多種攪拌方式厭氧消化設備工藝研發及驗證

劉笑宇 李美瀟 王立闖 孟慶杰

（沈陽光大環?？萍脊煞萦邢薰?遼寧沈陽 110000）

0 引言

隨著我國規?；B雞行業的發展，養殖過程中排放的糞污形成大量堆積情況。若不能得到集中、有效地處理，這些糞污將對土壤、大氣和水源等造成嚴重的環境污染［1］。雞糞中含有豐富的有機質及微量元素，若以雞糞與秸稈混合為原料充當厭氧發酵的底物，可使畜禽養殖污染得到控制，并且通過以可再生能源為副產品，實現沼氣、沼液、沼渣綜合利用的可循環生態農業。

國內外相繼開展了糞便與秸稈混合厭氧消化的研究，Weiland［2］認為，糞便與秸稈混合原料的協同作用可以優化秸稈的降解量，提高厭氧發酵能力。李軼冰等［3］研究了溫度對糞便與玉米秸稈混合發酵的影響，發現發酵速率的峰值和累積產氣量與溫度呈正相關。原料混合厭氧發酵是指將兩種或多種發酵底物混合后同時消化以提高生物轉化率以及甲烷產量的技術，其主要通過改善營養平衡，降低發酵過程中有毒化合物的毒害作用以及改善發酵底物流變學特性而提高發酵效果［4-6］。文獻［7-8］指出將秸稈、落葉等與糞便混合發酵，可有效提高沼氣產量和甲烷含量。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗原料

實驗原料包括新鮮雞糞、秸稈、污泥及菌種。新鮮雞糞取自沈陽某肉雞養殖基地，為成年白羽肉食雞新鮮糞便；秸稈取自沈陽農村玉米秸稈，經過鍘草機處理后長度≤2 mm；污泥取自沈陽市北部污水處理廠活性污泥脫水后含水率80%的剩余污泥；菌種：腐熟劑、發酵劑、微生物菌劑。

1.2 實驗裝置

本實驗裝置為干式厭氧反應器小試設備（見圖1），其主體由U 型水解酸化罐與矩形產沼池箱體組成。此外，小試設備外部通過連接PLC 控制單元智能化系統，實現對裝置的加熱、攪拌等自動化控制。通過U 型水解酸化罐內雙帶螺旋葉片攪拌，使原料在U 型水解酸化罐內進行水解、酸化，水解酸化后的原料推送至矩形產沼池內，經高效攪拌槳攪拌進行產氣。

圖1 干式厭氧反應器小試設備裝置圖

1.3 實驗方法

實驗設備經測試運行后，投放研磨后秸稈與雞糞混合比為10%的混合物充當發酵底物，同時添加接種物經中溫消化（30 ℃～37 ℃）進行干式厭氧發酵實驗，實驗周期50 d。實驗階段對設備各項性能參數進行測試，驗證其可行性，記錄日產氣量及原料酸堿度，取樣檢測原料密度、含水率等指標，通過觀察原料各項參數變化情況，推斷發酵實驗影響因素。

1.4 檢測指標及方法

實驗通過將濕式氣體流量計與矩形產沼氣池連接記錄日產氣量。原料pH 通過雷磁PHB-4 便攜式pH 計進行測定。使用分析天平通過重量法對原料總固形物含量（TS）、揮發性固體（VS）、密度及含水率進行測定。原料黏度通過黏度檢測儀進行檢測。COD 通過化學需氧量測定儀進行測定。氨氮檢測通過雷磁多參數分析儀進行測定。

2 實驗結果及分析

2.1 原料配比確定

實驗測試3 組樣本（純雞糞、雞糞+10%秸稈、雞糞+20%秸稈）的平均日產氣量。測試結果依次為12.9 L、15.7 L、16.2 L。發現添加秸稈的物料，有明顯的產氣提升，不同秸稈添加量的物料的平均日產氣量相差不大，但添加20%秸稈的物料相比于添加10%秸稈的物料其流變特性低，不利于設備攪拌及出料。

2.2 實驗設備性能測試

（1）攪拌性能測試。實驗測試了復葉式、布爾馬金和框式剪切漿的攪拌能力及物料推送效果。經測試，框式剪切漿的原料推送及攪拌能力最佳，矩形產沼池箱體內各區域的物料經框式剪切漿攪拌5 min 后，溫度基本趨于一致，在設定轉速為5 r/min 情況下物料推送速度約1 m/min。

（2）抗腐蝕性能檢測。實驗階段對鍍鋅、鍍鎳及不銹鋼材質試塊進行抗腐蝕性能測試。測試后鍍鋅試塊出現較為明顯腐蝕現象，鍍鎳及不銹鋼材質試塊未腐蝕，抗雞糞腐蝕能力更強，實際工程的設備采用不銹鋼材質更具穩定性及經濟性。

2.3 原料常規參數檢測

（1）含水率、密度、TS、VS 測定。測試發現，在中溫厭氧發酵過程，原料密度逐漸下降，含水率總體呈遞增趨勢。其原因可能是在發酵實驗過程中，由于菌種的生化作用，原料中的大分子不溶性有機物被逐漸分解成水溶性的小分子有機物，導致原料變稀，含水率增大，密度降低。原料TS、VS 呈現遞減趨勢，多種產甲烷古菌將水解-酸化過程中所產生的簡單基質轉化為CH4和CO2。原料有機質持續被微生物分解，使TS、VS 逐漸降低。

（2）黏度測定。黏度是影響原料流變特性的重要指標，實驗測試不同階段原料的黏度，測試結果如表1 所示?？梢钥闯?，使用同種3 號轉子情況下原料黏度隨轉速的降低而增大。由于厭氧發酵實驗的底物屬于非牛頓流體，其粘度隨剪切速率的增大而減小。隨著高效攪拌槳轉速的降低，矩形產沼池箱體內平均剪切速率減小，原料黏度增大，其流變特性降低，不利于混合。隨著攪拌速率降低，攪拌槳軸向及徑向推力減小，不利于容器底部原料混合，易形成死區，所以為了降低黏度對攪拌的影響及設備能耗，應根據實際情況適當提高設備攪拌轉速并減少攪拌時間，從而提高攪拌槳混合物料能力。

表1 原料黏度測定

（3）物料膨脹率測試。破壞性實驗將物料按配比裝入P1～P6 共6 個序批式反應器后，置于37 ℃水浴鍋內進行加熱，6組樣本經5 d 實驗均膨脹完畢，其中P1～P6 物料配比為（P1：0.5 kg 出料+0.05 kg 新鮮混合物料；P2：0.5 kg 出料+0.1 kg 新鮮混合物料；P3：0.5 kg 出料+0.2 kg 新鮮混合物料；P4：0.5 kg出料+0.05 kg 新鮮混合物料；P5：0.5 kg 出料+0.1 kg 新鮮混合物料，P6：0.5 kg 出料+0.2kg 新鮮混合物料），其中P1～P3 新鮮混合物料中秸稈占比10%，P4～P6 新鮮混合物料中秸稈占比20%。P1～P6 膨脹率變化趨勢如圖2 所示。

圖2 不同配比物料膨脹率變化

6 組樣本膨脹率均在10%以上，膨脹較為明顯，所以實際工程中，必須預留出20%及以上的有效容積去接納物料的膨脹體積以及所產沼氣體積。在P1～P3 同一配比條件下，添加不同質量的新鮮混合物料，可以看出膨脹率隨著添加物料質量的提高而逐漸減小。通過P4～P6 膨脹結果同樣可以看出，膨脹率會由于初始物料高度基數較大的原因而逐漸減小。通過對比P1 和P4，P2 和P5，P3 和P6 不同新鮮混合物料配比條件下，相同質量膨脹率變化，可以看出20%秸稈組比10%秸稈組膨脹率高，秸稈所占比例越高，物料膨脹高度越大，膨脹越為明顯。

（4）pH 測定。經測試發現，實驗初期由于酸化階段進行原料pH 呈現遞減趨勢，后續通過添加NaOH 溶液對其進行調控，并且微生物在生長、繁殖的過程中也會對pH 值進行調整。產氣高峰期原料pH 維持在7.16，pH 值對厭氧發酵系統中各類群菌種的生長繁殖具有重要影響，產甲烷菌對pH 值變化敏感，原料的酸堿度應為中性或微偏堿性，最佳酸堿度范圍為6.8～7.2。

（5）物料比熱容測定。在中溫厭氧發酵過程中，物料升溫或者保溫需要多少熱量，都與物料的比熱有關，實驗通過差示量熱掃描法對TS15%前、TS20%前、TS20%后、TS25%前（前、后代表小試設備前后箱體）進行測定，測定結果如表2 所示?？梢钥闯鲭S著原料TS 的增大，其比熱容呈現遞減趨勢，其原因是由于測試樣本其含固率、含水率不同，在含水率較大的情況下，物料的比熱容較大。

表2 差示量熱掃描法測定物料比熱容（25 ℃） 單位：J／（g·K）

2.4 產氣量及分析

如圖3 所示，實驗初期產氣效果不佳，其原因是由于本次實驗初期選用污泥充當發酵實驗的接種物，測試發現其微生物含量過低，未達到厭氧發酵工藝要求，導致發酵實驗產氣效果不理想。實驗中期重新添加馴化后的腐熟劑、發酵劑菌種，添加菌種后經3 d 適應期，其分解有機物能力逐漸增強，原料出現較明顯水解現象，含水率明顯增高，產氣效果呈現遞增趨勢。產氣實驗階段通過在設定的攪拌參數基礎上，適當增加攪拌頻率及攪拌時間，測試發現隨每日攪拌總時長的增加，發酵實驗的日產氣量隨之增加。

圖3 發酵實驗產氣量

3 結論

經本次實驗發現，雞糞添加10%秸稈的物料其產氣效果及流變特性最佳，接種物的選擇對發酵實驗具有較大影響。實驗通過添加發酵劑及腐熟劑菌種對比發現其微生物活性、分解有機質能力強于污泥。原料黏度是影響其流變特性的重要指標，發酵實驗中適當提高設備攪拌轉速，可有效降低原料黏度對攪拌的影響，從而提高攪拌槳混合物料能力，使得發酵原料分布更均勻，增加微生物與原料接觸面，加快發酵速度。發酵溫度是影響厭氧發酵的關鍵因素，厭氧菌在適宜的溫度下活力強，分解有機質較為完全，發酵產氣量較大。由于本次實驗采用伴熱帶加熱方式，設備內原料維持在（35±0.5）℃，未達到最適中溫消化溫度37 ℃。后續工程中應根據實際情況適當改進原料加熱的方式及加熱參數設定。