不同攪拌方式對浮渣層影響高溫厭氧發酵產氣率的研究

王 欣，王玉鵬，劉 偉，蘇小紅，徐曉秋

(黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150090)

牛糞固含量為16.5%，其中有機質占14.6%，含有較高的纖維類物質［1］，在厭氧發酵過程中易在反應器的上部形成浮渣層并硬化結殼［2-5］，如不及時解決，將導致沼氣無法順利進入儲氣裝置中，影響發酵系統正常運行，嚴重結殼還會造成反應器爆裂，危及人身安全。因此，本文以奶牛場糞便作為產發酵原料，利用實驗室自制的厭氧發酵反應系統，分析機械攪拌、氣攪拌、水力攪拌對反應器上層浮渣的影響，并以產氣量為考核指標，通過正交試驗，確定最適工藝組合，為大中型沼氣工程提供實驗基礎和技術支持［6-8］。

1 試驗材料與方法

本研究的發酵反應器采用不銹鋼制成，為圓柱體形式，底面直徑560 mm，高540 mm，有效容積100 L，填料容積70 L。反應器側壁設有溫度、pH值檢測儀表，頂部設有壓力檢測儀表。反應器外設電加熱夾套，啟動期間，室內溫度在15℃ ～20℃，通過溫控儀控制反應器內溫度為55±1℃。其攪拌方式如圖1所示。

試驗方法:分析不同攪拌方式影響牛糞高溫厭氧消化參數因子的單因素試驗，選取重要影響因子進行正交分析，確定最佳攪拌工藝。通過對發酵液上層表面懸浮固體的物的重量分析，確定不同攪拌方式對浮渣層的影響。

圖1 試驗裝置Fig.1 The test devices

2 試驗方法設計

2.1 不同攪拌方式的單因素厭氧發酵試驗

2.1.1 機械攪拌單因素試驗

固含量對總產氣量的影響:將新鮮牛糞分別按照6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%的固含量，加入反應器當中，溫度為55±1℃，周期14 d，研究固含量與產氣量之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。攪拌時間對總產氣量的影響:將新鮮牛糞分別按照8%固含量，加入反應器中，溫度為55±1℃，周期14 d，分別研究在不同攪拌時間 5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 與產氣量之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。攪拌頻率對總產氣量的影響:將新鮮牛糞按照8%固含量，加入反應器中，溫度為55±1℃，周期14 d，分別研究在不同攪拌時間2 h一次、4 h一次、6 h一次、8 h一次與產氣量之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。攪拌轉速對總產氣量的影響:將新鮮牛糞按照8%固含量，加入反應器中，溫度為55±1℃，周期14 d，分別研究在不同攪拌轉速40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min與產氣量之間的關系，并觀察牛糞厭氧消化過程的pH值。

2.1.2 氣攪拌單因素試驗

研究固含量 6% 、7% 、8% 、9% 、10% 、11% 、12%;攪拌時間 5 min、10 min、15 min、20 min、25 min;攪拌頻率 6 h一次、12 h一次、24 h一次、36 h一次、48 h一次;氣攪拌壓力 7.5 kp、9 kp、12 kp、15 kp、22 kp 與產氣量之間的關系。

2.1.3 水力攪拌單因素試驗

研究固含量 6% 、7% 、8% 、9% 、10% 、11% 、12%;攪拌時間5 min、10 min、15 min、20 min、25 min;攪拌頻率6h一次、12 h一次、24 h一次、36 h一次、48 h一次;攪拌轉速2.8 m3/h、3.3 m3/h、3.7 m3/h、4 m3/h、4.4 m3/h、4.9 m3/h與產氣量之間的關系。

2.1.4 正交試驗

根據單因素試驗結果，選定重要影響因素及水平，進行正交試驗，全面考察各因素對產氣量效果的影響，并通過極差分析獲得較優組合。

2.2 不同攪拌方式對反應器浮渣層厭氧發酵試驗

在發酵周期結束5 d后，開罐，檢測消化液上層表面懸浮物固體的物重量，結合前期的正交試驗結果，分析不同攪拌方式對反應器浮渣層的影響結果。

3 結果與分析

3.1 正交試驗結果與分析

3.1.1 機械攪拌對總氣量的影響

表1 機械攪拌正交試驗方案及結果Tab.1 The orthogonal experimental program and results of the mechanical agitation

由表1的極差分析可知，各因素對總產氣量影響的大小順序為A＞B＞C＞D，即固含量＞攪拌轉速＞攪拌時間＞攪拌頻率。最佳的因素水平組合為A3B1C1D2，即固含量9%、攪拌轉速為50 rpm、攪拌頻率6 h一次、攪拌時間20 min。

3.1.2 氣攪拌對總氣量的影響

表2 氣攪拌正交實驗方案及結果Tab.2 The orthogonal experimental program and results of the biogas agitation

由表2的極差分析可知，各因素對總產氣量影響的大小順序為A＞B＞D＞C，即固含量＞攪拌轉速＞攪拌頻率＞攪拌時間。最佳的因素水平組合為A3B2C3D3，即固含量9%、氣攪拌壓力為12 kp、攪拌頻率8 h一次、攪拌時間25 min。

3.1.3 水力攪拌對總氣量的影響

表3 水力攪拌正交實驗方案及結果Tab.1 The orthogonal experimental program and results of the hydraulic agitation

由表3的極差分析可知，各因素對總產氣量影響的大小順序為A＞B＞C＞D，即固含量＞攪拌流量＞攪拌頻率＞攪拌時間。最佳的因素水平組合為A3B3C3D1，即固含量9%、攪拌流量4.4 m3/h、攪拌頻率24 h一次、攪拌時間5 min。

3.2 不同攪拌方式對反應器浮渣層影響結果分析

3.2.1 不同攪拌方式對日產氣量的影響

不同攪拌方式對日產氣量的影響如圖2，在發酵第5 d天采取機械攪拌的試驗組，其日產氣量達到了最高峰101 L，產氣速度明顯快于其他兩組和空白對照組，但至發酵第21 d，不加料時候，采用機械攪拌的試驗組日產氣量開始逐漸下降，說明該試驗組已結束產氣期，可利用的原料已幾乎被完全利用。采用氣攪拌的試驗和水力攪拌實驗的發酵速度僅次于機械攪拌，在試驗開始的前7 d內，日產氣量逐漸上升，至第8 d達到最高峰110L左右。空白對照組的日產氣量隨著時間的增加基本上一致，至發酵第25 d還保持較高的日產氣量。各試驗組的總產氣量變化不大，總產氣量最高的機械攪拌組和空白對照組僅相差673 L，這說明了采用不同的攪拌方式對產氣速度影響較大，但對總產氣量影響并不大。

圖2 不同攪拌方式對日產氣量的影響Fig.2 The effect of different mixing methods on the total biogas production rate

3.2.2 不同攪拌方式對反應器上層表面懸浮固體物重量的影響

圖3 不同攪拌方式對浮渣層懸浮固體物重量的影響Fig.3 The effect of different mixing methods on the weight of scum layer suspended solids

圖3表示的是不同的攪拌方式條件下，在試驗結束后，開罐稱量表面的懸浮固體物重量。由圖可知，在厭氧發酵過程中，機械攪拌和水力攪拌組的效果最好，浮渣重量分別為10.5 kg和9.5 kg，氣攪拌和無攪拌組相對較差，浮渣重量分別為 15.6 kg 和 18.3 kg。

4 結論

本項目利用實驗室自制的厭氧發酵反應系統，分別對機械攪拌、氣攪拌、水力攪拌影響牛糞高溫厭氧發酵的因素進行分析，通過正交試驗后，得出機械攪拌、氣攪拌、水力攪拌的最佳工藝，由結果可知，產氣量最高的是機械攪拌，其最佳工藝組合為固含量9%、攪拌轉速為50 rpm、攪拌頻率6 h一次、攪拌時間20 min。

但是在對上層浮渣進行稱重的時候，發現上層浮渣最少的為水力攪拌，機械攪拌次之，結果表明，從發酵液的混合均勻程度來看，機械攪拌是最好的，但是從周期內對預防上層浮渣結殼的角度來說，水力攪拌是最好的。由于大中型的厭氧反應器有維修周期，所以在牛糞高溫厭氧發酵過程中，采用機械攪拌方式具有較高產氣量，同時有預防上層浮渣結殼的作用，為實現我國大中型沼氣工程的工業化生產，特別是以牛糞作為發酵原料的大型沼氣工程提供基礎參考數據。

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