全混式厭氧發酵反應器(CSTR)研究進展

趙蘭蘭 郭占斌 王心語 劉新鑫 盛晨緒 沈景德 代敏儀

摘要：國內關于全混式厭氧發酵反應器（CSTR）的研究較為匱乏，對其結構各方面的設計參數大多是參考國外設計。重點對CSTR的結構等應用進展進行綜述，主要針對在沼氣工程應用以及實驗裝置中的全混式厭氧發酵反應器的形狀進行對比，概述圓柱形反應器和卵形反應器的研究進展;同時還對反應器的高徑比與擋板結構進行歸納;最后對厭氧發酵過程中混合技術（攪拌器）的主要類型和攪拌速率進行一定的整理，分析各攪拌形式的優缺點以及適用范圍。綜合梳理全混式厭氧發酵反應器的主要結構及攪拌的研究現狀，以期為CSTR反應器的結構優化設計提供參考。

關鍵詞：CSTR;反應器形式;混合技術;綜述

中圖分類號： S216.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0095-05

收稿日期：2018-06-21

基金項目：國家重點研發計劃子課題（編號：2017YFD0800800-05）。

作者簡介：趙蘭蘭（1993—），女，新疆阿勒泰人，碩士研究生，主要研究方向為沼氣工程方向機械。E-mail：martin962464@163.com。

通信作者：郭占斌，博士，教授，主要從事水稻插秧機研究。E-mail：329984136@qq.com。

厭氧發酵是處理農業廢棄物的主要手段，全混式厭氧發酵反應器（CSTR）是當今工程實踐中厭氧發酵的主要形式。而且，目前農業領域的沼氣工程濕法發酵工藝占主要地位[1]。但就目前而言，我國沼氣工程的運行效率相對較滯后，如何提升現有CSTR的運行效率，盤活現有沼氣工程是我們面臨的一個重要問題。這主要是由于國內缺少對CSTR的建設和運行的優化研究。

首先，國內的CSTR反應器結構相對單一，在發酵過程中存在缺陷[2];其次，適用于秸稈與牛糞共同反應的濕法厭氧發酵十分有限，大多使用傳統的處理有機廢水、餐廚垃圾等流動性較強原料的反應裝置，并易造成進出料困難、料液分層、結殼等問題，導致產氣不穩定、連續運行能力差[3]。這些因素均阻礙了CSTR裝置在沼氣工程中的進一步發展。可見，CSTR進行結構優化對于提高全混式厭氧發酵效果的穩定、連續、高效運行具有重要意義。本文重點對CSTR的形式、結構與攪拌的應用進展進行綜述，以期為CSTR反應器的結構優化提供借鑒。

1反應器形式

CSTR為帶有攪拌裝置的密封反應器，根據形狀不同，主要可以分為圓柱形和卵形兩大類[4]。起初，國內大多數沼氣工程大多選擇建立正方形或矩形的反應器，但是由于反應液角落部分流動受限，從而導致反應物反應不完全，因此圓柱形反應器和卵形反應器被廣泛推廣使用[5]。根據不同反應器內部應力研究進行一定整理。

1.1圓柱形反應器

因圓柱形反應器外形設計較為簡單、便于操作，在國內得到了廣泛的應用，尤其在大型的沼氣工程中。1984年我國第1座預應力鋼筋混凝土混合物料反應器就是圓柱形反應器，圖1為圓柱形反應器工程實例。

圓柱形反應器作為大型污水廠混合物料系統的關鍵構筑物，工況較為復雜，其自身體形大、高度較高，是個典型的薄壁殼巨型結構[6]。圓柱形反應器一般以旋轉殼體、圓環梁及底板作為主要結構，旋轉殼體組合結構不僅受力性能好、剛度大，還節省材料。但目前為止，設計人員對圓柱形反應器的設計與計算主要還停留在以經驗設計為主，以簡單的理論驗證為輔的階段。

目前，主要采用ANSYS軟件對圓柱形反應器進行研究，郭淑卿主要分析了單環預應力筋張拉測試，得到的計算值與實測值比較吻合，為今后采用理論計算直接配置預應力筋提供了依據[7];而劉傳卿等則擴大了研究范圍，分析了圓柱形反應器在5種工況下的受力情況，認為無黏結預應力鋼筋對反應器壁有較大影響，并且得出靜水壓力及壁面溫差是結構設計中的控制荷載[8]。

1.2卵形反應器

20世紀50年代開始，西歐（德國、奧地利等）國家開始對卵形反應器進行研究和應用。國內當時受材料、施工技術的制約，限制了卵形反應器的應用[9]。隨著預應力技術的發展，帶動了卵形反應器的推廣[10]。卵形反應器也屬于典型的薄壁旋轉殼體，圖2為卵形反應器的工程應用實例，國內外學者和工程技術人員根據這一特點，展開大量研究。

Zingoni等對卵形反應器的應力和變形情況作了詳盡的分析，研究了開口薄壁球殼在不同的對稱荷載、不同邊界和變化的殼幾何參數，特別是殼厚對殼中峰值應力的影響作用[11-12];Pavlovic等分析了邊界條件、材料因素對卵形反應器結構性能的影響[13]。

而國內對卵形反應器的研究和應用起步相對較晚，20世紀80年代至今，陸續有學者對卵形反應器的應力等方面進行研究，為后人對卵型反應器結構設計提供了重要參考。姜忻良等在大型沼氣工程中對卵形反應器設計和施工中的諸多問題進行了討論，認為施加合理的預應力，使池壁環向豎向均受壓，抵消了大部分由于其他荷載在池壁下部產生的豎向彎矩，從而使反應器處于有利的受力狀態[14];宋紅玉則運用大型通用有限元計算軟件ANSYS，采用參數化建模的方法對多種規格的卵形反應器在靜力荷載作用下的內力進行對比分析，發現反應器半徑越小越經濟[15];陳華明等則在進行有限元分析后，明確指出在動力作用下卵形反應器的2個應力危險區域，使技術人員對卵型反應器的結構設計獲得重要參考[16]。

雖然圓柱形反應器結構形式簡單，但空間結構內部各構件的缺陷帶來混合的局限性，導致混合效果并不理想[17];與傳統形式的圓柱形反應器相比，卵形反應器受力性能較好，而且形狀特征更能滿足沼氣工程技術特點的要求，所以在發酵過程中日益受到重視[18]。2種反應器特點對比如表1所示。目前，我國的反應器發展尚處于初期階段，可供設計參考的試驗資料比較匱乏，相關規范對設計的指導也明顯滯后，對于不同混合原料厭氧發酵的反應器裝置結構設計方面存在些許不足，因此，以提高混合效果與增加反應器原料適應性為目的，對反應器的結構特性等參數需進一步深入研究。

2CSTR結構

CSTR是在常規厭氧反應內安裝了攪拌裝置，使發酵原料和微生物處于完全混合狀態，活性區域面積與常規厭氧反應器相比大大增加，因而其效率有明顯提高，而且非常適合總固體濃度（total solid，TS）為10%～12%的高濃度混合原料發酵[19]。同時CSTR裝置占地面積較小，可節省30%的占地面積;如若應用在工程中，其建設周期縮短近50%。

CSTR運行過程中，物料穩定連續進入反應器，并立即與反應物料完全混合，反應器內的混合液連續排出[20]。對于厭氧反應器的設計要使反應器體積最小化的同時產生最大體積的甲烷[21]。但是目前的CSTR結構還存在些許不足，不能完全達到理想狀態。

2.1高徑比

反應器幾何特征主要為反應器形狀和高徑比（H/D）[22]。H/D作為反應器最主要的結構特征參數，對混合效果的提高具有重要意義。

不同的高徑比對不同反應器內混合效果的提高作用不同。Meironke發現高徑比越大，軸向溫度差異越明顯[23]。但是黃英超等在20 ℃室溫的實驗室條件下對牛糞進行批量式高濃度厭氧發酵，發現不同高徑比未對牛糞高濃度厭氧水解酸化過程產生影響[24]。同時蘆漢超認為卵形反應器流態特征也不受高徑比影響[25]。因此，須要針對不同反應器的高徑比進行工藝優化設計，以期達到最佳設計方案。

高徑比對混合效果產生的影響也大不相同，但是在一定范圍內增大高徑比，可提高混合效果。一般標準式發酵罐的H/D為1.75～3.00，常用的為2.0～2.5[26]。陳余認為沼氣工程中以微生物為細菌的發酵罐，H/D為3.0左右混合效果最佳[27];田小峰等運用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）進行實驗室條件下發酵罐內流場的模擬分析后，認為反應器的H/D>7，混合效率才開始逐漸下降[28]。因此，H/D對不同反應器內原料混合效果的影響還須進行深入研究。

2.2擋板

目前，國內外對于擋板的研究大部分集中在側壁直立擋板[29]，對于反應器底部擋板的研究少且單一，主要包括十字型和曲線型2種，在底部擋板條件下的流場特性、混合效果和能耗方面的研究并不多[30]。同時關于擋板系數對攪拌效果影響的研究較多，但擋板安裝方式對攪拌效果和混合時間的影響較少[31]，大多是從試驗中得出數據并進行優劣比較。因此，須要進行深一步的研究探討。

大多數學者都認同在湍流攪拌過程中，傳統的攪拌器存在削弱混合效果的“圓柱狀回轉區”這個觀點[32]。季浪宇認為在反應器側壁增設擋板得以消除這種現象[33]。但同時，固體懸浮的過程中，這種側擋板容易形成固體顆粒堆積在反應器底部，劉志炎等認為改善這種情況可采用底部擋板，是因為擋板周邊區域流速較慢，可以在很大程度上消除攪拌作用引起的漩渦區[34]。

許卓等則借助Fluent軟件κ-ε湍流模型，分別對標準、傾斜擋板的工作狀態進行了數值模擬[35]，得出以下結論：擋板系數一定時，安裝方式對直葉渦輪槳的功耗變化較斜葉渦輪槳（PBT）變化小，傾斜擋板的功耗均比標準擋板功耗小，底部十字擋板功耗較大。

3混合方式

物料混合的過程極其復雜，不同的物料特性對混合效果都有很大的影響[36]。在CSTR內部混合厭氧發酵過程當中，秸稈浮渣與微生物產生的結殼對產氣效率與運行穩定性產生直接影響，而攪拌是使微生物與發酵原料混合充分的有效手段[37]。攪拌不僅能夠使反應器內的組成變得更均勻，改變物相的關系，還能促進物理和化學反應[38]。添加攪拌裝置可以將厭氧發酵反應的混合反應周期縮短，因此對混合技術進行一定的分析研究，包括混合方式與混合速率這2個主要方面。

3.1機械攪拌

CSTR內，通常以攪拌作為主要混合方式。機械攪拌通過設置攪拌周期、攪拌持續時間和攪拌強度等參數而達到最佳混合效果，但同時機械攪拌運行過程中存在不易維修和能量消耗較大的弊端[39]。因此在有機物厭氧發酵產氣過程中，要根據發酵底物的特點選擇合適的混合方式。目前國內外CSTR常用的混合方式主要為機械攪拌與氣液回流攪拌。

3.1.1立式雙軸攪拌

立式雙軸攪拌是典型的機械攪拌方式。目前，單軸立式攪拌器的研究較為成熟，但是其攪拌效率并不夠高[40]。因此，國內外學者為提高混合效果對單軸立式攪拌進行諸多形式的研究以及改進。

Thibault等利用試驗和數值模擬的方法深入分析過一種立式同心雙軸組合式攪拌器，它的雙軸不僅可以對向旋轉、交叉攪拌，還能有效避免攪拌死角的出現[41];李永綱等針對低罐形的立式圓筒儲罐提出了多軸立式攪拌方式，而且認為多軸同時攪拌，降低了單個攪拌槳對功率的要求，成本遠低于單軸立式和側式攪拌[42]。目前而言，立式多軸組合式攪拌器在提高混合效果方面具有諸多優勢，因此具有廣闊的應用前景。

3.1.2側入式攪拌

側入式攪拌是指攪拌軸從罐體側面置入的攪拌方式。在消耗同等功率的條件下，側入式攪拌效果最佳。常安裝在特大型厭氧消化池內，國外沼氣工程已廣泛應用。

國內外學者對側式攪拌不同因素進行詳細的分析討論。Wesselingh對不同尺寸的單個側入式攪拌器下攪拌槽內的混合時間進行了試驗研究，模擬分析了槳型、推進槳偏角、雷諾數等不同條件下的流場和混合時間，模擬結果與試驗測量結果吻合[43];梁家勇等對雙層側進式攪拌槽固液流動進行研究，結果表明，雙層側進式攪拌器達到臨界懸浮轉速時的固相懸浮高度為0.67 H（H為罐體高度），比單層側進式攪拌高37%[44];陳佳等在對大型側入式攪拌進行數值模擬分析，結果表明，攪拌槳垂直向下5.71°或水平偏轉11°安裝能明顯改善流體運動[45]。然而，目前國內外對側入式攪拌的研究分析相對較少，并且諸多學者對其研究多集中在數值模擬方面，關于工程實際應用中大的應用仍多以經驗設計為主要依據，因此需進一步試驗研究。

3.2氣液回流攪拌

目前，國內外學者針對機械攪拌對污泥發酵產酸的影響研究較多，而對于氣液回流攪拌對污泥發酵產酸的影響研究較少，氣液回流攪拌相比于機械攪拌能增強反應器內混合傳質效果[46]。此外，氣液適當回流還能夠增加原料利用率，提高厭氧發酵效率，增強系統運行穩定性。氣液回流攪拌可分為沼氣回流攪拌與沼液回流攪拌。

3.2.1沼氣回流攪拌

Du等研究氣體誘導攪拌對甲烷合成水合物生成速率的影響，結果表明，水合物形成速率隨著十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）濃度從0增加到5×10-4 mol/L，約增加4倍[47]。這主要是由于增大了氣液接觸面積[48]，從而提高了甲烷水合物形成速率。

沼氣攪拌會更容易在過度攪拌時通過形成的細小氣泡將活性污泥和疏水基物質帶到反應器表面，進而形成浮渣層[49]。此外，由于能夠累積更多的氣體，相比于其他形狀的反應罐，圓柱形反應罐更容易形成浮渣層。

3.2.2沼液回流攪拌

江皓等以雞糞和玉米秸稈為混合原料進行干式厭氧發酵研究，結果表明，增加沼液回流后甲烷產量提高了1倍以上，實現了99.99%的產甲烷潛力[50];Michelea等利用CSTR進行連續性固態厭氧發酵時發現，沼液回流反應器內甲烷的質量分數超過80%[51];張成等在研究回流比對剩余污泥厭氧發酵產酸影響的結果顯示，調節回流比為300%時揮發性脂肪酸總量（volatile fatty acid，VFA）產量高于不回流攪拌和回流比為500%，由此提出過度提高回流比并不能提高產氣效率[52];同時鄧玉營等經試驗證明，過高的回流比會導致氨氮積累，導致發酵產氣量下降[53]。這主要是由于過度回流會使發酵過程中可溶性輕金屬鹽離子濃度升高，氨氮濃度升高，膠體物質增加等[54]。

由此可見，在沼氣工程中運用沼液回流技術能促進物料和溫度的均勻，提高沼氣的產氣效率。但是沼液的濃度過低或過高，又會影響沼氣發酵的正常進行。因此目前須要針對回流攪拌沼液的濃度進行深度研究。

綜合對比分析4種攪拌方式的優缺點如表2所示。

3.3攪拌速率

在運用機械攪拌的厭氧發酵過程中，攪拌速率對有機物厭氧發酵產氣效率顯得尤為重要。研究表明，以適度速率攪拌混合能增加微生物與底物的接觸程度，使得反應器內溫度場更加均勻，然而攪拌速率過高，則可能會影響微生物的活性，導致產氣率下降[56]。

Stroot等研究發現，攪拌速率過高會破壞反應器中形成的微生物群的結構，從而破壞厭氧環境中各菌群間的空間分布關系[57];Kaparaju等認為攪拌速率調整不當則會減少沼氣產量[58]，余亞琴等指明這是由于過大或者不足的攪拌強度會使系統中不同種屬厭氧微生物的協同作用受到局部破壞所致[59]。

同時攪拌過于頻繁不僅會導致反應器運行成本的增加，嚴重情況下，會破壞厭氧反應系統的正常運行。蘇宜虎等認為攪拌的速率不能超過5 m/s[60];Cubas等通過研究人工合成廢水厭氧反應過程發現，隨著機械攪拌轉速的提高，化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）的去除效果則隨之提高，當攪拌轉速為800 r/min時混合效果最佳[61];Rodrigues等通過研究人工合成廢水厭氧反應攪拌過程發現，六葉渦輪式的攪拌強度為0～75 r/min，攪拌轉速為50 r/min時混合效果最佳，過濾和未經過濾的物料去除率分別達到80%、88%[62]。

合理的攪拌速率有利于物料的分散，多數學者認為厭氧反應的每次攪拌時間不應超過1 h，且混合物料最佳的攪拌混合均勻時間以30 min左右為宜[63]。因此，不同混合原料的最佳的攪拌速率必須通過試驗進行驗證，過高或過低的攪拌速率都會影響反應器的厭氧反應性能。

4結論與展望

本文綜述了國內外全混式厭氧發酵制沼氣技術的應用現狀，主要以CSTR反應器的結構優化進行研究，主要內容包括反應器形式、結構以及混合方式等。

（1）CSTR形式設計以卵形反應器為主，卵型反應器更有利于底部沉淀物的排除和浮渣的消除，對于提高厭氧發酵混合效果較圓柱形反應器更佳，但是對于卵形反應器的結構具體設計及工程應用還需深入研究。

（2）CSTR結構中H/D與擋板的設計對混合效果的影響極其顯著。目前研究表明，根據混合原料的濃度不同，CSTR的H/D范圍大不相同，但H/D過高將會影響發酵效率;對擋板的諸多研究表明，底部擋板對發酵效果的提高更明顯。但對于反應器高徑比、擋板增設位置等不同條件還需進行深入研究。

（3）混合技術（攪拌）主要概述目前立式雙軸攪拌、側式攪拌與沼液回流式攪拌3種攪拌方式的應用進展，并對攪拌速率進行一定的整理。在一定范圍內提升攪拌速率可極大提升產氣效果。

目前對于國家重點推進規模化沼氣技術而言，國內CSTR技術還存在很大的發展空間。例如，其外觀設計、反應器內部結構形式，如何對于高濃度混合原料適配的CSTR結構進行優化、對其適配攪拌器的規格選型等已成為目前我國沼氣產業亟需解決的主要問題。

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