機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置設計及試驗

張蕾蕾 矯云學 丁偉 張重

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022)

引言

我國是農牧業發展大國，畜禽養殖產業的快速興起導致每年畜禽糞污的排放量十分巨大。據統計，我國每年所產生的畜禽糞污可達4.4×109t，畜禽糞便的無害化處理已成為畜禽養殖業面臨的緊迫問題，資源化利用畜禽糞便對改善生態環境、實現資源循環利用具有重大的現實意義和戰略意義。厭氧發酵是實現廢棄物資源化利用、減少環境污染、促進農業可持續發展的有效途徑，利用沼氣發酵技術可以將這些廢棄物資源轉變成清潔能源沼氣和優質有機肥，對促進農村環境污染防治、能源消費結構改善、土壤改良、農業增產增收、食品安全等都具有重要意義，可推動農業的可持續發展和循環經濟建設。目前工程上沼氣發酵技術以濕法沼氣發酵和干法沼氣發酵為主，濕法沼氣發酵TS<10%[1]，干清糞物料需加水稀釋進行調漿處理，因此要對大量的水增溫，耗能較高，發酵后產生的沼液量大不易消納，處理不好極易造成二次污染；干法沼氣發酵TS>20%[2]，發酵物料濃度較高，進出料困難，物料粘度大，難于攪拌或無攪拌，致使物料傳熱、傳質相對不均[3]，以上2種技術在集約化養殖干清糞便處理上均存在一定的弊端。

針對上述問題，本研究開發了機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置，用于畜禽干清糞便等農業有機廢棄物進行半干法(TS濃度為15%～20%)[4]厭氧發酵實驗研究，干清糞便可以直接加入厭氧反應器，不需加水或調節劑來調節物料濃度或透氣性，相比傳統濕法厭氧發酵具有沼液產生量少易于消納、處理效率高的優點。該實驗裝置可實現連續進、出料厭氧發酵生產沼氣，高濃度物料進料順暢、攪拌均勻，具有自動控溫、自動攪拌功能，實驗裝置操作十分便捷。

1 總體方案設計

機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置由厭氧發酵反應器、脫水罐、脫硫罐、儲氣罐、沼氣流量計等組成。實驗裝置核心設備為機械攪拌半干法厭氧發酵反應器，反應器設有定時攪拌裝置，可實現自動攪拌，且可手動調節攪拌方向和攪拌轉速；設有自動控溫裝置，使發酵溫度穩定；設有螺旋進料器進料，可實現高濃度物料進料順暢，設有出料口，用于取樣和出料使用，該裝置可實現連續進出料厭氧發酵產氣。厭氧發酵所產沼氣經脫水罐和脫硫罐進行凈化，通過沼氣流量計進行計量，利用儲氣罐進行收集。

2 實驗裝置整體結構設計

2.1 厭氧發酵反應器設計

2.1.1 反應器結構和工作原理

厭氧發酵反應器主要由發酵罐和電控箱2部分組成。發酵罐主要包括發酵罐體，攪拌裝置，進料機構等；電控箱主要包括電控箱體，電能表，溫控面板，攪拌控制面板，增溫水箱，時控開關等；反應器結構如圖1所示。

1.手搖螺旋進料搖把；2.手搖螺旋進料斗；3.操作口旋蓋；4.發酵罐體；5.出料閥門；6.攪拌軸減速電機；7.反應器底座；8.增溫水箱出水口；9.水箱液位計；10.電源開關；11.電能表；12.攪拌電源開關；13.攪拌轉速調節器；14.攪拌方向開關；15.電控箱體；16.水套控溫面板；17.水套溫度監測面板；18.水箱控溫面板；19.水箱溫度監測面板；20.水套溫控開關；21.水箱溫控開關；22.增溫水箱進水口；23.電線槽；24.水箱溫度傳感器；25.循環泵；26.電加熱管；27.水箱水槽；28.時控開關；29.浮子液位開關圖1 機械攪拌半干法厭氧發酵反應器結構示意圖

發酵罐用于裝載不同實驗原料進行厭氧發酵使用，攪拌裝置用于發酵物料的混合攪拌，并促進傳質、傳熱，進料機構用于初始進料以及實驗運行過程中的連續進料，電控箱置于反應器下方，箱體上布置安裝各種電器元件，電能表用于能耗的計量，控溫面板用于發酵溫度的整體控制，攪拌控制面板用于攪拌開關及攪拌轉速的控制，增溫水箱用于儲能增溫，時控開關用于攪拌頻率和攪拌時長的控制，溫度傳感器用于水箱和水套內的水溫監測。

2.1.2 發酵罐體結構設計

發酵罐體結構示意如圖2所示，發酵罐體包括內筒和外筒兩部分，均由透明亞克力管加工制成，壁厚為10mm，發酵罐的上蓋、罐底和攪拌器接口法蘭由透明亞克力板加工制成，厚度均為20mm，另外出氣管和進、出料口等也都使用透明亞克力材質加工而成。發酵罐設計反應容積為10L，考慮適用于畜禽干清糞高濃度物料，設計發酵罐為矮胖型立式圓柱罐結構，可以在內部布置臥式攪拌器強制高濃度物料沿軸向、徑向混流及周向旋流運動，實現良好攪拌，設計發酵罐內腔直徑及高度尺寸為Φ300mm×160mm。

1.水套出水口；2.發酵室；3.罐體上蓋；4.換熱水套夾層；5.溫度探頭插孔；6.水套進水口；7.罐體；8.出料口；9.出氣管；10.攪拌器接口；11.進料口圖2 發酵罐體結構示意圖

2.1.3 機械攪拌裝置結構設計

2.1.3.1 攪拌裝置結構

機械攪拌裝置設計為三軸臥式攪拌，3個臥式攪拌器沿圓周向呈120°布置，攪拌裝置結構如圖3所示。攪拌軸上設置螺旋分布的槳葉，槳葉上設有輸送螺帶，聯軸器與減速電機連接，通過電機驅動攪拌器工作。攪拌器工作時，對料液能夠實現垂直方向傳質，軸向傳質，并沿罐體圓周方向旋轉，能夠對高濃度物料進行全方位混合攪拌，促進厭氧菌與發酵物料充分混合接觸，同時使罐體內部發酵溫度均衡。

1.攪拌軸①；2.輸送螺帶；3.攪拌槳葉；4.攪拌軸②；5.攪拌軸③；6.聯軸器圖3 攪拌裝置結構示意圖

2.1.3.2 攪拌電機功率計算

攪拌功率與攪拌器的幾何參數、物料的物性參數和攪拌器的運轉參數等相關。攪拌器設計參數：攪拌器葉輪直徑d=117mm；因為干清糞物料黏度相對較高，計算功率用轉速設定為n=20r·min-1；反應器內料液密度按ρ=1×103kg·m-3計算；啟動攪拌器所需的功率為P。

通過查詢攪拌設備手冊可知攪拌器功率計算公式[5]：

P=NPρn3d5

(1)

式中，P為攪拌器所需功率，W；Np為攪拌功率特征數；d為攪拌直徑，mm；n為攪拌器的轉速，r·s-1；ρ為攪拌介質的密度，kg·m-3。

攪拌功率特征數Np是攪拌設備最基本的特征參數之一，本研究攪拌器槳葉結構設計類型與MIG型槳葉比較接近，計算Np時參照多層平槳的方式，根據永田進治的攪拌功率計算公式[5]：

(2)

式中，A、B、P為方程式參數，可由b/D和d/D計算。

Re為雷諾數：

式中，H為料液深度；b為攪拌槳葉寬；D為攪拌槽的直徑；θ為槳葉傾角；n為轉速；d為攪拌直徑；ρ為介質密度；u為介質的黏度。

本研究厭氧反應器是用于畜禽干清糞便厭氧發酵處理實驗研究而開發設計的，用干清牛糞作為發酵原料，實測物料的黏度μ=19982mPa·s，求得雷諾數Re=2.283×10-4，因物料黏度較高，攪拌器槳葉結構類型參照3層平槳方式，常用介質黏度范圍小于5×104mPa·s。因為本研究反應器的攪拌方式設計成臥式攪拌，料液深度按攪拌器第一片槳葉到最后一片槳葉水平距離計，即H=102mm，而攪拌槽的直徑則參照料層高度計，則D=120mm，設計攪拌槳的葉寬b=16mm，利用公式(2)求得攪拌功率特征數Np=8.726。

則根據攪拌器功率計算公式(1)可求出單個攪拌器的功率P=20.1W。

為實現物料在軸向方向上的運動，本研究把攪拌槳葉布置為螺旋狀，同時利用螺帶連接，因此還需要計算攪拌過程中螺帶耗用的功率，參照螺桿式攪拌器功率計算方式，如同公式(1)，但攪拌功率特征數的計算有所差別，計算公式[5]：

(3)

式中，h為螺帶的長度；dj為螺帶直徑；Re為雷諾數。

單個攪拌器設有1條螺帶，螺帶直徑dj為60mm，螺帶的長度h為99.2mm，通過公式(3)算出螺帶的攪拌功率特征數Np=1.56，進而計算出1條螺帶消耗功率P=0.97W，因此可以求得單個攪拌器耗用總功率P=21.07W。一般電機工作效率為0.91，可計算得出單個攪拌電機功率為23.15W，參照電機型號功率對照表，選用功率為25W的電機。

2.1.4 電控系統設計

電控系統主要由電控箱及各種電器元件等組成，工作電源為220V/50Hz的標準電源。為了使反應器的厭氧發酵溫度滿足實驗研究要求，發酵溫度最高值設定為60℃，控溫溫差±1℃。通過設計電控系統使厭氧發酵反應器具有自動控溫、自動攪拌、缺水狀態下自動斷電保護等功能，實現反應器自動化穩定運行，電控系統控制線路如圖4所示。

QA.電源開關；BV.電機轉速調節器；M1.攪拌電機I；M2.攪拌電機II；M3.攪拌電機III；M4.循環水泵；SA1.倒順開關；SA2.水套控溫開關；SA3.水箱控溫開關；SL.水箱液位浮子開關；R.溫度傳感器；KC.保護繼電器；WDB1.水套溫控表；WDB2.水箱溫控表；RR.加熱棒圖4 控制線路圖

2.1.5 反應器工作原理

將反應器和電控箱連接到位，向增溫水箱內注水，直至液面沒過增溫水箱內溫度傳感器并且浮子液位開關處于接通狀態，再開啟電源開關，指示燈亮起表明電源已接通。發酵溫度控制：打開水箱和水套的溫控開關，利用控溫面板中“∧”鍵和“∨”鍵將水箱和水套內水溫分別調至設定值，并且水箱內水溫值要高于水套內水溫值3～5℃，當水箱內水溫低于設定值時，水箱溫度監測面板紅色指示燈亮起，此時電加熱管已接通電源對水箱進行加熱；當水套內水溫低于設定值時，水套溫度監測面板紅色指示燈亮起，此時循環泵開始工作，將增溫水箱內的熱水送入水套夾層，為水套夾層內的水增溫進而實現對發酵罐內物料換熱增溫，使發酵罐內物料溫度保持在一個穩定值，最終實現恒溫發酵；當監測到水箱和水套夾層內水溫均達到設定溫度，便進入恒溫自動控制模式。攪拌方式控制：攪拌有手動攪拌和自動攪拌2種攪拌控制方式，手動攪拌控制，開啟攪拌電源開關攪拌電機即進入工作狀態，再利用攪拌轉速調節器和攪拌方向開關進行攪拌轉速及攪拌方向的設定，攪拌即按設定開始工作，關閉攪拌電源開關便停止工作。自動攪拌控制，將時控開關接入攪拌控制電路，并按實驗需求設置幾組攪拌開啟和關閉的時間，時控開關設置為常開狀態，開啟攪拌電源開關，同時將攪拌轉速與攪拌方向按實驗需求進行設定，設置完成即進入自動攪拌控制模式。實驗運行控制參數可以按實驗需求隨時進行調整設定。

2.2 沼氣凈化、儲存及計量裝置

為了凈化厭氧發酵產生的沼氣，設計了脫水罐和脫硫罐，均采用透明亞克力材料加工制作而成，罐體看起來簡潔美觀，罐體上分別設有進氣口、出氣口和排水口，脫水罐采用分子篩脫水工藝，脫除沼氣中的水分；脫硫罐采用干法氧化鐵脫硫工藝，用于脫除沼氣中的硫化氫氣體，凈化程度較高。為了便于沼氣的儲存，設計了透明亞克力材料的浮罩式儲氣罐，浮罩式結構觀察厭氧發酵產氣情況非常直觀，儲氣罐主要由內筒、外筒和配重架等構成，該儲氣罐儲氣壓力低，對整個發酵系統有很好的保護作用。沼氣流量計選用LMF-1防腐型濕式氣體流量計。

3 試驗測試

3.1 試驗目的

實驗裝置運行穩定性測試以及該實驗裝置對畜禽干清糞便半干法厭氧發酵運行效果測試。

3.2 試驗材料與試驗裝置

厭氧發酵試驗以鮮牛糞(干清牛糞)為試驗原料，取自吉林省長春市周邊一肉牛養殖場，鮮牛糞干物質濃度為16.83%，試驗用接種物為牛糞充分厭氧發酵培養的菌種，接種物干物質濃度為12.67%。實驗裝置為開發的機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置，如圖5所示。

1.儲氣罐；2.流量計；3.脫硫罐；4.脫水罐；5.厭氧反應器圖5 機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置

3.3 試驗方法

取鮮牛糞適量從進料斗加入反應器發酵罐內，再加入接種物利用攪拌器混合均勻，接種物添加量占發酵物料總干物質的30%(干重比)，測得發酵物料TS濃度為15.32%，總裝料量為6.5L，設置增溫水箱溫度為40℃，水套夾層水溫為37℃，可以保證發酵物料溫度為35±1℃，攪拌參數設定為攪拌轉速20r·min-1，每4h攪拌1次，每次攪拌時長為2min。反應器在密封狀態下進行為期25d的序批式厭氧發酵試驗測試，厭氧產氣過程中利用沼氣流量計記錄沼氣產量，每天定時做好產氣數據記錄。

3.4 試驗數據與分析

根據產氣數據記錄，繪制了一個測試周期25d的日產氣量變化曲線，如圖6所示。

圖6 干清牛糞半干法厭氧發酵日產氣量變化曲線

從圖6中可以看出，一個測試周期25d內日產量總體上呈先逐漸上升后緩慢下降的趨勢，厭氧發酵第7天日產氣量到達最高值為19.08L，然后日產氣量逐漸下降，25d的總產氣量為316.34L，日平均容積產氣率達1.26L/(L·d)，與黃超[6]等研究的CSTR反應器日平均容積產率1.008L/(L·d)相比高出25%，產氣率較高，后續將進行連續式厭氧發酵工藝試驗研究，以期在穩定運行生產的情況下獲得更高處理效率和產氣率。

經測試實驗裝置運行穩定可靠，能夠自動對試驗運行過程中攪拌和發酵溫度進行準確控制，機械攪拌裝置能對高濃度物料實現全方位混合攪拌，有效避免物料上、下分層，試驗的初始進料和實驗結束的出料都很順暢，進、出料裝置可靠，通過厭氧發酵運行試驗，說明該實驗裝置能夠滿足畜禽糞便半干法厭氧發酵實驗研究需求，可用于不同糞污半干法厭氧發酵的溫度參數、攪拌參數及發酵物料濃度參數等對產氣效果的影響進行細致深入的實驗研究。

4 結論

機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置設計結構合理，操作簡便，能夠適用于TS濃度為15%～20%的畜禽干清糞便半干法厭氧發酵實驗研究，具有沼液產生量少，處理效率高的特點，同時易可用于粉碎的秸稈物料等進行厭氧發酵試驗研究，但對于秸稈物料濃度不宜過高，否則會導致攪拌困難。該實驗裝置運行穩定，溫度和攪拌參數可控，高濃度物料進料順暢，有效解決高濃度糞便物料攪拌難、傳熱傳質不均的問題，可用于連續進、出料運行試驗研究。機械攪拌半干法厭氧發酵實驗裝置的開發，為實驗室進行畜禽糞污等農業有機廢棄物無害化處理技術研究提供了一種新的研究手段，可以推進畜禽糞污等農業有機廢棄物無害化處理研究的進程。