多種攪拌方式厭氧消化設(shè)備工藝研發(fā)及驗證

劉笑宇 李美瀟 王立闖 孟慶杰

（沈陽光大環(huán)保科技股份有限公司 遼寧沈陽 110000）

0 引言

隨著我國規(guī)模化養(yǎng)雞行業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)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(huán)境污染［1］。雞糞中含有豐富的有機質(zhì)及微量元素，若以雞糞與秸稈混合為原料充當厭氧發(fā)酵的底物，可使畜禽養(yǎng)殖污染得到控制，并且通過以可再生能源為副產(chǎn)品，實現(xiàn)沼氣、沼液、沼渣綜合利用的可循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)。

國內(nèi)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(xié)同作用可以優(yōu)化秸稈的降解量，提高厭氧發(fā)酵能力。李軼冰等［3］研究了溫度對糞便與玉米秸稈混合發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵速率的峰值和累積產(chǎn)氣量與溫度呈正相關(guān)。原料混合厭氧發(fā)酵是指將兩種或多種發(fā)酵底物混合后同時消化以提高生物轉(zhuǎn)化率以及甲烷產(chǎn)量的技術(shù)，其主要通過改善營養(yǎng)平衡，降低發(fā)酵過程中有毒化合物的毒害作用以及改善發(fā)酵底物流變學(xué)特性而提高發(fā)酵效果［4-6］。文獻［7-8］指出將秸稈、落葉等與糞便混合發(fā)酵，可有效提高沼氣產(chǎn)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(yǎng)殖基地，為成年白羽肉食雞新鮮糞便；秸稈取自沈陽農(nóng)村玉米秸稈，經(jīng)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(fā)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(yīng)器小試設(shè)備（見圖1），其主體由U 型水解酸化罐與矩形產(chǎn)沼池箱體組成。此外，小試設(shè)備外部通過連接PLC 控制單元智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)對裝置的加熱、攪拌等自動化控制。通過U 型水解酸化罐內(nèi)雙帶螺旋葉片攪拌，使原料在U 型水解酸化罐內(nèi)進行水解、酸化，水解酸化后的原料推送至矩形產(chǎn)沼池內(nèi)，經(jīng)高效攪拌槳攪拌進行產(chǎn)氣。

圖1 干式厭氧反應(yīng)器小試設(shè)備裝置圖

1.3 實驗方法

實驗設(shè)備經(jīng)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(fā)酵底物，同時添加接種物經(jīng)中溫消化（30 ℃～37 ℃）進行干式厭氧發(fā)酵實驗，實驗周期50 d。實驗階段對設(shè)備各項性能參數(shù)進行測試，驗證其可行性，記錄日產(chǎn)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(shù)變化情況，推斷發(fā)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(chǎn)沼氣池連接記錄日產(chǎn)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(fā)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(xué)需氧量測定儀進行測定。氨氮檢測通過雷磁多參數(shù)分析儀進行測定。

2 實驗結(jié)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(chǎn)氣量。測試結(jié)果依次為12.9 L、15.7 L、16.2 L。發(fā)現(xiàn)添加秸稈的物料，有明顯的產(chǎn)氣提升，不同秸稈添加量的物料的平均日產(chǎn)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(shè)備攪拌及出料。

2.2 實驗設(shè)備性能測試

（1）攪拌性能測試。實驗測試了復(fù)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(jīng)測試，框式剪切漿的原料推送及攪拌能力最佳，矩形產(chǎn)沼池箱體內(nèi)各區(qū)域的物料經(jīng)框式剪切漿攪拌5 min 后，溫度基本趨于一致，在設(shè)定轉(zhuǎn)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(zhì)試塊進行抗腐蝕性能測試。測試后鍍鋅試塊出現(xiàn)較為明顯腐蝕現(xiàn)象，鍍鎳及不銹鋼材質(zhì)試塊未腐蝕，抗雞糞腐蝕能力更強，實際工程的設(shè)備采用不銹鋼材質(zhì)更具穩(wěn)定性及經(jīng)濟性。

2.3 原料常規(guī)參數(shù)檢測

（1）含水率、密度、TS、VS 測定。測試發(fā)現(xiàn)，在中溫厭氧發(fā)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(fā)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(dǎo)致原料變稀，含水率增大，密度降低。原料TS、VS 呈現(xiàn)遞減趨勢，多種產(chǎn)甲烷古菌將水解-酸化過程中所產(chǎn)生的簡單基質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4和CO2。原料有機質(zhì)持續(xù)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(jié)果如表1 所示。可以看出，使用同種3 號轉(zhuǎn)子情況下原料黏度隨轉(zhuǎn)速的降低而增大。由于厭氧發(fā)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(zhuǎn)速的降低，矩形產(chǎn)沼池箱體內(nèi)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(qū)，所以為了降低黏度對攪拌的影響及設(shè)備能耗，應(yīng)根據(jù)實際情況適當提高設(shè)備攪拌轉(zhuǎn)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(yīng)器后，置于37 ℃水浴鍋內(nèi)進行加熱，6組樣本經(jīng)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(yù)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(chǎn)沼氣體積。在P1～P3 同一配比條件下，添加不同質(zhì)量的新鮮混合物料，可以看出膨脹率隨著添加物料質(zhì)量的提高而逐漸減小。通過P4～P6 膨脹結(jié)果同樣可以看出，膨脹率會由于初始物料高度基數(shù)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(zhì)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(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，實驗初期由于酸化階段進行原料pH 呈現(xiàn)遞減趨勢，后續(xù)通過添加NaOH 溶液對其進行調(diào)控，并且微生物在生長、繁殖的過程中也會對pH 值進行調(diào)整。產(chǎn)氣高峰期原料pH 維持在7.16，pH 值對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中各類群菌種的生長繁殖具有重要影響，產(chǎn)甲烷菌對pH 值變化敏感，原料的酸堿度應(yīng)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(fā)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(guān)，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(shè)備前后箱體）進行測定，測定結(jié)果如表2 所示。可以看出隨著原料TS 的增大，其比熱容呈現(xiàn)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(chǎn)氣量及分析

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

圖3 發(fā)酵實驗產(chǎn)氣量

3 結(jié)論

經(jīng)本次實驗發(fā)現(xiàn)，雞糞添加10%秸稈的物料其產(chǎn)氣效果及流變特性最佳，接種物的選擇對發(fā)酵實驗具有較大影響。實驗通過添加發(fā)酵劑及腐熟劑菌種對比發(fā)現(xiàn)其微生物活性、分解有機質(zhì)能力強于污泥。原料黏度是影響其流變特性的重要指標，發(fā)酵實驗中適當提高設(shè)備攪拌轉(zhuǎn)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(fā)酵原料分布更均勻，增加微生物與原料接觸面，加快發(fā)酵速度。發(fā)酵溫度是影響厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵因素，厭氧菌在適宜的溫度下活力強，分解有機質(zhì)較為完全，發(fā)酵產(chǎn)氣量較大。由于本次實驗采用伴熱帶加熱方式，設(shè)備內(nèi)原料維持在（35±0.5）℃，未達到最適中溫消化溫度37 ℃。后續(xù)工程中應(yīng)根據(jù)實際情況適當改進原料加熱的方式及加熱參數(shù)設(shè)定。