測量攪拌對高固含量牛糞沼氣發酵產氣量的影響實驗

張重 張蘇

摘 要：本實驗根據不同攪拌條件下牛糞厭氧發酵產氣情況進行對比實驗分析，確定相對合理的攪拌參數。在實驗室條件下，將9個相同濃度相同體積的物料，每天進行不同時長不同次數的攪拌，做28d厭氧發酵產氣測試，通過對實驗數據的比較分析，確定本實驗沼氣發酵的最優攪拌時長和次數。結論是每天攪拌4次，每次攪拌10min產氣量最高。

關鍵詞：攪拌;高固含量;產氣量

中圖分類號：S-3文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20191030023

引言

對于現代沼氣技術，高固含量發酵工藝克服了傳統濕法發酵工藝的容積產氣量低、需水量大和能耗高等問題[1]，且產出的沼渣可直接用來生產高品質有機肥，在產生能源的同時又滿足了對環境的保護和高品質肥料的生產[2]。攪拌的目的在于使反應器內發酵物料溫度分布均勻，使發酵細菌和發酵物料充分接觸，加快發酵速度，提高產氣量，且有利于發酵產氣的逸出。攪拌時間過短，則導致消化率下降，達不到有效的攪拌效果;攪拌時間過長，不利于達到一個穩定的沼氣發酵平衡狀態，甚至會破壞厭氧微生物的生存環境，影響產氣效果[3];如攪拌程度比較劇烈時，會造成互營菌分離，不利于種間氫轉移，反而使沼氣發酵效率更低。因此，適當的攪拌對整個沼氣發酵過程來說具有舉足輕重的作用，本實驗采用相對較低的攪拌速度。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置為滁州市藍宇環保設備制造有限公司制造的10L厭氧消化反應器（圖1），能根據實驗需要設定溫度，自動控制并維持厭氧消化反應器恒溫運行，并能根據實驗的設定，自動定時打開和關閉攪拌，且可手動調節攪拌方向和攪拌速度。性能指標：標準工作電源220V/50Hz;溫度為室溫～60℃;控溫波動范圍為±0.5℃;攪拌功率 90W;攪拌轉速8r/min。

1.2 實驗材料

實驗用鮮牛糞取自吉林省乾安縣一養牛場，實驗用接種物為發酵3個月以上的沼氣池新排出的沼渣。

1.3 實驗方法

將9個10L的厭氧發酵反應器進行編號，分別記為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#，裝入相同成分及體積的物料，設定相同的發酵溫度，攪拌轉數8r/min，然后對攪拌時間和攪拌次數進行設定：

1#：每次攪拌時間5min，每天攪拌2次;

2#：每次攪拌時間5min，每天攪拌4次;

3#：每次攪拌時間5min，每天攪拌6次;

4#：每次攪拌時間10min，每天攪拌2次;

5#：每次攪拌時間10min，每天攪拌4次;

6#：每次攪拌時間10min，每天攪拌6次;

7#：每次攪拌時間15min，每天攪拌2次;

8#：每次攪拌時間15min，每天攪拌4次;

9#：每次攪拌時間15min，每天攪拌6次。

做28d厭氧發酵產氣測試，通過對實驗數據的比較分析，確定本工藝沼氣發酵的每次攪拌時間和攪拌次數。

1.4 實驗步驟

1.4.1 備料

備足鮮牛糞，測定其干物質濃度（TS）為18.13%。

1.4.2 調配

取適量鮮牛糞加入相當于牛糞總質量30%的接種物，干物質濃度調至18%， pH值調整為6.8～7.2。

1.4.3 裝料

將調配好的物料分別等量裝入9個10L厭氧反應器內。

1.4.4 密封

通過膠管連接好集氣箱和排水箱，集氣箱貯滿水，并封閉好系統各密封處，形成厭氧環境。

1.4.5 設定溫度及攪拌進入厭氧發酵狀態

發酵溫度均設置35℃，攪拌轉數8r/min，每天攪拌次數及每次攪拌時間按實驗方法中規定進行設置，設置完成后進入厭氧產氣階段。

1.4.6 排氣記錄數據

每天定時排氣、補水，并記錄日產氣量。

1.4.7 產氣量的測定

實驗中日產氣量采用排水法測量，反應期內每天10∶00用量筒測量集水箱中水的體積來統計產氣量，即得到日產氣量，做好28d的連續產氣記錄。

1.4.8 實驗數據

根據所得的實驗數據繪制不同攪拌參數條件下產氣情況表1。

2 結果與分析

由表1可以看出，每次攪拌10min和15min的反應器，其產氣量都比攪拌5min的產氣量高，說明攪拌時間足夠長才能達到較好的混料效果，促進產氣量的提高。而從5min、10min、15min各攪拌組對比看出，每天攪拌4次對應各組平均容積產氣率相對較高，其中5#厭氧反應器，每天攪拌4次，每次攪拌10min對應平均容積產氣率最高，28d平均容積產氣率達到0.812L/（L·d）。每天攪拌2次產氣率偏低，說明對于同一時長攪拌組，每天攪拌次數少，不能保證全天各個時間段發酵細菌與發酵原料充分接觸，從而造成產氣率不高;每天攪拌6次產氣率最低，說明攪拌次數過多，會破壞甲烷菌生長所需的相對寧靜環境，不利于產甲烷菌和產氫產乙酸菌以互營聯合關系存在于有結構的污泥中，不利于種間氫的轉移，反而使沼氣發酵效率降低，影響產氣量，除此之外過多攪拌還會增加動力消耗。通過實驗分析認為本課題攪拌裝置每天按攪拌4次，每次攪拌10min工作較為合理。

參考文獻

[1] 王飛， 蔡亞慶， 仇煥廣.中國沼氣發展的現狀、驅動及制約因素分析[J].農業工程學報， 2012， 28 （1） ：184-189.

[2]武少菁， 劉圣勇， 王曉東， 等.秸稈干發酵產沼氣技術的概述和展望[J].中國沼氣， 2011， 26 （4） ：20-23.

[3]馬旭光， 李傳友， 袁旭峰， 等.高含固率秸稈和牛糞混合物料發酵產甲烷工藝[J].農業工程學報， 2014， 30 （14） ：227-235.

作者簡介：

張重（1985- ），男，副研究員。研究方向：農業有機固體有機廢棄物的處理和轉化以及相關的設備設計。