一種餐廚垃圾干式厭氧反應器的優化研究

賴志鵬

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

餐廚垃圾分為廚余垃圾和餐飲垃圾，采用科學處理方式，能夠實現餐廚垃圾減量無害化與資源化，創造經濟效益和環境效益。隨著全國城鎮生活垃圾分類快速推進，分類后廚余垃圾成分明顯改善，有機質含量提高，更有利于采用厭氧處理方式實現資源化。目前，處理餐廚垃圾的主流設備是濕式厭氧反應器，但受攪拌效率的影響，一般只能處理含固率低于10%的進料，而且設備體積較大，物料預處理要求高，導致綜合投資成本和運行成本都較高。由于廚余垃圾的含固率一般大于20%，若采用濕式厭氧反應器，需加水稀釋，不僅會增加設備體積，也會導致后端水處理成本進一步提高，因此急需開發一種能適應高含固率的干式厭氧反應器處理廚余垃圾。

1 傳統干式厭氧反應器

厭氧發酵是廚余垃圾資源化的主要方式[1-2]，其原理是在厭氧環境下，通過中/高溫厭氧菌將有機質轉化為沼氣，從而變廢為寶。

厭氧發酵過程中，溫度對厭氧反應效率有著重要的影響[3]。首先實際工程一般采用中溫（35℃）厭氧或高溫（55℃）厭氧，主要是因為參與甲烷化的微生物分為中溫和高溫；其次，溫度的穩定性對厭氧微生物也至關重要，溫差過大易影響微生物的生長速率和代謝速率。

現有干式厭氧反應器的加熱方式主要為壁式加熱，反應器外壁設置盤管，通入熱源為反應器加熱。這種加熱方式的缺點在于溫度從壁面到中心呈現梯度下降，同時由于反應器內部的廚余垃圾含水率低、粘度高、流動性差，干式厭氧反應攪拌速度低，導致物料溫差大，反應器效果差，甚至可能導致厭氧反應系統運行失敗。

因此，為解決干式厭氧反應器加熱存在的弊端，本文對現有干式厭氧反應器的加熱系統進行優化設計。

2 干式厭氧反應器優化設計

優化后的干式厭氧反應器采用腔道式攪拌加熱系統，整體裝置結構如下圖所示。優化后的干式厭氧反應器采用臥式結構，在保持攪拌功能的前提下，將攪拌器設計為內部空心，按一定流道設計，具有可填充加熱介質的攪拌軸與槳葉，從而實現對物料的攪拌和動態供熱的雙重功能。通過上述優化，可提高干式厭氧反應器加熱效率，降低物料溫差。

3 腔道式攪拌加熱系統實驗研究

3.1 實驗裝備與材料

1、連軸水箱；2、軸封；3、出水管；4、旋轉軸；5、支撐槽鋼；6、增壓水泵；7、進水管；8、加熱水箱；9、加熱棒；10、溫控器器腔道式加熱干式厭氧反應器

參考工程設備的尺寸，按比例縮小，采用不銹鋼材質，制作了兩個相同尺寸的物模作為實驗裝備，分別命名為裝備A 和裝備B。裝備A 采用傳統的壁式加熱，作為參照組；裝備B 的攪拌系統采用本文設計的空心結構攪拌器，即腔道式加熱，作為實驗組。裝備A 和裝備B 的外形尺寸均為長940mm、寬540mm、高580mm，有效工作容積230L。

3.2 測試設備與方法

3.2.1 測試設備

測試設備為在線測溫儀、旋轉粘度計。

3.2.2 測試位置與測試頻率

裝置A 和裝置B 設置的測試點數量和位置相同，共9 個點位，設X、Y、Z 坐標，以有效體積的中心點為原點（0，0，0），9 個點位的X、Y、Z 坐標分別為：點位1（-420，-270，210）、點位2（-420，0，0）、點位3（-420，270，-210）、點位4（0，0，210）、 點位5（0，0，0）、 點位6（0，0，-210）、點位7（420，270，210）、點位8（420，0，0）、點位9（420，-270，-210），每10min 測試一次各點位的溫度，總共持續120min。

3.3 實驗方法

本文采用2%黃原膠模擬干式厭氧發酵的物料，將同等量的黃原膠溶液倒進裝置A 和裝置B，將靠近出料電機的軸作為軸1 以2rpm 的轉速正轉（順時針）2min 后停止，再反轉（逆時針）2min 停止；另一軸作為軸2 正轉2min、反轉2min 停止。在線溫度探測器每隔10min 讀取9 個點位的溫度。其中，實驗期間裝置B 采用39℃的恒溫水，利用泵使恒溫水在腔道式攪拌系統內部流道中循環。

3.4 實驗結果與分析

3.4.1 實驗結果

本實驗在環境溫度23.2℃下開展，裝置A 和裝置B 均采用39℃的熱水恒溫加熱，實驗時間為120min。兩組實驗點位1—9 的溫度監測數據匯總如下表所示。

3.4.2 傳統壁式加熱方式小試分析

由下表可知，加熱循環水為39℃，隨著加熱時間的延長，9 個點位的最高溫度和最低溫度差距呈上升趨勢。當加熱時間為120min 時，點位9 為38.5℃，點位4 卻低至28.2℃，溫差高達10.3℃。該溫差對于厭氧反應的溫度均勻性和穩定性極其不利，易降低反應器內厭氧微生物酶活性，導致厭氧微生物菌群失調，最終造成反應器酸化崩潰。

點位3、點位6、點位9 位于反應器底部，較為接近反應器底部壁面，而且擾動較小。從下表可知，這3 個點位的平衡溫度較接近控制厭氧的中溫溫度，且這3 個點位溫度大體上大于其他點位溫度，這驗證了傳統加熱方式存在的缺點，即溫度從壁面到中心呈下降趨勢，溫差較大。

3.4.3 腔道式加熱小試實驗結果

由下表可知，加熱循環水為39℃，隨著加熱時間的延長，9 個點位的溫差較小，為0.4℃—0.9℃。當加熱時間為120min 時，點位1—9 的溫度主要為35.1℃—35.7℃，溫度分布較為均勻。與傳統加熱方式相比，9 個點位的平衡溫度與循環水的溫差較大，因此從熱量守恒的角度分析，可推斷裝置B 的其他未被監測區域也接近點位1—9 的溫度，從而可判斷采用腔道式加熱更有利于反應器溫度的均勻性和穩定性。

3.4.4 對比分析

由上表可知，傳統的壁式加熱反應器的9 個點位的溫差隨著時間延長呈現明顯上升趨勢，而改進后的腔道加熱反應器的9 個點位的溫差并未隨時間的延長呈現明顯變化，這可能是由于裝置B 采用腔道式加熱攪拌系統，可以在攪拌的同時實現加熱，迅速將熱量傳導至裝置B 的各區域。因此可知，改進后的腔道式加熱系統能較大幅度改善傳統加熱方式溫差大的缺點。

點位1-9 實驗數據（單位：℃）

3.5 實驗小結

綜上所述，采用腔道式攪拌加熱系統，可以有效改善傳統壁式加熱的缺點，使反應器內部各點溫差均勻，可為厭氧反應器的生化反應提供穩定的條件。

4 結語與展望

通過中試實驗，可知腔道式加熱和攪拌相結合為一體的設計能夠提高反應器溫度均勻的穩定性，解決干式厭氧反應器內部溫差大的問題。不過，本文未采用實際的發酵物料進行研究，因此具有一定局限性，后續可繼續開展進一步研究，為工程化應用提供參考。