橫推流式連續干法厭氧發酵設備設計與試驗

馮 晶 胡 鑫, 趙立欣 郭占斌 姚宗路 羅 娟

(1.農業部規劃設計研究院農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125;2.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319)

0 引言

我國主要農作物秸稈理論資源量為10.4億t，20%未有效利用[1]，畜禽糞污約38億t，40%以上未有效利用[2]，嚴重威脅我國農業農村環境。厭氧發酵技術因具有高效、高經濟性、廣泛性的生化處理方式和可產生沼氣這一可再生清潔能源，沼渣可進行堆肥或者用于生產土壤改良劑等優勢，被用于化工環保領域處理畜禽廢水和固體廢棄物等[3-4]。一般而言，厭氧發酵分為干法厭氧發酵和濕法厭氧發酵。大量實踐表明，濕法發酵產生大量沼液，施用不當易造成二次污染[5]。更關鍵問題是，我國規?；B殖場越來越多地采用干清糞工藝，這也導致養殖場所產生的糞便總固形物含量較高，使用濕法發酵工藝需要消耗大量的水資源用于調節含水率，使沼氣工程運行成本提高。干法厭氧發酵的發酵底物總固形物質量分數(TS)在20%～40%之間[6]。相對于濕法厭氧發酵技術，干法厭氧發酵技術原料適應性更廣，同時由于其總固形物含量高，避免了沼液大量產生無法處理的難題，且其保溫能耗較低，降低了運行成本，因而可廣泛應用于農業廢棄物、生活垃圾等有機廢棄物處理[7-11]。

從運行程序來看，干法厭氧發酵技術主要包括序批式干法厭氧發酵技術和連續式干法厭氧發酵技術兩類。車庫式干發酵系統是典型的序批式干法厭氧發酵技術[12]，已經在德國廣泛應用，我國也開發了覆膜槽沼氣干發酵技術、一體化車庫式干式發酵技術等序批式干法厭氧發酵技術[13-15]。連續式厭氧干法發酵技術是新近興起的厭氧發酵技術，相比于序批式干法厭氧發酵技術，連續式干法厭氧發酵技術具有產氣連續穩定、干物質降解率高等優勢。比利時、法國、瑞士等國家已經開發出Dranco工藝、Valorga工藝、Komopogas工藝[16-18]等連續式干法厭氧發酵裝備。國外開發的連續式厭氧干法發酵技術主要針對城市生活垃圾，對于秸稈、畜禽糞便等農業廢棄物的干法連續式厭氧發酵技術仍有待進一步研究。相比于序批式干法厭氧發酵技術，連續式干法厭氧發酵技術首先需要解決物料連續密封進出料問題，但由于總固形物含量高的物料流動性較差，對進出料設備磨損程度較高，進出料裝備使用壽命短、運行穩定性差，連續密封進出料技術有待突破[19-20]。在連續式厭氧干法發酵機理、裝備設計、優化工藝等方面也需要進一步探索。這些都導致連續式干法厭氧發酵技術發展緩慢。

針對上述問題，本文設計一種橫推流式連續厭氧干法發酵裝備，對該裝備的設計方法進行研究，設計試制中試厭氧干法發酵裝備，并利用玉米秸稈和牛糞的混合原料進行發酵試驗。

1 工作原理和整機結構

連續厭氧干法發酵工藝流程如圖1所示。工藝過程包括原料混合、密封進料、厭氧干法發酵、沼氣凈化收集、沼渣固液分離5部分。

圖1 連續厭氧干法發酵工藝路線圖Fig.1 Process of horizontal plug-flow dry anaerobic fermentation

橫推流式連續厭氧干法發酵設備結構示意圖如圖2所示，主要由密封進料裝置、厭氧干法發酵裝置、沼氣凈化裝置、固液分離裝置和沼液回流裝置組成。設備工作時，利用儲料罐中的攪拌槳先將原料混配均勻，然后采用螺旋輸料器將原料輸送至發酵箱。發酵箱側面安裝4組單獨控速的攪拌槳，實現物料定向流動和發酵箱內的物料混配。發酵完成后的物料，在出料口的出料腔內，利用真空泵形成負壓將原料吸出，并采用固液分離機對物料擠壓分離。固液分離產生的沼渣經采樣測試后收集備用；沼液經過測試后，部分經回流泵回流至儲料罐作為接種物與原料混合。沼氣依次經脫硫和脫水后在線檢測CH4含量。發酵箱通過電加熱爐利用循環熱水進行保溫增溫，使發酵溫度維持在設定的水平上。整套設備安裝在線監控系統，對發酵過程中溫度、pH值、氣體流量、CH4含量等參數進行在線監測及數據存儲。

圖2 連續厭氧干法發酵設備結構示意圖Fig.2 Sketch of horizontal plug-flow dry anaerobic fermentation equipment1.固液分離機 2.沼渣罐 3.脫水罐 4.脫硫罐 5.進料罐 6.螺旋輸料器 7.減速電動機 8.控制系統 9.真空泵 10.真空罐 11.攪拌槳 12.發酵箱 13.氣體流量計

橫推流式連續厭氧干法發酵設備主要參數為：總功率11 kW，發酵箱容積250 L，進料量10～15 kg/d，發酵溫度25℃/38℃，停留時間15～40 d。

2 關鍵部件設計

2.1 進料裝置設計

由于干法發酵物料比較粘稠，流動性較差，設備采用螺旋進料的方式將物料輸送入發酵箱中，結構示意圖如圖3所示，參照螺旋輸送器的設計標準[21]，水平螺旋輸送器計算式為

(1)

其中

(2)

式中Im——處理量，取2～3 kg/min

D——螺旋外徑，m

φ——填充系數，取0.33

ρ——堆積密度，kg/m3

S——螺距，m

n——轉速，r/min

通過不同含固率條件下混合原料堆積密度的測試得出，含固率為20%時堆積密度為994.4 kg/m3，處理量Im為3 kg/min，選擇轉速為70 r/min，根據一般性物料的摩擦性質及其粘附系數，取填充系數為0.33，代入式(2)中可得螺旋輸送器外徑為0.1 m，螺距為0.08 m。

圖3 螺旋輸送器示意圖Fig.3 Sketch of screw conveyor for continuous feeding-in1.減速電動機 2.聯軸器 3.螺旋葉片 4.螺旋軸

2.2 發酵箱設計

如圖4所示，發酵箱作為整個發酵裝置的核心部件，采用臥式推流結構，主要由發酵箱體、攪拌漿、物位計、加熱裝置、取料口和觀察孔組成，箱體夾層中充滿循環溫水，保證菌種發酵的溫度環境，攪拌裝置定期攪拌使原料層翻滾，進而保證了原料的均勻混合，同時也實現推動物料的目的，物位計和觀察孔可用于實時監測原料高度。

圖4 發酵箱結構圖Fig.4 Structure of fermentation container1.物位計 2.箱體 3.觀察孔 4.出氣口 5.攪拌漿 6.取料口 7.出料口 8.溫度計

根據工藝要求，確定發酵箱填料量為150 kg，混合物料密度取994.4 kg/m3，發酵箱設計為長方形結構，發酵箱容積計算式為[22-23]

(3)

其中

式中V——發酵箱體積，m3

q——填料量，kg

δ——初始充滿系數

δ′——最大充滿系數，取0.78

δmax——體積最大膨脹系數，取1.3

代入公式得δ=0.6，V=0.25 m3，為便于攪拌軸的安裝，取發酵箱長為1.6 m，寬和高為0.4 m。

2.3 攪拌槳的設計

目前用于流體攪動常見的攪拌槳主要有錨式、螺帶式、渦輪式等結構形式[24]，其中錨式結構適合于高粘度流體的混合、傳熱，但剪切力較低；螺帶式適合總固形物含量高的物料混合、傳熱反應等操作過程，但混合程度較差；渦輪式適合低粘度流體的混合、循環、固體懸浮、溶解等。綜合考慮，為了達到均勻攪拌和有序輸送的目的，設計了一種鏟式攪拌葉片，如圖5所示。

圖5 攪拌槳結構圖Fig.5 Structure diagram of propeller

目前國內大多的攪拌槳工作間隙為5～10 mm，本設備需要適當接種，使發酵箱內殘留的物料轉變為接種物，因此需要較大間隙，選取側邊間隙μ1和底邊間隙μ2為10 mm，根據發酵罐長度及工作間隙，橫向設置4組攪拌軸，每根軸上安裝4組攪拌槳，每個攪拌槳由4組夾角90°的攪拌葉片組成。

攪拌槳外徑R可用發酵箱寬度b和攪拌槳底邊間隙μ2求出，即

R=b-2μ2

(4)

為提高攪拌效果并同時降低能耗，攪拌槳工作時，物料所受的離心力應小于自身的重力，即

mω2R

(5)

式中m——葉片質量

ω——葉片角速度

3 樣機測試與試驗

3.1 樣機測試

在試驗之前先進行設備的單體運行調試，利用空壓機和壓力表測試設備耐壓可達0.5 MPa，設備密封性良好；進料螺旋電動機固定轉速為70 r/min，以不同總固形物含量的物料進行測試，進料量為180～200 kg/h；選定固液分離機型號為睿特森GLC-180，經測試，分離效率為80%；4個攪拌槳電動機為變頻電動機，攪拌速度可在1～20 r/min內調節，攪拌槳明顯提高了物料流動性和均勻混合性。

單體部件調試完成后進行發酵試驗調試，利用電熱爐加熱循環水給設備進行保溫加熱，溫度最高可達40℃，控溫誤差±0.5℃；流量計和CH4監測儀經校核后示數顯示正常，儀表示數誤差±0.5%；運行過程中進料、出料及產氣均正常；利用電能質量分析進行了能耗測試，設備整體運行1 d的耗電量為2.6 kW·h，運行成本較低，同時達到了工藝要求。

3.2 試驗材料

圖6 橫推流式厭氧干法發酵設備實物圖Fig.6 Picture of horizontal plug-flow dry anaerobic fermentation equipment

樣機測試完成后，在農業部規劃設計研究院重點實驗室進行了發酵試驗，設備實物圖如圖6所示。

試驗原料新鮮牛糞和黃貯玉米秸稈均來源于北京市某奶牛場，黃貯玉米秸稈先經秸稈揉搓機粉碎(長度0.5～1 cm)，常溫存放于實驗室備用。原料的特性如表1所示。

表1 試驗原料特性Tab.1 Properties of raw materials

3.3 試驗方法及測試指標

牛糞與黃貯秸稈的干物質質量比例為3∶1，初始接種物為取自沼氣工程的新鮮沼渣，沼渣干物質質量占物料混合干物質的百分比為50%，混合原料固形物質量分數為20%，碳氮比為20左右。裝置啟動時，首先將混合后的原料加入發酵罐內，至發酵罐總容積的70%。反應器初始停留時間為20 d，每日進料1次，每天進料9 kg。反應器正常運行后取沼渣與混合原料進行混合后進料。

設備共進行3個階段試驗，共運行103 d。每個階段試驗工藝參數的設定如表2所示，每天對容積產氣率及pH值進行檢測，每周對甲烷含量進行抽樣檢測，在第3階段試驗產氣穩定后對沼液取樣測定化學需氧量和揮發性脂肪酸含量。

表2 試驗方案Tab.2 Test plan

日產沼氣量采用LMP-1型濕式防腐氣體流量計(長春阿爾法儀器公司)測定；沼氣中甲烷含量采用BM12492型便攜式沼氣成分測定儀(英國Geotech公司)測定；原料中有機碳、總氮含量采用EA2400型元素分析儀(美國PerkinElmer公司)測定；沼液pH值采用PHS-3C型酸度計(上海雷磁公司)測定；測定沼液化學需氧量時，先將沼液經過20 000 r/min的離心機離心分離15 min后再過濾，過濾后的液體采用5B-2C型COD快速測定儀(美國哈希公司)測定[25]。

3.4 結果分析

圖7 容積產氣率變化曲線Fig.7 Changes of gas production rate

圖8 沼氣甲烷質量分數變化曲線Fig.8 Changes of methane content in biogas

圖9 沼液pH值變化曲線Fig.9 Changes of biogas slurry pH value

設備運行過程中反應器的容積產氣率、甲烷質量分數和pH值分別如圖7～9所示。試驗啟動第1階段，反應器初始容積產氣率較低，隨后呈明顯上升趨勢，并在反應器運行20 d左右達到產氣高峰，反應器的日容積產氣量達到60 L左右，容積產氣率達到0.30 m3/(m3·d)，之后反應器的容積產氣率逐漸降低。在此過程中，反應器的平均容積產氣率為0.17 m3/(m3·d)，沼氣中甲烷質量分數逐漸升高，并最終質量分數達到61.05%左右。同時，沼液初始pH值為7.07，第1階段運行過程中，沼液pH值穩定在7.0～7.5范圍內。一般而言，產甲烷菌對pH值變化更敏感，適宜的生長pH值為6.5～7.8[26]，比較適合厭氧微生物的生長。同時溫度對厭氧微生物生長以及反應過程動力學和穩定性、沼氣的產量等都有顯著的影響[27]。有研究表明發酵溫度過高或過低均會影響厭氧菌的活性，從而影響厭氧菌分解物料的能力，造成產氣量小、原料降解率低[28-30]。第1階段反應器的容積產氣率較低，這主要是由于反應器運行保持在室溫(25℃)左右運行，溫度較低導致產氣量不高。

第2階段，反應器的運行溫度提高至中溫38℃，同時為避免反應器發生酸化，將進料量降低至6 kg/d，反應器水力停留時間提高至35 d。改變運行條件后，反應器容積產氣率明顯上升，并在反應器運行50 d后達到0.45 m3/(m3·d)，但之后逐漸下降。在此過程中，反應器的平均容積產氣率為0.25 m3/(m3·d)左右，較常溫階段產氣量有明顯升高。第2階段運行過程中，沼氣的甲烷質量分數持續保持在60%左右，而在反應器運行至55 d左右時，沼氣中甲烷質量分數迅速降低至40%～50%。同時，第2階段沼液pH值呈下降趨勢。這可能是由于隨著溫度的提升，反應器內有機物降解速率加快，由于接種量為30%左右，可能由接種量不夠或局部酸化導致[31]。

反應器運行68 d后，第3階段用沼液調整混合原料總固形物質量分數為15%，以增加接種量，同時調整反應器進料總固形物質量分數至15%。之后，反應器容積產氣率迅速升高，在運行第75天時設備的容積產氣率可達0.58 m3/(m3·d)，設備平均容積產氣率可達0.48 m3/(m3·d)，產氣量較第2階段明顯升高。在此過程中，沼氣中甲烷平均質量分數在56.7%左右，沼液pH值降低但隨后穩定保持在7.0～7.5的范圍內，設備保持穩定運行。之后對沼液內化學需氧量和揮發性脂肪酸進行測試，沼液內溶解性化學需氧量平均可達43 669 mg/L，揮發性脂肪酸質量濃度平均可達9 976 mg/L，與其他研究相差不大[32]。通過試驗數據分析，混合原料在38℃條件下降解率可達48%以上。眾多研究表明[33]，在中溫條件下，牛糞與秸稈混合原料降解率為40%左右。對比分析得出，在該運行條件下，原料降解率已達到較高水平，工藝運行條件較優。但與國外相關報道相比[34]，本研究中設備的容積產氣率不高，這主要是由于本研究采用牛糞和秸稈原料，并且牛糞所占比例較高，這也是裝備容積產氣率不高的主要原因。

4 結論

(1) 結合螺旋進料裝置、氣體凈化的收集裝置、攪拌裝置和固液分離等裝置，設計了橫推流式連續干法厭氧發酵設備，建立了橫推流式連續干法厭氧發酵設備的設計方法，并且試驗過程中設備運行良好。

(2) 該設備經過了3個階段，不同溫度、不同總固形物含量條件下103 d的連續運行，最高容積產氣率可達到0.58 m3/(m3·d)，實現了較高的原料降解率，甲烷質量分數可達56%，實現了較高的產氣量，達到了設計要求。