李瑞容， 孔 偉， 曹 杰， 王鵬軍， 曲浩麗， 韓柏和， 陳永生

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生大量的畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈，這些廢棄物以年均5%的速度增長。然而，這些廢棄物并沒有得到合理的利用，大量畜禽糞便被隨意排放，秸稈被任意焚燒，既產(chǎn)生霧霾污染環(huán)境，又是資源的極大浪費[1-3]。厭氧干發(fā)酵技術(shù)(發(fā)酵底物固含量 TS≥20%)具有原料適應(yīng)性強、有機負荷高、過程能耗較低、無沼液二次排放等特點受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[4-6]。隨著秸稈收—儲—運體系的完善和打捆一體化裝備的推廣，收獲的高密度秸稈捆尤其適用于高濃度的厭氧干發(fā)酵[7-8]。

溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效率的關(guān)鍵因素[9]，它通過對酶的活性、微生物代謝方式、基質(zhì)擴散速率等方面影響厭氧發(fā)酵，進而改變了沼氣的產(chǎn)量[10-12]?，F(xiàn)有的研究主要集中于試驗室規(guī)模的不同穩(wěn)定溫度條件下各個溫度值對發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響[13]，但在整個發(fā)酵周期中，物料的溫度是動態(tài)變化的，短期的溫度變化皆會影響發(fā)酵參數(shù)的變化[14]。可見，研究發(fā)酵裝置內(nèi)溫度場的變化對工程的穩(wěn)定運行有著重要的意義，已有一些學者開展了試驗和模擬研究：羅濤[15]等研究了進料對發(fā)酵系統(tǒng)熱量損失和罐內(nèi)溫度場分布的影響規(guī)律，得到連續(xù)進料的最適進料速度；畢峻瑋[16]等對沼氣池進行了攪拌后速度場和溫度場的雙重驗證，通過秩和分析得到模型的溫度變化規(guī)律與實際測試結(jié)果變化規(guī)律相同；石惠嫻[17]等采用地源熱泵加溫厭氧消化池的前提下，研究和分析了中溫發(fā)酵沼氣池實際運行中溫度場的分布特性；張君美[18]等用實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同加熱位置對沼氣罐內(nèi)的溫度場分布的影響；張少鵬[19]等采用現(xiàn)實沼氣工程罐內(nèi)盤管底部加熱方式，分別研究了純水體系和秸稈發(fā)酵體系的溫度場分布規(guī)律。

可見，上述研究采用的原料主要是畜禽糞便和粉碎秸稈，局限于加熱方式、加熱位置、連續(xù)進料等外部因素對溫度場的影響[20]，忽略了常溫發(fā)酵中生物熱的內(nèi)部因素影響。因此，本文以高密度方捆秸稈和豬糞為原料，試驗分析常溫干發(fā)酵過程中溫度分布特性和產(chǎn)氣特性變化，尋求最優(yōu)的工藝參數(shù)，減少發(fā)酵溫度分布不均和發(fā)酵盲區(qū)，提高產(chǎn)氣效率，以期指導大中型沼氣工程實踐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻秸稈取自江蘇省常熟市田娘農(nóng)場，經(jīng)稻麥聯(lián)合收割機撿拾打捆后(長×寬×高為70 cm×50

cm×30 cm)備用，單捆稻秸重量約9 kg，單捆稻秸平均密度約為85.71 kg·m-3。新鮮的豬糞取自實驗基地附近某養(yǎng)豬場，發(fā)酵接種物取自實驗基地的CSTR反應(yīng)裝置中的發(fā)酵沼液，具體的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 厭氧干發(fā)酵原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗裝置

試驗采用自行研制的柔性頂膜車庫式干發(fā)酵裝置，主要由干發(fā)酵庫主體、庫門密封系統(tǒng)、內(nèi)部循環(huán)噴淋系統(tǒng)、太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐增溫系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)、沼氣存儲系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該發(fā)酵裝置采用小型裝載機和輸送裝置從庫門和頂部進出料，原料采用方捆稻秸、豬糞和菌劑交替鋪放的形式堆置。進料完成后，將頂部的紅泥塑料覆蓋采用水壓密封，庫門關(guān)閉后開啟充氣密封系統(tǒng)，完成進料和密封工作。在發(fā)酵過程中，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)顯示的溫度，濕度，pH值等參數(shù)，開啟內(nèi)部循環(huán)噴淋系統(tǒng)對發(fā)酵環(huán)境進行調(diào)節(jié)，有效防止局部酸化，提高干發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。

1.保溫系統(tǒng)； 2.鎖緊機構(gòu)； 3.含保溫被的溫棚； 4.庫門密封系統(tǒng)； 5.內(nèi)部循環(huán)噴淋系統(tǒng)； 6.沼氣穩(wěn)壓罐； 7.智能監(jiān)控系統(tǒng)； 8.沼氣脫水罐； 9.沼氣脫硫罐； 10.儲氣罐； 11.沼氣鍋爐； 12.軟水裝置； 13.太陽能增溫系統(tǒng)； 14.儲熱水箱； 15.增壓風機； 16.熱水盤管圖1 車庫式干發(fā)酵系統(tǒng)

其中，發(fā)酵庫主體主要由庫體、庫門、滲濾液池、噴淋系統(tǒng)、增溫盤管、柔性頂膜、溫棚、保溫被和監(jiān)控裝置等組成。庫體的單個有效容積73.8 m3，內(nèi)部尺寸(長×寬×高)為8.2 m×3 m×3 m，共有2個。在發(fā)酵庫內(nèi)部后方的地面以下設(shè)置有一個滲濾液池，其尺寸(長×寬×高)為2.0 m×1.0 m×1.0 m。發(fā)酵庫主要的保溫結(jié)構(gòu)有： 1)發(fā)酵庫底部，以碎石做基地，加蓋加氣混凝土，最后澆筑200 mm的細石混凝土層； 2)發(fā)酵庫四周，在厚度為250 mm的鋼筋混凝土庫壁外將苯板粘貼上，用膨脹螺釘加以錨固，然后在苯板外表面上覆蓋彩鋼板； 3)發(fā)酵庫頂部，在柔性頂膜上方架設(shè)可根據(jù)庫內(nèi)溫度自動開合的保溫被，并在保溫被系統(tǒng)外部構(gòu)建一個塑料溫棚； 4)管道，在鍍鋅鋼管外部包裹聚乙烯保溫套管并纏繞防水膠布。

1.3 試驗方案

本次捆式稻秸干發(fā)酵試驗于2016年4月26日～2016年6月4日進行，共計40天。試驗采用人工進料，將稻秸方捆水平鋪放在庫底部，平鋪一層后，將攪拌均勻的新鮮豬糞和菌劑均勻鋪在稻秸方捆上，如此往復，共疊放6層稻秸方捆。進料完成后，啟動密封系統(tǒng)，采用庫內(nèi)滲濾液池中沼液進行內(nèi)部循環(huán)噴淋，將物料含水量調(diào)至70%～75%，然后靜置堆漚5天。堆漚完成后，啟動離心泵打入沼液將庫內(nèi)物料含水率調(diào)至80%。最后，覆蓋柔性頂膜和自動溫控式保溫被，采用水密封發(fā)酵庫。發(fā)酵過程中，每天早晚各噴淋1次，噴淋時間30 min，噴淋量10 m3。

根據(jù)進料后的物料總高度約2.4 m，將物料縱向平均分為4分，選取3個測溫層，其距離地面高度分別為0.6 m，1.2 m，1.8 m。每個測溫層設(shè)置13個溫度測試點，3層共39個溫度測試點，如圖2所示。根據(jù)設(shè)置好的溫度探頭安放位置，在頂層物料上精確測量并用記號筆畫好定位點，將定制長度為0.6 m，1.2 m和1.8 m的溫度傳感器按照定位點分別放置好，數(shù)據(jù)線從上部引出，采用頂部的柔性頂膜水密封。本次試驗針對方捆稻秸—豬糞常溫干發(fā)酵過程的溫度場和產(chǎn)氣效果開展研究，采用多項保溫技術(shù)和滲濾液回流噴淋技術(shù)提高干發(fā)酵的傳熱傳質(zhì)效率，試驗開始后，通過溫度監(jiān)控系統(tǒng)每隔1小時記錄1次數(shù)據(jù)并保存在計算機中，每天按時讀取沼氣流量計數(shù)據(jù)1次，每天用紅外沼氣分析儀按時測量沼氣中的甲烷和二氧化碳成分1次。

1.4 試驗儀器與設(shè)備

溫度的測定通過不銹鋼溫度傳感器PT100(北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)，量程為-50℃～300℃，精度為±0.15℃)、數(shù)據(jù)采集模塊KL-4542B，上位機存儲記錄，試驗前用標準水銀溫度計對溫度傳感器進行標定；沼氣產(chǎn)量的測定采用BF-30008-160超聲波沼氣流量計；沼氣中甲烷體積分數(shù)的測定采用在線紅外沼氣分析儀Gasboard-3200；TS的測定采用105℃烘干24 h，差重法測定；VS的測定采用550℃灼燒4 h，差重法測定；pH值的測定采用雷磁pHS-2F型酸度計；有機碳的測定含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮的測定采用H2SO4-H2O2消煮，蒸餾定氮法。

圖2 干發(fā)酵物料分層示意圖

圖3 發(fā)酵庫和滲濾液池內(nèi)溫度探頭安放位置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵庫內(nèi)物料和沼液平均溫度變化

本次試驗從堆漚結(jié)束、覆蓋柔性膜后開始，共計40天。庫內(nèi)物料均溫數(shù)值是取每日發(fā)酵庫內(nèi)每層物料中13個溫度傳感器的平均值，沼液溫度數(shù)值是取發(fā)酵庫底部滲濾液池中4個不同位置的溫度傳感器的平均值。由圖4可見，在發(fā)酵周期內(nèi)，庫內(nèi)物料均溫呈現(xiàn)開始迅速上升后略降低，隨后保持穩(wěn)定的變化趨勢。

首先，從第1天開始發(fā)酵物料均溫迅速上升，于第12天達到最高溫度24.79℃，其主要原因是厭氧發(fā)酵前期，原料中營養(yǎng)物質(zhì)濃度高，經(jīng)過微生物的分解產(chǎn)生大量的生物熱，這些熱量一部分用于合成高能物質(zhì)，供應(yīng)微生物合成和代謝的需要，一部分用來合成代謝產(chǎn)物，其余的部分以熱量的形式散發(fā)出，使得物料溫度不斷升高，而適當?shù)臏囟壬仙岣吡宋⑸锏谋壬L速率、活化能和酶促反應(yīng)速度。而此時的產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌處于對數(shù)生長階段，呼吸作用強烈，細胞數(shù)量大幅增長，產(chǎn)生大量的熱，促使發(fā)酵前期物料溫度由原始的進料溫度21.21℃不斷上升至24.79℃。第13天至發(fā)酵周期結(jié)束，物料溫度隨著厭氧發(fā)酵的進行，原料中有機質(zhì)的消耗，微生物生長速率和增長速度減緩，原料的各個區(qū)域中乙酸，H2，CO2和NH3等均保持在一定的濃度范圍內(nèi)，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的總代謝能力達到相對平衡，產(chǎn)熱速率趨于平穩(wěn)，這段時間的溫度維持在24.03℃～24.79℃之間，日均溫變化≤0.2℃。

圖4 庫內(nèi)物料平均溫度、沼液溫度和環(huán)境溫度的變化趨勢圖

沼液溫度在發(fā)酵周期內(nèi)整體呈緩慢上升趨勢，第1天至第11天沼液溫度上升速率較快，由17.03℃上升至21.61℃；第12天至第16天穩(wěn)中有降，第17天至發(fā)酵結(jié)束呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，溫度變化范圍穩(wěn)定在21.61℃～21.93℃。由于每天均采用噴淋回流技術(shù)進行干發(fā)酵傳熱傳質(zhì)強化，在發(fā)酵初期，沼液中易分解的蛋白質(zhì)和糖類迅速被菌群分解，產(chǎn)生大量的生物熱，沼液快速增溫；發(fā)酵中后期，沼液中有機質(zhì)濃度降低，產(chǎn)熱速率減緩，通過與發(fā)酵物料的熱交換，其溫度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。

2.2 發(fā)酵過程中物料溫度分布特性

在大中型沼氣工程中，由于發(fā)酵庫的容積大、發(fā)酵原料的物理特性和微生物分布不均，庫內(nèi)各個點的溫度有所不同，這直接影響沼氣工程的產(chǎn)氣效率和產(chǎn)氣質(zhì)量。根據(jù)發(fā)酵庫內(nèi)上中下3層，每層13個分布不同位置的溫度傳感器，共39個溫度傳感器，每1小時記錄1次數(shù)值繪制成圖5～圖8。

圖5 頂層物料(距地面高度H=1.8 m)溫度變化趨勢圖

圖5為第1層物料溫度隨時間變化的趨勢圖，該層物料位于整體物料的最頂層部位。由圖可見，第1層物料溫度在發(fā)酵前期均呈現(xiàn)快速上升趨勢，達到最大值后各點溫度曲線呈現(xiàn)較大的波動，各個點的溫度變化過程比較復雜。這主要由于發(fā)酵庫頂部為柔性頂膜結(jié)構(gòu)，是整個庫體散熱量最大的部位，采取了架設(shè)溫棚和智能型保溫被的增保溫措施，白天時保溫被打開接收太陽輻射，增加頂層物料的溫度；晚間保溫被根據(jù)環(huán)境溫度關(guān)閉，防止庫內(nèi)熱量的散失。

表2 第1層物料中各溫度點變化情況 (℃)

從表2分析，溫度點7處于物料層的正中間部位，不僅最大程度的吸收上部太陽輻射熱量并受其影響顯著，而且下部物料產(chǎn)生的生物熱也傳遞到該處，使得其整體溫度高于其余各點；而溫度點5，6，8，9由于處于滲濾液回流的集中區(qū)域，每天1～2次的噴淋回流導致該處的溫度波動，且液體的對流換熱也降低了這幾處的溫度，這幾處溫度受到環(huán)境因素的影響明顯；溫度點1-4和10-13的溫度比較穩(wěn)定，這主要是由于這幾個點都處于發(fā)酵庫頂部的混凝土部位下方，受到太陽能輻射熱量直接擾動有限，其中溫度點1，2，12，13還處于滲濾液噴淋回流的邊緣區(qū)域，熱量損失減低。

圖6 中層物料(距地面高度H=1.2 m)溫度變化趨勢圖

(℃)

圖6為第2層物料溫度隨時間變化的趨勢圖，該層物料位于整體物料的中間部位，第13天左右達到最高溫度，隨后在小幅波動中略有下降，波動幅度較上層小。從表3可見，該層各個點的溫度值較為接近，溫度場分布較均勻，其中3-11點的平均溫度略高于1，2，12，13點，究其原因主要是：1)該層處于發(fā)酵物料的中間部位，受到太陽輻射的擾動作用較??；2)由于打捆秸稈的密度大、孔隙率小，噴淋回流的滲濾液易在物料表面形成溝流，液體的入滲較緩慢，使得中間層的物料處于一個較穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境。

圖7 低層物料(距地面高度H=0.6 m)溫度變化趨勢圖

圖7為第3層物料溫度隨時間變化的趨勢圖，該層物料位于整體物料的底層部位，在第14天左右達到最高溫度，隨后平穩(wěn)下降，其波動性較上面兩層小，究其原因主要是：物料上覆載荷和生物降解的影響產(chǎn)生沉降變形，變形應(yīng)力降低了底層物料的孔隙率和導熱性；且底層物料部分均勻的浸泡在沼液中，沼液含有大量有機酸、腐殖質(zhì)和微生物，大大促進了底層有機質(zhì)的降解和生物熱的產(chǎn)生；同時最底層受環(huán)境溫度的影響較小，使得底層物料的溫度梯度變化較為平穩(wěn)。

表4 第3層物料中各溫度點變化情況 (℃)

從表4分析得出，該層的溫度場呈現(xiàn)中間高四周低的階梯分布，其中，溫度點5，6，7，8，9屬于該層中溫度較高的區(qū)域，這幾個點處于物料的中間部位，不僅熱量散失的少，而且接受上部物料的傳遞熱量較多；溫度點1，2，12，13屬于該層中溫度偏低的區(qū)域，溫度擾動現(xiàn)象較明顯，其一是離壁面較近，散熱量較大；其二是打捆秸稈與壁面有一段盤管架的距離，使得部分噴淋液體沿著壁面流動，對流換熱現(xiàn)象降低了該處的溫度。

圖8 3層物料均溫變化趨勢圖

從圖8可得，方捆稻秸厭氧干發(fā)酵中各層平均溫度呈現(xiàn)第3層>第1層>第2層，其穩(wěn)定性呈現(xiàn)第3層>第2層>第1層。其中，第1層和第2層物料的均溫整體變化趨勢相似，前期溫度迅速攀升，后期呈現(xiàn)波動性變化，第1層的后期波動較第2層大。第3層物料的均溫前期迅速上升，其最高溫度到達時間比其他兩層的略有延遲，溫度峰值也較高，后期溫度穩(wěn)定下降。

圖9 日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量的變化趨勢圖

2.3 產(chǎn)氣效果

方捆稻秸厭氧干發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量變化情況如圖9所示。由圖可見，日產(chǎn)氣量從第1天開始迅速增加，于第14天達到產(chǎn)氣峰值，為33.41 m3，其對應(yīng)的有效容積產(chǎn)氣率為0.57 m3·m-3d-1，維持短暫的高峰值日產(chǎn)氣量后迅速降低，在第18天后日產(chǎn)氣量維持小幅度的波動。在40天的厭氧發(fā)酵周期中，總產(chǎn)氣量為766.18 m3，日均產(chǎn)氣量為19.11 m3，有效容積產(chǎn)氣率為0.33 m3·m-3d-1(發(fā)酵物料有效容積為59.04 m3)。從日產(chǎn)氣量的變化看，發(fā)酵溫度對方捆稻秸干發(fā)酵的日產(chǎn)氣量影響較大，主要表現(xiàn)為日產(chǎn)氣量隨著溫度的增加而增加，由圖10可見，日產(chǎn)氣量到達峰值的時間較物料均溫達到最高值的時間延后2天，表明在微生物細胞代謝運動產(chǎn)生的生物熱和太陽輻射熱的共同作用下，造成發(fā)酵物料溫度的持續(xù)升高，從而促進產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長速率，提高日產(chǎn)氣量，但方捆稻秸堆積密度大，且發(fā)酵一段時間后，隨著物料的降解，其孔隙率和有效傳熱系數(shù)都有所降低，傳熱效率也大大降低，直接導致產(chǎn)氣量峰值的延后。需要注意的是，在產(chǎn)氣峰值后，物料溫度較為穩(wěn)定，但日產(chǎn)氣量卻出現(xiàn)明顯的下降，表明TS濃度越高，有機酸的累積越容易出現(xiàn)。

方捆稻秸厭氧干發(fā)酵過程中甲烷濃度(體積分數(shù))和二氧化碳濃度(體積分數(shù))的變化如圖11所示。由圖可見，在發(fā)酵周期中，甲烷濃度變化趨勢為逐漸增加后趨于穩(wěn)定；甲烷濃度從發(fā)酵第1天的13.13%迅速上升至第7天的30.05%，即達到工程運行中沼氣收集的低值；從第11天至厭氧發(fā)酵周期結(jié)束，甲烷濃度保持在50.42%～61.78%之間。二氧化碳體積分數(shù)變化趨勢為迅速增加至最大值，隨后緩慢降低趨于平穩(wěn)，維持在36.50%左右?？梢姡淄闈舛入S著溫度的升高而升高，并在溫度穩(wěn)定后仍持續(xù)增長，表明進入產(chǎn)氣高峰期后，產(chǎn)甲烷菌代謝旺盛，適量的有機酸為產(chǎn)甲烷提供原料，使甲烷濃度保持較高的狀態(tài)。

圖10 日產(chǎn)氣量和庫內(nèi)物料均溫變化趨勢圖

圖11 甲烷濃度和二氧化碳濃度的變化趨勢圖

3 結(jié)論

通過對方捆稻秸—豬糞常溫干發(fā)酵過程中溫度場和產(chǎn)氣效率的試驗結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在40天的常溫發(fā)酵周期內(nèi)，庫內(nèi)物料均溫呈現(xiàn)開始迅速上升后略降低，隨后保持穩(wěn)定，日均溫變化≤0.2℃；沼液溫度在發(fā)酵周期內(nèi)整體呈上升趨勢，從17.03℃上升至21.93℃。

(2)方捆稻秸厭氧干發(fā)酵過程中各層平均溫度呈現(xiàn)第3層>第1層>第2層，其穩(wěn)定性呈現(xiàn)第3層>第2層>第1層。

(3)在常溫干發(fā)酵試驗中，日產(chǎn)氣量隨著溫度的增加而增加，至峰值后下降并保持穩(wěn)定，且日產(chǎn)氣量到達峰值的時間較物料均溫到達最高值的時間略有延遲，有效容積產(chǎn)氣率為0.33 m3·m-3d-1，穩(wěn)定后甲烷濃度保持在50.42%以上。