水力攪拌加速沼氣工程啟動的研究—(Ⅱ)流場模擬部分

黃如一，廖功磊，秦浩東，何清燕，蔣輝霞, 龍恩深，梅自力，李冰峰

(1.四川省農村能源辦公室，成都 610041；2.農業部沼氣科學研究所, 農業農村部生物質發酵產品質量安全風險評估實驗室(成都)，成都 610041；3.四川省機械研究設計院，成都 610063；4.四川省農業機械研究設計院，成都 610063；5.四川大學 建筑與環境學院，成都 610065；6.農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100045)

攪拌可顯著提升沼氣厭氧發酵效率[1-2]，但在沼氣工程啟動階段的攪拌到底是有利還是有害尚存一定爭議。Jarvisa P[3]認為在發酵啟動階段，生物質初步形成絮凝體形態，結構脆弱，進行攪拌會破壞其結構成型，不利于啟動。王玉恒[4]卻認為，啟動階段的攪拌可利用水力剪切應力剪除絮凝體的疏松結構，保留其密實部分，使其平均粒徑更小，接觸效果更佳，有利于啟動。王玉恒[5]還在實驗中觀察到，產氣過程中的攪拌可以消除顆粒表面的氣泡，進一步提升表面接觸效果。

黃如一[6]在本研究的第1部分，設計了一種優化的水力攪拌裝置，并通過三臺發酵裝置的平行實驗，針對接種液進行攪拌，驗證了水力攪拌對接種液在新發酵裝置中重啟活性的過程具有顯著提升作用。本階段擬采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，進一步闡明水力攪拌提升重啟效率的內在水力學機理，

CFD是現代沼氣工程攪拌設計的重要輔助手段[7]，可以實現料液流場的可視化研究，擺脫沼氣行業長期以來的不可視障礙[8]，甚至可以在某些特定方面，實現攪拌效果的量化評估[9]，極大地提升了現代沼氣工程攪拌方案設計水平。CFD優化設計沼氣工程攪拌方案的主要方法是通過數值模擬，重建流場形態圖案，在圖形可視的基礎上，識別流場缺陷和改進路徑，輔助優化設計攪拌方案[10]。本研究在實驗驗證攪拌效果的基礎上，進一步利用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化攪拌方案的內在流體力學機理，從而介紹了CFD輔助設計優化攪拌方案的方法，為工程設計提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗用罐體

實驗材料和方法已在前期研究[6]中詳細介紹，罐體設計方法如圖1所示，罐體總容積635.5 L，發酵間有效容積和氣箱容積分別是552.9 L和100.6 L。

1.發酵罐；2.儲氣間；3.發酵間；4.回流管；5.出水口；6.進水口；7.泵；8.進料口；9.密封塞；10.檢修口；11.導氣管

為做對比研究，還制作了另外兩個罐體。在實驗中，帶4根循環管的罐體命名為4#，帶1根循環管的命名為1#，不攪拌的對照組命名為0#。3臺罐體如圖2所示，從左至右分別為0#，4#和1#。

圖2 3臺制造安裝好的厭氧發酵裝置

1.2 實驗結果

前一階段實驗[6]已經驗證了水力攪拌對沼氣工程接種液活性的快速啟動具有顯著提升效果，1#產生第1個產氣高峰比0#早1天，4#比0#早7天，42日連續產氣實驗的結果如表1所示。其中，1#和4#的累計沼氣產量比0#分別高89%和125%，COD去除率分別比0#高27%和42%。其產生機理需用CFD方法輔助說明。

表1 沼氣產量和污染物去除率

1.3 數值模擬計算方法

1.3.1 模擬對象

數值模擬對象是發酵系統的簡化模型，循環管的容積很小，并非主要發酵區域。氣箱部分僅用于儲存產生的沼氣，不影響發酵，所以簡化模型將它們忽略。僅剩發酵區域的簡化模型為一個552.9 L的液柱，底部開口，作為進水口，高位側面的開口作為出水口。分別將兩種罐體建立成網格模型，采用控制容積法劃分網格，按每邊1,000個網格設置。1#模型共生成3302332個網格，4#模型共生成3295462個網格，如圖3所示。

圖3 1#和4#實驗罐的液柱數值模型

1.3.2 邊界條件

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

1.3.3 數值計算方法

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

(1)

其動量方程如下：

(2)

(3)

(4)

式中：▽為哈密頓微分算子：

(5)

2 結果和討論

2.1 流場模擬圖形分析

利用CFD軟件分別模擬計算1#和4#的攪拌流場形態，結果顯示差異明顯。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，兩者的動能都比較充沛，但1#的分布明顯不均勻，設有出口的一側動能充沛，其余方向則嚴重匱乏。而4#由于在高位設置了對稱的壓力出口，所以動能沿四個對稱方向均衡分布，不留明顯的匱乏區。

圖4 罐內速度矢量分布圖(立面截面)

圖5是兩個罐體在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#的動能大量集中在設有出口的一側，其余區域則嚴重匱乏，相比之下，4#的動能分布相對均衡。

圖5 罐內速度矢量分布圖(1 m高度水平截面)

圖6則是兩個罐體在0.1 m高度，亦即罐體低位的平面截面圖。在罐體低位，1#的動能分布更加匱乏且不均勻，甚至連設有出口的一側動能也比4#差，這在實驗觀察中，表現為低位的漩渦更弱。可見，4#的設計方式比1#更容易使大型罐體的流場形成均衡，使動能均勻分布于罐內廣大區域。

圖6 罐內速度矢量分布圖(0.1 m高度水平截面)

2.2 討論

2.2.1 攪拌對產氣效率的影響

通過3個發酵裝置產氣數據的對比，攪拌能夠提升厭氧發酵效率的論點得到進一步印證，兩個攪拌的裝置產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#，說明優化的流場設計產生更均衡的流場形態，對提升攪拌效率存在顯著作用。兩個攪拌的裝置產氣高峰也分別比不攪拌的早1天和7天出現，說明攪拌有利于厭氧發酵更快啟動，而且均衡攪拌的作用更加顯著。

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

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流化，就能提高沼氣的甲烷含量，優化流場形態只能細微地增大提升幅度。這可能取決于料液的酸化情況，因為發酵過程中會產生大量酸性副產品，對甲烷菌存在顯著毒性，降低甲烷產量，生成多余的二氧化碳，從而降低甲烷含量[16]。發酵區域中若產生局部酸化，容易通過溶解進一步擴散，所以通過攪拌及時降低酸性至關重要。但酸性物質是極易溶于水的，輕微攪拌即可使其迅速溶解，即便1#較差的流場形態使很多區域動能匱乏，但對于抑制酸化而言已經足夠，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，優化的流場形態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

除了產沼氣，去除污染物是沼氣工程的另一重要目的。發酵過程中，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，顯示厭氧發酵反應已嚴重減弱。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、中位置的大量區域的發酵原料都難以接觸到發酵菌種，形成巨大的靜態發酵盲區。其次還可能是由于罐內厭氧發酵反應所需的P，K，S，Fe，Co，Ni等稀缺輔助元素沉降有關[15]。這類物質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沖向高位，只要是水力攪拌動能可達區域，水流都可將活性污泥和稀缺元素帶到，避免了靜態發酵盲區的產生，從而提高發酵效率。

不同于COD在厭氧發酵過程中不斷降低的趨勢，氨氮存在著累積與轉化并存的情況，變化較為復雜[18]。氨氮在低濃度階段是厭氧發酵微生物的營養來源，并提供發酵體系所需堿度，但濃度太高便會抑制厭氧反應[19]。于芳芳[20]建立了不同COD濃度下氨氮對產甲烷菌的毒性關系模型，指出氨氮濃度過高會對產甲烷菌產生毒性。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。實驗用接種液的初始氨氮濃度僅為67 mg·L-1，發酵初期3臺發酵裝置都表現出輕微的氨氮累積現象，且速度相近。但經過較長時間后，兩臺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，產氣高峰正是出現在此時。這說明攪拌通過促進氨氮轉化，抑制其累積，有利于菌群生長，從而促進了厭氧反應。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氨氮轉化，降低氨氮累積，優化的流場形態在氨氮方面的優化幅度并不大。

3 結論

水力攪拌可以加快沼氣工程接種液發酵重啟，獲得更佳的產氣和污染物去除效率。借助CFD數值模擬方法，輔助分析底部進水高位分散式出水的優化流場設計機理，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散，同時稀釋毒性物質，能比集中式出水口更快重啟，更大幅度提升產氣和COD去除率，但在提升甲烷含量方面優化幅度相對較小。