張蕾蕾 孫京

摘要：針對干清糞畜禽糞便物料濃度高、粘度大、流動性差等特點，設計開發(fā)了一種超聲波振蕩機械攪拌臥式沼氣厭氧反應器，該反應器在結構上采用超聲波振蕩和機械攪拌相結合的方式，可有效解決高濃度物料進料難、傳熱傳質效果差、發(fā)酵產氣難逸出等問題，為畜禽養(yǎng)殖干清糞無害化處理開辟一條新思路。

關鍵詞：超聲波振蕩;高濃度;沼氣;厭氧發(fā)酵;反應器

中圖分類號：S23

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215015

吉林省畜禽養(yǎng)殖糞便的產出量巨大，但處理和利用現狀不好，對水體、土壤以及大氣等環(huán)境造成了嚴重的污染，亟待處理和解決。厭氧發(fā)酵技術是解決該問題最為有效、合理的途徑，傳統的濕法厭氧發(fā)酵技術（如CSTR或UASB）處理干清糞時，易產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（如MCT）處理干清糞時，發(fā)酵前需添加秸稈等調節(jié)劑增強物料透氣性，前處理工作較繁瑣、同時易造成環(huán)境污染?；谏鲜銮闆r，研究開發(fā)一種適合于畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵處理的反應器就顯得十分必要，反應器在設計上不僅要充分考慮到高濃度發(fā)酵原料的進出料，還要有效解決物料與微生物的接觸、物料的傳熱、反應器的密封、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，工程運行才能穩(wěn)定。為此，本研究設計開發(fā)了“超聲波振蕩機械攪拌臥式厭氧反應器”，以實現畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵生產沼氣。

1厭氧反應器構成

超聲波振蕩機械攪拌臥式厭氧反應器主要由發(fā)酵槽、日光棚頂、聚氨酯保溫層、儲氣柜、攪拌裝置、超聲波振蕩裝置、蓄熱換熱水箱、液位計、進出料裝置、沼液回流管、輸氣管路等構成，其結構示意如圖1所示。反應器發(fā)酵槽體設計為臥式結構，反應器的入料端槽體底板和側墻上設有超聲波振蕩板，反應器內沿物料流向設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)酵槽的底部設有蓄熱換熱水箱，發(fā)酵槽上方設有日光棚頂，在日光棚內發(fā)酵槽體上面設有柔性膜儲氣柜，反應器的頂部裝有液位計，進料裝置位于發(fā)酵槽體的一端，出料選用轉子泵。

2反應器各結構設計及功能

2.1 發(fā)酵槽體

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

2.2攪拌裝置

針對畜禽干清糞便物料濃度高、粘度大、流動性差，直接厭氧發(fā)酵時營養(yǎng)物質與微生物難以接觸充分，物料傳熱慢、傳熱不均勻，進料易發(fā)生堆積滯留等問題，設計臥式長軸機械攪拌裝置，如圖1中13所示。臥式長軸機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，工作時不僅對物料起上下混合攪拌作用，同時對物料還起向前推動作用。從而實現物料充分混合，促進物料傳質、傳熱，提高厭氧消化效率和產氣率，同時還有利于物料向前推流輸送。

攪拌裝置攪拌軸與發(fā)酵槽體間的密封設計為可拆換自封閉機械式軸密封結構，如圖2所示，由機械密封和自密封裝置2部分構成，機械密封長期轉動磨損需要更換時，反應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大清料問題。為反應器長期穩(wěn)定運行提供了一定的保障。

2.3進料及出料裝置

2.3.1進料裝置

通過對畜禽干清糞便物料狀態(tài)和工程應用可行性分析，設計了由三級絞龍構成的進料裝置，如圖3所示。三級絞龍進料裝置由進料箱、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部分聯合構成。進料時，用鏟車將物料加入進料箱中，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器實現進料。入料絞龍出料端深入反應器內料液液面以下，通過液面形成水封進行密封，密封安全可靠。

2.3.2出料裝置

該反應器設計為連續(xù)式厭氧發(fā)酵工藝，每天進料的同時也需要出料，出料由出料裝置完成，主要由出料閥、轉子泵、固液分離機、排料三通、排料管、排料閥和排料池構成，其結構示意如圖3。

2.4沼液回流裝置

為了新進物料能夠較好地移動和很快參與反應，設計了沼液回流裝置，利用回流沼液對新進高濃度物料進行一定程度的稀釋，增加其流動性，避免由于進料濃度過高產生堆料現象。同時回流沼液還有利于新進物料接種，使新進物料能夠直接與微生物菌接觸，加快反應，提高產氣效率。沼液回流是通過在出料裝置的基礎上增加了一個沼液回流管來實現，如圖3中2所示，工作時排料閥關閉，回流閥開啟。其工作原理是在入料絞龍進料時，利用轉子泵將反應器發(fā)酵槽末端的料液抽出，經固液分離后將沼液經回流管與入料絞龍中的新進物料同時混合送入反應器入料端，能夠起到很好的稀釋進料和接種的效果，保障進料順暢，促進產氣率提高[2]。

2.5超聲波振蕩裝置

由于干清糞畜禽糞便物料粘度大、流動性差，進料時易在反應器入料端發(fā)生堆積滯留，而且發(fā)酵產氣也不易逸出，為此在反應器入料端設有超聲波振蕩裝置，主要由超聲波發(fā)生器和超聲波振蕩板組成。振蕩板設計在反應器入料端槽體的底板和側墻上（超聲波振板如圖1中11所示），進料過程中超聲波振蕩裝置工作。超聲波振蕩裝置的設計目的是利用其振蕩過程中形成的高壓氣泡瞬間爆炸產生的巨大能量（空化效應），使物料中的不溶性物質、粘附物和團體粒子分散、脫離，便于物料流動，從而防止物料堆積和促進產氣的逸出，同時改變物料內部微觀結構促進細胞分解[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)酵產氣速率。

2.6液位計