不同搅拌方式对浮渣层影响高温厌氧发酵产气率的研究

王 欣，王玉鹏，刘 伟，苏小红，徐晓秋

(黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090)

牛粪固含量为16.5%，其中有机质占14.6%，含有较高的纤维类物质［1］，在厌氧发酵过程中易在反应器的上部形成浮渣层并硬化结壳［2-5］，如不及时解决，将导致沼气无法顺利进入储气装置中，影响发酵系统正常运行，严重结壳还会造成反应器爆裂，危及人身安全。因此，本文以奶牛场粪便作为产发酵原料，利用实验室自制的厌氧发酵反应系统，分析机械搅拌、气搅拌、水力搅拌对反应器上层浮渣的影响，并以产气量为考核指标，通过正交试验，确定最适工艺组合，为大中型沼气工程提供实验基础和技术支持［6-8］。

1 试验材料与方法

本研究的发酵反应器采用不锈钢制成，为圆柱体形式，底面直径560 mm，高540 mm，有效容积100 L，填料容积70 L。反应器侧壁设有温度、pH值检测仪表，顶部设有压力检测仪表。反应器外设电加热夹套，启动期间，室内温度在15℃ ～20℃，通过温控仪控制反应器内温度为55±1℃。其搅拌方式如图1所示。

试验方法:分析不同搅拌方式影响牛粪高温厌氧消化参数因子的单因素试验，选取重要影响因子进行正交分析，确定最佳搅拌工艺。通过对发酵液上层表面悬浮固体的物的重量分析，确定不同搅拌方式对浮渣层的影响。

图1 试验装置Fig.1 The test devices

2 试验方法设计

2.1 不同搅拌方式的单因素厌氧发酵试验

2.1.1 机械搅拌单因素试验

固含量对总产气量的影响:将新鲜牛粪分别按照6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%的固含量，加入反应器当中，温度为55±1℃，周期14 d，研究固含量与产气量之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。搅拌时间对总产气量的影响:将新鲜牛粪分别按照8%固含量，加入反应器中，温度为55±1℃，周期14 d，分别研究在不同搅拌时间 5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 与产气量之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。搅拌频率对总产气量的影响:将新鲜牛粪按照8%固含量，加入反应器中，温度为55±1℃，周期14 d，分别研究在不同搅拌时间2 h一次、4 h一次、6 h一次、8 h一次与产气量之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。搅拌转速对总产气量的影响:将新鲜牛粪按照8%固含量，加入反应器中，温度为55±1℃，周期14 d，分别研究在不同搅拌转速40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min与产气量之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。

2.1.2 气搅拌单因素试验

研究固含量 6% 、7% 、8% 、9% 、10% 、11% 、12%;搅拌时间 5 min、10 min、15 min、20 min、25 min;搅拌频率 6 h一次、12 h一次、24 h一次、36 h一次、48 h一次;气搅拌压力 7.5 kp、9 kp、12 kp、15 kp、22 kp 与产气量之间的关系。

2.1.3 水力搅拌单因素试验

研究固含量 6% 、7% 、8% 、9% 、10% 、11% 、12%;搅拌时间5 min、10 min、15 min、20 min、25 min;搅拌频率6h一次、12 h一次、24 h一次、36 h一次、48 h一次;搅拌转速2.8 m3/h、3.3 m3/h、3.7 m3/h、4 m3/h、4.4 m3/h、4.9 m3/h与产气量之间的关系。

2.1.4 正交试验

根据单因素试验结果，选定重要影响因素及水平，进行正交试验，全面考察各因素对产气量效果的影响，并通过极差分析获得较优组合。

2.2 不同搅拌方式对反应器浮渣层厌氧发酵试验

在发酵周期结束5 d后，开罐，检测消化液上层表面悬浮物固体的物重量，结合前期的正交试验结果，分析不同搅拌方式对反应器浮渣层的影响结果。

3 结果与分析

3.1 正交试验结果与分析

3.1.1 机械搅拌对总气量的影响

表1 机械搅拌正交试验方案及结果Tab.1 The orthogonal experimental program and results of the mechanical agitation

由表1的极差分析可知，各因素对总产气量影响的大小顺序为A＞B＞C＞D，即固含量＞搅拌转速＞搅拌时间＞搅拌频率。最佳的因素水平组合为A3B1C1D2，即固含量9%、搅拌转速为50 rpm、搅拌频率6 h一次、搅拌时间20 min。

3.1.2 气搅拌对总气量的影响

表2 气搅拌正交实验方案及结果Tab.2 The orthogonal experimental program and results of the biogas agitation

由表2的极差分析可知，各因素对总产气量影响的大小顺序为A＞B＞D＞C，即固含量＞搅拌转速＞搅拌频率＞搅拌时间。最佳的因素水平组合为A3B2C3D3，即固含量9%、气搅拌压力为12 kp、搅拌频率8 h一次、搅拌时间25 min。

3.1.3 水力搅拌对总气量的影响

表3 水力搅拌正交实验方案及结果Tab.1 The orthogonal experimental program and results of the hydraulic agitation

由表3的极差分析可知，各因素对总产气量影响的大小顺序为A＞B＞C＞D，即固含量＞搅拌流量＞搅拌频率＞搅拌时间。最佳的因素水平组合为A3B3C3D1，即固含量9%、搅拌流量4.4 m3/h、搅拌频率24 h一次、搅拌时间5 min。

3.2 不同搅拌方式对反应器浮渣层影响结果分析

3.2.1 不同搅拌方式对日产气量的影响

不同搅拌方式对日产气量的影响如图2，在发酵第5 d天采取机械搅拌的试验组，其日产气量达到了最高峰101 L，产气速度明显快于其他两组和空白对照组，但至发酵第21 d，不加料时候，采用机械搅拌的试验组日产气量开始逐渐下降，说明该试验组已结束产气期，可利用的原料已几乎被完全利用。采用气搅拌的试验和水力搅拌实验的发酵速度仅次于机械搅拌，在试验开始的前7 d内，日产气量逐渐上升，至第8 d达到最高峰110L左右。空白对照组的日产气量随着时间的增加基本上一致，至发酵第25 d还保持较高的日产气量。各试验组的总产气量变化不大，总产气量最高的机械搅拌组和空白对照组仅相差673 L，这说明了采用不同的搅拌方式对产气速度影响较大，但对总产气量影响并不大。

图2 不同搅拌方式对日产气量的影响Fig.2 The effect of different mixing methods on the total biogas production rate

3.2.2 不同搅拌方式对反应器上层表面悬浮固体物重量的影响

图3 不同搅拌方式对浮渣层悬浮固体物重量的影响Fig.3 The effect of different mixing methods on the weight of scum layer suspended solids

图3表示的是不同的搅拌方式条件下，在试验结束后，开罐称量表面的悬浮固体物重量。由图可知，在厌氧发酵过程中，机械搅拌和水力搅拌组的效果最好，浮渣重量分别为10.5 kg和9.5 kg，气搅拌和无搅拌组相对较差，浮渣重量分别为 15.6 kg 和 18.3 kg。

4 结论

本项目利用实验室自制的厌氧发酵反应系统，分别对机械搅拌、气搅拌、水力搅拌影响牛粪高温厌氧发酵的因素进行分析，通过正交试验后，得出机械搅拌、气搅拌、水力搅拌的最佳工艺，由结果可知，产气量最高的是机械搅拌，其最佳工艺组合为固含量9%、搅拌转速为50 rpm、搅拌频率6 h一次、搅拌时间20 min。

但是在对上层浮渣进行称重的时候，发现上层浮渣最少的为水力搅拌，机械搅拌次之，结果表明，从发酵液的混合均匀程度来看，机械搅拌是最好的，但是从周期内对预防上层浮渣结壳的角度来说，水力搅拌是最好的。由于大中型的厌氧反应器有维修周期，所以在牛粪高温厌氧发酵过程中，采用机械搅拌方式具有较高产气量，同时有预防上层浮渣结壳的作用，为实现我国大中型沼气工程的工业化生产，特别是以牛粪作为发酵原料的大型沼气工程提供基础参考数据。

［1］毕峻玮，朱洪光，石惠娴，等.沼气气池搅拌的CFD模拟及温度场验证［J］.农业工程学报，2010，26(10):283—289.

［2］程洋，陈泽智，龚慧娟，等.搅拌对猪粪半干法发酵产沼气的影响［J］.安徽农业科学，2009，37(34):17021—17022，17054.

［3］杨浩，邓良伟，刘刈，等.搅拌对厌氧消化产沼气的影响综述［J］.中国沼气，2010，28(4):3—9，18.

［4］刘刈，王智勇，孔垂雪，等.沼气发酵过程混合搅拌研究进展［J］.中国沼气，2009，27(3):26—30.

［5］杨浩.高浓度物料沼气发酵过程传质特性研究及搅拌形式优化［D］.北京:中国农业科学院，2011.

［6］鲍安红.水压式沼气产生器的破壳装置［J］.农机化研究，2009，31(4):212—213，233.

［7］张一维.厌氧反应罐立体内循环搅拌浮渣破碎装置分析［J］.农业技术与装备，2011，(4):12—13.

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