趙蘭蘭 郭占斌 王心語(yǔ) 劉新鑫 盛晨緒 沈景德 代敏儀

摘要：國(guó)內(nèi)關(guān)于全混式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（CSTR）的研究較為匱乏，對(duì)其結(jié)構(gòu)各方面的設(shè)計(jì)參數(shù)大多是參考國(guó)外設(shè)計(jì)。重點(diǎn)對(duì)CSTR的結(jié)構(gòu)等應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要針對(duì)在沼氣工程應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)裝置中的全混式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的形狀進(jìn)行對(duì)比，概述圓柱形反應(yīng)器和卵形反應(yīng)器的研究進(jìn)展;同時(shí)還對(duì)反應(yīng)器的高徑比與擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納;最后對(duì)厭氧發(fā)酵過程中混合技術(shù)（攪拌器）的主要類型和攪拌速率進(jìn)行一定的整理，分析各攪拌形式的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍。綜合梳理全混式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)及攪拌的研究現(xiàn)狀，以期為CSTR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：CSTR;反應(yīng)器形式;混合技術(shù);綜述

中圖分類號(hào)： S216.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0095-05

收稿日期：2018-06-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（編號(hào)：2017YFD0800800-05）。

作者簡(jiǎn)介：趙蘭蘭（1993—），女，新疆阿勒泰人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎託夤こ谭较驒C(jī)械。E-mail：martin962464@163.com。

通信作者：郭占斌，博士，教授，主要從事水稻插秧機(jī)研究。E-mail：329984136@qq.com。

厭氧發(fā)酵是處理農(nóng)業(yè)廢棄物的主要手段，全混式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（CSTR）是當(dāng)今工程實(shí)踐中厭氧發(fā)酵的主要形式。而且，目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的沼氣工程濕法發(fā)酵工藝占主要地位[1]。但就目前而言，我國(guó)沼氣工程的運(yùn)行效率相對(duì)較滯后，如何提升現(xiàn)有CSTR的運(yùn)行效率，盤活現(xiàn)有沼氣工程是我們面臨的一個(gè)重要問題。這主要是由于國(guó)內(nèi)缺少對(duì)CSTR的建設(shè)和運(yùn)行的優(yōu)化研究。

首先，國(guó)內(nèi)的CSTR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，在發(fā)酵過程中存在缺陷[2];其次，適用于秸稈與牛糞共同反應(yīng)的濕法厭氧發(fā)酵十分有限，大多使用傳統(tǒng)的處理有機(jī)廢水、餐廚垃圾等流動(dòng)性較強(qiáng)原料的反應(yīng)裝置，并易造成進(jìn)出料困難、料液分層、結(jié)殼等問題，導(dǎo)致產(chǎn)氣不穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行能力差[3]。這些因素均阻礙了CSTR裝置在沼氣工程中的進(jìn)一步發(fā)展?？梢?，CSTR進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于提高全混式厭氧發(fā)酵效果的穩(wěn)定、連續(xù)、高效運(yùn)行具有重要意義。本文重點(diǎn)對(duì)CSTR的形式、結(jié)構(gòu)與攪拌的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為CSTR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒。

1反應(yīng)器形式

CSTR為帶有攪拌裝置的密封反應(yīng)器，根據(jù)形狀不同，主要可以分為圓柱形和卵形兩大類[4]。起初，國(guó)內(nèi)大多數(shù)沼氣工程大多選擇建立正方形或矩形的反應(yīng)器，但是由于反應(yīng)液角落部分流動(dòng)受限，從而導(dǎo)致反應(yīng)物反應(yīng)不完全，因此圓柱形反應(yīng)器和卵形反應(yīng)器被廣泛推廣使用[5]。根據(jù)不同反應(yīng)器內(nèi)部應(yīng)力研究進(jìn)行一定整理。

1.1圓柱形反應(yīng)器

因圓柱形反應(yīng)器外形設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單、便于操作，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在大型的沼氣工程中。1984年我國(guó)第1座預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土混合物料反應(yīng)器就是圓柱形反應(yīng)器，圖1為圓柱形反應(yīng)器工程實(shí)例。

圓柱形反應(yīng)器作為大型污水廠混合物料系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)筑物，工況較為復(fù)雜，其自身體形大、高度較高，是個(gè)典型的薄壁殼巨型結(jié)構(gòu)[6]。圓柱形反應(yīng)器一般以旋轉(zhuǎn)殼體、圓環(huán)梁及底板作為主要結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)殼體組合結(jié)構(gòu)不僅受力性能好、剛度大，還節(jié)省材料。但目前為止，設(shè)計(jì)人員對(duì)圓柱形反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算主要還停留在以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，以簡(jiǎn)單的理論驗(yàn)證為輔的階段。

目前，主要采用ANSYS軟件對(duì)圓柱形反應(yīng)器進(jìn)行研究，郭淑卿主要分析了單環(huán)預(yù)應(yīng)力筋張拉測(cè)試，得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較吻合，為今后采用理論計(jì)算直接配置預(yù)應(yīng)力筋提供了依據(jù)[7];而劉傳卿等則擴(kuò)大了研究范圍，分析了圓柱形反應(yīng)器在5種工況下的受力情況，認(rèn)為無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)反應(yīng)器壁有較大影響，并且得出靜水壓力及壁面溫差是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制荷載[8]。

1.2卵形反應(yīng)器

20世紀(jì)50年代開始，西歐（德國(guó)、奧地利等）國(guó)家開始對(duì)卵形反應(yīng)器進(jìn)行研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)受材料、施工技術(shù)的制約，限制了卵形反應(yīng)器的應(yīng)用[9]。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了卵形反應(yīng)器的推廣[10]。卵形反應(yīng)器也屬于典型的薄壁旋轉(zhuǎn)殼體，圖2為卵形反應(yīng)器的工程應(yīng)用實(shí)例，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員根據(jù)這一特點(diǎn)，展開大量研究。

Zingoni等對(duì)卵形反應(yīng)器的應(yīng)力和變形情況作了詳盡的分析，研究了開口薄壁球殼在不同的對(duì)稱荷載、不同邊界和變化的殼幾何參數(shù)，特別是殼厚對(duì)殼中峰值應(yīng)力的影響作用[11-12];Pavlovic等分析了邊界條件、材料因素對(duì)卵形反應(yīng)器結(jié)構(gòu)性能的影響[13]。

而國(guó)內(nèi)對(duì)卵形反應(yīng)器的研究和應(yīng)用起步相對(duì)較晚，20世紀(jì)80年代至今，陸續(xù)有學(xué)者對(duì)卵形反應(yīng)器的應(yīng)力等方面進(jìn)行研究，為后人對(duì)卵型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要參考。姜忻良等在大型沼氣工程中對(duì)卵形反應(yīng)器設(shè)計(jì)和施工中的諸多問題進(jìn)行了討論，認(rèn)為施加合理的預(yù)應(yīng)力，使池壁環(huán)向豎向均受壓，抵消了大部分由于其他荷載在池壁下部產(chǎn)生的豎向彎矩，從而使反應(yīng)器處于有利的受力狀態(tài)[14];宋紅玉則運(yùn)用大型通用有限元計(jì)算軟件ANSYS，采用參數(shù)化建模的方法對(duì)多種規(guī)格的卵形反應(yīng)器在靜力荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器半徑越小越經(jīng)濟(jì)[15];陳華明等則在進(jìn)行有限元分析后，明確指出在動(dòng)力作用下卵形反應(yīng)器的2個(gè)應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域，使技術(shù)人員對(duì)卵型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得重要參考[16]。

雖然圓柱形反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，但空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件的缺陷帶來混合的局限性，導(dǎo)致混合效果并不理想[17];與傳統(tǒng)形式的圓柱形反應(yīng)器相比，卵形反應(yīng)器受力性能較好，而且形狀特征更能滿足沼氣工程技術(shù)特點(diǎn)的要求，所以在發(fā)酵過程中日益受到重視[18]。2種反應(yīng)器特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。目前，我國(guó)的反應(yīng)器發(fā)展尚處于初期階段，可供設(shè)計(jì)參考的試驗(yàn)資料比較匱乏，相關(guān)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)也明顯滯后，對(duì)于不同混合原料厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在些許不足，因此，以提高混合效果與增加反應(yīng)器原料適應(yīng)性為目的，對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)需進(jìn)一步深入研究。

2CSTR結(jié)構(gòu)

CSTR是在常規(guī)厭氧反應(yīng)內(nèi)安裝了攪拌裝置，使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，活性區(qū)域面積與常規(guī)厭氧反應(yīng)器相比大大增加，因而其效率有明顯提高，而且非常適合總固體濃度（total solid，TS）為10%～12%的高濃度混合原料發(fā)酵[19]。同時(shí)CSTR裝置占地面積較小，可節(jié)省30%的占地面積;如若應(yīng)用在工程中，其建設(shè)周期縮短近50%。

CSTR運(yùn)行過程中，物料穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，并立即與反應(yīng)物料完全混合，反應(yīng)器內(nèi)的混合液連續(xù)排出[20]。對(duì)于厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要使反應(yīng)器體積最小化的同時(shí)產(chǎn)生最大體積的甲烷[21]。但是目前的CSTR結(jié)構(gòu)還存在些許不足，不能完全達(dá)到理想狀態(tài)。

2.1高徑比

反應(yīng)器幾何特征主要為反應(yīng)器形狀和高徑比（H/D）[22]。H/D作為反應(yīng)器最主要的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，對(duì)混合效果的提高具有重要意義。

不同的高徑比對(duì)不同反應(yīng)器內(nèi)混合效果的提高作用不同。Meironke發(fā)現(xiàn)高徑比越大，軸向溫度差異越明顯[23]。但是黃英超等在20 ℃室溫的實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)牛糞進(jìn)行批量式高濃度厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)不同高徑比未對(duì)牛糞高濃度厭氧水解酸化過程產(chǎn)生影響[24]。同時(shí)蘆漢超認(rèn)為卵形反應(yīng)器流態(tài)特征也不受高徑比影響[25]。因此，須要針對(duì)不同反應(yīng)器的高徑比進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到最佳設(shè)計(jì)方案。

高徑比對(duì)混合效果產(chǎn)生的影響也大不相同，但是在一定范圍內(nèi)增大高徑比，可提高混合效果。一般標(biāo)準(zhǔn)式發(fā)酵罐的H/D為1.75～3.00，常用的為2.0～2.5[26]。陳余認(rèn)為沼氣工程中以微生物為細(xì)菌的發(fā)酵罐，H/D為3.0左右混合效果最佳[27];田小峰等運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)的模擬分析后，認(rèn)為反應(yīng)器的H/D>7，混合效率才開始逐漸下降[28]。因此，H/D對(duì)不同反應(yīng)器內(nèi)原料混合效果的影響還須進(jìn)行深入研究。

2.2擋板

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于擋板的研究大部分集中在側(cè)壁直立擋板[29]，對(duì)于反應(yīng)器底部擋板的研究少且單一，主要包括十字型和曲線型2種，在底部擋板條件下的流場(chǎng)特性、混合效果和能耗方面的研究并不多[30]。同時(shí)關(guān)于擋板系數(shù)對(duì)攪拌效果影響的研究較多，但擋板安裝方式對(duì)攪拌效果和混合時(shí)間的影響較少[31]，大多是從試驗(yàn)中得出數(shù)據(jù)并進(jìn)行優(yōu)劣比較。因此，須要進(jìn)行深一步的研究探討。

大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)同在湍流攪拌過程中，傳統(tǒng)的攪拌器存在削弱混合效果的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”這個(gè)觀點(diǎn)[32]。季浪宇認(rèn)為在反應(yīng)器側(cè)壁增設(shè)擋板得以消除這種現(xiàn)象[33]。但同時(shí)，固體懸浮的過程中，這種側(cè)擋板容易形成固體顆粒堆積在反應(yīng)器底部，劉志炎等認(rèn)為改善這種情況可采用底部擋板，是因?yàn)閾醢逯苓厖^(qū)域流速較慢，可以在很大程度上消除攪拌作用引起的漩渦區(qū)[34]。

許卓等則借助Fluent軟件κ-ε湍流模型，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、傾斜擋板的工作狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬[35]，得出以下結(jié)論：擋板系數(shù)一定時(shí)，安裝方式對(duì)直葉渦輪槳的功耗變化較斜葉渦輪槳（PBT）變化小，傾斜擋板的功耗均比標(biāo)準(zhǔn)擋板功耗小，底部十字擋板功耗較大。

3混合方式

物料混合的過程極其復(fù)雜，不同的物料特性對(duì)混合效果都有很大的影響[36]。在CSTR內(nèi)部混合厭氧發(fā)酵過程當(dāng)中，秸稈浮渣與微生物產(chǎn)生的結(jié)殼對(duì)產(chǎn)氣效率與運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，而攪拌是使微生物與發(fā)酵原料混合充分的有效手段[37]。攪拌不僅能夠使反應(yīng)器內(nèi)的組成變得更均勻，改變物相的關(guān)系，還能促進(jìn)物理和化學(xué)反應(yīng)[38]。添加攪拌裝置可以將厭氧發(fā)酵反應(yīng)的混合反應(yīng)周期縮短，因此對(duì)混合技術(shù)進(jìn)行一定的分析研究，包括混合方式與混合速率這2個(gè)主要方面。

3.1機(jī)械攪拌

CSTR內(nèi)，通常以攪拌作為主要混合方式。機(jī)械攪拌通過設(shè)置攪拌周期、攪拌持續(xù)時(shí)間和攪拌強(qiáng)度等參數(shù)而達(dá)到最佳混合效果，但同時(shí)機(jī)械攪拌運(yùn)行過程中存在不易維修和能量消耗較大的弊端[39]。因此在有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程中，要根據(jù)發(fā)酵底物的特點(diǎn)選擇合適的混合方式。目前國(guó)內(nèi)外CSTR常用的混合方式主要為機(jī)械攪拌與氣液回流攪拌。

3.1.1立式雙軸攪拌

立式雙軸攪拌是典型的機(jī)械攪拌方式。目前，單軸立式攪拌器的研究較為成熟，但是其攪拌效率并不夠高[40]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高混合效果對(duì)單軸立式攪拌進(jìn)行諸多形式的研究以及改進(jìn)。

Thibault等利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法深入分析過一種立式同心雙軸組合式攪拌器，它的雙軸不僅可以對(duì)向旋轉(zhuǎn)、交叉攪拌，還能有效避免攪拌死角的出現(xiàn)[41];李永綱等針對(duì)低罐形的立式圓筒儲(chǔ)罐提出了多軸立式攪拌方式，而且認(rèn)為多軸同時(shí)攪拌，降低了單個(gè)攪拌槳對(duì)功率的要求，成本遠(yuǎn)低于單軸立式和側(cè)式攪拌[42]。目前而言，立式多軸組合式攪拌器在提高混合效果方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1.2側(cè)入式攪拌

側(cè)入式攪拌是指攪拌軸從罐體側(cè)面置入的攪拌方式。在消耗同等功率的條件下，側(cè)入式攪拌效果最佳。常安裝在特大型厭氧消化池內(nèi)，國(guó)外沼氣工程已廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)側(cè)式攪拌不同因素進(jìn)行詳細(xì)的分析討論。Wesselingh對(duì)不同尺寸的單個(gè)側(cè)入式攪拌器下攪拌槽內(nèi)的混合時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)研究，模擬分析了槳型、推進(jìn)槳偏角、雷諾數(shù)等不同條件下的流場(chǎng)和混合時(shí)間，模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合[43];梁家勇等對(duì)雙層側(cè)進(jìn)式攪拌槽固液流動(dòng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，雙層側(cè)進(jìn)式攪拌器達(dá)到臨界懸浮轉(zhuǎn)速時(shí)的固相懸浮高度為0.67 H（H為罐體高度），比單層側(cè)進(jìn)式攪拌高37%[44];陳佳等在對(duì)大型側(cè)入式攪拌進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，攪拌槳垂直向下5.71°或水平偏轉(zhuǎn)11°安裝能明顯改善流體運(yùn)動(dòng)[45]。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)側(cè)入式攪拌的研究分析相對(duì)較少，并且諸多學(xué)者對(duì)其研究多集中在數(shù)值模擬方面，關(guān)于工程實(shí)際應(yīng)用中大的應(yīng)用仍多以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主要依據(jù)，因此需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3.2氣液回流攪拌

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)械攪拌對(duì)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響研究較多，而對(duì)于氣液回流攪拌對(duì)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響研究較少，氣液回流攪拌相比于機(jī)械攪拌能增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)混合傳質(zhì)效果[46]。此外，氣液適當(dāng)回流還能夠增加原料利用率，提高厭氧發(fā)酵效率，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。氣液回流攪拌可分為沼氣回流攪拌與沼液回流攪拌。

3.2.1沼氣回流攪拌

Du等研究氣體誘導(dǎo)攪拌對(duì)甲烷合成水合物生成速率的影響，結(jié)果表明，水合物形成速率隨著十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）濃度從0增加到5×10-4 mol/L，約增加4倍[47]。這主要是由于增大了氣液接觸面積[48]，從而提高了甲烷水合物形成速率。

沼氣攪拌會(huì)更容易在過度攪拌時(shí)通過形成的細(xì)小氣泡將活性污泥和疏水基物質(zhì)帶到反應(yīng)器表面，進(jìn)而形成浮渣層[49]。此外，由于能夠累積更多的氣體，相比于其他形狀的反應(yīng)罐，圓柱形反應(yīng)罐更容易形成浮渣層。

3.2.2沼液回流攪拌

江皓等以雞糞和玉米秸稈為混合原料進(jìn)行干式厭氧發(fā)酵研究，結(jié)果表明，增加沼液回流后甲烷產(chǎn)量提高了1倍以上，實(shí)現(xiàn)了99.99%的產(chǎn)甲烷潛力[50];Michelea等利用CSTR進(jìn)行連續(xù)性固態(tài)厭氧發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)，沼液回流反應(yīng)器內(nèi)甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過80%[51];張成等在研究回流比對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸影響的結(jié)果顯示，調(diào)節(jié)回流比為300%時(shí)揮發(fā)性脂肪酸總量（volatile fatty acid，VFA）產(chǎn)量高于不回流攪拌和回流比為500%，由此提出過度提高回流比并不能提高產(chǎn)氣效率[52];同時(shí)鄧玉營(yíng)等經(jīng)試驗(yàn)證明，過高的回流比會(huì)導(dǎo)致氨氮積累，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)氣量下降[53]。這主要是由于過度回流會(huì)使發(fā)酵過程中可溶性輕金屬鹽離子濃度升高，氨氮濃度升高，膠體物質(zhì)增加等[54]。

由此可見，在沼氣工程中運(yùn)用沼液回流技術(shù)能促進(jìn)物料和溫度的均勻，提高沼氣的產(chǎn)氣效率。但是沼液的濃度過低或過高，又會(huì)影響沼氣發(fā)酵的正常進(jìn)行。因此目前須要針對(duì)回流攪拌沼液的濃度進(jìn)行深度研究。

綜合對(duì)比分析4種攪拌方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

3.3攪拌速率

在運(yùn)用機(jī)械攪拌的厭氧發(fā)酵過程中，攪拌速率對(duì)有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率顯得尤為重要。研究表明，以適度速率攪拌混合能增加微生物與底物的接觸程度，使得反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)更加均勻，然而攪拌速率過高，則可能會(huì)影響微生物的活性，導(dǎo)致產(chǎn)氣率下降[56]。

Stroot等研究發(fā)現(xiàn)，攪拌速率過高會(huì)破壞反應(yīng)器中形成的微生物群的結(jié)構(gòu)，從而破壞厭氧環(huán)境中各菌群間的空間分布關(guān)系[57];Kaparaju等認(rèn)為攪拌速率調(diào)整不當(dāng)則會(huì)減少沼氣產(chǎn)量[58]，余亞琴等指明這是由于過大或者不足的攪拌強(qiáng)度會(huì)使系統(tǒng)中不同種屬厭氧微生物的協(xié)同作用受到局部破壞所致[59]。

同時(shí)攪拌過于頻繁不僅會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行成本的增加，嚴(yán)重情況下，會(huì)破壞厭氧反應(yīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。蘇宜虎等認(rèn)為攪拌的速率不能超過5 m/s[60];Cubas等通過研究人工合成廢水厭氧反應(yīng)過程發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速的提高，化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）的去除效果則隨之提高，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)混合效果最佳[61];Rodrigues等通過研究人工合成廢水厭氧反應(yīng)攪拌過程發(fā)現(xiàn)，六葉渦輪式的攪拌強(qiáng)度為0～75 r/min，攪拌轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)混合效果最佳，過濾和未經(jīng)過濾的物料去除率分別達(dá)到80%、88%[62]。

合理的攪拌速率有利于物料的分散，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為厭氧反應(yīng)的每次攪拌時(shí)間不應(yīng)超過1 h，且混合物料最佳的攪拌混合均勻時(shí)間以30 min左右為宜[63]。因此，不同混合原料的最佳的攪拌速率必須通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，過高或過低的攪拌速率都會(huì)影響反應(yīng)器的厭氧反應(yīng)性能。

4結(jié)論與展望

本文綜述了國(guó)內(nèi)外全混式厭氧發(fā)酵制沼氣技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要以CSTR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究，主要內(nèi)容包括反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)以及混合方式等。

（1）CSTR形式設(shè)計(jì)以卵形反應(yīng)器為主，卵型反應(yīng)器更有利于底部沉淀物的排除和浮渣的消除，對(duì)于提高厭氧發(fā)酵混合效果較圓柱形反應(yīng)器更佳，但是對(duì)于卵形反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用還需深入研究。

（2）CSTR結(jié)構(gòu)中H/D與擋板的設(shè)計(jì)對(duì)混合效果的影響極其顯著。目前研究表明，根據(jù)混合原料的濃度不同，CSTR的H/D范圍大不相同，但H/D過高將會(huì)影響發(fā)酵效率;對(duì)擋板的諸多研究表明，底部擋板對(duì)發(fā)酵效果的提高更明顯。但對(duì)于反應(yīng)器高徑比、擋板增設(shè)位置等不同條件還需進(jìn)行深入研究。

（3）混合技術(shù)（攪拌）主要概述目前立式雙軸攪拌、側(cè)式攪拌與沼液回流式攪拌3種攪拌方式的應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)攪拌速率進(jìn)行一定的整理。在一定范圍內(nèi)提升攪拌速率可極大提升產(chǎn)氣效果。

目前對(duì)于國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)規(guī)模化沼氣技術(shù)而言，國(guó)內(nèi)CSTR技術(shù)還存在很大的發(fā)展空間。例如，其外觀設(shè)計(jì)、反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，如何對(duì)于高濃度混合原料適配的CSTR結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)其適配攪拌器的規(guī)格選型等已成為目前我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)亟需解決的主要問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bilitewski B，Werner P，Dornack C，et al. Trockenfermentation in der Landwirtschaft-Welche Substrate and Technikenfinden Anwendung. Anaerobe biologische Abfallbehandlung[D]. Dresden：Dresden University of Technology，2008：235-245.

[2]高磊. 玉米深加工過程廢水處理及回用模式研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[3]Audrey Favache，Denis Dochain. Power-Shaping control of an exothermic continuous stirred tank reactor （CSTR）[J]. IFAC Proceedings Volumes，2009，42（11）：99-108.

[4]龍良俊. 污泥厭氧消化工藝設(shè)計(jì)探討[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，23（3）：256-258.

[5]高海. 消化池結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2009.

[6]黑愛卿. 螺旋擋板激流式生物反應(yīng)器的流場(chǎng)仿真分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[7]郭淑卿. 圓柱形預(yù)應(yīng)力混凝土污泥消化池的受力分析[J]. 中國(guó)給水排水，2007，23（5）：93-96.

[8]劉傳卿，李守才，鄭巖，等. 圓柱形消化池多工況數(shù)值模擬分析[J]. 建筑構(gòu)型，2016，46（增刊1）：702-706.

[9]Sutter G，Hanskat C S. Words largest egg-shaped digesters[J]. Water Environment and Technology，1990，29（40）：52-55.

[10]Hurd M K，Hanskat C S. Prestressed concrete sludge digesters：words largest egg-shaped tanks built in Germany[J]. Concrete Construction，1990，35（1）：19-21.

[11]Zingoni A. Parametric stress distribution in shell-of-revolution sludge digesters of parabolic ogival form[J]. Thin Walled Struetures，2002，40（7/8）：691-702.

[12]Li Y Y，Noike T，Katsumata K，et al. Performance analysis of the full scale egg-shaped digester in treating sewage sludge of high concentration[J]. Water Science and Technology，1996，34（3/4）：483-491.

[13]Pavlovic M N，Zingoni A，Geckeler J W，et al. Edge disturbances in spherical shells with varying geometric parameters and support types，with particular reference to the thickness on the peak stress[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers，1991，91（3）：495-516.

[14]姜忻良，白玉平，高海. 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力卵形消化池的受力分析及設(shè)計(jì)[J]. 特種結(jié)構(gòu)，2005，22（2）：19-22.

[15]宋紅玉. 卵形反應(yīng)池結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì).中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)四屆四次會(huì)議論文集，2007：8.

[16]陳華明，范蘇榕，姜雷鋼. 預(yù)應(yīng)力蛋形消化池流固耦合有限元分析[J]. 地震工程與工程振動(dòng)，2009，29（2）：184-190.

[17]蘇婕，吳勝舉，胡淑芳，等. 圓柱形反應(yīng)器聲場(chǎng)分布研究[J]. 陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（6）：35-38.

[18]薛曉榮. 卵形消化池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 特種結(jié)構(gòu)，2001，18（2）：12-15.

[19]費(fèi)新東，冉奇嚴(yán). 厭氧發(fā)酵沼氣工程的工藝及存在的問題[J]. 中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2009（12）：30-34.

[20]代璐. 高含固污泥厭氧消化特性及硫控制技術(shù)研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2016.

[21]李夢(mèng)潔. 玫瑰秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性試驗(yàn)研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2017.

[22]饒彤彤. 好氧顆粒污泥現(xiàn)場(chǎng)中試系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造和運(yùn)行[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[23]Meironke H. Thermo fluidynamics of the multiphase flow inside Cylindroconical fermenters with different scales[C]// MATEC Web of Conferences. EDP Sciences，2014，18：5.

[24]黃英超，王麗麗，王忠江. 不同高徑比反應(yīng)器對(duì)牛糞高濃度水解酸化特性的影響[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（9）：125-127.

[25]蘆漢超. 機(jī)械攪拌厭氧反應(yīng)池流態(tài)研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2015.

[26]樊曉宇. 大型發(fā)酵罐設(shè)計(jì)中值得注意的問題[J]. 醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2011，32（5）：1-4.

[27]陳余. 淺談發(fā)酵罐的選型設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)工程與裝備，2011（10）：86-89.

[28]田小峰，張建成，劉獻(xiàn)玲，等. CFD在氣升式環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代化工，2013，33（7）：121-124.

[29]Zhao Y C，Li X Y，Cheng J C，et al. Experimental study on liquid-liquid macromixing in a stirred tank[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2011，75（10）：5952-5958.

[30]Luo J，Lv J M，Shen R C. Effects of baffle on the mixing effectiveness of a crossflowjet mixer[J]. Chemical Reaction Engineering and Technology，2006，22（3）：199-205.

[31]蔣展志，劉雪東，李巖，等. 底部對(duì)數(shù)螺線擋板對(duì)攪拌釜流場(chǎng)特性影響的數(shù)值模擬[J]. 常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，25（2）：67-71.

[32]Saeed T，Al-Muyeed A，Afrin R，et al. Pollutant removal from municipal wastewater employing baffled subsurface flow and integrated surface flow-floating treatment wetlands[J]. Journal of Environmental Sciences，2014，26（4）：726-736.

[33]季浪宇. 大顆粒固液兩相流碰撞反彈規(guī)律及磨損特性研究[D]. 杭州：浙江理工大學(xué)，2017.

[34]劉志炎，王星星，劉雪東. 橢圓底封頭異形擋板攪拌釜的混合性能分析[J]. 化工機(jī)械，2017，44（6）：619-625.

[35]許卓，趙恒文，鄭建坤. 立式攪拌槽中擋板結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌能耗影響的數(shù)值模擬[J]. 水電能源科學(xué)，2013，31（5）：162-165，197.

[36]Gu D Y，Liu Z H，Li J，et al. Intensification of chaotic mixing in a stirred tank with a punched rigid-flexible impeller and a chaotic motor[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2017，122：1-9.

[37]季立仁，李布青，葛昕. 雞場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)若干問題的探討[J]. 中國(guó)沼氣，2016，43（1）：68-71.

[38]蔡雅婷. 多相攪拌反應(yīng)器內(nèi)槳型對(duì)傳質(zhì)的影響[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2016.

[39]Evans W T，Cox C，Gibson B T，et al. Two-sided friction stir riveting by extrusion：a process for joining dissimilar materials[J]. Journal of Manufacturing Processes，2016，23：115-121.

[40]李永綱，黃雄斌. 立式圓槽內(nèi)多軸攪拌器固-液懸浮性能[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2012，12（2）：181-186.

[41]Thibault F，Tanguy P A. Power draw analysis of coaxial mixer with Newtonian and non-Newtonian fluids in the laminarregime[J]. Chemical Engineering Science，2002，18（57）：3861-3872.

[42]李永綱，黃雄斌. 立式圓槽內(nèi)多軸攪拌器固-液懸浮性能[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2012，12（2）：181-186.

[43]Wesselingh J A. Mixing of liquids in cylindrical storage tanks with side-entering propellers[J]. Chemical Engineering Science，1975，30（8）：973-981.

[44]梁家勇，周勇軍，盧源，等. 雙層側(cè)進(jìn)式攪拌槽固液流動(dòng)研究[J]. 輕工機(jī)械，2015，33（4）：35-38.

[45]陳佳，肖文德. 大型側(cè)進(jìn)式攪拌釜內(nèi)湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 化學(xué)工程，2013，41（8）：38-42，70.

[46]傅國(guó)志. 攪拌和沼液回流對(duì)麥秸序批式厭氧消化性能影響的試驗(yàn)研究[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2010.

[47]Du J W，Li H J，Wang L G. Cooperative effect of surfactant addition and gas-inducing agitation on methane hydrate formation rate[J]. Fuel，2018，230：134-137.

[48]Goshika B K，Majumder S K. Entrainment and holdup of gas-liquid-liquid dispersion in a downflow gas-liquid-liquid contactor[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2018，125：112-123.

[49]楊安逸. 沼氣攪拌式固定床的工藝及其生物膜特性[D]. 大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2015.

[50]江皓，沈怡，聶紅，等. 雞糞與玉米秸稈的干式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究[J]. 可再生能源，2018，36（5）：639-643.

[51]Michelea P，Giulianaab D，Carloc M，et al. Optimization ofsolid state anaerobic digestion of the OFMSW by digestate recirculation：a new approach[J]. Waste Management，2015，35：111-118.

[52]張成，黃天寅，馮延申，等. 回流比對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（8）：4529-4533.

[53]鄧玉營(yíng)，黃振興，阮文權(quán)，等. 沼液回流比與有機(jī)負(fù)荷對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（11）：198-206，133.

[54]Hu Y，Shen F，Yuan H，et al.Influence of recirculation of liquid fraction of the digestate（LFD） on maizest over anaerobic digestion[J]. Biosystems Engineering，2014，127：189-196.

[55]劉刈. 高濃度物料沼氣發(fā)酵過程混合攪拌及其影響因素的研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

[56]Weglowski M S，Pietras A. Friction stir processing analysis of the process[J]. Archives of Metallurgy and Materials，2011，56（3）：779-788.

[57]Stroot P G，McMahon K D，Mackie R I，et al. Anaerobic codigestion of municipal solid waste and biosolids under various mixing conditions——Ⅰ. Digester performance[J]. Water Research，2001，35（7）：1804-1816.

[58]Kaparaju P，Buendia I，Ellegagrd L，et al. Effectsof mixing on methane production during thermophilic anaerobic digestion of manure：lab-scale andpilot-scale studies[J]. Bioresource Technology，2008，99（11）：4919-4928.

[59]余亞琴，吳義鋒. 藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣機(jī)械攪拌工藝優(yōu)化及中試驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（22）：253-259.

[60]蘇宜虎，陳曉東，馬洪儒. 攪拌對(duì)沼氣發(fā)酵的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（28）：8961-8962，9004.

[61]Cubas A，F(xiàn)oresti E，Rodrigues J D，et al. Influence of liquid-phase mass transfer on theperformance of a stirred anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass[J]. Biochemical Engineering Journal，2004，17（2）：99-105.

[62]Rodrigues A D，Ratusznei S M，Camargo E M，et al. Influence of agitation rate on the performance of an anaerobic sequencing batch reactor containing granulated biomass treating low-strength wastewater[J]. Advances in Environmental Research，2003，7（2）：405-410.

[63]張慶華. 纖維質(zhì)高效水解關(guān)鍵技術(shù)及其在木薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用[D]. 無錫：江南大學(xué)，2012.