测量搅拌对高固含量牛粪沼气发酵产气量的影响实验

张重 张苏

摘 要：本实验根据不同搅拌条件下牛粪厌氧发酵产气情况进行对比实验分析，确定相对合理的搅拌参数。在实验室条件下，将9个相同浓度相同体积的物料，每天进行不同时长不同次数的搅拌，做28d厌氧发酵产气测试，通过对实验数据的比较分析，确定本实验沼气发酵的最优搅拌时长和次数。结论是每天搅拌4次，每次搅拌10min产气量最高。

关键词：搅拌;高固含量;产气量

中图分类号：S-3文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20191030023

引言

对于现代沼气技术，高固含量发酵工艺克服了传统湿法发酵工艺的容积产气量低、需水量大和能耗高等问题[1]，且产出的沼渣可直接用来生产高品质有机肥，在产生能源的同时又满足了对环境的保护和高品质肥料的生产[2]。搅拌的目的在于使反应器内发酵物料温度分布均匀，使发酵细菌和发酵物料充分接触，加快发酵速度，提高产气量，且有利于发酵产气的逸出。搅拌时间过短，则导致消化率下降，达不到有效的搅拌效果;搅拌时间过长，不利于达到一个稳定的沼气发酵平衡状态，甚至会破坏厌氧微生物的生存环境，影响产气效果[3];如搅拌程度比较剧烈时，会造成互营菌分离，不利于种间氢转移，反而使沼气发酵效率更低。因此，适当的搅拌对整个沼气发酵过程来说具有举足轻重的作用，本实验采用相对较低的搅拌速度。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置为滁州市蓝宇环保设备制造有限公司制造的10L厌氧消化反应器（图1），能根据实验需要设定温度，自动控制并维持厌氧消化反应器恒温运行，并能根据实验的设定，自动定时打开和关闭搅拌，且可手动调节搅拌方向和搅拌速度。性能指标：标准工作电源220V/50Hz;温度为室温～60℃;控温波动范围为±0.5℃;搅拌功率 90W;搅拌转速8r/min。

1.2 实验材料

实验用鲜牛粪取自吉林省乾安县一养牛场，实验用接种物为发酵3个月以上的沼气池新排出的沼渣。

1.3 实验方法

将9个10L的厌氧发酵反应器进行编号，分别记为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#，装入相同成分及体积的物料，设定相同的发酵温度，搅拌转数8r/min，然后对搅拌时间和搅拌次数进行设定：

1#：每次搅拌时间5min，每天搅拌2次;

2#：每次搅拌时间5min，每天搅拌4次;

3#：每次搅拌时间5min，每天搅拌6次;

4#：每次搅拌时间10min，每天搅拌2次;

5#：每次搅拌时间10min，每天搅拌4次;

6#：每次搅拌时间10min，每天搅拌6次;

7#：每次搅拌时间15min，每天搅拌2次;

8#：每次搅拌时间15min，每天搅拌4次;

9#：每次搅拌时间15min，每天搅拌6次。

做28d厌氧发酵产气测试，通过对实验数据的比较分析，确定本工艺沼气发酵的每次搅拌时间和搅拌次数。

1.4 实验步骤

1.4.1 备料

备足鲜牛粪，测定其干物质浓度（TS）为18.13%。

1.4.2 调配

取适量鲜牛粪加入相当于牛粪总质量30%的接种物，干物质浓度调至18%， pH值调整为6.8～7.2。

1.4.3 装料

将调配好的物料分别等量装入9个10L厌氧反应器内。

1.4.4 密封

通过胶管连接好集气箱和排水箱，集气箱贮满水，并封闭好系统各密封处，形成厌氧环境。

1.4.5 设定温度及搅拌进入厌氧发酵状态

发酵温度均设置35℃，搅拌转数8r/min，每天搅拌次数及每次搅拌时间按实验方法中规定进行设置，设置完成后进入厌氧产气阶段。

1.4.6 排气记录数据

每天定时排气、补水，并记录日产气量。

1.4.7 产气量的测定

实验中日产气量采用排水法测量，反应期内每天10∶00用量筒测量集水箱中水的体积来统计产气量，即得到日产气量，做好28d的连续产气记录。

1.4.8 实验数据

根据所得的实验数据绘制不同搅拌参数条件下产气情况表1。

2 结果与分析

由表1可以看出，每次搅拌10min和15min的反应器，其产气量都比搅拌5min的产气量高，说明搅拌时间足够长才能达到较好的混料效果，促进产气量的提高。而从5min、10min、15min各攪拌组对比看出，每天搅拌4次对应各组平均容积产气率相对较高，其中5#厌氧反应器，每天搅拌4次，每次搅拌10min对应平均容积产气率最高，28d平均容积产气率达到0.812L/（L·d）。每天搅拌2次产气率偏低，说明对于同一时长搅拌组，每天搅拌次数少，不能保证全天各个时间段发酵细菌与发酵原料充分接触，从而造成产气率不高;每天搅拌6次产气率最低，说明搅拌次数过多，会破坏甲烷菌生长所需的相对宁静环境，不利于产甲烷菌和产氢产乙酸菌以互营联合关系存在于有结构的污泥中，不利于种间氢的转移，反而使沼气发酵效率降低，影响产气量，除此之外过多搅拌还会增加动力消耗。通过实验分析认为本课题搅拌装置每天按搅拌4次，每次搅拌10min工作较为合理。

参考文献

[1] 王飞， 蔡亚庆， 仇焕广.中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J].农业工程学报， 2012， 28 （1） ：184-189.

[2]武少菁， 刘圣勇， 王晓东， 等.秸秆干发酵产沼气技术的概述和展望[J].中国沼气， 2011， 26 （4） ：20-23.

[3]马旭光， 李传友， 袁旭峰， 等.高含固率秸秆和牛粪混合物料发酵产甲烷工艺[J].农业工程学报， 2014， 30 （14） ：227-235.

作者简介：

张重（1985- ），男，副研究员。研究方向：农业有机固体有机废弃物的处理和转化以及相关的设备设计。