1 引言
利用中温干式厌氧消化技术处理餐厨垃圾，具有能耗低、有效利用反应器容积并且消化污泥产出量低的优点.前人对影响反应器产气效率和运行稳定性的因素进行了研究分析，得出餐厨垃圾成分、温度、TS、搅拌强度及颗粒粒径等因素会对厌氧消化造成不同程度的影响.其中，温度通过影响污泥中菌群的活性而决定有机物降解速率;中温条件下进行干式厌氧消化，TS对产气速率的约束较明显，其含量影响污泥流动性并决定搅拌系统的能耗;搅拌强度影响反应器内的速度场和污泥颗粒大小，从而改变反应器内污泥的流变状态，影响污泥的均质化和气体的逸出.污泥的流变状态则会改变厌氧消化物料的传热与传质，进而影响其它与反应器稳定运行有关的因素.
Eshtiaghi等归纳了前人关于污泥流变性质的研究成果：动力粘度是污泥流动阻力的度量，温度、TS含量是影响污泥流变性质的重要因素，剪切速率与动力粘度之间的关系则可以对不同类型的污泥做出流变性质的评价.在这些研究中，污泥样品的TS含量较低(TS≤10%)，且多为市政污泥，对餐厨垃圾厌氧消化污泥的研究较少.
本文以餐厨垃圾为进料进行半连续式和序批式的中温厌氧消化试验，以反应器中的厌氧消化污泥为研究对象，通过绘制粘温曲线、粘度曲线和流动曲线，考察温度、TS和剪切速率对污泥流变性的影响，以期为厌氧消化反应器的设计，热交换系统、污泥泵送系统和物料混合系统的优化提供基础数据.
2 材料与方法
2.1 材料
餐厨垃圾取自重庆大学B区某学生食堂，人工剔除竹筷、纸张等杂质，通过筛网滤掉流动的油脂.半连续式厌氧消化试验的接种污泥取自重庆市白市驿某沼气池，经驯化后使用.餐厨垃圾和接种污泥的理化特性见表 1.序批式厌氧消化试验的接种污泥取自运行稳定时的半连续式厌氧消化反应器.
表 1 餐厨垃圾及接种污泥的理化特性
2.2 试验装置及过程
半连续式试验采用自制单相CSTR厌氧消化反应器，见图 1a，反应器有效容积为50 L，顶部进料下部出料.关闭进、出料口时反应器内部形成厌氧状态.通过温控仪控制加热循环水，反应器内部温度维持在中温(35±2)℃.斜叶式机械搅拌器转速设定为45 r·min-1，运转周期为5 min·h-1，每日物料回流比为2 ∶ 1.反应器运行过程中有机负荷(Organic loading rate，OLR)变化情况见表 2，进料前将餐厨垃圾粉碎至粒径小于2 mm.反应器运行过程中，进料餐厨垃圾TS保持不变，由于反应器运行过程中受到抑制，本试验采用加水稀释的方式降低反应器中的TS，加水稀释量见表 2.
图 1 厌氧消化试验装置图
表 2 半连续式反应器有机负荷及加水量变化
半连续式反应器运行期间，每日定时从反应器底部出料口取污泥样品，测定pH、TS、VS/TS以及动力粘度，并测定其上清液的VFA、COD及氨氮含量，以评估反应器的运行状况.
序批式试验装置见图 1b，通过加水将接种污泥稀释至不同TS水平，取300 mL污泥加入500 mL的广口瓶，餐厨垃圾和污泥在试验前粉碎至粒径小于2 mm，有机负荷设定为4 kg·m-3(以VS计)，每个TS设两个平行试验.通过往复式恒温水浴振荡器(SHA-C)维持消化温度35 ℃，振荡频率为20 r·min-1.反应结束后测定污泥的TS、VS/TS以及动力粘度.
2.3 分析方法
COD、VFA和氨氮按照标准方法测定;TS和VS/TST利用称重法测定;pH值利用PHS-3C型pH计测定;产气量利用LML-3型湿式气体流量计测定.
动力粘度利用HBDV-Ⅱ+Pro型旋转粘度计(上海尼润智能有限公司)测定，配备RTD温度探头(精度0.1 ℃)，以及2#~7#共6个转子用于测定不同动力粘度的流体，转子的剪切速率范围为2.09~41.8 s-1，该剪切速率可以认定为层流.
2.3.1 温度对流变特性影响测试
通过水浴加热将污泥样品从室温20 ℃升至70 ℃，随后自然降温，粘度计选用3#转子，固定剪切速率γ为41.8 s-1.取半连续式反应器内的消化污泥，TS分别为26.23%、22.17%、21.41%，测定不同温度下的动力粘度，绘制粘温曲线.
2.3.2 TS含量和剪切速率对流变特性影响测试
通过恒温水浴控制污泥样品温度为(35.0±0.1)℃，通过由低到高的剪切速率(2.09~41.8 s-1)，测定污泥的动力粘度，绘制粘度曲线.样品测定时，半连续式消化污泥TS和对应选用的粘度计转子分别为29.54%(4#)、26.08%(4#)、24.82%(3#)、22.64%(3#);序批式消化污泥TS和对应选用的粘度计转子分别为22.48%(3#)、20.13%(3#)、18.40%(3#)、16.46%(3#)、13.96%(2#)、12.09%(2#).
2.3.3 厌氧消化污泥的时间相关性和触变性的测定
取序批式消化污泥进行测定，获得剪切速率-剪切应力的上升曲线和下降曲线，同时获得相应的粘度曲线，污泥TS和粘度计转子选用同2.3.2节;粘度计使用2#转子，固定剪切速率γ为31.4 s-1，测定污泥动力粘度随剪切时间发生的变化，并记录剪切时的温度变化，绘制温度时间曲线和粘度曲线，污泥TS分别为16.46%、13.96%、12.09%.污泥样品的TS和VS/TS见表 3.
表 3 污泥TS、VS/TS及取样时间
3 试验结果
图 2表示的是半连续式反应器运行过程中，消化污泥的TS受有机负荷和加水稀释影响而发生的变化.图 3表示的是半连续式消化污泥的TS和VS/TS随运行时间的变化情况.从图 2中可以看出，保持进料的餐厨垃圾TS固定不变会使反应器内消化污泥的TS逐渐提升，加水稀释可以快速改变消化污泥TS.从图 3中可以看出，在反应器运行的第54 d以后，TS波动较为明显，而VS/TS的变化相对较为平稳，一定程度上说明污泥中的微生物数量并没有随TS含量的变化而发生较大波动.
图 2 半连续式消化污泥TS随有机负荷、加水量的变化曲线
图 3 半连续式消化污泥TS、VS/TS-时间变化曲线
图 4表示的是半连续式消化污泥动力粘度随温度的变化情况.从图 4可以看出，污泥的动力粘度随温度的升高而降低，即温度越高，流动性越好.污泥在自然降温时的动力粘度高于升温时的动力粘度，说明温度升高的过程对污泥流变性造成了不可逆的影响.结合表 3，粘度测定的样品中TS区别明显，而VS/TS较为接近，可知TS较VS/TS更明显的影响污泥的流变性质.从图 4中还可看出，TS含量越高，温度对动力粘度的影响越明显;在同一温度下，污泥TS含量越高，动力粘度相应越大.
图 4 半连续式消化污泥温度-动力粘度曲线
图 5a、b分别为半连续式和序批式厌氧消化反应器内污泥的动力粘度随剪切速率的变化.图 6表示的是不同TS的序批式消化污泥在γ=41.8 s-1下的动力粘度值.
图 5 剪切速率-动力粘度曲线
图 6 序批式消化污泥动力粘度随TS的变化
从图 5中可以看出，两种污泥的动力粘度均随着剪切速率的提高而减小，并在低剪切速率下(γ<10.4 s-1)随剪切速率的提高而迅速下降;随着剪切速率继续增大(γ>20.9 s-1)，减小幅度下降，最后趋于稳定.并且TS含量越低，动力粘度值趋于稳定的速度也越快，TS越高，达到稳定值所需要的剪切速率也越大.粘度曲线说明餐厨垃圾厌氧消化污泥为非牛顿流体，并具有剪切变稀的特点，TS含量越高这一特征越明显.结合表 3可以看出，TS比VS/TS更能影响污泥的流变性.而且还可从图 5看出，在任一相同的剪切速率下，TS含量越高则动力粘度越大，并可从图 6得到证实.对比图 5a、b，TS相近时，序批式反应器中污泥的动力粘度要高于半连续式.从图 6可以看出，同一剪切速率下，污泥的动力粘度与TS含量之间为非线性关系，动力粘度值随TS的增大而提高的越来越快.
图 7表示的是序批式消化污泥的剪切速率-剪切应力曲线.从图 7中可以看出，污泥的流动曲线由剪切速率提高时的上升曲线和剪切速率降低时的下降曲线构成，两条不重合并形成顺时针方向的滞后环，说明厌氧消化污泥为时间相关性流体(陈惠 钊，2003).TS含量越高，上升曲线和下降曲线的差异越大，剪切应力与剪切速率之间的非线性关系越明显.
图 7 剪切速率-剪切应力曲线
图 8表示的是固定γ为31.4 s-1时，序批式消化污泥动力粘度和温度随剪切时间的变化关系.从图 8中可以看出，污泥的动力粘度随剪切时间增加而降低，并且在刚开始剪切时动力粘度变化快，随后变化趋于稳定，其粘度变化量见表 4.从表 4中可以看出，粘度测定过程中污泥温度变化较小，可认为测定时温度对流变性的影响一致.
图 8 序批式消化污泥动力粘度和温度随剪切时间的变化
表 4 污泥粘度及温度随剪切时间的变化
图 9为中温厌氧消化污泥在剪切速率由低到高(上升曲线)并回落(下降曲线)的过程中相应的粘度曲线.从图 9中可以看出，污泥的动力粘度随剪切速率增加而减小，剪切速率减小时污泥的动力粘度增大，但是污泥动力粘度增大的速度比减小的速度慢.TS含量越低，剪切速率升、降形成的粘度曲线越接近，TS含量越高，上升曲线和下降曲线区别越明显.
图 9 剪切速率-粘度曲线
4 讨论
4.1 温度对流变特性的影响
有研究表明，对于低TS含量的污泥，动力粘度随温度降低而升高，Baudez等研究表明污泥的动力粘度会随温度提高而降低.对于温度影响污泥粘度的机理，研究者从温度对污泥组分、附着微生物和结构等方面做出分析：Baudez等认为温度的变化会影响污泥的空间结构及组分的改变，使污泥的流变性质发生不可逆的变化;厌氧消化过程中细菌对温度波动非常敏感，对温度变化需要一定的适应期;Baroutian等认为当污泥受热时，由于热运动导致分子之间的凝聚力减少，从而导致了剪切应力以及粘度随之降低;Forster则论证了污泥颗粒表面包括蛋白质和多糖在内的聚合物数量越多，污泥的流动性就会越差.
有研究表明，对TS含量为25%~30%的生活垃圾进行厌氧消化，中温条件下产气效率很低，高温时产气正常.从温度方面分析，同样的TS含量下，温度越高，污泥中的微生物活性越强，传质效率因物料分子间凝聚力的减小而提高，污泥动力粘度减小，流动性增强，从而有效的提高了反应速度，使反应器能正常运行.
笔者认为，温度对污泥的空间结构和流变性影响很大，温度提高时，表面张力减小和分子热运动加剧以及污泥中微生物的活性增强导致污泥颗粒之间的凝聚力减小，动力粘度降低;在降温时污泥颗粒之间的凝聚力提升，同时温度的改变对厌氧消化污泥的空间结构造成了不可逆的影响，导致降温时的动力粘度高于升温时的粘度值.作为进料的餐厨垃圾提供的丰富有机质则影响了污泥表面聚合物的成分及数量，增强了污泥空间结构的稳定性，比较同一温度下的动力粘度，TS含量越高，这种影响越明显.
4.2 TS含量对流变特性的影响
对于高TS含量的污泥，Dentel and Dursun考察了TS为14%~28%的污泥脱水泥饼的流变性;通过配制TS为28.84%~37.30%的造纸污泥浆体，郭光明等的研究结果显示TS越高，动力粘度越高，这和TS小于10%时TS对污泥动力粘度的影响一致.研究人员分析了TS含量影响污泥粘度的机理：Abu-Jdayil等认为TS含量的提高使污泥颗粒直径彼此更为接近，导致污泥颗粒之间的相互作用更强，导致动力粘度提高;Pevere等的研究显示TS含量不变时，颗粒直径的减小会增加颗粒彼此之间接触的表面积，从而增加污泥的极限粘度.
分析图 5、图 6可以看出，半连续式和序批式试验的污泥均表现出TS含量越高，动力粘度值越大的特点，与此同时，各样品VS/TS之间的差别并不明显，说明TS对污泥的流变性有重要影响.结合图 5和图 9，比较污泥在同一剪切速率时的动力粘度值，在相近的TS范围内，序批式污泥的动力粘度相对较高，可能因为序批式污泥的粒径更小且比较均匀，相互之间接触的表面积较大，增强了污泥颗粒之间的相互作用.污泥TS越高，污泥颗粒数量越多，颗粒之间相互作用的机会越增加，导致污泥的TS越大动力粘度越高.
4.3 剪切速率对流变特性的影响
图 5可以看出，污泥属于剪切变稀的非牛顿流体.搅拌会对污泥产生剪切作用，污泥颗粒间的凝聚力倾向于恢复污泥的空间结构，剪切应力倾向于破坏污泥结构，在临界状态时，污泥结构完全破坏，污泥发生流动.因而剪切速率增大时污泥的空间结构破坏，粘度值降低，流动性增强，相应的传质传热效率提升.从图 5图 6中可以看出，γ<10.4 s-1时，搅拌速度相对较低，但流动性较差;γ>20.9 s-1时，动力粘度随剪切速率的提高改变较小，对应的剪切应力增大，增大了能耗并且不利于微生物的生长.结合图 7进行分析，当污泥维持较好的流动性时，TS含量越低污泥实现均质化耗用的能量也就越少，随着TS含量的提高，污泥实现均质化需要更高的剪切速率，意味着能耗的提高和物料之间传质传热效果的下降.
4.4 污泥的触变性与时间相关性
图 7中剪切速率-剪切应力的上升曲线与下降曲线不重合，形成滞后环，说明餐厨垃圾厌氧消化污泥为时间相关性流体.滞后环同时也是流体触变性的度量，触变性不同的流体，滞后环形状也有所差异，污泥TS含量越高，滞后环面积越大，触变性也越强.
污泥的触变性指的是时间相关性流体受施加的剪切应力作用会导致内部结构的破坏，破坏程度与剪切速率及剪切时间成正相关，从而出现图 7污泥在固定的剪切速率下动力粘度随剪切时间增加逐渐下降的现象.图 9中剪切速率变化时，污泥动力粘度的增大速度慢于减小速度，这是因为在剪切速率增大的过程中，污泥结构受到破坏，污泥颗粒逐渐恢复其结构需要一定的时间，因而剪切速率减少时出现粘度恢复较慢的情况.从图 8和图 9可以判断污泥为具有时间相关性的触变性流体，并且TS含量越高，这一特征越明显.
餐厨垃圾进行中温干式厌氧消化，研究污泥触变性的意义在于：搅拌速度决定了剪切速率，影响反应器内的速度场以及剪切力场，进而改变污泥的流变性质并对传质和传热起主导作用，对污泥颗粒的粒径和生长状态造成影响.剪切应力与污泥TS含量直接相关，在输送污泥时如果搅拌产生的剪切应力不够高，会使污泥难以维持均质流并可能导致管路堵塞;对于厌氧消化反应器，搅拌不适或者污泥长时间静置会导致污泥结构重建造成静止不动的区域，这会严重影响污泥均质化，而这种效应会随TS含量的提高变得更为明显.因而对于高TS含量的餐厨垃圾厌氧消化污泥，反应器的设计和搅拌系统及泵送系统的优化，污泥的触变性是需要考虑的重要因素.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
5 结论
1)餐厨垃圾中温厌氧消化污泥属于剪切变稀的非牛顿流体，具有时间相关性，为触变性流体，并具有一定的剪切应力.
2)餐厨垃圾中温厌氧消化污泥随着温度提高，动力粘度降低，流动性增强，温度变化对污泥流变性有不可逆的影响.
3)餐厨垃圾进行中温厌氧消化，系统内污泥TS>12%时，搅拌剪切速率γ介于10.4~20.9 s-1较为合适.
4)在同一剪切速率下，餐厨垃圾中温厌氧消化污泥的TS含量越高，动力粘度越大，流动性也越差.
5)TS含量越高，温度、TS含量以及剪切速率对污泥流变性的影响越明显.