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我國是一個農業大國,每年產生大量的畜禽糞  便和農作物秸稈,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,既產生霧霾污染環境,又是資源的極大浪費-3。厭氧干發酵技術(發酵底物固含量TS≥20%)具有原料適應性強、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注和應用4。隨著秸稈收一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酵7=81。

溫度是影響沼氣發酵產氣效率的關鍵因素  它通過對酶的活性、微生物代謝方式、基質擴散速  等方面影響厭氧發酵,進而改變了沼氣的產量  10-12  現有的研究主要集中于試驗室規模的  同穩定溫度條件下各個溫度值對發酵產氣效率的影  響),但在整個發酵周期中,物料的溫度是動態變  化的,短期的溫度變化皆會影響發酵參數的變  化14。可見,研究發酵裝置內溫度場的變化對工程  的穩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:羅濤等研究了進料對發酵系

熱量損失和罐內溫度場分布的影響規律,得到連續  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律與實際測試結果變化規律  相同;石惠嫻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酵沼氣池實際運行中  溫度場的分布特性;張君美8等用實驗研究和數值  模擬相結合的方法,研究不同加熱位置對沼氣罐內  的溫度場分布的影響;張少鵬等采用現實沼氣工  程罐內盤管底部加熱方式,分別研究了純水體系和  秸稈發酵體系的溫度場分布規律。  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、連續進料等  外部因素對溫度場的影響20,忽略了常溫發酵中生  物熱的內部因素影響。因此,本文以高密度方捆秸  稈和豬糞為原料,試驗分析常溫干發酵過程中溫度  分布特性和產氣特性變化,尋求最優的工藝參數,減  少發酵溫度分布不均和發酵盲區,提高產氣效率,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場,經稻麥  聯合收割機撿拾打捆后(長x寬x高為70cmx50

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

表1厭氧干發酵原料的理化性質

理化指標  水稻秸稈豬糞接種物總固體含量(TS)/%  88.5213.85  4.06揮發性固體含量(Vs)/%86  2.55碳氮比(C/N)  55.2428.1125.031.2試驗裝置

試驗采用自行研制的柔性頂膜車庫式干發酵裝置,主要由干黑膜沼氣池發酵庫主體、庫門密封系統、內部循環噴淋系統、太陽能聯合沼氣鍋爐增溫系統、沼氣凈化系統、沼氣存儲系統、智能監控系統等組成,如圖1所示。該黑膜沼氣池發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,庫門關閉后開啟充氣密封系  統,完成進料和密封工作。在黑膜沼氣池發酵過程中,根據監控  系統顯示的溫度,濕度,pH值等參數,開啟內部循環  噴淋系統對黑膜沼氣池發酵環境進行調節,有效防止局部酸化,提高干黑膜沼氣池發酵的產氣效率。

其中,黑膜沼氣池發酵庫主體主要由庫體、庫門滲濾液池噴淋系統、增溫盤管、柔性頂膜、溫棚、保溫被和監控裝置等組成。庫體的單個有效容積73.8m3,內部尺寸(長x寬x高)為8.2m×3m×3m,共有2個。在黑膜沼氣池發酵庫內部后方的地面以下設置有一個滲濾液池,其尺寸(長x寬x高)為2.0mx1.0m×1.0m  黑膜沼氣池發酵庫主要的保溫結構有:1)黑膜沼氣池發酵庫底部,以碎石  做基地,加蓋加氣混凝土,最后澆筑200mm的細石  混凝土層;2)黑膜沼氣池發酵庫四周,在厚度為250mm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)黑膜沼氣池發酵庫頂部,在柔性頂膜上方架設可根據庫內溫度自動開合的保溫被,并在保溫被系統外部構建一個塑料溫棚;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

本次捆式稻秸干黑膜沼氣池發酵試驗于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,采用庫內滲濾液池中沼液進行內部循環噴淋,將物料含水量調至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物料含水率調至80%。最后,覆蓋柔性頂膜  和自動溫控式保溫被,采用水密封黑膜沼氣池發酵庫。黑膜沼氣池發酵過  程中,每天早晚各噴淋1次,噴淋時間30min,噴淋量10m3

根據進料后的物料總高度約2.4m,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0.6m,1.2m,1.8m。每個測溫層設置13個溫度測試點,3層共39個溫度測試點,如圖2所示。根據設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0.6m,1.2m和1.8m的溫度傳感器按照定位點分別放置好,數據線從上部引出,采用頂部的柔性頂膜水密封。本次試驗針對方捆稻秸一豬糞常溫干黑膜沼氣池發酵過程的溫度場和產氣效果開展研究,采用多項保溫技術和滲濾液回流噴淋技術提高干黑膜沼氣池發酵的傳熱傳質效率,試驗開始后,通過溫度監控系統每隔1小時記  錄1次數據并保存在計算機中,每天按時讀取沼氣流量計數據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有限公司生產,量程為-50℃300℃,精度為±0.15℃)、數據采集模塊KI  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  的測定采用在線紅外沼氣分析儀 Gasboard-3200;T

的測定采用105℃烘干24h,差重法測定;Vs的測  定采用50℃灼燒4b,差重法測定pH值的測定采  用雷磁pHS2F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HS0  H2O2消煮,蒸餾定氮法。

2結果與分析

2.1黑膜沼氣池發酵庫內物料和沼液平均溫度變化  

本次試驗從堆漚結束、覆蓋柔性膜后開始,共計  40天。庫內物料均溫數值是取每日黑膜沼氣池發酵庫內每  物料中13個溫度傳感器的平均值,沼液溫度數值是  取黑膜沼氣池發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,在黑膜沼氣池發酵周期內,庫內物料  均溫呈現開始迅速上升后略降低,隨后保持穩定的變化趨勢。  首先,從第1天開始黑膜沼氣池發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  黑膜沼氣池發酵前期,原料中營養物質濃度高,經過微生物的分  解產生大量的生物熱,這些熱量一部分用于合成  能物質,供應微生物合成和代謝的需要,一部分用來

合成代謝產物,其余的部分以熱量的形式散發出,使  得物料溫度不斷升高,而適當的溫度上升提高了微  生物的比生長速率、活化能和酶促反應速度。而此  時的產酸菌和產甲烷菌處于對數生長階段,呼吸作  用強烈,細胞數量大幅增長,產生大量的熱,促使發  醇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天至黑膜沼氣池發酵周期結束,物料溫度  隨著厭氧黑膜沼氣池發酵的進行,原料中有機質的消耗,微生物  生長速率和增長速度減緩,原料的各個區域中乙酸,  H2,CO2和NH1等均保持在一定的濃度范圍內,產  酸菌和產甲烷菌的總代謝能力達到相對平衡,產熱  速率趨于平穩,這段時間的溫度維持在24.03℃  24.79℃之間,日均溫變化≤0.2℃。  沼液溫度在黑膜沼氣池發酵周期內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天穩中有降,第17天至黑膜沼氣池發酵結束呈現緩慢上升趨勢,溫度變化范圍穩定在21.61℃~21.93℃。由于每天均采用噴淋回流技術進行干黑膜沼氣池發酵傳熱傳質強化,在黑膜沼氣池發酵  初期,沼液中易分解的蛋白質和糖類迅速被菌群分解,產生大量的生物熱,沼液快速增溫;黑膜沼氣池發酵中后期,沼液中有機質濃度降低,產熱速率減緩,通過與黑膜沼氣池發酵物料的熱交換,其溫度呈現緩慢上升趨勢。

2.2黑膜沼氣池發酵過程中物料溫度分布特性  

在大中型沼氣工程中,由于黑膜沼氣池發酵庫的容積大、發  酵原料的物理特性和微生物分布不均,庫內各個點  的溫度有所不同,這直接影響沼氣工程的產氣效率  和產氣質量。根據黑膜沼氣池發酵庫內上中下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次數值繪制成圖5-圖8

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層物料溫度在黑膜沼氣池發酵前期均呈現快速上升趨勢,達到最大值后各點溫度曲線呈現較大的波動,各個  點的溫度變化過程比較復雜。這主要由于黑膜沼氣池發酵庫頂  部為柔性頂膜結構,是整個庫體散熱量最大的部位,釆取了架設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;晚間保溫被根據環境溫度關閉,防止庫內熱量的散失。

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,這幾處溫度受到環境因  素的影響明顯;溫度點14和10-13的溫度比較穩  定,這主要是由于這幾個點都處于黑膜沼氣池發酵庫頂部的混  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域,熱量損失減低。

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  黑膜沼氣池發酵物料的中間部位,受到太陽輻射的擾動作用較  小;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定的黑膜沼氣池發酵環境。

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生沉降變形,變形應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、腐殖質和微生物,大大促進了底層有機質的降解和生物熱的產生;同時最底層受環境溫度的影響較小,使得底層物料的溫度梯度變化較為平穩

從表4分析得出,該層的溫度場呈現中間高四  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  域,溫度擾動現象較明顯,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,對流換熱現象降低了該處的溫度。

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

方捆稻秸厭氧干發醇過程中日產氣量和累計產  

2.3產氣效果  

氣量變化情況如圖9所示。由圖可見,日產氣量從  第l天開始迅速增加,于第14天達到產氣峰值,為  33.41m3,其對應的有效容積產氣率為0.57  m3·m3d-1,維持短暫的高峰值日產氣量后迅速降  低,在第18天后日產氣量維持小幅度的波動。在  40天的厭氧黑膜沼氣池發酵周期中,總產氣量為766.18m,日  均產氣量為19.11m3,有效容積產氣率為0.33  m3·m3d-(黑膜沼氣池發酵物料有效容積為59.04m3)。從  日產氣量的變化看,黑膜沼氣池發酵溫度對方捆稻秸干黑膜沼氣池發酵的  日產氣量影響較大,主要表現為日產氣量隨著溫度  的增加而增加,由圖10可見,日產氣量到達峰值的  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生的生物熱和太陽輻射熱  的共同作用下,造成黑膜沼氣池發酵物料溫度的持續升高,從而  促進產酸菌和產甲烷菌的生長速率,提高日產氣量  但方捆稻秸堆積密度大,且黑膜沼氣池發酵一段時間后,隨著物  料的降解,其孔隙率和有效傳熱系數都有所降低,傳熱效率也大大降低,直接導致產氣量峰值的延后需要注意的是,在產氣峰值后,物料溫度較為穩定但日產氣量卻出現明顯的下降,表明TS濃度越高  有機酸的累積越容易出現。

方捆稻秸厭氧干黑膜沼氣池發酵過程中甲烷濃度(體積分  數)和二氧化碳濃度(體積分數)的變化如圖11所  示。由圖可見,在黑膜沼氣池發酵周期中,甲烷濃度變化趨勢為  逐清增加后趨于穩定:甲烷濃度從黑膜沼氣池發酵第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天至厭氧黑膜沼氣池發酵周期  結束甲烷濃度保持在50.42%-61.78%之間。  氧化碳體積分數變化趨勢為迅速增加至最大值,隨

后緩慢降低趨于平穩,維持在36.50%左右。可見,  甲烷濃度隨著溫度的升高而升高,并在溫度穩定后  仍持續增長,表明進入產氣高峰期后,產甲烷菌代謝  旺盛,適量的有機酸為產甲烷提供原料,使甲烷濃度  保持較高的狀態。

3結論

通過對方捆稻秸一豬糞常溫干黑膜沼氣池發酵過程中溫度場和產氣效率的試驗結果分析可以得出以下結論:  

(1)在40天的常溫黑膜沼氣池發酵周期內,庫內物料均溫  呈現開始迅速上升后略降低,隨后保持穩定,日均溫  變化≤0.2℃;沼液溫度在黑膜沼氣池發酵周期內整體呈上升趨  勢,從17.03℃上升至21.93℃。

(2)方捆稻秸厭氧干黑膜沼氣池發酵過程中各層平均溫度  呈現第3層>第1層>第2層,其穩定性呈現第3  層>第2層>第1層。 

(3)在常溫干黑膜沼氣池發酵試驗中,日產氣量隨著溫度  的增加而增加,至峰值后下降并保持穩定,且日產氣  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,有效容積產氣率為0.33m3·md-,穩定  后甲烷濃度保持在50.42%以上。

摘自《中國沼氣》第三期 李瑞容 孔偉 曹杰 王鵬軍 曲浩麗 韓柏和 陳永生

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