CN105842040B - 一种污泥相似溶液的检验方法及装置 - Google Patents

一种污泥相似溶液的检验方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种污泥相似溶液的检验方法及装置，所述方法包括：获取待检验的污泥相似溶液；分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；对所述流变曲线进行拟合度检验；若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。本发明通过拟合得到待检验的污泥相似溶液的流变曲线，并通过拟合度检验和等同性检验对待检测的污泥相似溶液进行检验，以确定污泥相似溶液能否代替污泥进行PIV等流场测试。

Description

一种污泥相似溶液的检验方法及装置
技术领域
本发明涉及污泥流场分析技术领域，具体涉及一种污泥相似溶液的检验方法及装置。
背景技术
厌氧消化技术是目前国内外广泛应用的一种污泥稳定化技术，不仅有良好的污泥减量效果，而且还具有运行费用低，能源效益高等优点。但是国内已建成的污泥厌氧消化项目在运行中经常会出现物料混合不均而产生分层，长期运行后出现浮渣结壳等现象。同时，随着高含固污泥和有机固体废物厌氧消化技术的出现，进料固体含量提高使得反应器内传质传热困难，搅拌效果差、能耗高等新问题以及反应器在实际运行过程中的流场分布及其混合效果对厌氧消化过程的影响也引起了广泛关注。因此流场优化和控制将日益成为厌氧消化反应器设计及运行过程中的重要环节。
但污泥作为一种非牛顿流体，其流动的复杂性以及污泥的不透明性质，通常情况下无法精确及其全面地获得污泥在厌氧消化反应器中的流动类型及其相关流动特性。近年来，随着将计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的高速发展，CFD模拟仿真技术已经开始运用到反应器的流场分析及反应器的优化设计的工作之中，并有效地完成了对污泥等不透明液体的流场进行可视化分析，极大提高了反应器流场分析研究的效率以及分析数据的全面性，但是模拟结果的准确性还需进一步验证，仍需将数值模拟结果与试验结果进行比较，从而判断不同条件下模型的适应性和模拟过程中一些假设的合理性。国内外研究人员采用间接验证的方法来证明CFD模拟结果的准确性。水力停留时间分布(Residence Time Distribution,RDT)实验是广泛使用的一种间接测定技术之一，Terashima等采用氯化锂溶液作为示踪剂，通过测量消化罐内不同位置的氯化锂浓度来判断消化污泥是否搅拌均匀，但该方法不能测量反应器内流场变化情况，也不能直观的观察反应器内死区大小及位置。或者在加温的情况下，温度场的分布受流场分布的影响很大，二者之间有很大关联性，并通过温度场的测试验证工程运行状况模拟的可靠性，从而间接验证流场模拟的可靠性，但是这种方法也不能直观的获取流场信息。因此，研究人员开始借助粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)和激光多普勒测速仪技术(LaserDoppler Velocimetry,LDV)等现代化的直接测量手段对模拟结果进行验证校核。通过对直叶涡轮搅拌槽进行CFD模拟，并将计算机模拟结果和LDV实验测量数据对比；或通过叶片形状、挡板结构对流体流动及混合过程影响的CFD数值模拟中，采用PIV实验的方法对选用的计算模型进行验证。
虽然PIV或LDV已经广泛应用于透明液体的流场分布测量中，但是这些技术都是基于声学或者光学原理，要求被测液体为透明均质溶液。由于污泥是非透明液体，不能采用PIV等流场测试方法，因此需要寻找一种能够对污泥相似溶液进行检测的方法。
发明内容
由于污泥是非透明液体，不能采用PIV等流场测试方法，当前也没有一种对污泥替代溶液进行检测的方法，本发明提出一种污泥相似溶液的检验方法及装置。
第一方面，本发明提出一种污泥相似溶液的检验方法，包括：
获取待检验的污泥相似溶液；
分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；
根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；
对所述流变曲线进行拟合度检验；
若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。
优选地，所述获取待检验的污泥相似溶液，进一步包括：
将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶分批搅拌溶解于去离子水中，得到第一黄原胶溶液；
将所述第一黄原胶溶液置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，得到第二黄原胶溶液，所述第二黄原胶溶液为待检测的污泥相似溶液。
优选地，采用旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数。
优选地，将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，以使所述污泥相似溶液和污泥的温度在室温条件下保持恒定。
优选地，采用最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验。
第二方面，本发明还提出一种污泥相似溶液的检验装置，包括：
待测溶液获取模块，用于获取待检验的污泥相似溶液；
流变参数测量模块，用于分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；
流变曲线拟合模块，用于根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；
拟合度检验模块，用于对所述流变曲线进行拟合度检验；
等同性检验模块，用于若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。
优选地，所述待测溶液获取模块包括：
溶解单元，用于将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶分批搅拌溶解于去离子水中，得到第一黄原胶溶液；
搅拌单元，用于将所述第一黄原胶溶液置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，得到第二黄原胶溶液，所述第二黄原胶溶液为待检测的污泥相似溶液。
优选地，所述流变参数测量模块采用旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数。
优选地，所述流变参数测量模块还用于将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，以使所述污泥相似溶液和污泥的温度在室温条件下保持恒定。
优选地，所述拟合度检验模块采用最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验。
由上述技术方案可知，本发明通过拟合得到待检验的污泥相似溶液的流变曲线，并通过拟合度检验和等同性检验对待检测的污泥相似溶液进行检验，以确定污泥相似溶液能否代替污泥进行PIV等流场测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种污泥相似溶液的检验方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种剪切速率和剪切应力的流动曲线；
图3为本发明一实施例提供的一种剪切速率和黏度的黏度曲线；
图4为本发明一实施例提供的一种污泥相似溶液的检验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种污泥相似溶液的检验方法的流程示意图，包括：
S1、获取待检验的污泥相似溶液；
S2、分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；
S3、根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；
S4、对所述流变曲线进行拟合度检验；
S5、若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。
本实施例通过拟合得到待检验的污泥相似溶液的流变曲线，并通过拟合度检验和等同性检验对待检测的污泥相似溶液进行检验，以确定污泥相似溶液能否代替污泥进行PIV等流场测试。
作为本实施例的可选方案，S1进一步包括：
S11、将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶分批搅拌溶解于去离子水中，得到第一黄原胶溶液；
S12、将所述第一黄原胶溶液置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，得到第二黄原胶溶液，所述第二黄原胶溶液为待检测的污泥相似溶液。
通过采用上述方法配置黄原胶溶液作为待检测的污泥相似溶液，配置方法简便，且配置得到的黄原胶溶液为透明液体，符合PIV等流场测试的要求。
进一步地，S2中采用旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数。
流变参数具体包括剪切速率、剪切应力和黏度等参数，通过旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数，能够使得测量结果更加准确。
具体地，S2中将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，以使所述污泥相似溶液和污泥的温度在室温条件下保持恒定。
通过将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，使得所述污泥相似溶液和污泥不会因为旋转而升温，影响测量结果。
进一步地，S4中采用最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验。
通过最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验，能够使得检验结果更为准确。
以下通过具体配置一种同污泥的流变特性较为相似的透明溶液，并进行检验以使用污泥相似溶液进行示踪实验，作为一种新型测定污泥厌氧消化反应器流场的方法。
首先，对污泥含水率及流变性质进行初步测定。室温条件下，分别将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶经准确称量后分批搅拌溶解于去离子水中，置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，待混合均匀后移入500mL的容量瓶中定容，得到一系列浓度梯度的透明溶液。
然后，污泥和黄原胶溶液的流变特性采用Haake Viscotester 550型旋转黏度计进行测量，通过DCY-0506型恒温槽将测量温度控制在恒温(25±0.1℃)范围内进行测量，剪切速率从2.7～300.1s-1递增，通过计算机软件平台收集并记录测量数据结果，得到该剪切速率范围内样品流变参数的变化情况。
最后，采用最小二乘法对流变曲线进行拟合度检验，分析黄原胶溶液与消化污泥的流变曲线相似程度，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，根据拟合曲线及分析结果来进行模拟介质与原型材料的初步相似分析。通过拟合度检验以后，再进行等同性检验，来验证二者的流变参数的统计学分布情况是否一致。最终确定模拟介质是否可以代替原型材料。
由1.00g/L的黄原胶溶液和消化污泥拟合度检验结果可见，两种材料的流变参数相近、流变曲线相似，测试数据满足小样本双侧t检验要求，可通过材料等同性检验进一步分析判断。以极限黏度为流变基本参数，根据双侧t检验可得：
在显著性水平α＝0.05的条件下，对于双侧t检验，可知：
tα/2(ν)＝t0.025(10-1)＝2.2622 (2)
而t0＝2.2309在±2.2622范围内，说明两种材料实验数据无显著性差异，即浓度为1.00g/L的黄原胶溶液满足消化污泥的流变参数模拟要求。
如图2和图3所示，浓度为1.00g/L的黄原胶溶液的流动曲线和黏度曲线和消化污泥的流变曲线在变化趋势上均较为接近，数据点的重叠程度较其他两种浓度的黄原胶溶液也有显著提高。拟合相似性分析结果表明，在显著性水平α＝0.05的条件下，两种材料实验数据无显著性差异，浓度为1.00g/L的黄原胶溶液可视为小试反应器内消化污泥的等效模拟介质。
图4示出了本实施例提供的一种污泥相似溶液的检验装置的结构示意图，包括待测溶液获取模块11、流变参数测量模块12、流变曲线拟合模块13、拟合度检验模块14和等同性检验模块15；其中，
待测溶液获取模块11用于获取待检验的污泥相似溶液；
流变参数测量模块12用于分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；
流变曲线拟合模块13用于根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；
拟合度检验模块14用于对所述流变曲线进行拟合度检验；
等同性检验模块15用于若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。
本实施例通过拟合得到待检验的污泥相似溶液的流变曲线，并通过拟合度检验和等同性检验对待检测的污泥相似溶液进行检验，以确定污泥相似溶液能否代替污泥进行PIV等流场测试。
可选地，所述待测溶液获取模块11包括：
溶解单元111，用于将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶分批搅拌溶解于去离子水中，得到第一黄原胶溶液；
搅拌单元112，用于将所述第一黄原胶溶液置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，得到第二黄原胶溶液，所述第二黄原胶溶液为待检测的污泥相似溶液。
进一步地，所述流变参数测量模块12采用旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数。
具体地，所述流变参数测量模块12还用于将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，以使所述污泥相似溶液和污泥的温度在室温条件下保持恒定。
进一步地，所述拟合度检验模块14采用最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验。
本实施例所述的污泥相似溶液的检验装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (8)

1.一种污泥相似溶液的检验方法，其特征在于，包括：
获取待检验的污泥相似溶液；
分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；
根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；
采用最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验，分析所述污泥相似溶液与消化污泥的流变曲线相似程度，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，根据拟合曲线及分析结果来进行模拟介质与原型材料的初步相似分析；
若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取待检验的污泥相似溶液，进一步包括：
将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶分批搅拌溶解于去离子水中，得到第一黄原胶溶液；
将所述第一黄原胶溶液置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，得到第二黄原胶溶液，所述第二黄原胶溶液为待检测的污泥相似溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，以使所述污泥相似溶液和污泥的温度在室温条件下保持恒定。
5.一种污泥相似溶液的检验装置，其特征在于，包括：
待测溶液获取模块，用于获取待检验的污泥相似溶液；
流变参数测量模块，用于分别测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数；
流变曲线拟合模块，用于根据所述污泥相似溶液的流变参数，拟合得到所述污泥相似溶液的流变曲线；
拟合度检验模块，用于采用最小二乘法对所述流变曲线进行拟合度检验，分析所述污泥相似溶液与消化污泥的流变曲线相似程度，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，根据拟合曲线及分析结果来进行模拟介质与原型材料的初步相似分析；
等同性检验模块，用于若拟合度检验合格，则根据所述污泥的流变参数，对所述流变曲线进行等同性检验，若等同性检验合格，则待检验的污泥相似溶液通过检验。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述待测溶液获取模块包括：
溶解单元，用于将微粒尺寸为80目的食品级黄原胶分批搅拌溶解于去离子水中，得到第一黄原胶溶液；
搅拌单元，用于将所述第一黄原胶溶液置于转速为500r/min的电磁搅拌器中搅拌30min，得到第二黄原胶溶液，所述第二黄原胶溶液为待检测的污泥相似溶液。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述流变参数测量模块采用旋转黏度计测量所述污泥相似溶液和污泥的流变参数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述流变参数测量模块还用于将所述污泥相似溶液和污泥设于恒温槽，以使所述污泥相似溶液和污泥的温度在室温条件下保持恒定。
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