黃如一，廖功磊，秦浩東，何清燕，蔣輝霞, 龍恩深，梅自力，李冰峰

(1.四川省農(nóng)村能源辦公室，成都 610041；2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室(成都)，成都 610041；3.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610063；4.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610063；5.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065；6.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100045)

攪拌可顯著提升沼氣厭氧發(fā)酵效率[1-2]，但在沼氣工程啟動(dòng)階段的攪拌到底是有利還是有害尚存一定爭議。Jarvisa P[3]認(rèn)為在發(fā)酵啟動(dòng)階段，生物質(zhì)初步形成絮凝體形態(tài)，結(jié)構(gòu)脆弱，進(jìn)行攪拌會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)成型，不利于啟動(dòng)。王玉恒[4]卻認(rèn)為，啟動(dòng)階段的攪拌可利用水力剪切應(yīng)力剪除絮凝體的疏松結(jié)構(gòu)，保留其密實(shí)部分，使其平均粒徑更小，接觸效果更佳，有利于啟動(dòng)。王玉恒[5]還在實(shí)驗(yàn)中觀察到，產(chǎn)氣過程中的攪拌可以消除顆粒表面的氣泡，進(jìn)一步提升表面接觸效果。

黃如一[6]在本研究的第1部分，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的水力攪拌裝置，并通過三臺(tái)發(fā)酵裝置的平行實(shí)驗(yàn)，針對接種液進(jìn)行攪拌，驗(yàn)證了水力攪拌對接種液在新發(fā)酵裝置中重啟活性的過程具有顯著提升作用。本階段擬采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，進(jìn)一步闡明水力攪拌提升重啟效率的內(nèi)在水力學(xué)機(jī)理，

CFD是現(xiàn)代沼氣工程攪拌設(shè)計(jì)的重要輔助手段[7]，可以實(shí)現(xiàn)料液流場的可視化研究，擺脫沼氣行業(yè)長期以來的不可視障礙[8]，甚至可以在某些特定方面，實(shí)現(xiàn)攪拌效果的量化評估[9]，極大地提升了現(xiàn)代沼氣工程攪拌方案設(shè)計(jì)水平。CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)沼氣工程攪拌方案的主要方法是通過數(shù)值模擬，重建流場形態(tài)圖案，在圖形可視的基礎(chǔ)上，識(shí)別流場缺陷和改進(jìn)路徑，輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌方案[10]。本研究在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證攪拌效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用CFD方法模擬繪制兩種攪拌方案的流場圖形，通過比較分析闡明優(yōu)化攪拌方案的內(nèi)在流體力學(xué)機(jī)理，從而介紹了CFD輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化攪拌方案的方法，為工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用罐體

實(shí)驗(yàn)材料和方法已在前期研究[6]中詳細(xì)介紹，罐體設(shè)計(jì)方法如圖1所示，罐體總?cè)莘e635.5 L，發(fā)酵間有效容積和氣箱容積分別是552.9 L和100.6 L。

1.發(fā)酵罐；2.儲(chǔ)氣間；3.發(fā)酵間；4.回流管；5.出水口；6.進(jìn)水口；7.泵；8.進(jìn)料口；9.密封塞；10.檢修口；11.導(dǎo)氣管

為做對比研究，還制作了另外兩個(gè)罐體。在實(shí)驗(yàn)中，帶4根循環(huán)管的罐體命名為4#，帶1根循環(huán)管的命名為1#，不攪拌的對照組命名為0#。3臺(tái)罐體如圖2所示，從左至右分別為0#，4#和1#。

圖2 3臺(tái)制造安裝好的厭氧發(fā)酵裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前一階段實(shí)驗(yàn)[6]已經(jīng)驗(yàn)證了水力攪拌對沼氣工程接種液活性的快速啟動(dòng)具有顯著提升效果，1#產(chǎn)生第1個(gè)產(chǎn)氣高峰比0#早1天，4#比0#早7天，42日連續(xù)產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。其中，1#和4#的累計(jì)沼氣產(chǎn)量比0#分別高89%和125%，COD去除率分別比0#高27%和42%。其產(chǎn)生機(jī)理需用CFD方法輔助說明。

表1 沼氣產(chǎn)量和污染物去除率

1.3 數(shù)值模擬計(jì)算方法

1.3.1 模擬對象

數(shù)值模擬對象是發(fā)酵系統(tǒng)的簡化模型，循環(huán)管的容積很小，并非主要發(fā)酵區(qū)域。氣箱部分僅用于儲(chǔ)存產(chǎn)生的沼氣，不影響發(fā)酵，所以簡化模型將它們忽略。僅剩發(fā)酵區(qū)域的簡化模型為一個(gè)552.9 L的液柱，底部開口，作為進(jìn)水口，高位側(cè)面的開口作為出水口。分別將兩種罐體建立成網(wǎng)格模型，采用控制容積法劃分網(wǎng)格，按每邊1,000個(gè)網(wǎng)格設(shè)置。1#模型共生成3302332個(gè)網(wǎng)格，4#模型共生成3295462個(gè)網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 1#和4#實(shí)驗(yàn)罐的液柱數(shù)值模型

1.3.2 邊界條件

持續(xù)增大水泵功率至液柱上表面泛起波瀾并能擴(kuò)散到邊緣時(shí)視為水力通路貫通[11]，此時(shí)用轉(zhuǎn)子流速儀測得入口斷面流速為0.707 m·s-1，所以進(jìn)水口的邊界條件設(shè)定為速度入口，絕對值取其近似值0.7 m·s-1，方向豎直向上。1#的1個(gè)出水口和4#的4個(gè)出水口均設(shè)為壓力出口。

1.3.3 數(shù)值計(jì)算方法

由于接種液易溶于水，固態(tài)活性污泥含量很小，故可將模擬介質(zhì)視為單相液體流[12]。其流體流動(dòng)連續(xù)性方程如下：

(1)

其動(dòng)量方程如下：

(2)

(3)

(4)

式中：▽為哈密頓微分算子：

(5)

2 結(jié)果和討論

2.1 流場模擬圖形分析

利用CFD軟件分別模擬計(jì)算1#和4#的攪拌流場形態(tài)，結(jié)果顯示差異明顯。圖4是兩者的速度矢量分布立面截面圖的對比。通過圖4可見，兩者的動(dòng)能都比較充沛，但1#的分布明顯不均勻，設(shè)有出口的一側(cè)動(dòng)能充沛，其余方向則嚴(yán)重匱乏。而4#由于在高位設(shè)置了對稱的壓力出口，所以動(dòng)能沿四個(gè)對稱方向均衡分布，不留明顯的匱乏區(qū)。

圖4 罐內(nèi)速度矢量分布圖(立面截面)

圖5是兩個(gè)罐體在1 m高度，即出口所在水平面，也是罐體高位的平面截面圖。此圖更清晰地顯示出兩者差異，1#的動(dòng)能大量集中在設(shè)有出口的一側(cè)，其余區(qū)域則嚴(yán)重匱乏，相比之下，4#的動(dòng)能分布相對均衡。

圖5 罐內(nèi)速度矢量分布圖(1 m高度水平截面)

圖6則是兩個(gè)罐體在0.1 m高度，亦即罐體低位的平面截面圖。在罐體低位，1#的動(dòng)能分布更加匱乏且不均勻，甚至連設(shè)有出口的一側(cè)動(dòng)能也比4#差，這在實(shí)驗(yàn)觀察中，表現(xiàn)為低位的漩渦更弱。可見，4#的設(shè)計(jì)方式比1#更容易使大型罐體的流場形成均衡，使動(dòng)能均勻分布于罐內(nèi)廣大區(qū)域。

圖6 罐內(nèi)速度矢量分布圖(0.1 m高度水平截面)

2.2 討論

2.2.1 攪拌對產(chǎn)氣效率的影響

通過3個(gè)發(fā)酵裝置產(chǎn)氣數(shù)據(jù)的對比，攪拌能夠提升厭氧發(fā)酵效率的論點(diǎn)得到進(jìn)一步印證，兩個(gè)攪拌的裝置產(chǎn)氣量分別比不攪拌的對照組高出89%和125%。而兩種攪拌形式的提升程度也存在顯著差異，4#明顯高于1#，說明優(yōu)化的流場設(shè)計(jì)產(chǎn)生更均衡的流場形態(tài)，對提升攪拌效率存在顯著作用。兩個(gè)攪拌的裝置產(chǎn)氣高峰也分別比不攪拌的早1天和7天出現(xiàn)，說明攪拌有利于厭氧發(fā)酵更快啟動(dòng)，而且均衡攪拌的作用更加顯著。

攪拌流場的優(yōu)化可以利用CFD方法模擬分析。攪拌變靜態(tài)發(fā)酵為動(dòng)態(tài)，使動(dòng)能均勻分布于發(fā)酵區(qū)域，避免“死區(qū)”[13]。但由于重力的存在，動(dòng)能分布往往偏向重力方向，所以應(yīng)該采用逆重力攪拌來抵抗這種趨勢[11]。所以本實(shí)驗(yàn)的循環(huán)流化發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)成底部進(jìn)水、高位出水的方案。通過CFD模擬可見，這種設(shè)計(jì)可以克服重力，在罐體中部形成從底部到頂部的完整水力通路。但1#只在高位設(shè)計(jì)了1個(gè)出口，這樣雖足以形成循環(huán)流化，不過其動(dòng)能大量偏向出口一側(cè)，流場仍顯得極不均衡。微生物菌種[14]和稀缺元素[15]并不能有效地輸運(yùn)到動(dòng)能匱乏的區(qū)域，造成大量發(fā)酵盲區(qū)。4#則通過在罐壁四周設(shè)置對稱出口，形成均衡的流量再分配，流場在水平和垂直兩個(gè)方向都均衡分布，不留明顯的動(dòng)能匱乏區(qū)，使微生物菌種和稀缺元素更加均勻地分布于整個(gè)發(fā)酵區(qū)域，增大有效發(fā)酵容積，提升發(fā)酵效率。

而在甲烷含量方面，1#和4#均明顯高于0#，但兩者之間差異不明顯，說明只要形成了循環(huán)流化，就能提高沼氣的甲烷含量，優(yōu)化流場形態(tài)只能細(xì)微地增大提升幅度。這可能取決于料液的酸化情況，因?yàn)榘l(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量酸性副產(chǎn)品，對甲烷菌存在顯著毒性，降低甲烷產(chǎn)量，生成多余的二氧化碳，從而降低甲烷含量[16]。發(fā)酵區(qū)域中若產(chǎn)生局部酸化，容易通過溶解進(jìn)一步擴(kuò)散，所以通過攪拌及時(shí)降低酸性至關(guān)重要。但酸性物質(zhì)是極易溶于水的，輕微攪拌即可使其迅速溶解，即便1#較差的流場形態(tài)使很多區(qū)域動(dòng)能匱乏，但對于抑制酸化而言已經(jīng)足夠，所以其抑制酸化的效果與4#差距并不大。說明只要形成回流攪拌，就能抑制酸化，優(yōu)化的流場形態(tài)對抑制酸化的提升并不大。

2.2.2 攪拌對污染物去除率的影響

除了產(chǎn)沼氣，去除污染物是沼氣工程的另一重要目的。發(fā)酵過程中，4#的COD濃度下降最快，1#下降速度低于4#，而0#下降最慢，且早在第25天便不再顯著下降，顯示厭氧發(fā)酵反應(yīng)已嚴(yán)重減弱。這首先是由于富含甲烷菌的活性污泥沉降到了底部[17]，使高、中位置的大量區(qū)域的發(fā)酵原料都難以接觸到發(fā)酵菌種，形成巨大的靜態(tài)發(fā)酵盲區(qū)。其次還可能是由于罐內(nèi)厭氧發(fā)酵反應(yīng)所需的P，K，S，F(xiàn)e，Co，Ni等稀缺輔助元素沉降有關(guān)[15]。這類物質(zhì)在料液中的含量本身就極低，但密度卻很大，容易沉降到底，其盲區(qū)比活性污泥更大。但1#和4#采用反重力攪拌，不斷將底部的稀缺物質(zhì)沖向高位，只要是水力攪拌動(dòng)能可達(dá)區(qū)域，水流都可將活性污泥和稀缺元素帶到，避免了靜態(tài)發(fā)酵盲區(qū)的產(chǎn)生，從而提高發(fā)酵效率。

不同于COD在厭氧發(fā)酵過程中不斷降低的趨勢，氨氮存在著累積與轉(zhuǎn)化并存的情況，變化較為復(fù)雜[18]。氨氮在低濃度階段是厭氧發(fā)酵微生物的營養(yǎng)來源，并提供發(fā)酵體系所需堿度，但濃度太高便會(huì)抑制厭氧反應(yīng)[19]。于芳芳[20]建立了不同COD濃度下氨氮對產(chǎn)甲烷菌的毒性關(guān)系模型，指出氨氮濃度過高會(huì)對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生毒性。但張波[21]指出氨氮的毒性是可逆的，通過稀釋、攪拌等方法可抑制其累積，解除毒性。實(shí)驗(yàn)用接種液的初始氨氮濃度僅為67 mg·L-1，發(fā)酵初期3臺(tái)發(fā)酵裝置都表現(xiàn)出輕微的氨氮累積現(xiàn)象，且速度相近。但經(jīng)過較長時(shí)間后，兩臺(tái)攪拌的裝置氨氮累積速度略低于不攪拌的，并在第28天得到了明顯抑制，氨氮濃度回落，產(chǎn)氣高峰正是出現(xiàn)在此時(shí)。這說明攪拌通過促進(jìn)氨氮轉(zhuǎn)化，抑制其累積，有利于菌群生長，從而促進(jìn)了厭氧反應(yīng)。但1#和4#的氨氮濃度非常接近，說明和pH值類似，只要形成回流攪拌就能促進(jìn)氨氮轉(zhuǎn)化，降低氨氮累積，優(yōu)化的流場形態(tài)在氨氮方面的優(yōu)化幅度并不大。

3 結(jié)論

水力攪拌可以加快沼氣工程接種液發(fā)酵重啟，獲得更佳的產(chǎn)氣和污染物去除效率。借助CFD數(shù)值模擬方法，輔助分析底部進(jìn)水高位分散式出水的優(yōu)化流場設(shè)計(jì)機(jī)理，在于其可以形成更均衡的反重力攪拌，使微生物和稀有元素克服重力沉降作用上沖至高位，并向廣大空間均勻擴(kuò)散，同時(shí)稀釋毒性物質(zhì)，能比集中式出水口更快重啟，更大幅度提升產(chǎn)氣和COD去除率，但在提升甲烷含量方面優(yōu)化幅度相對較小。