微好氧预升温序批式干发酵装置设计与应用

郭占斌 衣 蕊,2 赵立欣 冯 晶 叶炳南 于佳动

(1.黑龙江八一农垦大学工程学院， 大庆 163319; 2.农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所， 北京 100125;3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081；4.农业农村部规划设计研究院农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室， 北京 100125)

0 引言

干法厌氧发酵是一种进料含固率大于或等于15%的高含固率厌氧发酵沼气生产技术，是有机固体废弃物高效处理、生产清洁能源、减排固碳的重要方式之一[1-2]。该技术在欧盟国家已得到广泛应用[3-6]。在我国，沼气工程90%以上建设在农村地区，秸秆、畜禽粪便是主要原料来源，传统的沼气工程(CSTR技术)发酵过程存在物料结壳、分层、搅拌不均匀等问题[7]。而序批式厌氧干发酵技术进出料及运行过程操作简单且无需安装物料搅拌装置，在处理农业固体废弃物清洁转化能源方面具备优势并引起了广泛关注[8]。然而，对于含纤维原料的序批式厌氧干发酵技术的研究正处于发酵机制探索和工艺优化等基础阶段，缺少一体化技术装备的开发与设计，工艺与装备的匹配及稳定性仍需进一步提升[9]。

近年来，围绕提升厌氧干发酵效率的探索取得了明显进展。在工艺调控研究方面，沼渣返混比例、接种方式、物料配比、喷淋频率等因素调控成为研究热点，文献[10]探明了秸秆占比高和牛粪占比高的情况下存在不同的喷淋-接种物复合调控策略，产甲烷速率提升20.4%～121.3%。文献[11]采用分层接种、沼渣返混等调控方式将干法厌氧发酵容积产气效率提升至1.6 L/(L·d)，并揭示了微生物间的协同作用关系，预测出嗜氢产甲烷代谢有助于提高厌氧干发酵中间产物(有机酸)的转化效率。在装备优化提升研究方面，文献[12]围绕进出料通畅性、装置密封性、侧壁保温性等开展关键部件设计，发酵装置的运行稳定性得到明显改善。然而，在使用纤维类原料发酵过程中原料分解率低、中间产物抑制、发酵过程传质传热不均匀等问题仍未解决，仍需专门对提升纤维类物料序批式厌氧干发酵技术装备适应性进行系统性研究，以确保实际应用中提高整体运行效率。

为此，文献[13]提出了微好氧同步预升温一体化序批式厌氧干发酵技术，发酵初始阶段调节曝气量创造微好氧环境，促进纤维类物料在48 h内快速升温至42.48℃以上，且物料各处温度无显著性差异，利用微生物自产热效应解决了传统侧壁加热不均匀、升温困难等问题，纤维素分解效率也提高了57.88%～85.53%。同时，厌氧发酵过程中间产物转化效率显著提升，累积沼气产量提高了56.76%。目前对该技术的研究已进入中试阶段，但在中试运行过程中发现，随着发酵装置的放大，存在曝气不充分、喷淋均匀性不高等问题，并且数据传输不及时也影响了反馈调控效率，仍需对装备的曝气、喷淋系统以及装置整体控制进一步设计优化，并达到连续高效运行的效果。

因此，本文设计微好氧同步预升温曝气和喷淋装置，探明装置最佳组合排布特性；优化集成一体化自动控制厌氧干发酵装备，并通过长期试验探明序批式启动运行高效调控策略，提升装备产气水平。面向实际应用，基于规模化奶牛养殖场粪污处理过程开展经济效益分析，并与传统CSTR厌氧发酵技术比较，揭示微好氧预升温厌氧干发酵工艺及装置在处理农业废弃物、转化清洁能源方面的经济优势。

1 关键系统设计

1.1 装备工作流程

将预先混配均匀的原料推送至发酵反应器内部，设备密封圈增压密封。空气压缩机启动运行，进行曝气预升温处理，曝气强度依据主发酵装置监测的溶氧量进行反馈调节，维持微好氧发酵状态并使物料自升温至中温后停止曝气。进入厌氧发酵产甲烷阶段，水浴循环维持中温发酵温度，实时监测渗滤液pH值、氧化还原电位(ORP)反馈调节喷淋强度，以变频喷淋的方式促进甲烷生产，工艺流程如图1所示。

1.2 曝气系统设计

1.2.1系统设计与工作原理

曝气系统由曝气管道、空气压缩机、流量计、温度探头、溶氧探头、阀门等主要部件构成。在干法厌氧发酵阶段前通过向物料曝气营造微好氧环境使物料自升温，曝气强度依据主发酵装置监测的溶氧量进行反馈调节，当溶氧量大于1.0 mg/L时停止曝气，溶氧量较小时继续根据设定频率曝气，使溶氧量保持在0.2～1.0 mg/L之间，维持微好氧状态实时监测物料温度，当物料自升温至中温温度(40℃)后反馈控制停止曝气。确保物料升温均匀，快速达到预定温度。

反应器主体积为1 m3，设计尺寸为0.8 m×0.8 m×1.7 m。反应器正面开口向内推送物料，内部物料反应区域尺寸设计为0.6 m×0.6 m×1.2 m。为确保物料进出不受阻碍，结合物料分布，设计曝气管道对称分布在物料两侧，考虑反应器两侧保温层厚度保留0.1 m，则两端管道间距为0.7 m。为使气体接触物料更加均匀全面，确保空气快速充满反应器，提高供氧的均匀性，共设置6支平行曝气管，单侧管道间距为0.5 m。管道上单侧开口高度8 mm，出气口不直对物料，气流吹向反应器内壁扩散，曝气系统示意图如图2所示。

1.2.2曝气量计算

通过向物料曝气的方式可显著提升物料温度，初期进行通风主要是为微生物提供生长所需的氧气[14]，当曝气量达到好氧堆肥初期的需氧量时，物料升温至厌氧发酵温度即停止曝气。根据公式[15]

Q=60μnqV

(1)

式中μ——物料区充满系数，取0.8

n——反应器数量

q——单位时间和体积内氧气消耗量经验值，取1.5 m3/(h·m3)

V——反应区体积，m3

计算求得单个反应器在预升温阶段所需风量Q=31.104 m3。其中，单个反应区体积为0.6×0.6×1.2=0.432 m3。

1.2.3风机选型

为使物料达到快速升温效果，在2 d内达到厌氧发酵所需温度，采用间歇式强制通风，风机每间隔1 h运行15 min，则所需通风量为3.24 m3/h。风机的风量应大于3.24 m3/h。空气压缩机的工作压力较大，对于固体有机废弃物好氧通风供氧具有很好的作用，因此选择ZBW64-40L型空气压缩机，风量95 L/min，功率1 500 W。

1.2.4曝气管道设计

曝气管道的布置应使物料供气充分均匀且达到最大有效通风量。管道选用耐腐蚀304管道。由公式

(2)

式中F——通风量，m3/h

v——管道内风速，m/min

计算求得曝气管道直径d=10.70 mm，实际管径取11 mm。

1.3 喷淋系统设计

1.3.1系统设计与工作过程

喷淋系统主要由沼液收集区域、喷淋泵、沼液回流泵、喷淋管道、喷淋头、pH探头、ORP探头等组成，结构组成如图3所示。在进行厌氧发酵喷淋时，沼液在喷淋泵的作用下通过喷淋管道流至喷嘴，喷淋到物料上方。喷淋频次为4次/d，单次喷淋量与物料干质量比为0.4。沼液向下渗透落至渗滤液收集区。为使物料不浸没在沼液中，渗滤液在回流泵的作用下回流至沼液池中。通过序批式厌氧干发酵装置上耦合在线监测技术，实时监测ORP、pH值，当pH值小于6.8时喷淋频次上升为6次/d，大于7.2时，喷淋频次下调至2次/d，使渗滤液pH值控制在6.8～7.2之间。并且当ORP大于-180 mV时停止喷淋，小于-180 mV时按上述喷淋频次继续喷淋，根据指标控制实现对喷淋系统进行自动调节。

喷淋是序批式厌氧发酵增加传质的主要方式[16]，为使厌氧发酵达到良好的发酵效果，在喷淋系统的设计上着重考虑喷淋管道的排布与喷头的排列，达到喷淋均匀的目的。

1.3.2喷嘴选型

喷淋的沼液粘度大且含有一定杂质。螺旋喷嘴与其他类型喷嘴相比(表1)，自由畅通直径与喷淋角度较大，可喷洒含颗粒杂质较多的液体，有效防止堵塞并且喷雾均匀全面。喷嘴结构示意图如图4所示。

为便于安装与日后维护，同时保证沼液在反应器内的喷淋效果，喷头数量要少。所以选择喷淋角可以达到120°的1/2BSJ-303SS12007型螺旋喷嘴，喷雾形状实心，自由畅通直径4.8 mm。当其工作压力为70 kPa时，喷淋角达到120°，喷嘴流量2.6 L/min。

1.3.3管径

在设计工作压力0.7 kPa的条件下，管道流量为44 m3/h，管道流速取常用值1.5～3.0 m/s，根据公式

(3)

式中D——喷淋管道管径，mm

Qd——管道流量，m3/h

计算求得D为72～102 mm，确定使用内径为80 mm的铸铁管。

1.3.4管路与喷头排布

喷头的布置应保证物料上方的每个部位均包络在水雾之中，因此采用面积包络法进行计算[17]，计算简图见图5，计算公式为

(R/2)2=(L/2)2+(H/2)2

(4)

将喷淋装置设计在反应器上部，则需要的喷淋面积为0.6 m×0.6 m。喷头底部到物料顶部距离设计为0.15 m,则喷淋的理论覆盖直径R为0.52 m。为使覆盖面积更均匀，保护对象高度取两圆相交两点到圆心的半径呈直角时相交点的距离，则H取0.37 m，求得L为0.37 m。则喷头间距应为0.37 m。在设计工作压力70 kPa的条件下，螺旋喷嘴的雾化效果均匀。根据计算排布喷头喷洒效果如图6所示。

由图6可知，为了保证包络保护对象，相邻的两喷头喷出的水雾有部分重叠，重叠水雾雾滴的碰撞使这部分水雾失去动能而下落，不能有效喷射到保护对象上。因此，有4处0.22 m×0.22 m的面积(图中未涂黑处)未得到与重叠面积一致的喷淋。所以需要在喷淋进行一定时间后改变喷淋流量使喷淋角改变为85°，覆盖直径改为0.275 m，只再次喷淋未重叠面积，再次喷淋后获得同样喷淋强度的面积如图7所示，在单位时间内，得到同样喷淋效果的覆盖面积占比87.33%，使喷淋达到均匀。

根据求得喷头间距为0.37 m,排布管道位置，入水口设置在上方，管道直径为0.08 m则相互并列的管道间距为0.29 m。管道排布方式如图8所示。

1.4 微好氧预升温序批式干发酵一体化装置结构

微好氧预升温序批式厌氧干发酵一体化装置主要由水浴系统、喷淋系统、发酵反应器、曝气系统、电控系统、密封系统等组成，装置示意图如图9所示，其采用PLC控制系统，主要参数见表2。将喷淋系统与曝气系统集成在反应器中，使其完成微曝气预升温、喷淋接种物、自动调控等工艺流程。

表2 微好氧预升温序批式干发酵一体化装置主要设计参数Tab.2 Main design parameters of micro aerobic pre-heating sequencing batch dry fermentation device

2 运行工艺设计

2.1 试验材料

本试验以玉米秸秆和牛粪为原料，玉米秸秆取自河北省张家口市崇礼县某农场，粉碎为粒径3～5 cm,实验室通风处保存，混料前，测定秸秆TS (Total solids)质量分数为(89.69±0.43)%。牛粪取自河北省三河市某使用干清粪收集工艺的规模化奶牛养殖场，牛粪取回放置在常温((25±0.5)℃)实验室保存，取用前，测定牛粪TS质量分数为(24.22±0.71)%，挥发性固体(Volatile solids, VS)质量分数为(16.21±0.28)%。接种物来自本实验室其他序批式厌氧干发酵装置试验结束产出的沼渣，并进一步厌氧培养至不产气作为本次试验接种物，测定其TS质量分数为(18.90±0.47)%。沼液取自河北省三河市某沼气工程，未经过滤，测定沼液TS质量分数为(1.22±0.04)%。

2.2 试验设计

为探究多组反应器序批启动对产甲烷效率的影响，耦合微好氧同步预升温序批式干发酵工艺开展不同组数反应器产沼气试验，通过长期试验，探明序批式启动运行高效调控策略。试验以玉米秸秆、牛粪混合为原料(秸秆与牛粪质量比6∶4)。设计3组试验，运行周期24 d，分别以4、8、12组反应器为单位，对应启动间隔为6、3、2 d。进料后密封反应器，均按照本文提出的自动控制频率对物料曝气、喷淋，进行长期厌氧干发酵试验。

2.3 指标测试方法

物料TS、VS含量根据美国APHA方法测定[18]，甲烷含量使用便携式沼气成分分析仪(英国Geotech公司)测定，在试验进行过程中，使用LMP-1型湿式防腐气体流量计(长春阿尔法仪器公司)每天记录沼气产量(L)。容积产气率根据沼气产量和反应器容积换算，容积产甲烷率根据容积产气率和甲烷体积分数换算，单位为m3/(m3· d3)。计算方法参照文献[19]。使用Miersoft Excel 2019进行基础数据处理与图形绘制。

2.4 试验结果与分析

通过长期厌氧发酵试验运行得出不同组数的反应器厌氧发酵产气特性如图10所示，其中图10a为容积产气率的变化，8组反应器在发酵前30 d一直呈上升趋势，后趋于平稳，容积产气率稳定在2.5 m3/(m3· d3)左右。12组与8组反应器趋势相近，而4组反应器在发酵第55天容积产甲烷率达到顶峰后呈下降趋势。8组较4组和12组反应器平均容积产气率分别提高了46.28%和56.13%。甲烷含量如图10b所示，12组反应器厌氧发酵甲烷含量最高，在第18天达到峰值后趋于稳定，4组、8组反应器与12组反应器甲烷含量趋势相近，整体上累计甲烷含量12组是4组和8组反应器的1.2倍和1.1倍。容积产甲烷率如图10c所示，8组反应器容积产甲烷率明显高于4组和12组反应器，在发酵30 d后趋于稳定，容积产甲烷率稳定在1.5 m3/(m3· d3)左右，与国内报道的序批式厌氧干发酵平均容积产气率相比增加了约87.5%。故在微好氧预升温序批式干发酵装置实际应用运行时应以8组反应器为单位，反应周期24 d，启动间隔3 d。

3 装置应用及经济效益对比

3.1 规模化奶牛场粪污处理工艺设计

以存栏500头规模化奶牛养殖场为例，通过有机废弃物资源化循环利用，建立以沼气工程为纽带，形成肥料、饲料、食品和能源的循环模式。工艺流程图如图11所示。

工艺流程为：牛场固体粪污废弃物采用刮粪板处理，与秸秆等农业废弃物混合，进入微好氧预升温序批式干发酵装备中进行厌氧发酵产沼气；液体废水作为接种物对物料进行喷淋接种。厌氧发酵沼气作为清洁燃料使用，沼气发酵残留物好氧堆肥制成有机肥还田。

3.2 规模化奶牛场粪污产生量计算

为更精确地掌握奶牛场各类牛群存栏头数分配情况，经对部分奶牛场走访调研，得出规模化奶牛场产奶牛与育成牛比例约为12∶5。文献[20-21]给出了不同饲养阶段的单日粪便产生量、尿液产生量，如表3所示。

表3 不同饲养阶段奶牛的排污量Tab.3 Emission coefficient of cows in different feeding stages

根据表3及公式

M=∑(Nifi)

(5)

式中M——粪污产生量，kg/d

Ni——养殖阶段i的畜禽数量,头

fi——养殖阶段i的产污系数,kg/(头·d)

计算得每天产生粪污总量为20 472.98 kg。

3.3 规模化奶牛场粪污处理量衡算

根据计算得出的养殖场粪污日产生量20.47 t，衡算确定微好氧预升温序批式干法厌氧发酵与传统湿法厌氧发酵所需的各项指标(表4)。本工艺与传统湿法厌氧发酵相比，每日用水量可减少约140.97 t，所需处理物料体积降低约120.26 m3，反应器体积减少了约71.4%。

表4 物料衡算Tab.4 Material balance

3.4 成本-效益分析

根据市场行情与相关文献估算本工艺与同等规模的厌氧湿发酵工艺工程成本，运行成本及收益[22-25],见表5、6。本工艺通过曝气预升温加热物料，不需设置加热系统，反应器体积更小，含固率更低，出料后可不进行固液分离直接堆肥，减少了工程投资和运行成本。同等规模，本工艺工程投资较传统湿法厌氧酵工艺减少约468.2万元，工程设施与设备投资分别降低了约70.39%和31.65%。年运行成本减少约91.5万元。本工艺投资回收周期约为4年，与传统湿法厌氧发酵相比减少了约1.3年。本工艺应用于规模化奶牛养殖场厌氧干发酵后粪污得到治理后,污染排放达到国家标准,减少了对水源的污染,保护和改善了周围的环境。

表5 工程成本对比Tab.5 Project cost comparison

表6 与传统工艺运行成本比较Tab.6 Comparison of operation cost with traditional process

4 结论

(1)设计了微好氧同步预升温一体化序批式干发酵装备，包括装备的喷淋系统和曝气系统。通过喷头特性比选出适合粘稠沼液循环的螺旋式喷嘴。计算求得喷头间距和管道直径分别为0.37 m和0.08 m。喷淋覆盖面积可达到物料表面积的87.33%，使喷淋达到均匀。设计曝气管道对称分布在物料两侧，共设置6支平行曝气管，单侧管道间距和两端管道间距分别为0.5 m和0.7 m。气体可快速充满反应器，提高了微好氧预升温启动效率，确保物料升温均匀。对ORP、pH值、溶氧量、温度等指标实时在线监测，根据指标范围，实现自动调控曝气与喷淋频率，提升了装置自动控制效果。

(2)通过长期试验验证，8组反应器容积产甲烷率明显高于4组和12组反应器，容积产甲烷率稳定在1.5 m3/(m3·d3)左右，确定多组反应器序批启动调控策略应为8组反应器，启动间隔为3 d，发酵周期为24 d。

(3)设计微好氧预升温一体化序批式干发酵装备应用于500头规模化奶牛养殖场工艺方案，并与使用传统湿法厌氧发酵的同规模养殖场进行了效益对比。工程设施与设备投资分别降低了约70.39%和31.65%。年运行成本减少约91.5万元。本工艺投资回收周期约为4年，与传统湿法厌氧发酵相比减少了约1.3年。