厭氧消化流場可視化技術(shù)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(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實驗室，江西 南昌 330013）

隨著我國農(nóng)牧業(yè)迅速發(fā)展，有機廢棄物產(chǎn)生量也隨之增多。有機廢棄物會引發(fā)水體富營養(yǎng)化、土壤酸化及重金屬污染等問題。同時有機廢棄物中碳?xì)浜亢芨?，合理地處理利用可以產(chǎn)生清潔能源，達到資源循環(huán)利用的目的[1]。厭氧消化在高效降解有機廢棄物的同時產(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(chǎn)量低等問題，其主要原因在于基質(zhì)和接種物的混合不均勻，微生物無法充分接觸降解有機物，從而導(dǎo)致處理效果差[2]。因此，厭氧消化過程中水力學(xué)特性研究至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)將計算流體力學(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]運用CFD對豬糞厭氧消化反應(yīng)器流場進行研究，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)過簡化的理想流動方程，需要有效的驗證手段證明其結(jié)果的可靠性。而粒子圖像測速法（particle image velocimetry，PIV）作為近年來應(yīng)用最為廣泛的測量技術(shù)，能夠精確有效測量流場分布，也被應(yīng)用于厭氧消化領(lǐng)域。但受限于只能測量透明流體的特性，目前PIV技術(shù)的應(yīng)用中都采用了模擬工作流體對厭氧消化復(fù)雜流動過程進行可視化分析。此外，一些新的測速技術(shù)如正電子發(fā)射粒子追蹤技術(shù)（positron emission particle tracking，PEPT）也被用于流場可視化[7-9]。

本文對厭氧消化混合過程的流場可視化技術(shù)研究進行了總結(jié)，闡述了有機廢棄物厭氧消化基質(zhì)的流變特性，對CFD 在厭氧消化流場可視化中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述，其中重點關(guān)注多相流模型的選用。此外，總結(jié)了其他流場可視化技術(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)流變特性對厭氧消化的運行至關(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。國內(nèi)外學(xué)者對影響厭氧消化基質(zhì)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(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)致厭氧消化運行效果差[2]。含固率較低時，雖然較低的混合能量可使系統(tǒng)達到均一的混合狀態(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物數(shù)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(zhì)的黏度越高[12]。牛耕蕪等[13]通過實驗測試和數(shù)值模擬，研究了厭氧發(fā)酵過程中雞糞和污泥聯(lián)合底物的流變特性，試驗結(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達到基質(zhì)和微生物之間的物質(zhì)交換以及內(nèi)部傳熱過程的穩(wěn)定進行，但高剪切速率下，微生物的最佳生存環(huán)境可能會被破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(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，污泥開始轉(zhuǎn)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(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)力對厭氧消化運行的影響相關(guān)研究多集中于理論和試驗結(jié)果分析，針對黏度和屈服應(yīng)力對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(dǎo)致污泥黏度降低，因此流動性變好。張嚴(yán)之等[20]研究發(fā)現(xiàn)，對于含固率為20%的原污泥，當(dāng)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(shù)，發(fā)現(xiàn)溫度在10～60℃范圍內(nèi)，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(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(jié)果證明在溫度在超過40℃時，屈服應(yīng)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(yīng)力對溫度的變化不敏感。

溫度對厭氧消化基質(zhì)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(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(yōu)化厭氧消化溫度對系統(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

流變特性對理解非牛頓流體流動行為和流場變化規(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特性?，F(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(nèi)的非牛頓流體流動行為。

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工作中，在各級水行政主管部門的領(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)和購買經(jīng)濟建設(shè)作出了很大貢獻。鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(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，年均投入維護資金10萬元。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，有事無人管，經(jīng)費無保證。

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)用見表1?？梢钥闯觯喾N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(shù)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(yīng)的穩(wěn)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(jié)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(yōu)；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(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(fā)現(xiàn)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(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，通過生物試驗對厭氧消化基質(zhì)厭氧消化的水力學(xué)參數(shù)進行直接量化處理耗時費力，而CFD 通過數(shù)值模擬能量化水力學(xué)參數(shù)，是一種高效可靠的方法，它通過計算機模擬實際工況，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。總體來說，數(shù)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(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)顆粒停留時間分布。CFD 在厭氧消化系統(tǒng)中流場可視化的應(yīng)用見表2。

表2 CFD在厭氧消化系統(tǒng)中流場可視化的應(yīng)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(yīng)器混合質(zhì)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(shù)值模擬結(jié)果的前提。理論上厭氧消化反應(yīng)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(fù)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(guān)注的主要物理過程[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(jié)果與實際比較吻合，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(shù)值模擬與實驗測得的示蹤劑響應(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工程規(guī)模的反應(yīng)器進行數(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現(xiàn)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(guān)注固相在液相中的懸浮和沉降現(xiàn)象時，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)測流動現(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(fā)酵罐內(nèi)側(cè)進式攪拌器應(yīng)用污泥與水的液固三維流動數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)槳葉長度從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污泥厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的流場和固相濃度場進行模擬，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。這為實際厭氧生物反應(yīng)器的設(shè)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(yù)測固相相對于液相的懸浮沉降現(xiàn)象的缺陷，有助于全面預(yù)測厭氧消化底物在反應(yīng)體系中的運動過程。

2.2.2 氣液兩相流

當(dāng)假定底物和水均勻分布，并且混合物的各個組分具有相同的速度場、壓力場和溫度場時，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)測流場和評價混合策略。Wang 等[43]假設(shè)沼氣和混合物分別為氣相和液相，驗證了所用模型描述和預(yù)測連續(xù)攪拌生物反應(yīng)器內(nèi)流場的可靠性，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，液固兩相可以簡化為單一擬均質(zhì)相，應(yīng)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(rèn)為是厭氧消化反應(yīng)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(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]開發(fā)了一種氣-液-固三流體模型來描述UASB反應(yīng)器的流體動力學(xué)。Yu等[39]建立了基于顆粒流動力學(xué)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(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)注的主要物理過程?？偟膩碇v，目前CFD 模擬厭氧消化流場的應(yīng)用廣泛，但模擬結(jié)果仍存在一些缺陷，主要原因在于CFD 仍局限于流動性方程，難以與生化反應(yīng)聯(lián)系起來，不能顯示物料屬性變化的過程。其次是仿真結(jié)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(jié)果是否與實際符合是其應(yīng)用指導(dǎo)實踐的前提。盡管目前已經(jīng)應(yīng)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(zhì)的物理參數(shù)仍是一個難題。

3 其他流場可視化技術(shù)在高固厭氧消化中的應(yīng)用

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

3.1 PIV技術(shù)

PIV技術(shù)是近30年來由流體力學(xué)領(lǐng)域發(fā)展而來的水力學(xué)測速手段，具有瞬態(tài)、全場和無接觸式的特征。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魉賵鲞M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(shù)，PIV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間全速度場無接觸實時測量，展現(xiàn)豐富的瞬時流速場信息。近年來已經(jīng)有很多學(xué)者將PIV 運用在厭氧消化領(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)對低固厭氧消化流速場進行研究，結(jié)果表明內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（internal circulation anaerobic digester，ICAD）內(nèi)部的剪切速度排序為上升區(qū)＞下降區(qū)＞反應(yīng)區(qū)；蔣劍凱等[51]對ICAD 的多相厭氧系統(tǒng)水力學(xué)參數(shù)進行PIV 測量，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)流體的流場分布測量中，因此為了研究厭氧消化反應(yīng)器的流場信息，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(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，想要實現(xiàn)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(shè)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(chǎn)實踐中。

3.2 PEPT技術(shù)

伯明翰大學(xué)[57]基于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)開發(fā)了正電子發(fā)射粒子跟蹤（PEPT）技術(shù)。該技術(shù)通過跟蹤測量放射性示蹤粒子的運動情況來實現(xiàn)流動可視化。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 在實驗室尺度的厭氧消化反應(yīng)器實現(xiàn)流動可視化，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(zhǔn)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(tǒng)的流動可視化技術(shù)PIV 相比，PEPT 能夠在復(fù)雜系統(tǒng)中實現(xiàn)流動可視化的優(yōu)勢就更為突出。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 的測量結(jié)果與激光多普勒風(fēng)速測速技術(shù)（LDA）進行比較，發(fā)現(xiàn)PEPT 在葉輪區(qū)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(dǎo)致低捕捉信號[56]。此外，PEPT 技術(shù)實現(xiàn)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(fù)雜以及配套設(shè)備（如探頭、光電管等）獲取難度大、維護要求高，難以在工業(yè)生產(chǎn)廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語

近年來，CFD技術(shù)在厭氧消化流場可視化研究中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)厭氧消化關(guān)注試驗運行過程參數(shù)和效果，運用CFD 實現(xiàn)流場可視化可以從反應(yīng)器內(nèi)部流場流速分布方面進行分析印證試驗結(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(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。為達到混合過程的全面評估，得到真實可靠的混合狀況，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)在厭氧消化流場可視化中有應(yīng)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(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)性試驗是今后的研究重點。