黃超 丁偉 孫京 張蕾蕾

(吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130022)

據(jù)統(tǒng)計,近年來我國每年產(chǎn)生的畜禽糞污近40億t,農(nóng)作物秸稈超過10 億t,如此大量的農(nóng)業(yè)廢棄物處置不好會嚴重影響環(huán)境生態(tài),處置得當也是一種營養(yǎng)含量豐富的可利用資源,畜禽糞污及秸稈的處置及資源化的利用可實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)和生態(tài)環(huán)境的和諧統(tǒng)一,大型沼氣工程處置農(nóng)業(yè)廢棄物是未來的發(fā)展趨勢。CSTR 反應(yīng)器可處置含固率較高的畜禽糞污,單位容積產(chǎn)氣量大,因而在厭氧發(fā)酵大型沼氣工程當中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是目前關(guān)于CSTR 反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、攪拌、物料種類、物料濃度等因素對產(chǎn)氣效果的影響仍缺乏系統(tǒng)研究[2]。因此,研究設(shè)計本實驗裝置,可在實驗室對CSTR 反應(yīng)器厭氧發(fā)酵過程各因素對產(chǎn)氣效果的影響進行詳細系統(tǒng)的研究,從而優(yōu)化CSTR 沼氣工程的建設(shè)和運行。

1 厭氧發(fā)酵工藝方案

全混合厭氧發(fā)酵工藝對應(yīng)的物料濃度為6%～10%,采取的是連續(xù)進料、恒溫厭氧發(fā)酵、組合式水力推進機械攪拌,自動控溫、自動攪拌連續(xù)產(chǎn)氣,工藝流程如圖1 所示。

2 實驗裝置構(gòu)成

反應(yīng)裝置主要由反應(yīng)器罐體、可調(diào)速式機械攪拌器、溫控裝置、電控裝置、脫硫裝置、脫水裝置、流量計、沼氣收集浮罩等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。反應(yīng)器設(shè)計為圓柱體結(jié)構(gòu),反應(yīng)器內(nèi)部采用頂入式攪拌器和側(cè)進式攪拌器結(jié)合的攪拌裝置,通過反應(yīng)器底部增溫換熱水箱、反應(yīng)器圓周增溫水套及溫度傳感器對反應(yīng)器內(nèi)部物料進行溫度控制,電控裝置由電源開關(guān)、電能表、調(diào)速器、溫控開關(guān)、時控開關(guān)等構(gòu)成,脫硫、脫水裝置通過脫硫、脫水箱體內(nèi)添加脫硫、脫水劑構(gòu)成,流量計選用濕式防腐氣體流量計,集氣采用浮罩式集氣罐。

3 實驗裝置主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 反應(yīng)器罐體設(shè)計

反應(yīng)器罐體為容積10L 的圓柱體結(jié)構(gòu),遵循沼氣工程反應(yīng)器一般容料量80%的原則,且保證裝料后厭氧發(fā)酵過程中不至于造成物料上浮堵塞出氣口,留有足夠的容氣空間高度,借鑒以往研究經(jīng)驗及相關(guān)資料選定罐體高徑比為1.6[3],罐體內(nèi)腔尺寸為Φ200mm×320mm。發(fā)酵罐體內(nèi)、外筒均采用壁厚10mm 的透明亞克力管,發(fā)酵罐底、上蓋以及聯(lián)結(jié)法蘭均采用20mm 厚透明亞克力板,進出料口以及溢流口等也均采用透明亞克力材料,罐體透明可在實驗運行過程中更好觀察反應(yīng)器內(nèi)部物料情況。進料口與溢流口伸入罐體內(nèi)位置在罐體中下部,厭氧發(fā)酵過程中能夠形成良好的水封作用,在料少時,不至于產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象而影響實驗。

3.2 攪拌裝置設(shè)計

3.2.1 攪拌器安裝方式

攪拌裝置由頂入式攪拌器和側(cè)進式攪拌器構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。根據(jù)發(fā)酵原料的特性,發(fā)酵液粘度范圍較廣、易產(chǎn)生沉淀和浮渣,因此本項目綜合考慮,設(shè)置頂入式攪拌器和側(cè)進式攪拌器。2 個攪拌器均可以控制攪拌方向及攪拌速度,頂入式攪拌器可以帶動物料形成向上或者向下的螺旋運動,側(cè)進式攪拌器可以保證底部不存在沉積物料,同時可與頂入式攪拌器配合,使物料形成對流運動,從而使物料混合更加均勻、徹底。

3.2.2 攪拌葉片設(shè)計

攪拌葉片根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為開啟渦輪式攪拌葉片、圓盤渦輪式攪拌葉片、槳式攪拌葉片、推進式攪拌葉片等,常用攪拌葉片形式如圖4 所示。本實驗裝置頂入式攪拌器攪拌葉片采用三葉開啟渦輪斜葉片,分為高中低3 層,每層有3 個葉片,與軸線方形均成45°,這種攪拌形式有利于介質(zhì)在上下和中心圓柱攪拌空間內(nèi)形成傳導,較大幅度提高攪拌效果。側(cè)進式攪拌器攪拌葉片采用推進式攪拌葉片,可推動介質(zhì)形成軸流型流動狀態(tài),循環(huán)速度高、剪切力小,這種攪拌方式可以促使反應(yīng)器內(nèi)部邊緣和反應(yīng)器底部介質(zhì)充分混合。此種攪拌裝置的設(shè)置可適用的粘度范圍較廣,易于安裝、制造和維修,且防沉淀和浮渣效果較好[4]。

3.2.3 攪拌器攪拌功率計算

實現(xiàn)物料的攪拌需要輸入動力,即為攪拌功率。由于攪拌功率受葉翅形狀、物料粘度等因素的影響,故而,在進行攪拌裝置的設(shè)計時需計算攪拌功率。根據(jù)公式(1) 可計算出攪拌功率,其中,攪拌功率和功率準數(shù)、物料密度、攪拌速度與攪拌直徑等因素有關(guān),故而需計算功率準數(shù)。

根據(jù)設(shè)計要求,本設(shè)計所選擇的葉翅結(jié)構(gòu)形狀近似于MIG 式攪拌葉翅,在計算功率準數(shù)時近似于多層平直槳葉,利用攪拌功率計算式,得:

式中,Re為雷諾數(shù)。

式中,μ為物料粘度；b為槳葉寬度；d為攪拌直徑；D為攪拌槽內(nèi)徑。

本項目所設(shè)計的厭氧反應(yīng)器是基于濃度為6%～10%物料的基礎(chǔ)上所進行的,以濃度為10%的牛糞為例,利用NDJ -5S 數(shù)顯粘度計測得物料粘度為19668MPa·s,雷諾數(shù)Re=3.436×10-4,屬于較高粘度,所設(shè)計的槳葉類型可近似為3 層平直槳葉,其攪拌介質(zhì)粘度范圍通常為＜50000MPa·S。其中,本課題設(shè)計的頂入式攪拌器類型為立式攪拌,即D=180mm,根據(jù)規(guī)定,攪拌直徑與攪拌槽內(nèi)徑的比值在0.5～0.98,為增加攪拌接觸面積,提高攪拌效率,故而將比值選為0.75,即攪拌直徑d=135mm,槳葉寬度30mm。經(jīng)過公式(2) 的計算可得功率準數(shù)Np=7.5。

在研究攪拌對牛糞干式厭氧發(fā)酵效果的影響時發(fā)現(xiàn),間歇性的低速攪拌可取得較好的產(chǎn)氣效果[5],并且在研究機械攪拌對豬糞與稻草聯(lián)合的厭氧干發(fā)酵性能的影響試驗中,以轉(zhuǎn)速為15r·min-1與45r·min-1為例,對比在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)氣效果等因素的不同,發(fā)現(xiàn)在25r·min-1的轉(zhuǎn)速下,厭氧發(fā)酵能更好地進行[6],由于10%濃度的糞便的粘度較高,故而本課題在設(shè)計轉(zhuǎn)速條件時選取8～20r·min-1。經(jīng)過公式(1) 的計算,攪拌軸功率為85W。所以選用中心軸攪拌電機功率為90W。側(cè)進式攪拌器轉(zhuǎn)速為200r·min-1。將參數(shù)帶入式(1) 求得對應(yīng)攪拌葉片直徑30mm,計算可得功率準數(shù)Np=2.2。計算得出攪拌功率為23.2W,選用25W 電機。

3.3 溫控裝置設(shè)計

反應(yīng)溫度是CSTR 反應(yīng)器厭氧產(chǎn)氣過程中關(guān)鍵的工藝參數(shù),反應(yīng)溫度的控制直接影響到產(chǎn)氣效率,越是適宜的溫度條件,發(fā)酵反應(yīng)速度越快,微生物的作用越明顯,產(chǎn)氣效率越高,CSTR 沼氣工程中最佳反應(yīng)溫度及反應(yīng)溫度的控制一直受到廣泛關(guān)注。為了模擬不同溫度對厭氧發(fā)酵的影響,本實驗設(shè)備通過對溫控裝置的設(shè)計,可實現(xiàn)對物料溫度的精準控制。在反應(yīng)器底部設(shè)置增溫換熱水箱,采取電加熱方式,并通過溫度傳感器及溫控開關(guān)調(diào)節(jié)水箱內(nèi)水的溫度。反應(yīng)器圓周外部設(shè)置水套,水套通過管路與水箱連接,并通過水泵實現(xiàn)水箱、水套內(nèi)水循環(huán),通過溫度傳感器及溫控開關(guān)控制水套內(nèi)溫度。通過反應(yīng)器底部的水箱及反應(yīng)器圓周的水套,可實現(xiàn)對反應(yīng)器內(nèi)部的溫度控制,從而驗證溫度對CSTR 反應(yīng)器厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況的影響。

3.4 電控裝置設(shè)計

電控箱使用白鋼材質(zhì),增溫換熱水箱內(nèi)置于電控箱內(nèi),使實驗裝置整體更加整潔、美觀,電控箱按照所需電氣元件尺寸開孔,電控箱外觀工整,電氣元件分布合理,操作便捷。電控箱控制線路圖如圖5 所示。

4 反應(yīng)器操作方法

4.1 反應(yīng)器及電控箱結(jié)構(gòu)

厭氧反應(yīng)器及電控箱結(jié)構(gòu)如圖6 所示。厭氧發(fā)酵實驗過程中可以根據(jù)實驗需要通過相應(yīng)電控開關(guān)進行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。

4.2 攪拌設(shè)定

攪拌設(shè)定可手動攪拌與自動攪拌切換,手動攪拌時,打開攪拌控制面板中攪拌控制開關(guān),綠色電源指示燈亮表示攪拌電機電源接通。調(diào)節(jié)攪拌方向開關(guān)可控制順時針、逆時針攪拌或不攪拌,通過攪拌控制面板中攪拌速度旋鈕調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速。關(guān)閉攪拌面板中攪拌控制開關(guān)攪拌即停止。自動攪拌時,使用可編程時控器設(shè)置攪拌開啟和關(guān)閉時間,將可編程時控器連入攪拌控制電路,保持攪拌控制面板中攪拌控制開關(guān)于開啟狀態(tài),攪拌方向和攪拌速度設(shè)定與手動攪拌時操作相同。

4.3 溫度設(shè)定

連接控制箱和反應(yīng)器,從加水口往工作水箱內(nèi)加水至水面高于工作水箱內(nèi)溫度探頭,打開電源開關(guān),電源指示燈亮表示電源接通。使用溫度控制面板中“+” 和“-” 調(diào)至設(shè)定溫度,打開溫控開關(guān)1 和2,溫度監(jiān)測面板紅色指示燈亮表示電熱管電源接通開始加熱。當溫度監(jiān)測面板上所顯示溫度達到所設(shè)定溫度時,稍等數(shù)分鐘后,即可自動恒溫控制。

5 實驗運行情況

5.1 實驗地點

吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用實驗室。

5.2 實驗原料及來源

實驗原料:牛糞、牛糞菌種。

牛糞來源于吉林省長春市陶家屯養(yǎng)殖戶,牛糞菌種來源于吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院實驗室厭氧反應(yīng)完成不再產(chǎn)氣的牛糞。

5.3 實驗裝置

實驗裝置為自行設(shè)計的全混合厭氧反應(yīng)裝置兩套,如圖7 所示。反應(yīng)裝置各部件間使用硅膠管進行連接。

5.4 實驗設(shè)計

實驗使用牛糞總固體物濃度(TS) 為16.1%,菌種TS 為6.55%,牛糞與菌種按照7：3 比例混合,混合后TS=13.19%,取混合后物料7000mL,加入到CSTR 反應(yīng)器。增溫水箱設(shè)定溫度為42℃,水套設(shè)定溫度為40℃,如此設(shè)定可保持反應(yīng)器內(nèi)部物料溫度為恒溫35℃。設(shè)定頂入式和側(cè)進式攪拌器同時啟停,攪拌方式為每3h 攪拌3min,頂入式攪拌器設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為20r·min-1,側(cè)進式攪拌器設(shè)定攪拌速度為200r·min-1。兩套實驗裝置同時加入物料開始運行。

5.5 實驗數(shù)據(jù)

實驗開始后,每日10：00 記錄流量計讀數(shù),記錄了28d 的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)。其中,第1 套裝置累計產(chǎn)氣197.59L,容積產(chǎn)氣率為1.008L·L-1·d-1,本次實驗產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第11～16 天,其中最高峰出現(xiàn)在第13 天、第15 天,具體數(shù)據(jù)見表1。第2 套裝置累計產(chǎn)氣195.18L,容積產(chǎn)氣率為0.996L·L-1·d-1,本次實驗產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第12～19 天,其中最高峰出現(xiàn)在第15 天、第16 天。具體數(shù)據(jù)見表2。實驗過程中,兩套設(shè)備皆運行穩(wěn)定,厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況正常。

表1 CSTR 反應(yīng)器(1) 28d 產(chǎn)氣記錄表

表2 CSTR 反應(yīng)器(2) 28d 產(chǎn)氣記錄表

6 結(jié)論

按照上述CSTR 實驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計加工制作的2套設(shè)備,在吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用實驗室進行模擬工程上的CSTR 反應(yīng)器厭氧反應(yīng)運行,整套實驗裝置運行穩(wěn)定,產(chǎn)氣正常。運行過程中操作便捷,物料溫度可控,攪拌時間、攪拌速度、攪拌間隔可控,浮罩式集氣裝置可直觀觀察產(chǎn)氣情況,濕式防腐氣體流量計產(chǎn)氣量計量精準。實驗裝置占用空間小,耗能低。本實驗裝置可為大型CSTR 沼氣工程項目運行提供多項數(shù)據(jù)支撐,適合從事厭氧發(fā)酵行業(yè)的工作者使用。