高浓度物料沼气发酵过程传质特性研究及搅拌形式优化

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1、绝大多数学者都认同，在不连续且适度的条件下，搅拌能够通过改善消化液中物料的溶解性和分散度来提升厌氧消化过程的产沼气量。(LynnC．Smithetal，1996；AlastairJ．Wardetal，2008；EPA，1987；H．D．Monteithetal，1981；N．Massartetal，2008)学者们主要对不同原料在搅拌条件下的厌氧消化过程进行了研究，并得出了搅拌能提升厌氧消化沼气产量的结论。1．2．1．1污泥厌氧消化污水处理过程中产生的大量污泥经厌氧消化后可达到使其稳定化、无害化，然而由于污泥本身所具有的高固体含量和有机质来

2、源的不确定性使得其在厌氧消化时常常表现出速率低、时间长、过程不稳定等不足(王治军等，2005；吴静等，2008)，为此，污泥厌氧消化时设搅拌以使反应器内污泥浓度均匀、防止结壳和分层并提高其分解及消化速率和沼气产量(张自杰等，2000)。平罔正胜等人(1990)的研究结果证实了这一解决途径的有效性。他们以污水处理厂的剩余污泥为原料进行中温厌氧消化，得到在搅拌和无搅拌两种条件下，污泥的原料产气率分别为224mL-g-1COD和160mL·分1COD，两者相差约40％。陈双星等人(1997)研究发现沼气搅拌能够显著提升污泥分解率和产气率，并且他们

3、认为沼气能够让污泥厌氧消化时所产生的H：重新返回到生化过程，从而能解除由H2和乙酸盐引起的对污泥厌氧消化过程中丙酸盐和乙醇生化降解的抑制(HeinrichEKasparetal，1978)。BeUo—Mendoza和Sharratt(1998)的研究结果表明，不设搅拌的厌氧消化反应器的运行效果比设搅拌的差，尤其是在反应器容积很大时。大多数研究者认为，适合污泥厌氧消化的搅拌方式有机械搅拌、射流搅拌和沼气搅拌三种，我国目前常推荐使用沼气搅拌这一方式(冯生华，2001)。1．2．1．2市政垃圾厌氧消化作为一种优于填埋和焚烧的处理市政垃圾的方法，近

4、年来已在亚洲国家被广泛推广应用。但是由于，市政垃圾厌氧消化的两个主要过程一水解／酸化以及甲烷化被认为是限制步骤，加之温度波动对过程的稳定性影响很大(P．H．L．Nguyenetal，2007)，因此搅拌被主要用来解决其消化过程物化性状不均匀这一问题。2中国农业科学院硕士学位论文第～章绪论Pfeffer(1987)以高固体市政垃圾为原料进行厌氧消化实验，他们发现，尽管由于反应器内纤维类物质的积累妨碍了机械搅拌装置的运行，并导致了连续搅拌状态下的厌氧消化的稳定过程不可持续，但搅拌的设置能在一定程度上提高沼气产量。这一结论也证实了James等(1

5、980)的研究结论aKatherineD．McMahon等(2001)和PeterGStroot等(2001)针对市政垃圾和生物固体在各种混合状况下的混合厌氧消化有着相同的结论，他们认为：加入厌氧污泥的反应器可以在连续搅拌的条件下快速启动；随着有机负荷的逐渐增加，降低搅拌强度可以使反应器的运行更加稳定，并表现出优良的产沼气性能；此外他们还发现，搅拌可以使反应器内VFA和丙酸盐的转化活动变得异常迅速和活跃。周富春(2006)在有机固废的厌氧消化过程中发现，增设搅拌以后，有机固废的产气量和产气速度都有所增加；但当每天的搅拌次数超过3次时，产气量

6、和产气速度增加不明显，超过5次沼气产量则有所下降；与此同时，他认为，由于搅拌需要付出成本，所以每天的进行搅拌的次数应控制在2次。1．2．1．3畜禽粪便污染和致病菌的防治以及温室气体减排的压力使得厌氧消化成为规模化畜禽养殖粪污的首选处理方式，搅拌作为一种加强反应器内活性微生物和可降解基质问实际有效接触的技术手段，在提高畜禽粪便厌氧消化沼气产量发挥了重要作用。KhursheedKarim等人(2005abc)以畜禽粪便为原料，探讨了沼气回流、污泥回流、机械搅拌三种搅拌方式对厌氧消化产沼气的影响。他们发现：在进料TS浓度为5％时，设置搅拌和不搅拌

7、的反应器的沼气产量的差异并不显著；当进料浓度为10％时，采用沼气回流搅拌、水力搅拌和机械搅拌的反应器分别比不设搅拌的反应器多出15％、25％和22％的沼气产量：随着进料TS浓度的升高，畜禽粪便厌氧消化过程对于混合搅拌的需要就愈加突出。GokselN．Demirer和ShulmChert(2005)用混合厌氧反应器处理TS=9．87％的奶牛粪便时，采用沼气回流的搅拌方式，产生了很好的混合效果，沼气产量也有显著提高。1．2．1．4其他原料厌氧消化通常还有诸多其他来源的原料：作为粮食收割副产品的玉米、稻草等秸秆；青草；TS含量较低但VS含量很高瓜

8、果蔬菜类固体废物等(vNaUathambiGunaseelan，1997；AlastairJ．Wardetal，2008)。搅拌的设置使得这些原料的厌氧消化过程更加稳定、产沼气潜