张蕾蕾 矫云学 丁伟 张重

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022)

引言

我国是农牧业发展大国，畜禽养殖产业的快速兴起导致每年畜禽粪污的排放量十分巨大。据统计，我国每年所产生的畜禽粪污可达4.4×109t，畜禽粪便的无害化处理已成为畜禽养殖业面临的紧迫问题，资源化利用畜禽粪便对改善生态环境、实现资源循环利用具有重大的现实意义和战略意义。厌氧发酵是实现废弃物资源化利用、减少环境污染、促进农业可持续发展的有效途径，利用沼气发酵技术可以将这些废弃物资源转变成清洁能源沼气和优质有机肥，对促进农村环境污染防治、能源消费结构改善、土壤改良、农业增产增收、食品安全等都具有重要意义，可推动农业的可持续发展和循环经济建设。目前工程上沼气发酵技术以湿法沼气发酵和干法沼气发酵为主，湿法沼气发酵TS<10%[1]，干清粪物料需加水稀释进行调浆处理，因此要对大量的水增温，耗能较高，发酵后产生的沼液量大不易消纳，处理不好极易造成二次污染；干法沼气发酵TS>20%[2]，发酵物料浓度较高，进出料困难，物料粘度大，难于搅拌或无搅拌，致使物料传热、传质相对不均[3]，以上2种技术在集约化养殖干清粪便处理上均存在一定的弊端。

针对上述问题，本研究开发了机械搅拌半干法厌氧发酵实验装置，用于畜禽干清粪便等农业有机废弃物进行半干法(TS浓度为15%～20%)[4]厌氧发酵实验研究，干清粪便可以直接加入厌氧反应器，不需加水或调节剂来调节物料浓度或透气性，相比传统湿法厌氧发酵具有沼液产生量少易于消纳、处理效率高的优点。该实验装置可实现连续进、出料厌氧发酵生产沼气，高浓度物料进料顺畅、搅拌均匀，具有自动控温、自动搅拌功能，实验装置操作十分便捷。

1 总体方案设计

机械搅拌半干法厌氧发酵实验装置由厌氧发酵反应器、脱水罐、脱硫罐、储气罐、沼气流量计等组成。实验装置核心设备为机械搅拌半干法厌氧发酵反应器，反应器设有定时搅拌装置，可实现自动搅拌，且可手动调节搅拌方向和搅拌转速；设有自动控温装置，使发酵温度稳定；设有螺旋进料器进料，可实现高浓度物料进料顺畅，设有出料口，用于取样和出料使用，该装置可实现连续进出料厌氧发酵产气。厌氧发酵所产沼气经脱水罐和脱硫罐进行净化，通过沼气流量计进行计量，利用储气罐进行收集。

2 实验装置整体结构设计

2.1 厌氧发酵反应器设计

2.1.1 反应器结构和工作原理

厌氧发酵反应器主要由发酵罐和电控箱2部分组成。发酵罐主要包括发酵罐体，搅拌装置，进料机构等；电控箱主要包括电控箱体，电能表，温控面板，搅拌控制面板，增温水箱，时控开关等；反应器结构如图1所示。

1.手摇螺旋进料摇把；2.手摇螺旋进料斗；3.操作口旋盖；4.发酵罐体；5.出料阀门；6.搅拌轴减速电机；7.反应器底座；8.增温水箱出水口；9.水箱液位计；10.电源开关；11.电能表；12.搅拌电源开关；13.搅拌转速调节器；14.搅拌方向开关；15.电控箱体；16.水套控温面板；17.水套温度监测面板；18.水箱控温面板；19.水箱温度监测面板；20.水套温控开关；21.水箱温控开关；22.增温水箱进水口；23.电线槽；24.水箱温度传感器；25.循环泵；26.电加热管；27.水箱水槽；28.时控开关；29.浮子液位开关图1 机械搅拌半干法厌氧发酵反应器结构示意图

发酵罐用于装载不同实验原料进行厌氧发酵使用，搅拌装置用于发酵物料的混合搅拌，并促进传质、传热，进料机构用于初始进料以及实验运行过程中的连续进料，电控箱置于反应器下方，箱体上布置安装各种电器元件，电能表用于能耗的计量，控温面板用于发酵温度的整体控制，搅拌控制面板用于搅拌开关及搅拌转速的控制，增温水箱用于储能增温，时控开关用于搅拌频率和搅拌时长的控制，温度传感器用于水箱和水套内的水温监测。

2.1.2 发酵罐体结构设计

发酵罐体结构示意如图2所示，发酵罐体包括内筒和外筒两部分，均由透明亚克力管加工制成，壁厚为10mm，发酵罐的上盖、罐底和搅拌器接口法兰由透明亚克力板加工制成，厚度均为20mm，另外出气管和进、出料口等也都使用透明亚克力材质加工而成。发酵罐设计反应容积为10L，考虑适用于畜禽干清粪高浓度物料，设计发酵罐为矮胖型立式圆柱罐结构，可以在内部布置卧式搅拌器强制高浓度物料沿轴向、径向混流及周向旋流运动，实现良好搅拌，设计发酵罐内腔直径及高度尺寸为Φ300mm×160mm。

1.水套出水口；2.发酵室；3.罐体上盖；4.换热水套夹层；5.温度探头插孔；6.水套进水口；7.罐体；8.出料口；9.出气管；10.搅拌器接口；11.进料口图2 发酵罐体结构示意图

2.1.3 机械搅拌装置结构设计

2.1.3.1 搅拌装置结构

机械搅拌装置设计为三轴卧式搅拌，3个卧式搅拌器沿圆周向呈120°布置，搅拌装置结构如图3所示。搅拌轴上设置螺旋分布的桨叶，桨叶上设有输送螺带，联轴器与减速电机连接，通过电机驱动搅拌器工作。搅拌器工作时，对料液能够实现垂直方向传质，轴向传质，并沿罐体圆周方向旋转，能够对高浓度物料进行全方位混合搅拌，促进厌氧菌与发酵物料充分混合接触，同时使罐体内部发酵温度均衡。

1.搅拌轴①；2.输送螺带；3.搅拌桨叶；4.搅拌轴②；5.搅拌轴③；6.联轴器图3 搅拌装置结构示意图

2.1.3.2 搅拌电机功率计算

搅拌功率与搅拌器的几何参数、物料的物性参数和搅拌器的运转参数等相关。搅拌器设计参数：搅拌器叶轮直径d=117mm；因为干清粪物料黏度相对较高，计算功率用转速设定为n=20r·min-1；反应器内料液密度按ρ=1×103kg·m-3计算；启动搅拌器所需的功率为P。

通过查询搅拌设备手册可知搅拌器功率计算公式[5]：

P=NPρn3d5

(1)

式中，P为搅拌器所需功率，W；Np为搅拌功率特征数；d为搅拌直径，mm；n为搅拌器的转速，r·s-1；ρ为搅拌介质的密度，kg·m-3。

搅拌功率特征数Np是搅拌设备最基本的特征参数之一，本研究搅拌器桨叶结构设计类型与MIG型桨叶比较接近，计算Np时参照多层平桨的方式，根据永田进治的搅拌功率计算公式[5]：

(2)

式中，A、B、P为方程式参数，可由b/D和d/D计算。

Re为雷诺数：

式中，H为料液深度；b为搅拌桨叶宽；D为搅拌槽的直径；θ为桨叶倾角；n为转速；d为搅拌直径；ρ为介质密度；u为介质的黏度。

本研究厌氧反应器是用于畜禽干清粪便厌氧发酵处理实验研究而开发设计的，用干清牛粪作为发酵原料，实测物料的黏度μ=19982mPa·s，求得雷诺数Re=2.283×10-4，因物料黏度较高，搅拌器桨叶结构类型参照3层平桨方式，常用介质黏度范围小于5×104mPa·s。因为本研究反应器的搅拌方式设计成卧式搅拌，料液深度按搅拌器第一片桨叶到最后一片桨叶水平距离计，即H=102mm，而搅拌槽的直径则参照料层高度计，则D=120mm，设计搅拌桨的叶宽b=16mm，利用公式(2)求得搅拌功率特征数Np=8.726。

则根据搅拌器功率计算公式(1)可求出单个搅拌器的功率P=20.1W。

为实现物料在轴向方向上的运动，本研究把搅拌桨叶布置为螺旋状，同时利用螺带连接，因此还需要计算搅拌过程中螺带耗用的功率，参照螺杆式搅拌器功率计算方式，如同公式(1)，但搅拌功率特征数的计算有所差别，计算公式[5]：

(3)

式中，h为螺带的长度；dj为螺带直径；Re为雷诺数。

单个搅拌器设有1条螺带，螺带直径dj为60mm，螺带的长度h为99.2mm，通过公式(3)算出螺带的搅拌功率特征数Np=1.56，进而计算出1条螺带消耗功率P=0.97W，因此可以求得单个搅拌器耗用总功率P=21.07W。一般电机工作效率为0.91，可计算得出单个搅拌电机功率为23.15W，参照电机型号功率对照表，选用功率为25W的电机。

2.1.4 电控系统设计

电控系统主要由电控箱及各种电器元件等组成，工作电源为220V/50Hz的标准电源。为了使反应器的厌氧发酵温度满足实验研究要求，发酵温度最高值设定为60℃，控温温差±1℃。通过设计电控系统使厌氧发酵反应器具有自动控温、自动搅拌、缺水状态下自动断电保护等功能，实现反应器自动化稳定运行，电控系统控制线路如图4所示。

QA.电源开关；BV.电机转速调节器；M1.搅拌电机I；M2.搅拌电机II；M3.搅拌电机III；M4.循环水泵；SA1.倒顺开关；SA2.水套控温开关；SA3.水箱控温开关；SL.水箱液位浮子开关；R.温度传感器；KC.保护继电器；WDB1.水套温控表；WDB2.水箱温控表；RR.加热棒图4 控制线路图

2.1.5 反应器工作原理

将反应器和电控箱连接到位，向增温水箱内注水，直至液面没过增温水箱内温度传感器并且浮子液位开关处于接通状态，再开启电源开关，指示灯亮起表明电源已接通。发酵温度控制：打开水箱和水套的温控开关，利用控温面板中“∧”键和“∨”键将水箱和水套内水温分别调至设定值，并且水箱内水温值要高于水套内水温值3～5℃，当水箱内水温低于设定值时，水箱温度监测面板红色指示灯亮起，此时电加热管已接通电源对水箱进行加热；当水套内水温低于设定值时，水套温度监测面板红色指示灯亮起，此时循环泵开始工作，将增温水箱内的热水送入水套夹层，为水套夹层内的水增温进而实现对发酵罐内物料换热增温，使发酵罐内物料温度保持在一个稳定值，最终实现恒温发酵；当监测到水箱和水套夹层内水温均达到设定温度，便进入恒温自动控制模式。搅拌方式控制：搅拌有手动搅拌和自动搅拌2种搅拌控制方式，手动搅拌控制，开启搅拌电源开关搅拌电机即进入工作状态，再利用搅拌转速调节器和搅拌方向开关进行搅拌转速及搅拌方向的设定，搅拌即按设定开始工作，关闭搅拌电源开关便停止工作。自动搅拌控制，将时控开关接入搅拌控制电路，并按实验需求设置几组搅拌开启和关闭的时间，时控开关设置为常开状态，开启搅拌电源开关，同时将搅拌转速与搅拌方向按实验需求进行设定，设置完成即进入自动搅拌控制模式。实验运行控制参数可以按实验需求随时进行调整设定。

2.2 沼气净化、储存及计量装置

为了净化厌氧发酵产生的沼气，设计了脱水罐和脱硫罐，均采用透明亚克力材料加工制作而成，罐体看起来简洁美观，罐体上分别设有进气口、出气口和排水口，脱水罐采用分子筛脱水工艺，脱除沼气中的水分；脱硫罐采用干法氧化铁脱硫工艺，用于脱除沼气中的硫化氢气体，净化程度较高。为了便于沼气的储存，设计了透明亚克力材料的浮罩式储气罐，浮罩式结构观察厌氧发酵产气情况非常直观，储气罐主要由内筒、外筒和配重架等构成，该储气罐储气压力低，对整个发酵系统有很好的保护作用。沼气流量计选用LMF-1防腐型湿式气体流量计。

3 试验测试

3.1 试验目的

实验装置运行稳定性测试以及该实验装置对畜禽干清粪便半干法厌氧发酵运行效果测试。

3.2 试验材料与试验装置

厌氧发酵试验以鲜牛粪(干清牛粪)为试验原料，取自吉林省长春市周边一肉牛养殖场，鲜牛粪干物质浓度为16.83%，试验用接种物为牛粪充分厌氧发酵培养的菌种，接种物干物质浓度为12.67%。实验装置为开发的机械搅拌半干法厌氧发酵实验装置，如图5所示。

1.储气罐；2.流量计；3.脱硫罐；4.脱水罐；5.厌氧反应器图5 机械搅拌半干法厌氧发酵实验装置

3.3 试验方法

取鲜牛粪适量从进料斗加入反应器发酵罐内，再加入接种物利用搅拌器混合均匀，接种物添加量占发酵物料总干物质的30%(干重比)，测得发酵物料TS浓度为15.32%，总装料量为6.5L，设置增温水箱温度为40℃，水套夹层水温为37℃，可以保证发酵物料温度为35±1℃，搅拌参数设定为搅拌转速20r·min-1，每4h搅拌1次，每次搅拌时长为2min。反应器在密封状态下进行为期25d的序批式厌氧发酵试验测试，厌氧产气过程中利用沼气流量计记录沼气产量，每天定时做好产气数据记录。

3.4 试验数据与分析

根据产气数据记录，绘制了一个测试周期25d的日产气量变化曲线，如图6所示。

图6 干清牛粪半干法厌氧发酵日产气量变化曲线

从图6中可以看出，一个测试周期25d内日产量总体上呈先逐渐上升后缓慢下降的趋势，厌氧发酵第7天日产气量到达最高值为19.08L，然后日产气量逐渐下降，25d的总产气量为316.34L，日平均容积产气率达1.26L/(L·d)，与黄超[6]等研究的CSTR反应器日平均容积产率1.008L/(L·d)相比高出25%，产气率较高，后续将进行连续式厌氧发酵工艺试验研究，以期在稳定运行生产的情况下获得更高处理效率和产气率。

经测试实验装置运行稳定可靠，能够自动对试验运行过程中搅拌和发酵温度进行准确控制，机械搅拌装置能对高浓度物料实现全方位混合搅拌，有效避免物料上、下分层，试验的初始进料和实验结束的出料都很顺畅，进、出料装置可靠，通过厌氧发酵运行试验，说明该实验装置能够满足畜禽粪便半干法厌氧发酵实验研究需求，可用于不同粪污半干法厌氧发酵的温度参数、搅拌参数及发酵物料浓度参数等对产气效果的影响进行细致深入的实验研究。

4 结论

机械搅拌半干法厌氧发酵实验装置设计结构合理，操作简便，能够适用于TS浓度为15%～20%的畜禽干清粪便半干法厌氧发酵实验研究，具有沼液产生量少，处理效率高的特点，同时易可用于粉碎的秸秆物料等进行厌氧发酵试验研究，但对于秸秆物料浓度不宜过高，否则会导致搅拌困难。该实验装置运行稳定，温度和搅拌参数可控，高浓度物料进料顺畅，有效解决高浓度粪便物料搅拌难、传热传质不均的问题，可用于连续进、出料运行试验研究。机械搅拌半干法厌氧发酵实验装置的开发，为实验室进行畜禽粪污等农业有机废弃物无害化处理技术研究提供了一种新的研究手段，可以推进畜禽粪污等农业有机废弃物无害化处理研究的进程。