劉健峰++張無敵++尹芳++王昌梅++趙興玲++柳靜++楊紅++劉士清

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器存在攪拌不均勻、微生物與有機(jī)物接觸不充分、頂層易結(jié)殼、能源轉(zhuǎn)化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費(fèi)用高等問題，研制了一種多級(jí)氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器，其包括連續(xù)攪拌全混合厭氧反應(yīng)器主體、文丘里管、多級(jí)外循環(huán)管路。利用文丘里管實(shí)現(xiàn)了氣液聯(lián)合攪拌的效果，用泵把發(fā)酵液吸出，再通過文丘里管將其射入，沼氣在射入位置的上部形成攪拌作用，可以防止發(fā)酵液上層結(jié)殼，液體通過流出和射入的液位差形成攪拌作用，而且可以根據(jù)發(fā)酵過程的不同情況，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行不同形式、不同程度的攪拌。與傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器進(jìn)行比較，新型CSTR反應(yīng)器在造價(jià)上要比傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器貴0.450萬元，但是在年運(yùn)行費(fèi)用上要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器節(jié)省0.631萬元，所以新型CSTR反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)效益更高。

關(guān)鍵詞：氣液聯(lián)合攪拌；文丘里管；CSTR反應(yīng)器；厭氧消化

中圖分類號(hào)：S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）01-0153-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.039

Development and Benefit Analysis of a Multi-stage Gas-liquid Stirred Digester

——New Continuous Stirred-Tank Reactor

LIU Jian-feng，ZHANG Wu-di，YIN Fang，WANG Chang-mei，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，YANG Hong，LIU Shi-qing

（Energy and Environmental Science Institute， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract：Focuse on the problems of traditional CSTR reactor such as in uneven mixing， microbes in contact with organic matter is not sufficient，the top crust is easy，low energy conversion efficiency，a stirring device change frequently and the higher maintenance costs. We developed a multi-stage gas-liquid joint stirred style CSTR anaerobic digester. The new CSTR reactor is composed of mixing continuous stirred anaerobic reactor main body，Venturi tube，multi-stage outside circle pipeline. The venturi tube plays an important role to achieve a joint gas-liquid stirring effect，using a pump to suck out the bio-slurry，and then to shot through the venturi tube，with the result of gas pluses in the upper position，it will have function of stirring so that it can prevent the upper bio-slurry from forming shell. As a result of that the liquid flowing power of the different levels between the entrance and the shooting level，an agitation is generated. Furthermore，our digester can provide many kinds of agitations according to different situations and fermentation process，to fit different fermentation raw materials in different forms and degrees. It is compared with the conventional CSTR reactors，it showed that the former costs is more than the latter， with about 4 500 RMB，but the new CSTR reactor can save 6 310 RMB in operating costs than the old ones per year，so the economical benefits of new CSTR reactor is better.

Key words： gas-liquid mixing； venturi tube； CSTR reactor； anaerobic digestion

沼氣工程是一種處理有機(jī)廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化、環(huán)?；?、能源化利用的有效途徑。通過厭氧消化過程，可以使有機(jī)物經(jīng)過微生物的分解作用，產(chǎn)生清潔能源沼氣，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的資源化、環(huán)?；肹1]。中國的沼氣發(fā)酵技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過波浪式的發(fā)展歷程，到70年代后期開始蓬勃發(fā)展起來。近年來，厭氧消化新工藝被廣泛研究與應(yīng)用，厭氧消化技術(shù)應(yīng)用于酒精、食品、屠宰、制藥、畜禽養(yǎng)殖場、化工等近20個(gè)行業(yè)的廢物處理工程[2-4]。到2013年年底，農(nóng)村戶用沼氣已累計(jì)發(fā)展至4 122.52萬戶，約占中國農(nóng)戶總數(shù)的20%，具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)；大中型沼氣也取得了良好的進(jìn)展；全國已建成處理農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程總池容達(dá)1 505.77萬m3，在改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和解決農(nóng)村能源方面發(fā)揮了積極作用[5]。對(duì)于大中型沼氣工程建設(shè)，中國根據(jù)原料來源不同以及交通運(yùn)輸是否方便，進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)，如原料的預(yù)處理、厭氧消化工藝、沼氣輸配、制肥、消化液后處理等方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)[6]。目前，中國所建的大中型沼氣工程絕大部分是CSTR反應(yīng)器，因?yàn)镃STR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，是處理農(nóng)業(yè)廢棄物的最佳選擇。但是，CSTR反應(yīng)器攪拌不均勻、微生物與有機(jī)物接觸不充分、頂層易結(jié)殼、能源轉(zhuǎn)化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費(fèi)用高，因此對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化具有重要意義。

當(dāng)前，國內(nèi)的大中型沼氣工程的攪拌方式主要有機(jī)械攪拌和液體攪拌，這兩種攪拌方式均存在一定的不合理性。①機(jī)械攪拌。機(jī)械攪拌是使用各種安裝形式的機(jī)械裝置，通過各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使物料達(dá)到混合狀態(tài)的一種攪拌方式。反應(yīng)器長時(shí)間運(yùn)行，機(jī)械葉輪會(huì)被腐蝕造成資源浪費(fèi)，維修費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)效益低，而且葉輪攪拌能耗較大，造成能源浪費(fèi)。②液體攪拌。液體攪拌一般利用泵運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的液體流動(dòng)來完成對(duì)物料的攪拌，利用發(fā)酵液本身，通過泵抽取發(fā)酵液，再通過其沖擊作用，打破發(fā)酵液表面結(jié)殼，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液攪拌，是一種能耗低、操作簡單、保證罐體密封性的攪拌方式，但是液體攪拌不夠充分，不能確保微生物與有機(jī)物的充分接觸[6]。

目前，國內(nèi)大部分沼氣工程均為濕發(fā)酵反應(yīng)器，濕發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)酵料液的TS濃度在4%～6%，發(fā)酵罐體內(nèi)絕大部分為液體[7]。所以，本研究主要針對(duì)用于濕發(fā)酵的CSTR反應(yīng)器存在的攪拌不均勻、微生物與有機(jī)物接觸不充分、頂層易結(jié)殼、能源轉(zhuǎn)化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費(fèi)用高等問題進(jìn)行了改進(jìn)。本研究利用帶有文丘里管的外循環(huán)管路，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)氣液聯(lián)合攪拌，提供了一種罐內(nèi)設(shè)備少、結(jié)構(gòu)簡單、施工維修簡便、攪拌效果好、運(yùn)行費(fèi)用低的厭氧反應(yīng)裝置。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)方案

一種氣液聯(lián)合攪拌的新型CSTR反應(yīng)裝置如圖1所示，在連續(xù)攪拌全混合厭氧反應(yīng)器的外部安裝含有文丘里管的多級(jí)外循環(huán)管路，在發(fā)酵過程中，可以通過循環(huán)泵將發(fā)酵液從Ax（其中x=1，2，3…N，N由反應(yīng)器的攪拌級(jí)數(shù)來確定）吸出，通過文丘里管和外循環(huán)管路，再從Bx射入，沼氣在射入位置的上部形成攪拌作用，而且可以達(dá)到防止發(fā)酵液上層結(jié)殼的效果，液體則在射入位置的下部形成攪拌作用，其中沼液出口的最下端一級(jí)應(yīng)高于活性污泥層，另一方面配備有自動(dòng)化控制設(shè)備和變速器，實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)攪拌，并且可以根據(jù)發(fā)酵過程的不同情況，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行不同形式、不同程度的攪拌。循環(huán)泵安裝在出水端的最下面一級(jí)，沼液由于重力作用，可以自行流到泵處，為泵提供足夠的沼液，可使泵更好地工作，而且方便安裝和維修。在外循環(huán)管路上安裝文丘里管，文丘里管的進(jìn)氣口與氣柜相連，利用文丘里管的原理來達(dá)到氣液攪拌和破殼的效果。在文丘里管的進(jìn)氣口段加一個(gè)沼氣開關(guān)，可以有效地控制沼氣的進(jìn)氣量，從而控制氣體攪拌的程度。外循環(huán)管路的沼液出口端到文丘里管的管道直徑應(yīng)大于沼液進(jìn)口端的管道直徑，不但能保證文丘里管有足夠的壓力，而且可以確保沼液射流進(jìn)入反應(yīng)器。在沼液射入端口安裝一個(gè)水力噴射器，來增強(qiáng)攪拌效果。

文氏管是文丘里管的簡稱，文丘里效應(yīng)的原理則是當(dāng)風(fēng)吹過阻擋物時(shí)，在阻擋物的背風(fēng)面上方端口附近氣壓相對(duì)較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動(dòng)。文氏管的原理其實(shí)很簡單，它就是把氣流由粗變細(xì)，以加快氣體流速，使氣體在文氏管出口的后側(cè)形成一個(gè)真空區(qū)。當(dāng)這個(gè)真空區(qū)靠近工件時(shí)會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的吸附作用，如圖2所示。液體從文丘里管的入口9進(jìn)入，隨之截面逐漸減小，液體流速加快。這時(shí)就在10吸附腔的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)真空度，致使周圍空氣被吸入文氏管內(nèi)，隨著氣液混合一起流進(jìn)擴(kuò)散腔11內(nèi)，之后射流出去[8]。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及計(jì)算

1.2.1 新型CSTR反應(yīng)器發(fā)酵罐體的設(shè)計(jì) 確定反應(yīng)器發(fā)酵罐體的有效容積為6 L。根據(jù)V=（πD2/4）×H，即V=πR2×H。其中，V為反應(yīng)器的有效容積，D為反應(yīng)器的柱形直徑，H為反應(yīng)器的有效高度。取高徑比為 1∶1，則上式可化為V=πD3/4。取V=6 L，可得D=■，則H=■。經(jīng)計(jì)算可得D=H=0.2 m。

根據(jù)反應(yīng)器柱體高與直徑之比為1.0∶1.5較合理，可得柱體高h(yuǎn)=0.13 m，分別取A1A2A3、B1B2B3B4的間距為柱體的1/3，可得進(jìn)料口位于反應(yīng)器右側(cè)底端，A3位于距離底端0.04 m處，A2位于距離底端0.08 m處，A1位于距離底端0.13 m處。B4位于反應(yīng)器左側(cè)底端，B3距離B4 0.04 m，B2距離B4 0.08 m，B1距離B4 0.13 m。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)液面一般為淹沒頂蓋2/3，可以得到出料口位于距離底端0.17 m處[8]。

1.2.2 文丘里管的設(shè)計(jì) 由于攪拌太慢，水流量太小，吸氣量較少，會(huì)導(dǎo)致射流壓力小，攪拌不均勻、不充分，而攪拌過快又會(huì)致使發(fā)酵液從出氣孔溢出，管道太細(xì)還會(huì)發(fā)生堵塞，因?yàn)?5 mm管的流量為1.67～16.67 L/min，而反應(yīng)器發(fā)酵罐體的有效體積為6 L，所以文丘里管選擇15 mm管較合適[8]。文丘里管設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2.3 新型CSTR反應(yīng)器試運(yùn)行發(fā)酵試驗(yàn) 在常溫條件下，利用新型CSTR反應(yīng)器處理水葫蘆汁液，其中接種物是用水葫蘆汁液長期馴化的豬糞。水力滯留時(shí)間為6 d，水葫蘆汁液COD濃度為15 950 mg/L。分別用濕式流量計(jì)、CODmaxII在線測(cè)定儀、GC-6890A型氣相色譜儀測(cè)定日產(chǎn)氣量、COD、甲烷含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水葫蘆產(chǎn)氣情況分析

日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化如圖3所示。日產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵時(shí)間逐漸增多，第5天時(shí)逐步平緩，說明微生物已經(jīng)適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，整個(gè)體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定后，平均日產(chǎn)氣量為4.2 L，池容產(chǎn)氣率為0.7 m3/m3·d，甲烷平均含量達(dá)到63%。

2.2 COD去除效果

進(jìn)水COD濃度為15 950 mg/L，水力滯留時(shí)間為6 d時(shí)，反應(yīng)器穩(wěn)定后，出水COD濃度為3 900 mg/L，COD降解率為76%。

2.3 新型CSTR反應(yīng)器試運(yùn)行情況分析

結(jié)果表明，新型的CSTR反應(yīng)器的出水COD為3 900 mg/L，根據(jù)CSTR反應(yīng)器的特點(diǎn)，出水COD在4 000 mg/L左右均屬正常范圍，所以新型的CSTR反應(yīng)器能夠正常運(yùn)行。

2.4 效益分析

2.4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析 已在云南省安寧市建設(shè)了一項(xiàng)600 m3的沼氣工程，采用氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器，以600 m3的沼氣工程項(xiàng)目為例，對(duì)新型CSTR反應(yīng)器與傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器進(jìn)行比較。新型CSTR反應(yīng)器在造價(jià)上要比傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器貴0.450萬元，但在年運(yùn)行費(fèi)用上要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器節(jié)省0.630萬元，沼氣工程的壽命一般不能低于20年，所以20年運(yùn)行下來要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器節(jié)省12.623萬元。所以，從長遠(yuǎn)角度來看，新型的CSTR反應(yīng)器要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)效益好（表2、表3）。

2.4.2 能源、環(huán)境效益分析 沼氣工程本身就是一種處理有機(jī)廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用的有效途徑，可提高厭氧反應(yīng)器的效率，可以在單位時(shí)間內(nèi)提高有機(jī)廢棄物的資源化效率和產(chǎn)沼氣效率，而且產(chǎn)生的沼氣可以替代傳統(tǒng)的煤礦燃料，達(dá)到節(jié)能減排、綠色能源的目的。

1 m3有效池體積的CSTR反應(yīng)器液體攪拌所需的電量為0.005 kW·h/d，而機(jī)械攪拌的CSTR反應(yīng)器所需電量一般為0.006 5 kW·h/d[9]。與液體攪拌相比，在相同的流量下，額外增加了一部分氣體攪拌，也就是說在相同的耗電量下，增加了攪拌的程度，所以在相同的攪拌程度下縮短了攪拌時(shí)間，節(jié)省了耗電量，節(jié)省了能量。因此，與機(jī)械攪拌相比，新型CSTR反應(yīng)器至少每天節(jié)約用電0.0015 kW·h/d，即1 000 m3沼氣工程一年可節(jié)省219 kg的標(biāo)煤，減排二氧化碳546 kg，減排149 kg碳粉塵，減排二氧化硫16.425 kg。

3 小結(jié)

本研究在傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用文丘里管實(shí)現(xiàn)了氣液多相聯(lián)合攪拌。與傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器相比，既避免了罐體內(nèi)機(jī)械攪拌裝置腐蝕造成的資源浪費(fèi)，又節(jié)省了維修費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。利用氣液聯(lián)合攪拌要比傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌更節(jié)省能源，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的，具有良好的能源和環(huán)境效益。

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