中国环境科学

作者：郭上榜, 李蕾, 叶文杰, 韩林沛, 徐鹏, 彭绪亚

单位：重庆大学, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400045

关键词：高固厌氧消化,计算流体动力学,搅拌,参数化优化,非牛顿流体

基金：国家科技部重点研发计划项目(2023YFC3905802);重庆市技术创新与应用发展专项(CSTB2023TIAD-KPX0084)

采用计算流体动力学(CFD)模拟技术,建立了一套参数化搅拌优化框架,系统探究了机械-气动协同搅拌对高固厌氧消化反应器混合传质特性的影响及机制.该框架整合描述物料流变行为的幂律模型、多相流模型及定量优化准则,以典型高固体浓度(TS=15%)为具体应用对象,先后建立单相流及多相流数值模型,定量评估了4种桨型结构(二折叶桨式/圆盘涡轮式/锚式/单螺带式)、3级转速梯度(20.00, 60.00, 100.00r/min)下的流场分布特征.结果表明,单螺带桨在60.00r/min工况下可减少81.49%死区体积,且液相平均剪切应力(4.42Pa)低于微生物絮体破坏阈值(5.00Pa).耦合气体倾斜射流搅拌后,采用30°喷嘴倾角可使气含率提升至24.20%(较垂直喷射提高4.27倍);将喷嘴孔径优化至10.00mm可实现液相高速区占比与气泡数密度的协同控制.最终构建的底部对称双喷嘴-单螺带桨协同搅拌系统,可使混合均匀度指数提升14.75%、能耗降低28.95%.基于上述针对TS=15%体系的成功应用与流场分析,本研究建立了微生物活性维持与流体力学优化的定量匹配准则.该参数化CFD框架可通过输入特定物料的实测流变参数,推广应用于评估不同含固率体系下的搅拌效果,为高固厌氧消化反应器设计提供了普适性的参数化优化方法和理论依据.

来源：2025年第12期

《中国环境科学》期刊编辑部

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