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我國是一個農(nóng)業(yè)大國,每年產(chǎn)生大量的畜禽糞  便和農(nóng)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(chǎn)生霧霾污染環(huán)境,又是資源的極大浪費-3。厭氧干發(fā)酵技術(發(fā)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(fā)酵7=81。

溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵,進而改變了沼氣的產(chǎn)量  10-12  現(xiàn)有的研究主要集中于試驗室規(guī)模的  同穩(wěn)定溫度條件下各個溫度值對發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影  響),但在整個發(fā)酵周期中,物料的溫度是動態(tài)變  化的,短期的溫度變化皆會影響發(fā)酵參數(shù)的變  化14。可見,研究發(fā)酵裝置內溫度場的變化對工程  的穩(wěn)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(fā)酵系

熱量損失和罐內溫度場分布的影響規(guī)律,得到連續(xù)  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(guī)律與實際測試結果變化規(guī)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(fā)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(shù)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(xiàn)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(fā)酵體系的溫度場分布規(guī)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(xù)進料等  外部因素對溫度場的影響20,忽略了常溫發(fā)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(fā)酵過程中溫度  分布特性和產(chǎn)氣特性變化,尋求最優(yōu)的工藝參數(shù),減  少發(fā)酵溫度分布不均和發(fā)酵盲區(qū),提高產(chǎn)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(nóng)場,經(jīng)稻麥  聯(lián)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(yǎng)豬場,發(fā)酵接種物取自實驗基地的  CSTR反應裝置中的發(fā)酵沼液,具體的理化性質如  表1所示。

表1厭氧干發(fā)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(fā)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(fā)酵裝置,主要由干黑膜沼氣池發(fā)酵庫主體、庫門密封系統(tǒng)、內部循環(huán)噴淋系統(tǒng)、太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐增溫系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)、沼氣存儲系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等組成,如圖1所示。該黑膜沼氣池發(fā)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(tǒng),完成進料和密封工作。在黑膜沼氣池發(fā)酵過程中,根據(jù)監(jiān)控  系統(tǒng)顯示的溫度,濕度,pH值等參數(shù),開啟內部循環(huán)  噴淋系統(tǒng)對黑膜沼氣池發(fā)酵環(huán)境進行調節(jié),有效防止局部酸化,提高干黑膜沼氣池發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。

其中,黑膜沼氣池發(fā)酵庫主體主要由庫體、庫門滲濾液池噴淋系統(tǒng)、增溫盤管、柔性頂膜、溫棚、保溫被和監(jiān)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(fā)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(fā)酵庫主要的保溫結構有:1)黑膜沼氣池發(fā)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(fā)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(fā)酵庫頂部,在柔性頂膜上方架設可根據(jù)庫內溫度自動開合的保溫被,并在保溫被系統(tǒng)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(fā)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(tǒng),采用庫內滲濾液池中沼液進行內部循環(huán)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(fā)酵庫。黑膜沼氣池發(fā)酵過  程中,每天早晚各噴淋1次,噴淋時間30min,噴淋量10m3

根據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)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(fā)酵過程的溫度場和產(chǎn)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(fā)酵的傳熱傳質效率,試驗開始后,通過溫度監(jiān)控系統(tǒng)每隔1小時記  錄1次數(shù)據(jù)并保存在計算機中,每天按時讀取沼氣流量計數(shù)據(jù)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(chǎn),量程為-50℃300℃,精度為±0.15℃)、數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)  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(fā)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(shù)值是取每日黑膜沼氣池發(fā)酵庫內每  物料中13個溫度傳感器的平均值,沼液溫度數(shù)值是  取黑膜沼氣池發(fā)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(fā)酵周期內,庫內物料  均溫呈現(xiàn)開始迅速上升后略降低,隨后保持穩(wěn)定的變化趨勢。  首先,從第1天開始黑膜沼氣池發(fā)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(fā)酵前期,原料中營養(yǎng)物質濃度高,經(jīng)過微生物的分  解產(chǎn)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(chǎn)物,其余的部分以熱量的形式散發(fā)出,使  得物料溫度不斷升高,而適當?shù)臏囟壬仙岣吡宋?nbsp; 生物的比生長速率、活化能和酶促反應速度。而此  時的產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌處于對數(shù)生長階段,呼吸作  用強烈,細胞數(shù)量大幅增長,產(chǎn)生大量的熱,促使發(fā)  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(fā)酵周期結束,物料溫度  隨著厭氧黑膜沼氣池發(fā)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(qū)域中乙酸,  H2,CO2和NH1等均保持在一定的濃度范圍內,產(chǎn)  酸菌和產(chǎn)甲烷菌的總代謝能力達到相對平衡,產(chǎn)熱  速率趨于平穩(wěn),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(fā)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(wěn)中有降,第17天至黑膜沼氣池發(fā)酵結束呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,溫度變化范圍穩(wěn)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(fā)酵傳熱傳質強化,在黑膜沼氣池發(fā)酵  初期,沼液中易分解的蛋白質和糖類迅速被菌群分解,產(chǎn)生大量的生物熱,沼液快速增溫;黑膜沼氣池發(fā)酵中后期,沼液中有機質濃度降低,產(chǎn)熱速率減緩,通過與黑膜沼氣池發(fā)酵物料的熱交換,其溫度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。

2.2黑膜沼氣池發(fā)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(fā)酵庫的容積大、發(fā)  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(chǎn)氣效率  和產(chǎn)氣質量。根據(jù)黑膜沼氣池發(fā)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(shù)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(fā)酵前期均呈現(xiàn)快速上升趨勢,達到最大值后各點溫度曲線呈現(xiàn)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(fā)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(jù)環(huán)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(chǎn)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(qū)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(huán)境因  素的影響明顯;溫度點14和10-13的溫度比較穩(wěn)  定,這主要是由于這幾個點都處于黑膜沼氣池發(fā)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(qū)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(fā)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(wěn)定的黑膜沼氣池發(fā)酵環(huán)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(wěn)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(chǎn)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(chǎn)生;同時最底層受環(huán)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(wěn)

從表4分析得出,該層的溫度場呈現(xiàn)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(qū)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(qū)  域,溫度擾動現(xiàn)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(xiàn)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(fā)酵中各層平  溫度呈現(xiàn)第3層>第1層>第2層,其穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)定下降。

方捆稻秸厭氧干發(fā)醇過程中日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)  

2.3產(chǎn)氣效果  

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

方捆稻秸厭氧干黑膜沼氣池發(fā)酵過程中甲烷濃度(體積分  數(shù))和二氧化碳濃度(體積分數(shù))的變化如圖11所  示。由圖可見,在黑膜沼氣池發(fā)酵周期中,甲烷濃度變化趨勢為  逐清增加后趨于穩(wěn)定:甲烷濃度從黑膜沼氣池發(fā)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(fā)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(shù)變化趨勢為迅速增加至最大值,隨

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

3結論

通過對方捆稻秸一豬糞常溫干黑膜沼氣池發(fā)酵過程中溫度場和產(chǎn)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(fā)酵周期內,庫內物料均溫  呈現(xiàn)開始迅速上升后略降低,隨后保持穩(wěn)定,日均溫  變化≤0.2℃;沼液溫度在黑膜沼氣池發(fā)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(fā)酵過程中各層平均溫度  呈現(xiàn)第3層>第1層>第2層,其穩(wěn)定性呈現(xiàn)第3  層>第2層>第1層。 

(3)在常溫干黑膜沼氣池發(fā)酵試驗中,日產(chǎn)氣量隨著溫度  的增加而增加,至峰值后下降并保持穩(wěn)定,且日產(chǎn)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(chǎn)氣率為0.33m3·md-,穩(wěn)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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