多级气液联合搅拌新型CSTR反应器的研制及其效益分析

刘健峰++张无敌++尹芳++王昌梅++赵兴玲++柳静++杨红++刘士清

摘要：针对传统CSTR反应器存在搅拌不均匀、微生物与有机物接触不充分、顶层易结壳、能源转化效率低、搅拌装置更换频繁、维修费用高等问题，研制了一种多级气液联合搅拌新型CSTR反应器，其包括连续搅拌全混合厌氧反应器主体、文丘里管、多级外循环管路。利用文丘里管实现了气液联合搅拌的效果，用泵把发酵液吸出，再通过文丘里管将其射入，沼气在射入位置的上部形成搅拌作用，可以防止发酵液上层结壳，液体通过流出和射入的液位差形成搅拌作用，而且可以根据发酵过程的不同情况，对发酵原料进行不同形式、不同程度的搅拌。与传统的CSTR反应器进行比较，新型CSTR反应器在造价上要比传统CSTR反应器贵0.450万元，但是在年运行费用上要比传统的CSTR反应器节省0.631万元，所以新型CSTR反应器的经济效益更高。

关键词：气液联合搅拌；文丘里管；CSTR反应器；厌氧消化

中图分类号：S237 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）01-0153-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.039

Development and Benefit Analysis of a Multi-stage Gas-liquid Stirred Digester

——New Continuous Stirred-Tank Reactor

LIU Jian-feng，ZHANG Wu-di，YIN Fang，WANG Chang-mei，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，YANG Hong，LIU Shi-qing

（Energy and Environmental Science Institute， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract：Focuse on the problems of traditional CSTR reactor such as in uneven mixing， microbes in contact with organic matter is not sufficient，the top crust is easy，low energy conversion efficiency，a stirring device change frequently and the higher maintenance costs. We developed a multi-stage gas-liquid joint stirred style CSTR anaerobic digester. The new CSTR reactor is composed of mixing continuous stirred anaerobic reactor main body，Venturi tube，multi-stage outside circle pipeline. The venturi tube plays an important role to achieve a joint gas-liquid stirring effect，using a pump to suck out the bio-slurry，and then to shot through the venturi tube，with the result of gas pluses in the upper position，it will have function of stirring so that it can prevent the upper bio-slurry from forming shell. As a result of that the liquid flowing power of the different levels between the entrance and the shooting level，an agitation is generated. Furthermore，our digester can provide many kinds of agitations according to different situations and fermentation process，to fit different fermentation raw materials in different forms and degrees. It is compared with the conventional CSTR reactors，it showed that the former costs is more than the latter， with about 4 500 RMB，but the new CSTR reactor can save 6 310 RMB in operating costs than the old ones per year，so the economical benefits of new CSTR reactor is better.

Key words： gas-liquid mixing； venturi tube； CSTR reactor； anaerobic digestion

沼氣工程是一种处理有机废弃物，实现废弃物的资源化、环保化、能源化利用的有效途径。通过厌氧消化过程，可以使有机物经过微生物的分解作用，产生清洁能源沼气，实现有机废弃物的资源化、环保化利用[1]。中国的沼气发酵技术始于20世纪30年代，经过波浪式的发展历程，到70年代后期开始蓬勃发展起来。近年来，厌氧消化新工艺被广泛研究与应用，厌氧消化技术应用于酒精、食品、屠宰、制药、畜禽养殖场、化工等近20个行业的废物处理工程[2-4]。到2013年年底，农村户用沼气已累计发展至4 122.52万户，约占中国农户总数的20%，具备了一定的发展基础；大中型沼气也取得了良好的进展；全国已建成处理农业废弃物沼气工程总池容达1 505.77万m3，在改善农村生态环境和解决农村能源方面发挥了积极作用[5]。对于大中型沼气工程建设，中国根据原料来源不同以及交通运输是否方便，进行了针对性的改进，如原料的预处理、厌氧消化工艺、沼气输配、制肥、消化液后处理等方面的设计改进[6]。目前，中国所建的大中型沼气工程绝大部分是CSTR反应器，因为CSTR反应器结构简单，成本低廉，是处理农业废弃物的最佳选择。但是，CSTR反应器搅拌不均匀、微生物与有机物接触不充分、顶层易结壳、能源转化效率低、搅拌装置更换频繁、维修费用高，因此对其进行改进优化具有重要意义。

当前，国内的大中型沼气工程的搅拌方式主要有机械搅拌和液体搅拌，这两种搅拌方式均存在一定的不合理性。①机械搅拌。机械搅拌是使用各种安装形式的机械装置，通过各种形式的机械运动使物料达到混合状态的一种搅拌方式。反应器长时间运行，机械叶轮会被腐蚀造成资源浪费，维修费用高，经济效益低，而且叶轮搅拌能耗较大，造成能源浪费。②液体搅拌。液体搅拌一般利用泵运转所产生的液体流动来完成对物料的搅拌，利用发酵液本身，通过泵抽取发酵液，再通过其冲击作用，打破发酵液表面结壳，实现发酵液搅拌，是一种能耗低、操作简单、保证罐体密封性的搅拌方式，但是液体搅拌不够充分，不能确保微生物与有机物的充分接触[6]。

目前，国内大部分沼气工程均为湿发酵反应器，湿发酵反应器发酵料液的TS浓度在4%～6%，发酵罐体内绝大部分为液体[7]。所以，本研究主要针对用于湿发酵的CSTR反应器存在的搅拌不均匀、微生物与有机物接触不充分、顶层易结壳、能源转化效率低、搅拌装置更换频繁、维修费用高等问题进行了改进。本研究利用带有文丘里管的外循环管路，实现了多级气液联合搅拌，提供了一种罐内设备少、结构简单、施工维修简便、搅拌效果好、运行费用低的厌氧反应装置。

1 材料与方法

1.1 设计方案

一种气液联合搅拌的新型CSTR反应装置如图1所示，在连续搅拌全混合厌氧反应器的外部安装含有文丘里管的多级外循环管路，在发酵过程中，可以通过循环泵将发酵液从Ax（其中x=1，2，3…N，N由反应器的搅拌级数来确定）吸出，通过文丘里管和外循环管路，再从Bx射入，沼气在射入位置的上部形成搅拌作用，而且可以达到防止发酵液上层结壳的效果，液体则在射入位置的下部形成搅拌作用，其中沼液出口的最下端一级应高于活性污泥层，另一方面配备有自动化控制设备和变速器，实现定时自动进料、自动搅拌，并且可以根据发酵过程的不同情况，对发酵原料进行不同形式、不同程度的搅拌。循环泵安装在出水端的最下面一级，沼液由于重力作用，可以自行流到泵处，为泵提供足够的沼液，可使泵更好地工作，而且方便安装和维修。在外循环管路上安装文丘里管，文丘里管的进气口与气柜相连，利用文丘里管的原理来达到气液搅拌和破壳的效果。在文丘里管的进气口段加一个沼气开关，可以有效地控制沼气的进气量，从而控制气体搅拌的程度。外循环管路的沼液出口端到文丘里管的管道直径应大于沼液进口端的管道直径，不但能保证文丘里管有足够的压力，而且可以确保沼液射流进入反应器。在沼液射入端口安装一个水力喷射器，来增强搅拌效果。

文氏管是文丘里管的简称，文丘里效应的原理则是当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动。文氏管的原理其实很简单，它就是把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在文氏管出口的后侧形成一个真空区。当这个真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用，如图2所示。液体从文丘里管的入口9进入，随之截面逐渐减小，液体流速加快。这时就在10吸附腔的进口内产生一个真空度，致使周围空气被吸入文氏管内，随着气液混合一起流进扩散腔11内，之后射流出去[8]。

1.2 设计内容及计算

1.2.1 新型CSTR反应器发酵罐体的设计 确定反应器发酵罐体的有效容积为6 L。根据V=（πD2/4）×H，即V=πR2×H。其中，V为反应器的有效容积，D为反应器的柱形直径，H为反应器的有效高度。取高径比为 1∶1，则上式可化为V=πD3/4。取V=6 L，可得D=■，则H=■。经计算可得D=H=0.2 m。

根據反应器柱体高与直径之比为1.0∶1.5较合理，可得柱体高h=0.13 m，分别取A1A2A3、B1B2B3B4的间距为柱体的1/3，可得进料口位于反应器右侧底端，A3位于距离底端0.04 m处，A2位于距离底端0.08 m处，A1位于距离底端0.13 m处。B4位于反应器左侧底端，B3距离B4 0.04 m，B2距离B4 0.08 m，B1距离B4 0.13 m。根据反应器内液面一般为淹没顶盖2/3，可以得到出料口位于距离底端0.17 m处[8]。

1.2.2 文丘里管的设计 由于搅拌太慢，水流量太小，吸气量较少，会导致射流压力小，搅拌不均匀、不充分，而搅拌过快又会致使发酵液从出气孔溢出，管道太细还会发生堵塞，因为15 mm管的流量为1.67～16.67 L/min，而反应器发酵罐体的有效体积为6 L，所以文丘里管选择15 mm管较合适[8]。文丘里管设计参数如表1所示。

1.2.3 新型CSTR反应器试运行发酵试验 在常温条件下，利用新型CSTR反应器处理水葫芦汁液，其中接种物是用水葫芦汁液长期驯化的猪粪。水力滞留时间为6 d，水葫芦汁液COD浓度为15 950 mg/L。分别用湿式流量计、CODmaxII在线测定仪、GC-6890A型气相色谱仪测定日产气量、COD、甲烷含量。

2 结果与分析

2.1 水葫芦产气情况分析

日产气量随发酵时间的变化如图3所示。日产气量随着发酵时间逐渐增多，第5天时逐步平缓，说明微生物已经适应了发酵环境，整个体系处于稳定状态。稳定后，平均日产气量为4.2 L，池容产气率为0.7 m3/m3·d，甲烷平均含量达到63%。

2.2 COD去除效果

进水COD浓度为15 950 mg/L，水力滞留时间为6 d时，反应器稳定后，出水COD浓度为3 900 mg/L，COD降解率为76%。

2.3 新型CSTR反应器试运行情况分析

结果表明，新型的CSTR反应器的出水COD为3 900 mg/L，根据CSTR反应器的特点，出水COD在4 000 mg/L左右均属正常范围，所以新型的CSTR反应器能够正常运行。

2.4 效益分析

2.4.1 经济效益分析 已在云南省安宁市建设了一项600 m3的沼气工程，采用气液联合搅拌新型CSTR反应器，以600 m3的沼气工程项目为例，对新型CSTR反应器与传统的CSTR反应器进行比较。新型CSTR反应器在造价上要比传统CSTR反应器贵0.450万元，但在年运行费用上要比传统的CSTR反应器节省0.630万元，沼气工程的寿命一般不能低于20年，所以20年运行下来要比传统的CSTR反应器节省12.623萬元。所以，从长远角度来看，新型的CSTR反应器要比传统的CSTR反应器的经济效益好（表2、表3）。

2.4.2 能源、环境效益分析 沼气工程本身就是一种处理有机废弃物，实现废弃物的资源化利用的有效途径，可提高厌氧反应器的效率，可以在单位时间内提高有机废弃物的资源化效率和产沼气效率，而且产生的沼气可以替代传统的煤矿燃料，达到节能减排、绿色能源的目的。

1 m3有效池体积的CSTR反应器液体搅拌所需的电量为0.005 kW·h/d，而机械搅拌的CSTR反应器所需电量一般为0.006 5 kW·h/d[9]。与液体搅拌相比，在相同的流量下，额外增加了一部分气体搅拌，也就是说在相同的耗电量下，增加了搅拌的程度，所以在相同的搅拌程度下缩短了搅拌时间，节省了耗电量，节省了能量。因此，与机械搅拌相比，新型CSTR反应器至少每天节约用电0.0015 kW·h/d，即1 000 m3沼气工程一年可节省219 kg的标煤，减排二氧化碳546 kg，减排149 kg碳粉尘，减排二氧化硫16.425 kg。

3 小结

本研究在传统的CSTR反应器的基础上进行了改进，利用文丘里管实现了气液多相联合搅拌。与传统CSTR反应器相比，既避免了罐体内机械搅拌装置腐蚀造成的资源浪费，又节省了维修费用，提高了经济效益。利用气液联合搅拌要比传统的机械搅拌更节省能源，可以达到节能减排的目的，具有良好的能源和环境效益。

参考文献：

[1] 闫荣阶，李福昌，张景跃.畜禽养殖有机废弃物沼气处理技术现状与发展方向[J].山东畜牧兽医，2006（4）：8-9.

[2] 李 刚，欧阳峰，杨立中，等.两相厌氧消化工艺的研究与进展[J].中国沼气，2001，19（2）：25-29.

[3] 管运涛，蒋展鹏，金 鹏.两相厌氧膜生物系统产气特性研究[J].中国沼气，1999，17（4）：3-6.

[4] 周岳溪，孔 欣，郝丽芳，等.水葫芦加动物排泄物两相厌氧生物处理工艺[J].环境科学研究，1996，9（6）：6-10.

[5] 高文永，李景明.中国农业生物质能产业发展现状与效应评价研究[J].中国沼气，2015，33（1）：46-52.

[6] 王朝勇，谢春燕，孙俊环，等.集中型沼气工程发展模式的探索[J].农机化研究，2014（6）：215-218.

[7] 张无敌，宋洪川，尹 芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[8] 谭奇峰，赵雨斌，王家成.文丘里管流量计在东深工程供水计量中的应用[J].中国仪器仪表，2002（Z1）：40-42.

[9] 齐 岳.沼气工程建设手册[M].北京：化学工业出版社，2013.