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摘要:大中型濕法沼氣工程發酵物料的攪拌一般以機械攪拌為主，由于長期運行機械攪拌部件易磨損腐蝕，維修麻煩，維護成本偏高。針對此現象，設計開發了一種實驗室用液體攪拌濕法厭氧發酵實驗裝置，該實驗裝置主要由立式厭氧發酵罐、液體攪拌裝置、電加熱水浴水套增溫裝置、沼氣計量及凈化儲存裝置等構成，可實現自動控溫、自動攪拌、連續厭氧發酵產氣，適用于干物質濃度為4%～8%的畜禽糞便等農業有機廢棄物厭氧發酵，可以通過設置不同厭氧發酵參數條件，研究液體攪拌對不同物料厭氧發酵產氣情況的影響，通過實驗數據研究分析優化相關進行參數，考察液體攪拌方式的適用性，為實驗室沼氣發酵技術研究提供了一種新的研究手段，為大中型濕法沼氣工程建設方案的制定提供理論基礎和參考依據。

關鍵詞:沼氣;厭氧發酵;液體攪拌;實驗裝置

前言

當前，我國每年畜禽糞污等農業廢棄物產出量巨大，這些廢棄物既是寶貴資源，又是污染源，若不經有效處理，將會嚴重污染人類賴以生存的環境［1］，同時，我國長期面對能源緊缺的現狀，問題亟待處理和解決，沼氣發酵是生物質能轉化最重要的技術之一，是將農業廢棄物進行資源化、能源化利用的一條合理有效的途徑，不僅能耗省，還能生產清潔能源沼氣和有機肥料［2］。目前沼氣發酵技術以濕法沼氣和干法沼氣發酵為主，但干法沼氣發酵技術由于物料含固率較高，很難實現厭氧發酵階段的物料攪拌，一般為間歇式厭氧發酵，以車庫式干發酵反應器為例，存在占地空間大、單體反應器不易擴大等缺點;濕法沼氣發酵技術物料含固率較低、流動性好，并且單體反應器容易放大，以連續式厭氧發酵為主，一般反應器內設有機械攪拌裝置用于物料混合攪拌，提高發酵效率，但由于機械攪拌長期運行機械部件易磨損腐蝕，維修麻煩，維護成本偏高。為此本研究設計開發了液體攪拌濕法厭氧發酵實驗裝置，液體攪拌是利用發酵液本身通過泵運轉所產生的液體流動來完成對物料的攪拌，是一種能耗低、操作維護簡單、易于密封的攪拌方式［3］，可以在實驗室完成攪拌、溫度、物料種類及物料濃度等因素在液體攪拌方式下對不同物料厭氧發酵產氣效果的影響研究，并優化其工藝參數，以期為大中型濕法沼氣工程的開發建設及運行提供技術參考和理論支撐。

1厭氧發酵工藝流程

該厭氧發酵實驗裝置適用于TS濃度為4%～8%的物料發酵，采用液體攪拌濕法厭氧發酵工藝，連續進出料、恒溫厭氧發酵，可實現自動控溫、自動攪拌連續厭氧發酵產氣，其工藝流程如圖1所示。

2實驗裝置結構組成及設計

2.1實驗裝置構成

厭氧發酵實驗裝置主要由反應器罐體、液體攪拌裝置、控溫裝置、電控裝置、沼氣凈化裝置、沼氣流量計和儲氣罐等組成。反應器設計為立式圓柱罐體結構，罐體側壁設有攪拌進液口和攪拌出液口，罐外設有循環泵，攪拌進、出液口與循環泵通過管路相連接，可以實現液體攪拌功能;反應器底部設有蓄熱增溫水箱，罐體側壁設有水浴水套換熱夾層，并設有溫度傳感器，用于對反應器內發酵料溫進行控制;電控裝置由電源開關、電能表、時控開關、攪拌開關、溫控開關等構成，用于厭氧發酵攪拌及溫度控制;沼氣凈化裝置由脫水罐及脫硫罐構成;沼氣流量計選用濕式氣體流量計;沼氣儲存采用浮罩式集氣罐。

2.2實驗裝置主體結構及控制系統設計

2.2.1反應器罐體結構設計

發酵罐體為容積16L的立式圓柱體結構，按照沼氣工程反應器一般容料量80%的原則，且保證裝料后厭氧發酵過程中不至于造成物料上浮堵塞出氣口，留有足夠的容氣空間高度，并借鑒以往研究經驗，確定發酵罐內腔直徑及高度尺寸為Φ200mm×520mm。發酵罐體內、外筒均采用壁厚10mm的透明亞克力管，發酵罐底、上蓋以及聯結法蘭均采用20mm厚透明亞克力板，進出料口以及溢流口等也均采用透明亞克力材料，采用透明罐體可以在厭氧發酵過程中更好地觀察反應器內物料發酵狀態。進料口與溢流口伸入罐體內液面以下的位置，保證厭氧發酵過程中起到良好的水封作用，在料液減少時，不會導致氣體泄露而影響實驗進行。

2.2.2液體攪拌的設計

液體攪拌方式通過采用污泥循環泵從料層上部抽出料液，從料層底部泵入，底部料液向上運動，強制料液循環實現攪拌作用，同時由于泵入過程中帶有一定的壓力，還可以破開底部沉淀物使其上浮，防止物料沉積。液體攪拌參數設計及循環泵的選擇如下。

2.2.2.1系統壓力設定物料在發酵過程中能使料液循環開即可，不需要過大壓力，取系統工作壓力為0.05MPa。

2.2.2.2循環泵流量計算發酵罐容積為16L，設計0.5min料液循環1次，則循環泵的流量Q=16×2=32L•min－1。

2.2.2.3電機功率計算N=P×Q/(60η)(1)式中，壓力P為0.05MPa，流量Q為32L•min－1，η循環泵總效率為0.8，則計算得功率N為33W。2.2.2.4管路內徑計算參照壓力油管設計，料管內徑:d1≥4.6QV1槡(2)式中，Q為循環泵的額定流量，L•min－1;V1為料液流速，V1=1.5m•s－1。計算得出料管內徑d1≥21.2mm，選用內徑為25mm的高壓軟管連接。

2.2.2.5循環泵選擇根據以上參數循環泵選用了最小的排污泵MP－4500型直流電動排污泵，該泵具有排液迅速、雙刀設計、效率高、耐腐蝕、結構緊湊、安裝方便等特點。循環泵主要參數為電壓12V，功率114W，流量36L•min－1，進口管內徑38mm，出口管內徑25mm，最大工作壓力0.2MPa。圖2循環泵2.2.3電控系統設計電控箱箱體采用白鋼材質，各電器元件集成在箱體上，并按各元件尺寸合理布局開孔安裝，箱體內部內置加熱增溫水箱，箱體結構緊湊，整體操作便捷。反應器控制電源采用標準工作電源220V/50Hz;溫度為了滿足厭氧發酵研究需要，設定最高溫為55℃，控溫波動范圍為±0.5℃。圖3控制線路圖QA:電源開關;BV:調速器;M1:液體攪拌電機;M2:循環泵;SA1:正反轉開關;SA2:溫控表1開關;SA3:溫控表2開關;SL:液面限位傳感器;R:溫度傳感器;KC:液面保護繼電器;WDB1:溫度控制表1;WDB2:溫度控制表2;RR:加熱器

3反應器結構及工作原理

3.1反應器整體結構

厭氧發酵反應器主要包括厭氧發酵罐及電控箱2部分，其整體結構示意如圖4所示。

3.2反應器工作原理

連接電控箱和反應器，從加水口往蓄熱水箱內加水至水面高于蓄熱水箱內溫度探頭，打開電源開關，電源指示燈亮表示電源接通。溫度設定，使用溫度控制面板中“+”和“－”調至設定溫度，打開溫控開關1和2，溫度監測面板紅色指示燈亮表示電熱管電源接通開始加熱。當溫度監測面板上所顯示溫度達到所設定溫度時，稍等數分鐘后，即可自動恒溫控制。攪拌設定，攪拌設定可手動攪拌與自動攪拌相互切換，手動攪拌時，打開攪拌控制面板中攪拌控制開關，綠色電源指示燈亮表示液體攪拌電機電源接通，關閉攪拌面板中攪拌控制開關攪拌即停止;自動攪拌時，使用可編程時控器設置攪拌開啟和關閉時間，將可編程時控器連入攪拌控制電路，保持攪拌控制面板中攪拌控制開關處于開啟狀態，攪拌方向及攪拌速度可事先設定。厭氧發酵實驗過程中可以根據實驗需要進行相關參數設定，工作時發酵液體從攪拌出液口1和攪拌出液口2吸出，經過攪拌泵體，再從攪拌進液口1和攪拌進液口2將攪拌液體泵入發酵罐內，如此進行液體循環完成厭氧發酵的液體攪拌過程。攪拌設定，攪拌設定可手動攪拌與自動攪拌相互切換，手動攪拌時，打開攪拌控制面板中攪拌控制開關，綠色電源指示燈亮表示液體攪拌電機電源接通，關閉攪拌面板中攪拌控制開關攪拌即停止;自動攪拌時，使用可編程時控器設置攪拌開啟和關閉時間，將可編程時控器連入攪拌控制電路，保持攪拌控制面板中攪拌控制開關處于開啟狀態，攪拌方向及攪拌速度可事先設定。厭氧發酵實驗過程中可以根據實驗需要進行相關參數設定，工作時發酵液體從攪拌出液口1和攪拌出液口2吸出，經過攪拌泵體，再從攪拌進液口1和攪拌進液口2將攪拌液體泵入發酵罐內，如此進行液體循環完成厭氧發酵的液體攪拌過程。

4實驗裝置運行調試

開發的液體攪拌濕法厭氧發酵實驗裝置實物圖如圖5所示，經裝料、接通電源、設定不同參數等進行7d的運行調試，實驗裝置各部件運行穩定，可實現物料發酵溫度的自動控制，自動定時攪拌，發酵物料液體攪拌效果較好，系統密封可靠、無泄漏，完全能夠滿足厭氧發酵實驗研究需求。

5結束語

液體攪拌濕法厭氧發酵實驗裝置的開發應用，為實驗室沼氣發酵技術的研究提供了一種新的研究手段，該實驗裝置運行穩定、操作簡便、參數可控，可以通過設定不同發酵溫度、攪拌時長、攪拌頻率等參數研究液體攪拌方式對不同物料厭氧發酵產氣情況的影響，優化出最佳工藝參數，并能為大中型沼氣工程建設方案的制定及運行提供理論基礎和參考依據。

參考文獻

［1］朱德文，曹成茂，陳永生，李瑞容，曲浩麗．秸稈厭氧干發酵產沼氣關鍵技術及問題探討［J］．中國農機化，2011(04):56－59．

［2］彭武厚，陸鑫．淺談沼氣發酵［J］．太陽能，2007(07):63－65，15．

［3］曹秀芹，趙東方，李彩斌，等．污泥厭氧消化過程攪拌技術研究進展［C］．中國土木工程學會全國排水委員會年會．中國土木工程學會，2011．

作者：張蕾蕾 邢向欣 袁存亮 張重 黃超 單位：吉林省農業機械研究院