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(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；3 江西省飲用水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

隨著我國(guó)農(nóng)牧業(yè)迅速發(fā)展，有機(jī)廢棄物產(chǎn)生量也隨之增多。有機(jī)廢棄物會(huì)引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化及重金屬污染等問(wèn)題。同時(shí)有機(jī)廢棄物中碳?xì)浜亢芨?，合理地處理利用可以產(chǎn)生清潔能源，達(dá)到資源循環(huán)利用的目的[1]。厭氧消化在高效降解有機(jī)廢棄物的同時(shí)產(chǎn)生沼氣，相較于焚燒和土地填埋等工藝，是一種綠色經(jīng)濟(jì)的處理方式。然而，有機(jī)廢棄物厭氧消化工藝存在處理量少、沼氣產(chǎn)量低等問(wèn)題，其主要原因在于基質(zhì)和接種物的混合不均勻，微生物無(wú)法充分接觸降解有機(jī)物，從而導(dǎo)致處理效果差[2]。因此，厭氧消化過(guò)程中水力學(xué)特性研究至關(guān)重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)將計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)應(yīng)用于厭氧消化反應(yīng)器的流場(chǎng)分布和優(yōu)化分析中，Zhang 等[3]應(yīng)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(jié)果表明死區(qū)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(yīng)試驗(yàn)和CFD 模擬相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)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(chǎn)率。曹秀芹等[5]運(yùn)用CFD對(duì)豬糞厭氧消化反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行研究，認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)速度最大值出現(xiàn)自槳葉末端，而頂部及底部和壁面區(qū)域的速度幾乎為零。

然而，研究人員[3-4,6]普遍認(rèn)為CFD 求解的是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的理想流動(dòng)方程，需要有效的驗(yàn)證手段證明其結(jié)果的可靠性。而粒子圖像測(cè)速法（particle image velocimetry，PIV）作為近年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量技術(shù)，能夠精確有效測(cè)量流場(chǎng)分布，也被應(yīng)用于厭氧消化領(lǐng)域。但受限于只能測(cè)量透明流體的特性，目前PIV技術(shù)的應(yīng)用中都采用了模擬工作流體對(duì)厭氧消化復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行可視化分析。此外，一些新的測(cè)速技術(shù)如正電子發(fā)射粒子追蹤技術(shù)（positron emission particle tracking，PEPT）也被用于流場(chǎng)可視化[7-9]。

本文對(duì)厭氧消化混合過(guò)程的流場(chǎng)可視化技術(shù)研究進(jìn)行了總結(jié)，闡述了有機(jī)廢棄物厭氧消化基質(zhì)的流變特性，對(duì)CFD 在厭氧消化流場(chǎng)可視化中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，其中重點(diǎn)關(guān)注多相流模型的選用。此外，總結(jié)了其他流場(chǎng)可視化技術(shù)（如PIV技術(shù)和PEPT技術(shù)）的研究現(xiàn)狀和技術(shù)應(yīng)用。

1 厭氧消化基質(zhì)流變特性

厭氧消化基質(zhì)流變特性對(duì)厭氧消化的運(yùn)行至關(guān)重要，描述厭氧消化基質(zhì)流變特性的參數(shù)有黏度、極限黏度、表觀黏度、剪切應(yīng)力和屈服應(yīng)力等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響厭氧消化基質(zhì)的眾多因素都進(jìn)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(shí)，厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)傳熱傳質(zhì)效果差，反應(yīng)器內(nèi)存在較大的死區(qū)，局部區(qū)域內(nèi)氨氮和揮發(fā)性脂肪酸發(fā)生積累并產(chǎn)生抑制作用，最終導(dǎo)致厭氧消化運(yùn)行效果差[2]。含固率較低時(shí)，雖然較低的混合能量可使系統(tǒng)達(dá)到均一的混合狀態(tài)，但低含固率厭氧消化的容積利用效率較低，沼氣產(chǎn)量也較低[10]。

厭氧消化基質(zhì)含固率會(huì)影響其黏度[11]。含固率越高，厭氧消化基質(zhì)中單位體積的顆粒有機(jī)物數(shù)量也更多，同時(shí)顆粒間的擠壓會(huì)使其間隙減小，這意味著顆粒間相互作用的機(jī)會(huì)也更多，故通常含固率越高厭氧消化基質(zhì)的黏度越高[12]。牛耕蕪等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬，研究了厭氧發(fā)酵過(guò)程中雞糞和污泥聯(lián)合底物的流變特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，含固率是影響混合液流態(tài)的主要因素。

厭氧消化基質(zhì)的高黏度和高屈服應(yīng)力意味著需要提供高剪切速率來(lái)達(dá)到基質(zhì)和微生物之間的物質(zhì)交換以及內(nèi)部傳熱過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行，但高剪切速率下，微生物的最佳生存環(huán)境可能會(huì)被破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)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(guī)律，結(jié)果表明在剪切速率為0.21～40.73s-1范圍內(nèi)，隨著含固率的增加，表觀黏度會(huì)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(yīng)力的變化規(guī)律，認(rèn)為污泥的屈服應(yīng)力隨含固率增加而增大，當(dāng)含固率大于6.77%時(shí)，污泥開(kāi)始轉(zhuǎn)化為非牛頓流體。Feng 等[16]對(duì)厭氧消化污泥的流變特性進(jìn)行研究，證實(shí)含固率的提高會(huì)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(shí)驗(yàn)顯示，其屈服應(yīng)力與含固率的2.79次方呈線性正相關(guān)[17]。黏度和屈服應(yīng)力對(duì)厭氧消化運(yùn)行的影響相關(guān)研究多集中于理論和試驗(yàn)結(jié)果分析，針對(duì)黏度和屈服應(yīng)力對(duì)厭氧消化影響的直接研究還未發(fā)現(xiàn)。

1.1.2 溫度

溫度變化會(huì)直接影響厭氧消化基質(zhì)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(yùn)動(dòng)，顆粒間凝聚力減小，黏度降低。董登志等[19]測(cè)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(dǎo)致污泥黏度降低，因此流動(dòng)性變好。張嚴(yán)之等[20]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于含固率為20%的原污泥，當(dāng)溫度從13℃上升到80℃時(shí)，黏度從63.2Pa·s下降到25.4Pa·s。Liu等[18]測(cè)量了豬糞厭氧消化沼液的流變特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)溫度在10～60℃范圍內(nèi)，沼液黏度呈下降趨勢(shì)，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(dá)到相同的流動(dòng)狀態(tài)。Jiang等[17]研究表明，隨著含固率的增加，屈服應(yīng)力值呈冪律增加。但溫度對(duì)高固厭氧消化污泥流變特性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含固率的影響。Wei 等[21]評(píng)價(jià)了溫度對(duì)市政污水污泥和厭氧消化污泥流變行為的影響，結(jié)果證明在溫度在超過(guò)40℃時(shí)，屈服應(yīng)力會(huì)顯著降低。而在一般適用的中溫消化溫度范圍(35±5)℃，屈服應(yīng)力對(duì)溫度的變化不敏感。

溫度對(duì)厭氧消化基質(zhì)的作用在于其影響分子的運(yùn)動(dòng)性能[20]，溫度越高分子的熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，分子間相互作用力越小，從而厭氧消化基質(zhì)黏度下降。但微生物的新陳代謝需要提供適宜的溫度環(huán)境，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響酶的活性進(jìn)而影響微生物的正常新陳代謝。因此，優(yōu)化厭氧消化溫度對(duì)系統(tǒng)水力學(xué)條件的影響不僅要考慮厭氧消化基質(zhì)黏度，更要考慮厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)微生物適宜的新陳代謝溫度。

1.2 流變模型

流變特性對(duì)理解非牛頓流體流動(dòng)行為和流場(chǎng)變化規(guī)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(shù)學(xué)層面定量分析流體的流動(dòng)特性。現(xiàn)有的流變特性模型主要有[22]：①兩參數(shù)模型，即Power-law 模 型、Bingham 模 型、Casson 模型；②三參數(shù)模型，即Herschel-Bulkley（H-B）模型、Sisko模型；③四參數(shù)模型，即Carreau模型、Cross模型。

一般認(rèn)為：Power-law 模型適用于剪切變稀流體，其模型未考慮屈服應(yīng)力；H-B 模型中考慮了屈服應(yīng)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(nèi)的流動(dòng)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(duì)較高剪切速率范圍內(nèi)的非牛頓流體流動(dòng)行為。

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

鄱陽(yáng)湖區(qū)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(xiǎn)工作中，在各級(jí)水行政主管部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)揮了極大的作用，為防洪減災(zāi)、為當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和購(gòu)買經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了很大貢獻(xiàn)。鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)重要圩堤管理單位基本分為縣、鄉(xiāng)管理模式。如廿四聯(lián)圩長(zhǎng)90km，由新建縣廿四聯(lián)圩管理局管理，屬事業(yè)單位，管理員6人，年均投入維護(hù)資金10萬(wàn)元。這種管理性質(zhì)的差異體現(xiàn)在管理工作中的結(jié)果是職能不清，責(zé)任不明，有事無(wú)人管，經(jīng)費(fèi)無(wú)保證。

Power-law模型

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

不同流變模型在厭氧消化基質(zhì)流變特性中的應(yīng)用見(jiàn)表1?？梢钥闯?，多種有機(jī)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(shù)差異明顯。因此在厭氧消化過(guò)程中，選擇合適的試驗(yàn)條件對(duì)反應(yīng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行尤為重要。曹秀芹等[22]對(duì)不同含水率（93.99%～98.72%）下污泥流變模型的顯著性水平進(jìn)行分析，結(jié)果表明在含水率在93.99%～95.52%之間時(shí)，Power-law 模型的顯著性水平較高，含水率為96.31%和98.72%時(shí)，Casson模型相對(duì)較優(yōu)；而B(niǎo)ingham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(rèn)為調(diào)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(jìn)行描述。Baudez等[24]對(duì)不同剪切率下厭氧消化污泥的流變行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)剪切速率較低時(shí)，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(shí)Jiang等[17]研究發(fā)現(xiàn)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(zhì)中的應(yīng)用

2 CFD在高固厭氧消化的應(yīng)用

由于厭氧消化基質(zhì)是不透明的非牛頓流體，通過(guò)生物試驗(yàn)對(duì)厭氧消化基質(zhì)厭氧消化的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行直接量化處理耗時(shí)費(fèi)力，而CFD 通過(guò)數(shù)值模擬能量化水力學(xué)參數(shù)，是一種高效可靠的方法，它通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際工況，調(diào)整模型和參數(shù)能夠獲得不同反應(yīng)器在不同工況下的水力學(xué)特性（圖1）。

圖1 CFD數(shù)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(yīng)用最多。總體來(lái)說(shuō)，數(shù)值計(jì)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(rèn)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(shí)際工程規(guī)模沼氣混合厭氧消化池應(yīng)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(yīng)器內(nèi)顆粒停留時(shí)間分布。CFD 在厭氧消化系統(tǒng)中流場(chǎng)可視化的應(yīng)用見(jiàn)表2。

表2 CFD在厭氧消化系統(tǒng)中流場(chǎng)可視化的應(yīng)用

2.1 單相流模型

CFD作為一種高效的流場(chǎng)可視化工具，廣泛用于反應(yīng)器混合質(zhì)量評(píng)價(jià)。在厭氧消化流場(chǎng)可視化工作中，選擇合適的多相流模型是獲得可靠數(shù)值模擬結(jié)果的前提。理論上厭氧消化反應(yīng)器中同時(shí)存在3個(gè)物理相，但可以通過(guò)簡(jiǎn)化物理問(wèn)題來(lái)減少物理模型的復(fù)雜性，達(dá)到降低計(jì)算成本的目的。多相流模型的選擇取決于研究所關(guān)注的主要物理過(guò)程[26]。Yu 等[39]研究認(rèn)為，如果反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒和氣體運(yùn)動(dòng)對(duì)液體的影響可以忽略不計(jì)時(shí)，采用單相模型可以簡(jiǎn)化過(guò)程，且模擬結(jié)果與實(shí)際比較吻合，可以為反應(yīng)器水力特性的優(yōu)化提供依據(jù)。

Terashima 等[31]在研究厭氧消化反應(yīng)器的混合中，假設(shè)混合過(guò)程中固體相對(duì)于液體的運(yùn)動(dòng)可忽略不計(jì)，選擇均勻的單相層流CFD 模型來(lái)模擬消化池中污泥的流動(dòng)模式，且數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的示蹤劑響應(yīng)曲線相當(dāng)吻合（相關(guān)系數(shù)=0.95）。Karim等[40]首次在厭氧反應(yīng)器中應(yīng)用非牛頓流體單相湍流模型對(duì)工程規(guī)模的反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)安裝懸掛擋板的45 度斜斗式反應(yīng)器比無(wú)擋板平底反應(yīng)器的死區(qū)減少了3倍。但有學(xué)者認(rèn)為，忽略氣相作用的同時(shí)假定廢水和生物質(zhì)顆粒為一相，不能解釋厭氧消化池中懸浮和沉降的流動(dòng)現(xiàn)象[39]。因此，在氣體相對(duì)于液體流動(dòng)可以忽略不計(jì)時(shí)，可以考慮使用單相流模型。而關(guān)注固相在液相中的懸浮和沉降現(xiàn)象時(shí)，單相流模型有局限性。故在厭氧消化水力學(xué)特性研究中，應(yīng)用多相流模型有助于全面預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 兩相流模型

如果只考慮固體顆粒的懸浮，且消化過(guò)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(jì)，采用液固兩相流模型比較適合[3]。宋金禮等[41]對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)側(cè)進(jìn)式攪拌器應(yīng)用污泥與水的液固三維流動(dòng)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)槳葉長(zhǎng)度從300mm增加到425mm，罐內(nèi)污泥濃度在7%左右的區(qū)域提高了57%，而轉(zhuǎn)速的提高對(duì)罐內(nèi)上部分層有很大改善。曹秀芹等[42]基于液固兩相流模型對(duì)污泥厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)和固相濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器上部、底部和壁面是混合效果最差的區(qū)域。這為實(shí)際厭氧生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和混合策略的選擇提供了參考。采用液固兩相流模型彌補(bǔ)了單相流模型無(wú)法預(yù)測(cè)固相相對(duì)于液相的懸浮沉降現(xiàn)象的缺陷，有助于全面預(yù)測(cè)厭氧消化底物在反應(yīng)體系中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.2.2 氣液兩相流

當(dāng)假定底物和水均勻分布，并且混合物的各個(gè)組分具有相同的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)時(shí)，可以認(rèn)為液固為單一的擬均質(zhì)相，在穩(wěn)態(tài)條件下也可應(yīng)用氣液兩相流模型預(yù)測(cè)流場(chǎng)和評(píng)價(jià)混合策略。Wang 等[43]假設(shè)沼氣和混合物分別為氣相和液相，驗(yàn)證了所用模型描述和預(yù)測(cè)連續(xù)攪拌生物反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的可靠性，并提出了一種反應(yīng)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(yīng)器中氣液流動(dòng)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(rèn)為液固兩相在厭氧消化反應(yīng)體系中分布均勻，液固兩相可以簡(jiǎn)化為單一擬均質(zhì)相，應(yīng)用氣液兩相流模型可以有效簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，提高計(jì)算效率。因此，氣液兩相流被認(rèn)為是厭氧消化反應(yīng)器流場(chǎng)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(yīng)器中應(yīng)用較少，而主要集中在一些厭氧生物膜反應(yīng)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(yīng)器[47]等。Wang 等[48]開(kāi)發(fā)了一種氣-液-固三流體模型來(lái)描述UASB反應(yīng)器的流體動(dòng)力學(xué)。Yu等[39]建立了基于顆粒流動(dòng)力學(xué)理論（KTGF）的氣-液-固三相模型來(lái)描述厭氧消化池中混合物中顆粒流現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)固體體積分?jǐn)?shù)隨顆粒沉降時(shí)間而變化，且小顆粒（0.06mm）具有更均勻的堆積分布。

生物反應(yīng)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(guān)注的主要物理過(guò)程?？偟膩?lái)講，目前CFD 模擬厭氧消化流場(chǎng)的應(yīng)用廣泛，但模擬結(jié)果仍存在一些缺陷，主要原因在于CFD 仍局限于流動(dòng)性方程，難以與生化反應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，不能顯示物料屬性變化的過(guò)程。其次是仿真結(jié)果的可靠性，CFD模擬計(jì)算求解的是理想條件下的流動(dòng)方程，求解結(jié)果是否與實(shí)際符合是其應(yīng)用指導(dǎo)實(shí)踐的前提。盡管目前已經(jīng)應(yīng)用了各種方法來(lái)驗(yàn)證CFD 模擬的可靠性，但如何真實(shí)模擬基質(zhì)的物理參數(shù)仍是一個(gè)難題。

3 其他流場(chǎng)可視化技術(shù)在高固厭氧消化中的應(yīng)用

由于CFD 僅通過(guò)計(jì)算機(jī)求解流動(dòng)方程，模擬結(jié)果存在誤差，缺乏有效的驗(yàn)證手段。因此，研究人員也應(yīng)用了其他的技術(shù)如PIV、PEPT 等進(jìn)行厭氧消化流場(chǎng)可視化分析。

3.1 PIV技術(shù)

PIV技術(shù)是近30年來(lái)由流體力學(xué)領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)的水力學(xué)測(cè)速手段，具有瞬態(tài)、全場(chǎng)和無(wú)接觸式的特征。該技術(shù)結(jié)合了激光技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)、電子技術(shù)以及信息技術(shù)，能夠?qū)α魉賵?chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，且精度極高（50μm）。PIV 測(cè)速原理是利用示蹤粒子在流場(chǎng)中的流動(dòng)行為來(lái)反映流場(chǎng)的流動(dòng)分布。相比于CFD技術(shù)，PIV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間全速度場(chǎng)無(wú)接觸實(shí)時(shí)測(cè)量，展現(xiàn)豐富的瞬時(shí)流速場(chǎng)信息。近年來(lái)已經(jīng)有很多學(xué)者將PIV 運(yùn)用在厭氧消化領(lǐng)域。Zhang等[49]采用PIV技術(shù)研究了厭氧消化系統(tǒng)中沼氣氣泡在不同工況下的特性。吳靜等[50]采用PIV技術(shù)對(duì)低固厭氧消化流速場(chǎng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（internal circulation anaerobic digester，ICAD）內(nèi)部的剪切速度排序?yàn)樯仙齾^(qū)＞下降區(qū)＞反應(yīng)區(qū)；蔣劍凱等[51]對(duì)ICAD 的多相厭氧系統(tǒng)水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行PIV 測(cè)量，表明最佳產(chǎn)氣的剪切速度范圍為28～48s-1。

但PIV只能應(yīng)用于透明均質(zhì)流體的流場(chǎng)分布測(cè)量中，因此為了研究厭氧消化反應(yīng)器的流場(chǎng)信息，必須找到一種與基質(zhì)在流變特性、密度等物料性質(zhì)相似的透明液體作為模擬流體來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)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(yè)領(lǐng)域的非牛頓流體。房洪芹[9]以高透明且流變特性與發(fā)酵液相似的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的CMC 溶液作為PIV 工作流體，驗(yàn)證了基于Realizablek-ε模型的數(shù)值模擬結(jié)果。曹秀芹等[55]研究發(fā)現(xiàn)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(duì)比了1%的PAAm 溶液和3%的鋰藻土溶液，認(rèn)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(shí)際上，由于厭氧消化基質(zhì)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(shí)現(xiàn)流場(chǎng)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(lái)模擬流動(dòng)可能與“真實(shí)”的流動(dòng)行為存在偏差[56]。其次，PIV由于其設(shè)備和裝置的限制，只能在小試尺度下進(jìn)行流場(chǎng)可視化工作，目前無(wú)法推廣到實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中。

3.2 PEPT技術(shù)

伯明翰大學(xué)[57]基于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)開(kāi)發(fā)了正電子發(fā)射粒子跟蹤（PEPT）技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)跟蹤測(cè)量放射性示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)可視化。目前已成功應(yīng)用于咖啡烘焙[58]、含水旋流酮[7]等不透明溶液的流動(dòng)可視化，被證明是一種成功的可視化技術(shù)，可以用于廣泛的混合問(wèn)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(fù)雜流態(tài)的可視化。Sindall 等[56]采用PEPT 在實(shí)驗(yàn)室尺度的厭氧消化反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)流動(dòng)可視化，研究表明需要提供更高的轉(zhuǎn)速才能使黏度較高的污泥（真實(shí)污泥）與黏度較低的污泥（合成透明污泥）達(dá)到相同的混合水平，印證了選擇準(zhǔn)確的流變特性對(duì)正確評(píng)估混合模式的重要性。Dapelo 等[59]運(yùn)用PIV 和PEPT 評(píng)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(tǒng)的流動(dòng)可視化技術(shù)PIV 相比，PEPT 能夠在復(fù)雜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)流動(dòng)可視化的優(yōu)勢(shì)就更為突出。其次，由于該技術(shù)不受液相光學(xué)性質(zhì)影響，且不需要透明的模擬流體，因此在厭氧消化流場(chǎng)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(shù)，有研究人員把PEPT 的測(cè)量結(jié)果與激光多普勒風(fēng)速測(cè)速技術(shù)（LDA）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)PEPT 在葉輪區(qū)域評(píng)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(dǎo)致低捕捉信號(hào)[56]。此外，PEPT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化是基于檢測(cè)正電子放射性粒子的軌跡，放射性粒子的制備和保存過(guò)程相對(duì)復(fù)雜以及配套設(shè)備（如探頭、光電管等）獲取難度大、維護(hù)要求高，難以在工業(yè)生產(chǎn)廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，CFD技術(shù)在厭氧消化流場(chǎng)可視化研究中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)厭氧消化關(guān)注試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程參數(shù)和效果，運(yùn)用CFD 實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化可以從反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)流速分布方面進(jìn)行分析印證試驗(yàn)結(jié)果。而厭氧消化基質(zhì)的非牛頓流體屬性使其流變特性對(duì)厭氧消化混合效果影響顯著，對(duì)其流場(chǎng)的模擬能夠快速獲取內(nèi)部流態(tài)情況。在CFD 數(shù)值模擬前，確定基質(zhì)的流變特性以及進(jìn)行流變模型擬合至關(guān)重要，這有助于提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。為達(dá)到混合過(guò)程的全面評(píng)估，得到真實(shí)可靠的混合狀況，數(shù)值模擬需要耦合生化反應(yīng)，綜合考慮厭氧消化基質(zhì)的理化特性。此外，PIV 和PEPT 技術(shù)在厭氧消化流場(chǎng)可視化中有應(yīng)用前景，但存在誤差大、成本高、局限于實(shí)驗(yàn)室尺度等缺陷。如何進(jìn)一步優(yōu)化可視化技術(shù)，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使多種模擬技術(shù)協(xié)同作用并推廣至生產(chǎn)性試驗(yàn)是今后的研究重點(diǎn)。