橫推流式連續(xù)干法厭氧發(fā)酵設(shè)備設(shè)計與試驗

馮 晶 胡 鑫, 趙立欣 郭占斌 姚宗路 羅 娟

(1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319)

0 引言

我國主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億t，20%未有效利用[1]，畜禽糞污約38億t，40%以上未有效利用[2]，嚴重威脅我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境。厭氧發(fā)酵技術(shù)因具有高效、高經(jīng)濟性、廣泛性的生化處理方式和可產(chǎn)生沼氣這一可再生清潔能源，沼渣可進行堆肥或者用于生產(chǎn)土壤改良劑等優(yōu)勢，被用于化工環(huán)保領(lǐng)域處理畜禽廢水和固體廢棄物等[3-4]。一般而言，厭氧發(fā)酵分為干法厭氧發(fā)酵和濕法厭氧發(fā)酵。大量實踐表明，濕法發(fā)酵產(chǎn)生大量沼液，施用不當易造成二次污染[5]。更關(guān)鍵問題是，我國規(guī)?；B(yǎng)殖場越來越多地采用干清糞工藝，這也導(dǎo)致養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的糞便總固形物含量較高，使用濕法發(fā)酵工藝需要消耗大量的水資源用于調(diào)節(jié)含水率，使沼氣工程運行成本提高。干法厭氧發(fā)酵的發(fā)酵底物總固形物質(zhì)量分數(shù)(TS)在20%～40%之間[6]。相對于濕法厭氧發(fā)酵技術(shù)，干法厭氧發(fā)酵技術(shù)原料適應(yīng)性更廣，同時由于其總固形物含量高，避免了沼液大量產(chǎn)生無法處理的難題，且其保溫能耗較低，降低了運行成本，因而可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢棄物、生活垃圾等有機廢棄物處理[7-11]。

從運行程序來看，干法厭氧發(fā)酵技術(shù)主要包括序批式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)和連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)兩類。車庫式干發(fā)酵系統(tǒng)是典型的序批式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)[12]，已經(jīng)在德國廣泛應(yīng)用，我國也開發(fā)了覆膜槽沼氣干發(fā)酵技術(shù)、一體化車庫式干式發(fā)酵技術(shù)等序批式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)[13-15]。連續(xù)式厭氧干法發(fā)酵技術(shù)是新近興起的厭氧發(fā)酵技術(shù)，相比于序批式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)，連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)具有產(chǎn)氣連續(xù)穩(wěn)定、干物質(zhì)降解率高等優(yōu)勢。比利時、法國、瑞士等國家已經(jīng)開發(fā)出Dranco工藝、Valorga工藝、Komopogas工藝[16-18]等連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵裝備。國外開發(fā)的連續(xù)式厭氧干法發(fā)酵技術(shù)主要針對城市生活垃圾，對于秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物的干法連續(xù)式厭氧發(fā)酵技術(shù)仍有待進一步研究。相比于序批式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)，連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)首先需要解決物料連續(xù)密封進出料問題，但由于總固形物含量高的物料流動性較差，對進出料設(shè)備磨損程度較高，進出料裝備使用壽命短、運行穩(wěn)定性差，連續(xù)密封進出料技術(shù)有待突破[19-20]。在連續(xù)式厭氧干法發(fā)酵機理、裝備設(shè)計、優(yōu)化工藝等方面也需要進一步探索。這些都導(dǎo)致連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)展緩慢。

針對上述問題，本文設(shè)計一種橫推流式連續(xù)厭氧干法發(fā)酵裝備，對該裝備的設(shè)計方法進行研究，設(shè)計試制中試厭氧干法發(fā)酵裝備，并利用玉米秸稈和牛糞的混合原料進行發(fā)酵試驗。

1 工作原理和整機結(jié)構(gòu)

連續(xù)厭氧干法發(fā)酵工藝流程如圖1所示。工藝過程包括原料混合、密封進料、厭氧干法發(fā)酵、沼氣凈化收集、沼渣固液分離5部分。

圖1 連續(xù)厭氧干法發(fā)酵工藝路線圖Fig.1 Process of horizontal plug-flow dry anaerobic fermentation

橫推流式連續(xù)厭氧干法發(fā)酵設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由密封進料裝置、厭氧干法發(fā)酵裝置、沼氣凈化裝置、固液分離裝置和沼液回流裝置組成。設(shè)備工作時，利用儲料罐中的攪拌槳先將原料混配均勻，然后采用螺旋輸料器將原料輸送至發(fā)酵箱。發(fā)酵箱側(cè)面安裝4組單獨控速的攪拌槳，實現(xiàn)物料定向流動和發(fā)酵箱內(nèi)的物料混配。發(fā)酵完成后的物料，在出料口的出料腔內(nèi)，利用真空泵形成負壓將原料吸出，并采用固液分離機對物料擠壓分離。固液分離產(chǎn)生的沼渣經(jīng)采樣測試后收集備用；沼液經(jīng)過測試后，部分經(jīng)回流泵回流至儲料罐作為接種物與原料混合。沼氣依次經(jīng)脫硫和脫水后在線檢測CH4含量。發(fā)酵箱通過電加熱爐利用循環(huán)熱水進行保溫增溫，使發(fā)酵溫度維持在設(shè)定的水平上。整套設(shè)備安裝在線監(jiān)控系統(tǒng)，對發(fā)酵過程中溫度、pH值、氣體流量、CH4含量等參數(shù)進行在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲。

圖2 連續(xù)厭氧干法發(fā)酵設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of horizontal plug-flow dry anaerobic fermentation equipment1.固液分離機 2.沼渣罐 3.脫水罐 4.脫硫罐 5.進料罐 6.螺旋輸料器 7.減速電動機 8.控制系統(tǒng) 9.真空泵 10.真空罐 11.攪拌槳 12.發(fā)酵箱 13.氣體流量計

橫推流式連續(xù)厭氧干法發(fā)酵設(shè)備主要參數(shù)為：總功率11 kW，發(fā)酵箱容積250 L，進料量10～15 kg/d，發(fā)酵溫度25℃/38℃，停留時間15～40 d。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 進料裝置設(shè)計

由于干法發(fā)酵物料比較粘稠，流動性較差，設(shè)備采用螺旋進料的方式將物料輸送入發(fā)酵箱中，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，參照螺旋輸送器的設(shè)計標準[21]，水平螺旋輸送器計算式為

(1)

其中

(2)

式中Im——處理量，取2～3 kg/min

D——螺旋外徑，m

φ——填充系數(shù)，取0.33

ρ——堆積密度，kg/m3

S——螺距，m

n——轉(zhuǎn)速，r/min

通過不同含固率條件下混合原料堆積密度的測試得出，含固率為20%時堆積密度為994.4 kg/m3，處理量Im為3 kg/min，選擇轉(zhuǎn)速為70 r/min，根據(jù)一般性物料的摩擦性質(zhì)及其粘附系數(shù)，取填充系數(shù)為0.33，代入式(2)中可得螺旋輸送器外徑為0.1 m，螺距為0.08 m。

圖3 螺旋輸送器示意圖Fig.3 Sketch of screw conveyor for continuous feeding-in1.減速電動機 2.聯(lián)軸器 3.螺旋葉片 4.螺旋軸

2.2 發(fā)酵箱設(shè)計

如圖4所示，發(fā)酵箱作為整個發(fā)酵裝置的核心部件，采用臥式推流結(jié)構(gòu)，主要由發(fā)酵箱體、攪拌漿、物位計、加熱裝置、取料口和觀察孔組成，箱體夾層中充滿循環(huán)溫水，保證菌種發(fā)酵的溫度環(huán)境，攪拌裝置定期攪拌使原料層翻滾，進而保證了原料的均勻混合，同時也實現(xiàn)推動物料的目的，物位計和觀察孔可用于實時監(jiān)測原料高度。

圖4 發(fā)酵箱結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of fermentation container1.物位計 2.箱體 3.觀察孔 4.出氣口 5.攪拌漿 6.取料口 7.出料口 8.溫度計

根據(jù)工藝要求，確定發(fā)酵箱填料量為150 kg，混合物料密度取994.4 kg/m3，發(fā)酵箱設(shè)計為長方形結(jié)構(gòu)，發(fā)酵箱容積計算式為[22-23]

(3)

其中

式中V——發(fā)酵箱體積，m3

q——填料量，kg

δ——初始充滿系數(shù)

δ′——最大充滿系數(shù)，取0.78

δmax——體積最大膨脹系數(shù)，取1.3

代入公式得δ=0.6，V=0.25 m3，為便于攪拌軸的安裝，取發(fā)酵箱長為1.6 m，寬和高為0.4 m。

2.3 攪拌槳的設(shè)計

目前用于流體攪動常見的攪拌槳主要有錨式、螺帶式、渦輪式等結(jié)構(gòu)形式[24]，其中錨式結(jié)構(gòu)適合于高粘度流體的混合、傳熱，但剪切力較低；螺帶式適合總固形物含量高的物料混合、傳熱反應(yīng)等操作過程，但混合程度較差；渦輪式適合低粘度流體的混合、循環(huán)、固體懸浮、溶解等。綜合考慮，為了達到均勻攪拌和有序輸送的目的，設(shè)計了一種鏟式攪拌葉片，如圖5所示。

圖5 攪拌槳結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of propeller

目前國內(nèi)大多的攪拌槳工作間隙為5～10 mm，本設(shè)備需要適當接種，使發(fā)酵箱內(nèi)殘留的物料轉(zhuǎn)變?yōu)榻臃N物，因此需要較大間隙，選取側(cè)邊間隙μ1和底邊間隙μ2為10 mm，根據(jù)發(fā)酵罐長度及工作間隙，橫向設(shè)置4組攪拌軸，每根軸上安裝4組攪拌槳，每個攪拌槳由4組夾角90°的攪拌葉片組成。

攪拌槳外徑R可用發(fā)酵箱寬度b和攪拌槳底邊間隙μ2求出，即

R=b-2μ2

(4)

為提高攪拌效果并同時降低能耗，攪拌槳工作時，物料所受的離心力應(yīng)小于自身的重力，即

mω2R

(5)

式中m——葉片質(zhì)量

ω——葉片角速度

3 樣機測試與試驗

3.1 樣機測試

在試驗之前先進行設(shè)備的單體運行調(diào)試，利用空壓機和壓力表測試設(shè)備耐壓可達0.5 MPa，設(shè)備密封性良好；進料螺旋電動機固定轉(zhuǎn)速為70 r/min，以不同總固形物含量的物料進行測試，進料量為180～200 kg/h；選定固液分離機型號為睿特森GLC-180，經(jīng)測試，分離效率為80%；4個攪拌槳電動機為變頻電動機，攪拌速度可在1～20 r/min內(nèi)調(diào)節(jié)，攪拌槳明顯提高了物料流動性和均勻混合性。

單體部件調(diào)試完成后進行發(fā)酵試驗調(diào)試，利用電熱爐加熱循環(huán)水給設(shè)備進行保溫加熱，溫度最高可達40℃，控溫誤差±0.5℃；流量計和CH4監(jiān)測儀經(jīng)校核后示數(shù)顯示正常，儀表示數(shù)誤差±0.5%；運行過程中進料、出料及產(chǎn)氣均正常；利用電能質(zhì)量分析進行了能耗測試，設(shè)備整體運行1 d的耗電量為2.6 kW·h，運行成本較低，同時達到了工藝要求。

3.2 試驗材料

圖6 橫推流式厭氧干法發(fā)酵設(shè)備實物圖Fig.6 Picture of horizontal plug-flow dry anaerobic fermentation equipment

樣機測試完成后，在農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院重點實驗室進行了發(fā)酵試驗，設(shè)備實物圖如圖6所示。

試驗原料新鮮牛糞和黃貯玉米秸稈均來源于北京市某奶牛場，黃貯玉米秸稈先經(jīng)秸稈揉搓機粉碎(長度0.5～1 cm)，常溫存放于實驗室備用。原料的特性如表1所示。

表1 試驗原料特性Tab.1 Properties of raw materials

3.3 試驗方法及測試指標

牛糞與黃貯秸稈的干物質(zhì)質(zhì)量比例為3∶1，初始接種物為取自沼氣工程的新鮮沼渣，沼渣干物質(zhì)質(zhì)量占物料混合干物質(zhì)的百分比為50%，混合原料固形物質(zhì)量分數(shù)為20%，碳氮比為20左右。裝置啟動時，首先將混合后的原料加入發(fā)酵罐內(nèi)，至發(fā)酵罐總?cè)莘e的70%。反應(yīng)器初始停留時間為20 d，每日進料1次，每天進料9 kg。反應(yīng)器正常運行后取沼渣與混合原料進行混合后進料。

設(shè)備共進行3個階段試驗，共運行103 d。每個階段試驗工藝參數(shù)的設(shè)定如表2所示，每天對容積產(chǎn)氣率及pH值進行檢測，每周對甲烷含量進行抽樣檢測，在第3階段試驗產(chǎn)氣穩(wěn)定后對沼液取樣測定化學(xué)需氧量和揮發(fā)性脂肪酸含量。

表2 試驗方案Tab.2 Test plan

日產(chǎn)沼氣量采用LMP-1型濕式防腐氣體流量計(長春阿爾法儀器公司)測定；沼氣中甲烷含量采用BM12492型便攜式沼氣成分測定儀(英國Geotech公司)測定；原料中有機碳、總氮含量采用EA2400型元素分析儀(美國PerkinElmer公司)測定；沼液pH值采用PHS-3C型酸度計(上海雷磁公司)測定；測定沼液化學(xué)需氧量時，先將沼液經(jīng)過20 000 r/min的離心機離心分離15 min后再過濾，過濾后的液體采用5B-2C型COD快速測定儀(美國哈希公司)測定[25]。

3.4 結(jié)果分析

圖7 容積產(chǎn)氣率變化曲線Fig.7 Changes of gas production rate

圖8 沼氣甲烷質(zhì)量分數(shù)變化曲線Fig.8 Changes of methane content in biogas

圖9 沼液pH值變化曲線Fig.9 Changes of biogas slurry pH value

設(shè)備運行過程中反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率、甲烷質(zhì)量分數(shù)和pH值分別如圖7～9所示。試驗啟動第1階段，反應(yīng)器初始容積產(chǎn)氣率較低，隨后呈明顯上升趨勢，并在反應(yīng)器運行20 d左右達到產(chǎn)氣高峰，反應(yīng)器的日容積產(chǎn)氣量達到60 L左右，容積產(chǎn)氣率達到0.30 m3/(m3·d)，之后反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率逐漸降低。在此過程中，反應(yīng)器的平均容積產(chǎn)氣率為0.17 m3/(m3·d)，沼氣中甲烷質(zhì)量分數(shù)逐漸升高，并最終質(zhì)量分數(shù)達到61.05%左右。同時，沼液初始pH值為7.07，第1階段運行過程中，沼液pH值穩(wěn)定在7.0～7.5范圍內(nèi)。一般而言，產(chǎn)甲烷菌對pH值變化更敏感，適宜的生長pH值為6.5～7.8[26]，比較適合厭氧微生物的生長。同時溫度對厭氧微生物生長以及反應(yīng)過程動力學(xué)和穩(wěn)定性、沼氣的產(chǎn)量等都有顯著的影響[27]。有研究表明發(fā)酵溫度過高或過低均會影響厭氧菌的活性，從而影響厭氧菌分解物料的能力，造成產(chǎn)氣量小、原料降解率低[28-30]。第1階段反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率較低，這主要是由于反應(yīng)器運行保持在室溫(25℃)左右運行，溫度較低導(dǎo)致產(chǎn)氣量不高。

第2階段，反應(yīng)器的運行溫度提高至中溫38℃，同時為避免反應(yīng)器發(fā)生酸化，將進料量降低至6 kg/d，反應(yīng)器水力停留時間提高至35 d。改變運行條件后，反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率明顯上升，并在反應(yīng)器運行50 d后達到0.45 m3/(m3·d)，但之后逐漸下降。在此過程中，反應(yīng)器的平均容積產(chǎn)氣率為0.25 m3/(m3·d)左右，較常溫階段產(chǎn)氣量有明顯升高。第2階段運行過程中，沼氣的甲烷質(zhì)量分數(shù)持續(xù)保持在60%左右，而在反應(yīng)器運行至55 d左右時，沼氣中甲烷質(zhì)量分數(shù)迅速降低至40%～50%。同時，第2階段沼液pH值呈下降趨勢。這可能是由于隨著溫度的提升，反應(yīng)器內(nèi)有機物降解速率加快，由于接種量為30%左右，可能由接種量不夠或局部酸化導(dǎo)致[31]。

反應(yīng)器運行68 d后，第3階段用沼液調(diào)整混合原料總固形物質(zhì)量分數(shù)為15%，以增加接種量，同時調(diào)整反應(yīng)器進料總固形物質(zhì)量分數(shù)至15%。之后，反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率迅速升高，在運行第75天時設(shè)備的容積產(chǎn)氣率可達0.58 m3/(m3·d)，設(shè)備平均容積產(chǎn)氣率可達0.48 m3/(m3·d)，產(chǎn)氣量較第2階段明顯升高。在此過程中，沼氣中甲烷平均質(zhì)量分數(shù)在56.7%左右，沼液pH值降低但隨后穩(wěn)定保持在7.0～7.5的范圍內(nèi)，設(shè)備保持穩(wěn)定運行。之后對沼液內(nèi)化學(xué)需氧量和揮發(fā)性脂肪酸進行測試，沼液內(nèi)溶解性化學(xué)需氧量平均可達43 669 mg/L，揮發(fā)性脂肪酸質(zhì)量濃度平均可達9 976 mg/L，與其他研究相差不大[32]。通過試驗數(shù)據(jù)分析，混合原料在38℃條件下降解率可達48%以上。眾多研究表明[33]，在中溫條件下，牛糞與秸稈混合原料降解率為40%左右。對比分析得出，在該運行條件下，原料降解率已達到較高水平，工藝運行條件較優(yōu)。但與國外相關(guān)報道相比[34]，本研究中設(shè)備的容積產(chǎn)氣率不高，這主要是由于本研究采用牛糞和秸稈原料，并且牛糞所占比例較高，這也是裝備容積產(chǎn)氣率不高的主要原因。

4 結(jié)論

(1) 結(jié)合螺旋進料裝置、氣體凈化的收集裝置、攪拌裝置和固液分離等裝置，設(shè)計了橫推流式連續(xù)干法厭氧發(fā)酵設(shè)備，建立了橫推流式連續(xù)干法厭氧發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計方法，并且試驗過程中設(shè)備運行良好。

(2) 該設(shè)備經(jīng)過了3個階段，不同溫度、不同總固形物含量條件下103 d的連續(xù)運行，最高容積產(chǎn)氣率可達到0.58 m3/(m3·d)，實現(xiàn)了較高的原料降解率，甲烷質(zhì)量分數(shù)可達56%，實現(xiàn)了較高的產(chǎn)氣量，達到了設(shè)計要求。