基于聚氣釋壓實現厭氧干發酵自攪拌的模擬試驗

彭竹 楊世關 李繼紅 陳夢圓

摘要[目的]為解決干發酵傳質限制和攪拌能耗高等問題提供新思路。[方法]提出基于“周期聚氣增壓，瞬時釋氣泄壓”實現自攪拌。采用空氣為模擬氣源，以盒子分形維數為攪拌效果定量評價指標，研究了聚氣壓力、釋壓時間、聚氣空間分布對攪拌效果的影響。[結果]分形維數隨聚氣壓力的增加而增大，當壓力逐步升至0.70 MPa時，反應器縱截面分形維數相對攪拌前增加了12.06%，攪拌效果明顯增加；當釋壓時間為0.60～0.80 s，聚氣壓力為0.30～0.40 MPa時，分形維數變化率達最大值0.158 4，攪拌效果最佳。[結論]聚氣釋壓可實現干發酵自攪拌。

關鍵詞干發酵；聚氣釋壓；自攪拌；分形維數；模擬研究

中圖分類號S210.4；X712文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0214-04

Abstract[Objective] In order to research new approaches for solving mass transfer limitation and high mixing energy consumption in dry anaerobic fermentation process. [Method] A novel technology based on “accumulate pressurized biogas in cycles， release gas instantaneously to depressurizing” was designed as a mixing strategy which could achieve selfstirring. The experiment was carried out with compressed air as pressurized biogas and regarded box fractal dimension as quantitative evaluation index for mixing effect of materials. Effects of gas gathering pressure， pressure releasing time， gas distribution on selfstirring were studied. [Result] The results showed that fractal dimension linearly tended to increase in pace with gas pressure and increased by 12.06% as pressure gradually reached 0.70 MPa and selfmixing effect appeared obvious. The fractal dimension grew with shortening the time and incremental gas pressure and attained positive peak 0.158 4 in condition of 060-0.80 s and 0.30-0.40 MPa. The mixing effect was more conspicuous. [Conclusion] Releasing pressurized biogas can achieve selfmixing in dry anaerobic fermentation.

Key wordsDry fermentation；Releasing pressurized biogas；Selfmixing effect；Fractal dimension；Simulation research

基金項目風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室（內蒙古工業大學）開放基金資助項目（201501）。

作者簡介彭竹（1991—），女，云南尋甸人，碩士研究生，研究方向：生物質厭氧發酵技術。*通訊作者，副教授，碩士生導師，從事生物質厭氧發酵與工程技術研究。

收稿日期2016-11-30

隨著農業秸稈、生活垃圾、畜禽糞便等高固含率廢棄物處理需求的增加，干發酵日益受到青睞。但因傳質效果差導致發酵過程穩定性變差或惡化[1]是制約干發酵技術發展和商業化應用的主要技術障礙。針對這一技術障礙，國內外許多研究者提出了眾多解決方案[2-4]，其中攪拌被認為是一種最有效的途徑。適當的間歇性攪拌可顯著提高產氣量[5]，而過度的攪拌會打破厭氧發酵體系固有的微生物共營體，抑制產酸菌和產甲烷菌的代謝過程，進而影響整個發酵體系的產氣效果[6]。干發酵過程中，高固含率帶來的高黏度使發酵過程中的傳熱和傳質變得較為困難，進一步對攪拌提出了較高要求。厭氧發酵攪拌方式有機械攪拌、水力攪拌和氣體攪拌，目前針對機械攪拌和水力攪拌的研究和應用頗多，但對氣體攪拌的研究還較少[7-9]。為解決干發酵能耗問題，筆者提出了“周期性聚氣增壓，定期快速釋氣泄壓”實現厭氧干發酵自攪拌的思路，即在發酵過程中，在一定時間內將所產沼氣聚集在反應器內，待壓力達到一定限度后，快速釋放沼氣，利用沼氣釋放所產生的動能對發酵原料進行攪拌。為了研究該思路的可行性，筆者對聚氣所能產生的攪拌效果開展了模擬試驗，以期為促進厭氧干發酵傳質限制和攪拌能耗問題的解決探索一條新的技術途徑。

1材料與方法

1.1材料

將自然風干的玉米秸稈剪切為2.0、1.0和0.5 cm 3種不同的粒徑，用來模擬發酵原料。用藍色和黃色彩紙作為表征攪拌效果的標志物，并將其剪切成以上3種粒徑。試驗過程中將秸稈和不同顏色的彩紙分別按1〖DK〗∶1的比例（質量比）混合均勻，再分層填裝，構成規則的顏色明顯的層狀，按緊壓實，占反應器總容積的20%～40%。混合原料無流動水，測得含水率為4.59%。用壓縮空氣模擬高壓沼氣。

1.2試驗裝置

聚氣釋壓試驗在自制的裝置上開展，試驗裝置如圖1所示。該裝置內徑為16 cm，高285 cm，總容積5 L，最大承壓0.80 MPa。

調壓閥安裝于空氣入口處，向外連接空氣壓縮機。為方便取放料和觀察混合效果，在壓力容器內放置底部帶有氣孔的圓柱形透明塑料容器，底部開孔率>80%，其內徑12 cm，高30 cm。另外，壓力容器底部設有可移動支架，用于托起透明容器。為防止快速釋壓時物料飛出壓力容器，在壓力容器距頂端2 cm處安裝多孔板，多孔板的孔徑為2 mm，孔呈環形排列，環間距≤1 mm，開孔率>95%。裝置上設有3個不同規格的釋壓閥，用以調節不同的釋壓時間，詳見表1。

用不同規格的釋壓閥來控制釋壓時間。每組試驗充氣后保壓10 min，保證充入的帶壓氣體均勻穩定地分布于壓力容器特定的聚氣空間。

1.3試驗設計與分析方法

1.3.1試驗設計。

該研究共設計了3組試驗，分別研究聚氣壓力、壓力釋放時間及反應器內氣體聚集空間對攪拌效果的影響。其中聚氣壓力和壓力釋放時間影響試驗條件如下：物料粒徑為2.0 cm；聚氣空間設于壓力容器底部，體積約為1.2 L；設定7個壓力水平，從0.10到0.70 MPa，每增大0.10 MPa作為一個壓力水平；分別采用3個不同規格的釋壓閥釋放壓力。其中，聚氣壓力試驗組研究了7個壓力水平下的累積攪拌效果，進行了3個平行試驗；壓力釋放試驗組研究了7個壓力水平下的單次攪拌效果及聚氣壓力和釋壓時間雙因素對攪拌效果的影響，進行了21個分組試驗。

該試驗簡化采用隔板和支架設定3種不同聚氣空間，見圖2。反應器內氣體聚集空間對攪拌效果影響試驗組聚氣壓力設定為0.70 MPa。

除去設定的聚氣空間，透明容器與壓力容器間的空隙均用石英棉填充。

1.3.2數據處理及分析方法。

每個分組試驗開始前對容器以上5個面拍照作為參照，試驗結束后，取出透明容器，對其4個側面（Ⅰ～Ⅳ）和俯視面拍照。每次拍取照片均連拍5張，照片用于分析攪拌效果。

首先用Photoshop提取RGB彩色照片的藍色圖層，再使用MATLAB2014a編程處理[10]。

使用局部灰度盒子法計算圖像的分形維數[11]，用來定量評價攪拌效果。

式中，D是盒子分形維數；Nr是能夠覆蓋圖像邊緣的邊長為r的網格數目。

透明容器裝料后按壓至緊，上方并未完全填滿。可量取試驗前后原料堆體的高度，計算其膨脹系數（γ），膨脹系數為試驗前后物料堆體的高度比。

式中，h0為試驗前物料的高度，h1為釋壓后物料高度。

2結果與分析

2.1聚氣壓力對攪拌效果的影響

不同聚氣壓力水平下的累積攪拌效果見圖3。如圖3（a）所示，隨聚氣壓力增大，物料膨脹程度增大，當聚氣壓力達0.30 MPa時，物料呈現出明顯的攪拌效果，隨著聚氣壓力和釋壓次數增加，物料的混合效果越來越明顯。壓力從0.10到0.70 MPa，每增加010 MPa壓力水平，物料膨脹系數γ分別為1.20、1.36、1.48、150、1.51、1.51、1.51，壓力達0.50 MPa后，膨脹系數基本保持不變，說明物料間的支撐空間在釋壓5次后達最大。

物料的分形維數隨聚氣壓力的變化如圖3（b）所示，隨聚氣壓力增大和釋壓次數增多，分形維數呈增加趨勢。當聚氣壓力逐步增加到0.70 MPa時，用釋壓閥1快速釋壓后4個縱截面的平均分形維數隨壓力增大呈線性增加，相對試驗前增加了12.06%，用釋壓閥2和3釋壓時，平均分形維數相對試驗前分別增加了4.51%和2.52%；物料表面的分形維數分別增加了34.49%、15.95%和15.53%。此外，不同釋壓閥釋壓時，分形維數增幅有明顯差異，聚氣壓力逐漸增至0.40 MPa過程中，每增大0.10 MPa，用釋壓閥1釋壓時的分形維數平均增幅為3.10%，而用釋壓閥2和3釋壓時分形維數平均增幅僅為0.36%和0.30%。由此說明，隨聚氣壓力的增加，累積攪拌效果呈增大趨勢，應結合實際發酵工程選擇合適的聚氣壓力參數值。

聚氣壓力從0.10增大到0.70 MPa，物料4個縱面（Ⅰ～Ⅳ）分形維數離散度逐漸增大，釋壓閥1釋壓時，分形維數標準偏差從0.001 92增至0.009 98，釋壓閥2和3釋壓時也有相似增長變化，說明聚氣壓力越大造成攪拌不均勻的現象越嚴重，并不是聚氣壓力越大越好。需進一步結合實際沼氣發酵和布氣系統來研究。

沼氣發酵過程中，通過聚氣自產高壓是可實現的，Lindeboom[12]針對濕發酵研究發現，經180 h自產沼氣壓力可達900 MPa，且自產高壓過程并未對發酵微生物群造成明顯抑制。但厭氧發酵實際過程并非壓力越高越好，Lemmer A等[13]對兩相自產高壓濕發酵的研究結果表明，0.90 MPa的壓力易使發酵體系pH下降導致發酵不穩定，而且發酵工程的實施需考慮投資成本及安全等諸多因素，合理選擇壓力水平是必要的。

實際厭氧干發酵工程需考慮發酵周期、高壓對發酵設備要求嚴苛等因素，具體應用過程中應通過厭氧發酵試驗確定合理的聚氣壓力。

2.2釋壓時間對攪拌效果的影響

不同釋壓時間對攪拌效果的影響結果見圖4。如圖4（a）所示，釋壓時間越短物料的混合效果越明顯，且縱截面物料高度的增量越大，原料堆體的膨脹系數也隨釋壓時間縮短而增加，當釋壓時間由1.02 s縮短到0.40 s時，原料堆體膨脹系數由1.00增加到1.45。可將快速釋氣泄壓過程看作是氣體絕熱膨脹，釋壓時間看作膨脹時間，那么快速釋放高壓沼氣對固體顆粒的有效膨脹功率Pe可表示為以釋壓時間為度量的反比例變量，因此釋壓時間越短，氣體有效膨脹功越大，物料堆體的膨脹系數越大，攪拌效果越明顯。

釋壓時間和聚氣壓力雙因素變動對物料分形維數的影響如圖4（b）和（c）所示，加權平均線性插值結果表明，同一聚氣壓力條件下，分形維數隨釋壓時間縮短而增大；聚氣壓力越大，釋壓時間越短，物料縱截面的分形維數越大，說明隨壓力的增大和釋壓時間的縮短，攪拌效果增加，這與以上研究結果和分析相符。此外，Renka Cline非線性插值結果顯時，快速釋壓前后分形維數變化量達正向極大值0.158 4；當釋壓時間>0.80 s和聚氣壓力<0.60 MPa時，分形維數增量極小，說明聚氣壓力越小釋壓時間越長，對物料的攪拌效果不會產生顯著影響。這是由于釋壓時間過長，物料間氣體強制對流速率下降，有效膨脹功減弱，從而導致攪拌效果不佳。該試驗中，表面物料的分形維數變化呈現出與縱截面相似的規律。付小果[14]在研究壓力脈動周期對固態發酵的影響時，也發現氣體內循環速率會影響壓力脈沖對底物料層的疏松作用。

實際厭氧發酵過程中，攪拌強度、時間和頻率是影響產氣的重要參數，“周期聚氣增壓，瞬時釋氣泄壓”攪拌方式可將聚氣釋壓體積功、釋壓時間、聚氣增壓周期分別看作以上3個參數，那么聚氣壓力越大，釋壓時間越短，攪拌強度越大。目前，普遍研究認為，厭氧發酵工程間歇性適度攪拌可以提高產氣率和產氣量[15]。

2.3聚氣空間對攪拌效果的影響

由圖5可見，A、B、C 3種不同聚氣空間分布方式下，除方式B條件下的上層物料有一定的攪拌效果，其余2種方式的攪拌效果并不明顯。聚氣空間位于反應器底部條件下，用釋壓閥1快速釋壓后，物料的膨脹系數為1.24，而其他2種空間分布條件下均為1，表明聚氣空間設置在反應器底部時更有利于快速釋氣泄壓對物料進行攪拌。

聚氣空間完全分布于反應器底部時，任意物料粒度的縱截面的分形維數變化量均高于其余2種分布方式。其中物料粒徑為2.0 cm時，方式B條件下快速釋壓前后物料縱截面分形維數的變化量為0.098 9，約為方式C條件下的4.20倍，方式A條件下的2.30倍，說明聚氣空間設于反應器底部時，可以顯著提高快速釋壓對物料的攪拌效果。該試驗中，物料粒徑為2.0 cm的攪拌效果明顯優于1.0和0.5 cm，這是由于相同質量不同粒度的物料按壓至緊后堆積密度不同，分別為72.52、89.84、126.57 g/L，粒徑大的物料內部橋架空間中存留的帶壓氣體多，在快速釋壓過程中起到更多的輔助攪拌作用。對于實際厭氧干發酵，發酵底物粒度是影響產氣量的重要因素，所以應結合發酵試驗確定合理的粒度參數。

該試驗中，可將整個圓柱形反應器看作是快速釋氣過程的氣流導管，則位于反應器上層的物料同時受到底部聚氣空間和物料自身支撐空間氣體的膨脹作用，所以上層物料釋壓前后縱截面分形維數的變化量明顯高于下層，上層物料的表面分形維數同樣高于下層物料。快速釋壓對物料的攪拌不一致。

綜上可得，聚氣空間分布方式和布氣系統是影響快速釋氣泄壓自攪拌的關鍵因素，聚氣空間設于反應器底部能有效提升釋壓攪拌效果。需要對原料堆放方式、原料堆體物理特性、布氣方式等開展系統深入的研究，以便找到合理的設計來克服氣拌不均勻這一劣勢。

3結論

“周期性聚氣增壓，定時快速釋氣泄壓”可實現厭氧干發酵自攪拌。周期聚氣釋壓時，累積攪拌效果隨聚氣壓力增大和釋壓次數增多而增加，該試驗條件下，壓力從0.10逐步增至0.70 MPa，物料縱截面分形維數比空白組增加了252%～12.06%，表面分形維數增加了15.53%～34.49%。

釋壓時間越短，快速釋壓膨脹功越大，對固體顆粒的擾動作用越明顯。聚氣壓力和釋壓時間協同影響“快速釋氣泄壓”對物料的攪拌過程，壓力越大，釋壓時間越短，攪拌效果越明顯。該試驗條件下，釋壓時間為0.60～0.80 s時，物料分形維數增幅最大，攪拌效果有顯著提升。

“周期性聚氣增壓，定時快速釋氣泄壓”可作為一種干發酵攪拌方式，可結合具體干發酵厭氧發酵進行深入探討。

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