张蕾蕾 孙京

摘要：针对干清粪畜禽粪便物料浓度高、粘度大、流动性差等特点，设计开发了一种超声波振荡机械搅拌卧式沼气厌氧反应器，该反应器在结构上采用超声波振荡和机械搅拌相结合的方式，可有效解决高浓度物料进料难、传热传质效果差、发酵产气难逸出等问题，为畜禽养殖干清粪无害化处理开辟一条新思路。

关键词：超声波振荡;高浓度;沼气;厌氧发酵;反应器

中图分类号：S23

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215015

吉林省畜禽养殖粪便的产出量巨大，但处理和利用现状不好，对水体、土壤以及大气等环境造成了严重的污染，亟待处理和解决。厌氧发酵技术是解决该问题最为有效、合理的途径，传统的湿法厌氧发酵技术（如CSTR或UASB）处理干清粪时，易产生大量沼液难以消纳，造成二次污染[1]，并且冬季耗能高，干法厌氧发酵技术（如MCT）处理干清粪时，发酵前需添加秸秆等调节剂增强物料透气性，前处理工作较繁琐、同时易造成环境污染。基于上述情况，研究开发一种适合于畜禽粪便高浓度厌氧发酵处理的反应器就显得十分必要，反应器在设计上不仅要充分考虑到高浓度发酵原料的进出料，还要有效解决物料与微生物的接触、物料的传热、反应器的密封、保温等问题，只有解决好这些问题，才能创造良好的厌氧环境，工程运行才能稳定。为此，本研究设计开发了“超声波振荡机械搅拌卧式厌氧反应器”，以实现畜禽粪便高浓度厌氧发酵生产沼气。

1厌氧反应器构成

超声波振荡机械搅拌卧式厌氧反应器主要由发酵槽、日光棚顶、聚氨酯保温层、储气柜、搅拌装置、超声波振荡装置、蓄热换热水箱、液位计、进出料装置、沼液回流管、输气管路等构成，其结构示意如图1所示。反应器发酵槽体设计为卧式结构，反应器的入料端槽体底板和侧墙上设有超声波振荡板，反应器内沿物料流向设有卧式长轴搅拌装置，发酵槽体外表面整体喷涂聚氨酯发泡保温层，发酵槽的底部设有蓄热换热水箱，发酵槽上方设有日光棚顶，在日光棚内发酵槽体上面设有柔性膜储气柜，反应器的顶部装有液位计，进料装置位于发酵槽体的一端，出料选用转子泵。

2反应器各结构设计及功能

2.1 发酵槽体

发酵槽体为容积50mm3的立方体结构，选用普通碳素钢板（Q235-AF）和矩形镀锌钢管焊合而成，内、外表面喷涂特制防腐漆防腐，整个反应器是由2个单体50mm3的发酵槽并行排列构成，并相互连通。

2.2搅拌装置

针对畜禽干清粪便物料浓度高、粘度大、流动性差，直接厌氧发酵时营养物质与微生物难以接触充分，物料传热慢、传热不均匀，进料易发生堆积滞留等问题，设计卧式长轴机械搅拌装置，如图1中13所示。卧式长轴机械搅拌装置搅拌轴与物料流向平行，搅拌杆在搅拌轴上按螺旋线分布，搅拌叶片焊接在搅拌杆上，并与搅拌轴轴向成15°角，工作时不仅对物料起上下混合搅拌作用，同时对物料还起向前推动作用。从而实现物料充分混合，促进物料传质、传热，提高厌氧消化效率和产气率，同时还有利于物料向前推流输送。

搅拌装置搅拌轴与发酵槽体间的密封设计为可拆换自封闭机械式轴密封结构，如图2所示，由机械密封和自密封装置2部分构成，机械密封长期转动磨损需要更换时，反应器不需要排料可直接更换，自密封装置能够很好地阻止物料泄露，起到持续密封作用，简化了以往密封件更换程序，避免了更换密封件停产大清料问题。为反应器长期稳定运行提供了一定的保障。

2.3进料及出料装置

2.3.1进料装置

通过对畜禽干清粪便物料状态和工程应用可行性分析，设计了由三级绞龙构成的进料装置，如图3所示。三级绞龙进料装置由进料箱、水平螺旋输送平送绞龙、垂直螺旋输送提升绞龙和倾斜螺旋输送入料绞龙4部分联合构成。进料时，用铲车将物料加入进料箱中，通过平送绞龙将物料输送给提升绞龙，再输送给入料绞龙后送入反应器实现进料。入料绞龙出料端深入反应器内料液液面以下，通过液面形成水封进行密封，密封安全可靠。

2.3.2出料装置

该反应器设计为连续式厌氧发酵工艺，每天进料的同时也需要出料，出料由出料装置完成，主要由出料阀、转子泵、固液分离机、排料三通、排料管、排料阀和排料池构成，其结构示意如图3。

2.4沼液回流装置

为了新进物料能够较好地移动和很快参与反应，设计了沼液回流装置，利用回流沼液對新进高浓度物料进行一定程度的稀释，增加其流动性，避免由于进料浓度过高产生堆料现象。同时回流沼液还有利于新进物料接种，使新进物料能够直接与微生物菌接触，加快反应，提高产气效率。沼液回流是通过在出料装置的基础上增加了一个沼液回流管来实现，如图3中2所示，工作时排料阀关闭，回流阀开启。其工作原理是在入料绞龙进料时，利用转子泵将反应器发酵槽末端的料液抽出，经固液分离后将沼液经回流管与入料绞龙中的新进物料同时混合送入反应器入料端，能够起到很好的稀释进料和接种的效果，保障进料顺畅，促进产气率提高[2]。

2.5超声波振荡装置

由于干清粪畜禽粪便物料粘度大、流动性差，进料时易在反应器入料端发生堆积滞留，而且发酵产气也不易逸出，为此在反应器入料端设有超声波振荡装置，主要由超声波发生器和超声波振荡板组成。振荡板设计在反应器入料端槽体的底板和侧墙上（超声波振板如图1中11所示），进料过程中超声波振荡装置工作。超声波振荡装置的设计目的是利用其振荡过程中形成的高压气泡瞬间爆炸产生的巨大能量（空化效应），使物料中的不溶性物质、粘附物和团体粒子分散、脱离，便于物料流动，从而防止物料堆积和促进产气的逸出，同时改变物料内部微观结构促进细胞分解[3]，通过起伏声波的压力及气穴刺激释放生物酶激活微生物，有效提高物料厌氧发酵产气速率。

2.6液位计