流變行為，Bingham 模型適合相對較高剪切速率范圍內的非牛頓流體流動行為。

在這些流變特性模型中，廣泛應用的厭氧消化基質流變模型主要有以下3種，如式(1)～式(3)。

鄱陽湖區圩堤管理單位與堤防管理人員在以往的堤防管理工作中，特別是在在歷次的抗洪搶險工作中，在各級水行政主管部門的領導下，發揮了極大的作用，為防洪減災、為當地的工農業生產和購買經濟建設作出了很大貢獻。鄱陽湖生態經濟區重要圩堤管理單位基本分為縣、鄉管理模式。如廿四聯圩長90km，由新建縣廿四聯圩管理局管理，屬事業單位，管理員6人，年均投入維護資金10萬元。這種管理性質的差異體現在管理工作中的結果是職能不清，責任不明，有事無人管，經費無保證。

Power-law模型

式中，τ為剪切應力，Pa·s；k為稠度系數，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為流變指數；τ0為屈服應力，Pa·s；μp為彈性黏度。

不同流變模型在厭氧消化基質流變特性中的應用見表1。可以看出，多種有機廢棄物在不同溫度和含固率條件下，采用的流變模型不甚相同，模型參數差異明顯。因此在厭氧消化過程中，選擇合適的試驗條件對反應的穩定高效運行尤為重要。曹秀芹等[22]對不同含水率（93.99%～98.72%）下污泥流變模型的顯著性水平進行分析，結果表明在含水率在93.99%～95.52%之間時，Power-law 模型的顯著性水平較高，含水率為96.31%和98.72%時，Casson模型相對較優；而Bingham模型描述含水率97.37%和98.72%的流變行為最為合適。王鑫等[23]分析了熱水解-厭氧消化工藝中污泥的流變特性，認為調配污泥、熱水解污泥和消化污泥均為假塑性非牛頓流體，都可用H-B模型進行描述。Baudez等[24]對不同剪切率下厭氧消化污泥的流變行為進行研究，發現剪切速率較低時，H-B和Power-Law模型擬合度較高，而在高剪切速率下其流變行為更適用于Bingham模型。同時Jiang等[17]研究發現H-B模型與高固厭氧消化污泥的流變曲線擬合較好。

表1 不同流變模型在厭氧消化基質中的應用

2 CFD在高固厭氧消化的應用

由于厭氧消化基質是不透明的非牛頓流體，通過生物試驗對厭氧消化基質厭氧消化的水力學參數進行直接量化處理耗時費力，而CFD 通過數值模擬能量化水力學參數，是一種高效可靠的方法，它通過計算機模擬實際工況，調整模型和參數能夠獲得不同反應器在不同工況下的水力學特性（圖1）。

圖1 CFD數值模擬流程圖

多相流模擬是CFD 模擬厭氧消化中常用的方法，其中氣液兩相流模型應用最多。總體來說，數值計算多相流常采用歐拉-拉格朗日方法、歐拉-歐拉方法。Wu等[29]研究認為歐拉-歐拉方法是厭氧消化模擬中最適合的模型。Dapelo等[30]在實際工程規模沼氣混合厭氧消化池應用歐拉-拉格朗日方法，以提高混合效率和整體性能。Hurtado等[6]基于歐拉-拉格朗日的離散相模型，確定了顆粒與湍流渦流之間的相互作用和反應器內顆粒停留時間分布。CFD 在厭氧消化系統中流場可視化的應用見表2。

表2 CFD在厭氧消化系統中流場可視化的應用

2.1 單相流模型

CFD作為一種高效的流場可視化工具，廣泛用于反應器混合質量評價。在厭氧消化流場可視化工作中，選擇合適的多相流模型是獲得可靠數值模擬結果的前提。理論上厭氧消化反應器中同時存在3個物理相，但可以通過簡化物理問題來減少物理模型的復雜性，達到降低計算成本的目的。多相流模型的選擇取決于研究所關注的主要物理過程[26]。Yu 等[39]研究認為，如果反應器內固體顆粒和氣體運動對液體的影響可以忽略不計時，采用單相模型可以簡化過程，且模擬結果與實際比較吻合，可以為反應器水力特性的優化提供依據。

Terashima 等[31]在研究厭氧消化反應器的混合中，假設混合過程中固體相對于液體的運動可忽略不計，選擇均勻的單相層流CFD 模型來模擬消化池中污泥的流動模式，且數值模擬與實驗測得的示蹤劑響應曲線相當吻合（相關系數=0.95）。Karim等[40]首次在厭氧反應器中應用非牛頓流體單相湍流模型對工程規模的反應器進行數值模擬，發現安裝懸掛擋板的45 度斜斗式反應器比無擋板平底反應器的死區減少了3倍。但有學者認為，忽略氣相作用的同時假定廢水和生物質顆粒為一相，不能解釋厭氧消化池中懸浮和沉降的流動現象[39]。因此，在氣體相對于液體流動可以忽略不計時，可以考慮使用單相流模型。而關注固相在液相中的懸浮和沉降現象時，單相流模型有局限性。故在厭氧消化水力學特性研究中，應用多相流模型有助于全面預測流動現象。

2.2 兩相流模型

如果只考慮固體顆粒的懸浮，且消化過程中氣相（沼氣）與液相（厭氧消化沼液）之間的相互作用可以忽略不計，采用液固兩相流模型比較適合[3]。宋金禮等[41]對發酵罐內側進式攪拌器應用污泥與水的液固三維流動數值模擬，發現槳葉長度從300mm增加到425mm，罐內污泥濃度在7%左右的區域提高了57%，而轉速的提高對罐內上部分層有很大改善。曹秀芹等[42]基于液固兩相流模型對污泥厭氧消化反應器內的流場和固相濃度場進行模擬，發現反應器上部、底部和壁面是混合效果最差的區域。這為實際厭氧生物反應器的設計和混合策略的選擇提供了參考。采用液固兩相流模型彌補了單相流模型無法預測固相相對于液相的懸浮沉降現象的缺陷，有助于全面預測厭氧消化底物在反應體系中的運動過程。

2.2.2 氣液兩相流

當假定底物和水均勻分布，并且混合物的各個組分具有相同的速度場、壓力場和溫度場時，可以認為液固為單一的擬均質相，在穩態條件下也可應用氣液兩相流模型預測流場和評價混合策略。Wang 等[43]假設沼氣和混合物分別為氣相和液相，驗證了所用模型描述和預測連續攪拌生物反應器內流場的可靠性，并提出了一種反應器放大研究的新方法。Wei 等[44]基于氣液兩相模擬研究氣液混合厭氧反應器中氣液流動和混合行為，研究表明選擇不同的氣泡尺寸（1～10mm），速度的徑向分布和峰值有很大差異。由于認為液固兩相在厭氧消化反應體系中分布均勻，液固兩相可以簡化為單一擬均質相，應用氣液兩相流模型可以有效簡化計算過程，提高計算效率。因此，氣液兩相流被認為是厭氧消化反應器流場可視化的一般模擬方法。

2.3 三相流模型

氣-液-固三相流模型目前在厭氧消化反應器中應用較少，而主要集中在一些厭氧生物膜反應器中如上流式厭氧污泥床（UASB）[45]、膨脹顆粒污泥床（EGSB）[46]和厭氧流化床（AFB）反應器[47]等。Wang 等[48]開發了一種氣-液-固三流體模型來描述UASB反應器的流體動力學。Yu等[39]建立了基于顆粒流動力學理論（KTGF）的氣-液-固三相模型來描述厭氧消化池中混合物中顆粒流現象，發現反應器內固體體積分數隨顆粒沉降時間而變化，且小顆粒（0.06mm）具有更均勻的堆積分布。

生物反應器一般都涉及多相，如氣-液、液-固、氣-液-固等，選擇哪一種多相模型取決于關注的主要物理過程。總的來講，目前CFD 模擬厭氧消化流場的應用廣泛，但模擬結果仍存在一些缺陷，主要原因在于CFD 仍局限于流動性方程，難以與生化反應聯系起來，不能顯示物料屬性變化的過程。其次是仿真結果的可靠性，CFD模擬計算求解的是理想條件下的流動方程，求解結果是否與實際符合是其應用指導實踐的前提。盡管目前已經應用了各種方法來驗證CFD 模擬的可靠性，但如何真實模擬基質的物理參數仍是一個難題。

3 其他流場可視化技術在高固厭氧消化中的應用

由于CFD 僅通過計算機求解流動方程，模擬結果存在誤差，缺乏有效的驗證手段。因此，研究人員也應用了其他的技術如PIV、PEPT 等進行厭氧消化流場可視化分析。

3.1 PIV技術

PIV技術是近30年來由流體力學領域發展而來的水力學測速手段，具有瞬態、全場和無接觸式的特征。該技術結合了激光技術、現代光學、電子技術以及信息技術，能夠對流速場進行實測，且精度極高（50μm）。PIV 測速原理是利用示蹤粒子在流場中的流動行為來反映流場的流動分布。相比于CFD技術，PIV技術能夠實現空間全速度場無接觸實時測量，展現豐富的瞬時流速場信息。近年來已經有很多學者將PIV 運用在厭氧消化領域。Zhang等[49]采用PIV技術研究了厭氧消化系統中沼氣氣泡在不同工況下的特性。吳靜等[50]采用PIV技術對低固厭氧消化流速場進行研究，結果表明內循環厭氧反應器（internal circulation anaerobic digester，ICAD）內部的剪切速度排序為上升區＞下降區＞反應區；蔣劍凱等[51]對ICAD 的多相厭氧系統水力學參數進行PIV 測量，表明最佳產氣的剪切速度范圍為28～48s-1。

但PIV只能應用于透明均質流體的流場分布測量中，因此為了研究厭氧消化反應器的流場信息，必須找到一種與基質在流變特性、密度等物料性質相似的透明液體作為模擬流體來進行流場測量。目前羧乙烯聚合物溶液[52]、十二烷基硫酸銨溶液[53]、羧甲基纖維素（CMC）溶液[28]、多陰離子纖維素溶液[54]等被用于模擬工業領域的非牛頓流體。房洪芹[9]以高透明且流變特性與發酵液相似的質量分數0.2%的CMC 溶液作為PIV 工作流體，驗證了基于Realizablek-ε模型的數值模擬結果。曹秀芹等[55]研究發現15g/L添加KCl的黃原膠溶液流變曲線與5%含固率污泥基本一致，均為典型的假塑性非牛頓流體，可以作為污泥的透明相似溶液。Hu 等[11]對比了1%的PAAm 溶液和3%的鋰藻土溶液，認為3%的鋰藻土溶液和豬糞高固厭氧消化沼液有更相似的流變行為。實際上，由于厭氧消化基質的不透明性和非牛頓流體流變特性，在不使用模擬流體的情況下，想要實現流場可視化是非常困難的，而試圖用流變特性和物理特性相似的透明流體來模擬流動可能與“真實”的流動行為存在偏差[56]。其次，PIV由于其設備和裝置的限制，只能在小試尺度下進行流場可視化工作，目前無法推廣到實際生產實踐中。

3.2 PEPT技術

伯明翰大學[57]基于醫學成像技術開發了正電子發射粒子跟蹤（PEPT）技術。該技術通過跟蹤測量放射性示蹤粒子的運動情況來實現流動可視化。目前已成功應用于咖啡烘焙[58]、含水旋流酮[7]等不透明溶液的流動可視化，被證明是一種成功的可視化技術，可以用于廣泛的混合問題，包括具有非牛頓流變特性的液體、固液懸浮液、顆粒狀物料混合等復雜流態的可視化。Sindall 等[56]采用PEPT 在實驗室尺度的厭氧消化反應器實現流動可視化，研究表明需要提供更高的轉速才能使黏度較高的污泥（真實污泥）與黏度較低的污泥（合成透明污泥）達到相同的混合水平，印證了選擇準確的流變特性對正確評估混合模式的重要性。Dapelo 等[59]運用PIV 和PEPT 評估了一種新的厭氧消化氣體混合格子-玻爾茲曼模型。

與傳統的流動可視化技術PIV 相比，PEPT 能夠在復雜系統中實現流動可視化的優勢就更為突出。其次，由于該技術不受液相光學性質影響，且不需要透明的模擬流體，因此在厭氧消化流場可視化方面尤其有前景。但是PEPT 并不是一種完全可靠的可視化技術，有研究人員把PEPT 的測量結果與激光多普勒風速測速技術（LDA）進行比較，發現PEPT 在葉輪區域評估的速度較低，可能原因是粒子的高速度和方向的快速變化導致低捕捉信號[56]。此外，PEPT 技術實現流場可視化是基于檢測正電子放射性粒子的軌跡，放射性粒子的制備和保存過程相對復雜以及配套設備（如探頭、光電管等）獲取難度大、維護要求高，難以在工業生產廣泛應用。

4 結語

近年來，CFD技術在厭氧消化流場可視化研究中得到了廣泛的應用。傳統厭氧消化關注試驗運行過程參數和效果，運用CFD 實現流場可視化可以從反應器內部流場流速分布方面進行分析印證試驗結果。而厭氧消化基質的非牛頓流體屬性使其流變特性對厭氧消化混合效果影響顯著，對其流場的模擬能夠快速獲取內部流態情況。在CFD 數值模擬前，確定基質的流變特性以及進行流變模型擬合至關重要，這有助于提高模擬結果的準確性。為達到混合過程的全面評估，得到真實可靠的混合狀況，數值模擬需要耦合生化反應，綜合考慮厭氧消化基質的理化特性。此外，PIV 和PEPT 技術在厭氧消化流場可視化中有應用前景，但存在誤差大、成本高、局限于實驗室尺度等缺陷。如何進一步優化可視化技術，提高模擬結果的準確性，使多種模擬技術協同作用并推廣至生產性試驗是今后的研究重點。