張蕾蕾 孫京

摘要：針對(duì)干清糞畜禽糞便物料濃度高、粘度大、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種超聲波振蕩機(jī)械攪拌臥式沼氣厭氧反應(yīng)器，該反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上采用超聲波振蕩和機(jī)械攪拌相結(jié)合的方式，可有效解決高濃度物料進(jìn)料難、傳熱傳質(zhì)效果差、發(fā)酵產(chǎn)氣難逸出等問題，為畜禽養(yǎng)殖干清糞無害化處理開辟一條新思路。

關(guān)鍵詞：超聲波振蕩;高濃度;沼氣;厭氧發(fā)酵;反應(yīng)器

中圖分類號(hào)：S23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215015

吉林省畜禽養(yǎng)殖糞便的產(chǎn)出量巨大，但處理和利用現(xiàn)狀不好，對(duì)水體、土壤以及大氣等環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，亟待處理和解決。厭氧發(fā)酵技術(shù)是解決該問題最為有效、合理的途徑，傳統(tǒng)的濕法厭氧發(fā)酵技術(shù)（如CSTR或UASB）處理干清糞時(shí)，易產(chǎn)生大量沼液難以消納，造成二次污染[1]，并且冬季耗能高，干法厭氧發(fā)酵技術(shù)（如MCT）處理干清糞時(shí)，發(fā)酵前需添加秸稈等調(diào)節(jié)劑增強(qiáng)物料透氣性，前處理工作較繁瑣、同時(shí)易造成環(huán)境污染。基于上述情況，研究開發(fā)一種適合于畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵處理的反應(yīng)器就顯得十分必要，反應(yīng)器在設(shè)計(jì)上不僅要充分考慮到高濃度發(fā)酵原料的進(jìn)出料，還要有效解決物料與微生物的接觸、物料的傳熱、反應(yīng)器的密封、保溫等問題，只有解決好這些問題，才能創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境，工程運(yùn)行才能穩(wěn)定。為此，本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了“超聲波振蕩機(jī)械攪拌臥式厭氧反應(yīng)器”，以實(shí)現(xiàn)畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。

1厭氧反應(yīng)器構(gòu)成

超聲波振蕩機(jī)械攪拌臥式厭氧反應(yīng)器主要由發(fā)酵槽、日光棚頂、聚氨酯保溫層、儲(chǔ)氣柜、攪拌裝置、超聲波振蕩裝置、蓄熱換熱水箱、液位計(jì)、進(jìn)出料裝置、沼液回流管、輸氣管路等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。反應(yīng)器發(fā)酵槽體設(shè)計(jì)為臥式結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器的入料端槽體底板和側(cè)墻上設(shè)有超聲波振蕩板，反應(yīng)器內(nèi)沿物料流向設(shè)有臥式長軸攪拌裝置，發(fā)酵槽體外表面整體噴涂聚氨酯發(fā)泡保溫層，發(fā)酵槽的底部設(shè)有蓄熱換熱水箱，發(fā)酵槽上方設(shè)有日光棚頂，在日光棚內(nèi)發(fā)酵槽體上面設(shè)有柔性膜儲(chǔ)氣柜，反應(yīng)器的頂部裝有液位計(jì)，進(jìn)料裝置位于發(fā)酵槽體的一端，出料選用轉(zhuǎn)子泵。

2反應(yīng)器各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能

2.1 發(fā)酵槽體

發(fā)酵槽體為容積50mm3的立方體結(jié)構(gòu)，選用普通碳素鋼板（Q235-AF）和矩形鍍鋅鋼管焊合而成，內(nèi)、外表面噴涂特制防腐漆防腐，整個(gè)反應(yīng)器是由2個(gè)單體50mm3的發(fā)酵槽并行排列構(gòu)成，并相互連通。

2.2攪拌裝置

針對(duì)畜禽干清糞便物料濃度高、粘度大、流動(dòng)性差，直接厭氧發(fā)酵時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)與微生物難以接觸充分，物料傳熱慢、傳熱不均勻，進(jìn)料易發(fā)生堆積滯留等問題，設(shè)計(jì)臥式長軸機(jī)械攪拌裝置，如圖1中13所示。臥式長軸機(jī)械攪拌裝置攪拌軸與物料流向平行，攪拌桿在攪拌軸上按螺旋線分布，攪拌葉片焊接在攪拌桿上，并與攪拌軸軸向成15°角，工作時(shí)不僅對(duì)物料起上下混合攪拌作用，同時(shí)對(duì)物料還起向前推動(dòng)作用。從而實(shí)現(xiàn)物料充分混合，促進(jìn)物料傳質(zhì)、傳熱，提高厭氧消化效率和產(chǎn)氣率，同時(shí)還有利于物料向前推流輸送。

攪拌裝置攪拌軸與發(fā)酵槽體間的密封設(shè)計(jì)為可拆換自封閉機(jī)械式軸密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由機(jī)械密封和自密封裝置2部分構(gòu)成，機(jī)械密封長期轉(zhuǎn)動(dòng)磨損需要更換時(shí)，反應(yīng)器不需要排料可直接更換，自密封裝置能夠很好地阻止物料泄露，起到持續(xù)密封作用，簡化了以往密封件更換程序，避免了更換密封件停產(chǎn)大清料問題。為反應(yīng)器長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了一定的保障。

2.3進(jìn)料及出料裝置

2.3.1進(jìn)料裝置

通過對(duì)畜禽干清糞便物料狀態(tài)和工程應(yīng)用可行性分析，設(shè)計(jì)了由三級(jí)絞龍構(gòu)成的進(jìn)料裝置，如圖3所示。三級(jí)絞龍進(jìn)料裝置由進(jìn)料箱、水平螺旋輸送平送絞龍、垂直螺旋輸送提升絞龍和傾斜螺旋輸送入料絞龍4部分聯(lián)合構(gòu)成。進(jìn)料時(shí)，用鏟車將物料加入進(jìn)料箱中，通過平送絞龍將物料輸送給提升絞龍，再輸送給入料絞龍后送入反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)進(jìn)料。入料絞龍出料端深入反應(yīng)器內(nèi)料液液面以下，通過液面形成水封進(jìn)行密封，密封安全可靠。

2.3.2出料裝置

該反應(yīng)器設(shè)計(jì)為連續(xù)式厭氧發(fā)酵工藝，每天進(jìn)料的同時(shí)也需要出料，出料由出料裝置完成，主要由出料閥、轉(zhuǎn)子泵、固液分離機(jī)、排料三通、排料管、排料閥和排料池構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意如圖3。

2.4沼液回流裝置

為了新進(jìn)物料能夠較好地移動(dòng)和很快參與反應(yīng)，設(shè)計(jì)了沼液回流裝置，利用回流沼液對(duì)新進(jìn)高濃度物料進(jìn)行一定程度的稀釋，增加其流動(dòng)性，避免由于進(jìn)料濃度過高產(chǎn)生堆料現(xiàn)象。同時(shí)回流沼液還有利于新進(jìn)物料接種，使新進(jìn)物料能夠直接與微生物菌接觸，加快反應(yīng)，提高產(chǎn)氣效率。沼液回流是通過在出料裝置的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)沼液回流管來實(shí)現(xiàn)，如圖3中2所示，工作時(shí)排料閥關(guān)閉，回流閥開啟。其工作原理是在入料絞龍進(jìn)料時(shí)，利用轉(zhuǎn)子泵將反應(yīng)器發(fā)酵槽末端的料液抽出，經(jīng)固液分離后將沼液經(jīng)回流管與入料絞龍中的新進(jìn)物料同時(shí)混合送入反應(yīng)器入料端，能夠起到很好的稀釋進(jìn)料和接種的效果，保障進(jìn)料順暢，促進(jìn)產(chǎn)氣率提高[2]。

2.5超聲波振蕩裝置

由于干清糞畜禽糞便物料粘度大、流動(dòng)性差，進(jìn)料時(shí)易在反應(yīng)器入料端發(fā)生堆積滯留，而且發(fā)酵產(chǎn)氣也不易逸出，為此在反應(yīng)器入料端設(shè)有超聲波振蕩裝置，主要由超聲波發(fā)生器和超聲波振蕩板組成。振蕩板設(shè)計(jì)在反應(yīng)器入料端槽體的底板和側(cè)墻上（超聲波振板如圖1中11所示），進(jìn)料過程中超聲波振蕩裝置工作。超聲波振蕩裝置的設(shè)計(jì)目的是利用其振蕩過程中形成的高壓氣泡瞬間爆炸產(chǎn)生的巨大能量（空化效應(yīng)），使物料中的不溶性物質(zhì)、粘附物和團(tuán)體粒子分散、脫離，便于物料流動(dòng)，從而防止物料堆積和促進(jìn)產(chǎn)氣的逸出，同時(shí)改變物料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)細(xì)胞分解[3]，通過起伏聲波的壓力及氣穴刺激釋放生物酶激活微生物，有效提高物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率。

2.6液位計(jì)