不同高径比反应器对厌氧发酵产气特性的影响

黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报 第 21卷 影响一个反应器处理效率的因素很多，除了底 物的性质和处理负荷外，还包括反应器的结构、搅拌 方式和强度、循环周期、处理温度等。H/D是一个反 应器最主要的结构特征参数，它对污泥的沉降效果 影响较大。Sung和 Dague[1]曾采用 H/D分别为 0.61、 0.93、1.83、5.6的四个容积都为 12 L的反应器对污泥 特性进行了对比研究，结果表明，H/D值大的反应器 能保留具有较大零沉降速度的颗粒污泥，并在排水 时洗出分散的絮状污泥，而 H/D值小的反应器能保 留更多的污泥量。本试验是想通过不同 H/D的反应 器，探讨不同 H/D反应器对牛粪厌氧发酵产气特性 的影响。 1 材料与方法 1.1 试验材料 试验用鲜牛粪取自哈尔滨市香坊奶牛场，加入反 应器前要用粉碎机打碎，使得牛粪和水混合均匀；接 种污泥取自哈尔滨市幸福乡经年池塘。牛粪和污泥经 测定 TS（Total solid）和 VS（Volatile solid）后备用。 1.2 试验装置 试验装置如图 1所示。试验采用中温单相厌氧 不同高径比反应器对厌氧发酵产气特性的影响 张波 1，李文哲 2，王伟东 3，王福成 1，冯金龙 1 （1．黑龙江八一农垦大学学院，大庆 163319；2．东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；3．黑龙江八一农垦大学农学院） 摘 要：圆柱形反应器的 H/D（高径比）是影响厌氧发酵效率的一个重要因素，为此研究了在发酵液浓度、接种量一定的情况 下，对 H/D为 2.18、4.66、5.00、6.66四种不同高径比反应器对 COD（Chemical oxygen demand）去除率、容积产气率及平均容积产 气率的影响。结果表明，H/D为 2.18的反应器 COD去除率最大，容积产气率、平均容积产气率也最大。 关键词：高径比；反应器；厌氧发酵；产气特性 中图分类号：S216.4 Effect of Reactors with Different Ratios of Height to Diameter on Biogas Production of Anaerobic Fermentation Zhang Bo1, Li Wenzhe2 , Wang Weidong3, Wang Fucheng1，Feng Jinlong1 （1.College of Engineering, Heilongjiang August First Land Reclamation University, Daqing 163319； 2. College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin,150030； 3. College of Agriculture, Heilongjiang August First Land Reclamation University） Abstract: The ratio of height to diameter （H/D）of cylindrical reactor is an important factor to improve the efficiency of anaerobic fermentation. In this paper, the effect of four reactors with H/D of 2.18, 4.66, 5.00 and 6.66 on removal of chemical oxygen demand （COD），biogas production rate per volume and the average biogas production rate per volume was studied. It is shown that the reactor with H/D of 2.18 is optimal, with highest removal of COD and average biogas production rate per volume. Keyword: H/D；reactor；anaerobic fermentation；biogas production 收稿日期：2009-02-28 基金项目：国家科技支撑项目（2006BAD07A10），（2008BADC4B01），（2006BAD04A09）；国家 863项目（2007AA100705）；省 科技攻关项目（GA07B501），（GB06B502），（JC01B509）。 作者简介：张波（1980-），女，助教,东北农业大学硕士研究生毕业,现主要从事机械工程方面的教学和能源与动力科研工作。 通讯作者：李文哲，男，教授，博士生导师，E-mail：liwenzhe9@163.com。 文献标识码：A 文章编号：1002-2090（2009）02-0042-03 21（2）：42~44 Apr. 2009 黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报 Journal of Heilongjiang August First Land Reclamation University 第 21卷 第 2期 2009年 4月 第 2期 � � � ��� � � � � � � �� � � � � �� �� �� �� 1��� � 80L 2�13���� 3����� 4����� 5����� 6���� 7����� 8�� ! 9�10�"#$%& 12WG-8 11�M12�’()� 12�*+� 14�� ! 发酵，通过温控箱 8控制热水器 1中的热水使其流 入到反应器 12的夹层内，利用热水浴 35±1 ℃恒温 控制反应器内部发酵液温度，反应器内发酵液产生 的沼气经出气管路 4及时输送到集气罐 6中。 图 1 恒温发酵装置 Fig. 1 The fermentation equipment of constant temperature 1.3 试验方法 本试验采用 H/D分别为 2.18、4.66、5.00和 6.66， 有效容积分别为 29 L、9 L、26 L和 14 L的 4个反应 器进行试验，其中 H/D为 5.00和 6.66的反应器 H （高度）相同，H/D为 4.66和 6.66的反应器 D（直径） 相同；试验分 4组，每组的试验温度、料液浓度及水 力停留时间均相同；试验采用批量发酵工艺 [2]，即一 次性接种投料，运转周期内不添加新料液，发酵周期 15 d。试验过程中，逐日累计产气量，并每日监测 pH及 COD值，TS和 VS在试验开始与结束时测定。 1.4 测定项目与方法 试验所要测定的各项指标及方法见表 1。 2 结果与分析 2.1 不同 H/D反应器对 COD去除率的影响 由表 2可以看出，采用不同 H/D反应器处理牛 粪经过 15 d发酵后，4组试验 COD去除率结果由高 到低依次为Ⅰ组、Ⅲ组、Ⅱ组和Ⅳ组；对 COD去除率 进行统计分析，结果表明，4组试验对 COD去除率作 用效果达到极显著水平（P<0.01）。对Ⅲ、Ⅳ组进行分 析比较得出，反应器 D影响 COD的处理效果；同样 Ⅱ、Ⅳ组比较，反应器 H影响 COD处理效果。从表 2 可以还可以看出，4组的 COD去除率小于 40%都不 高，原因是试验所选用接种物为上一轮的发酵液，发 酵液中不可降解的有机物质所占的比例过大，另外 与原料（牛粪）本身也有一定的影响，原料中木质素、 纤维素及半纤维素含量偏高，其中木质素很难被生 物所降解影响了 COD去除率。 2.2 不同 H/D反应器对容积产气率的影响 由容积产气率（图 2）所示，四组的容积产气率变 化曲线趋势相同，都是先升高然后降低再升高最后 降到最小。Ⅰ组和Ⅱ组容积产气率波动范围比较大， 表 1 各指标的测定方法 Table 1 Measurement of every guideline 指标 日产气量 气体成分分析 TS（总固体含量） COD（化学需氧量） pH值 测定方法 悬浮式排水法 气相色谱法 烘干法 密封催化消解法 便携式 pH计测量 备注 如图 1 — 贺延龄，1999[3] — — 表 2 不同 H/D情况下的试验结果 Table 2 Experimental results of the different H/D reactors 试验号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 有效容积 L 29 9 26 14 高径比 H/D 2.18 4.66 5.00 6.66 进料 TS /% 6 6 6 6 COD去除率 /% 38.42±2.21A 28.75±2.00B 32.91±1.75C 23.38±3.01D 注：表中 COD去除率以平均值±差表示。肩标字母无相同 者表示二者差异显著（小写字母代表 P<0.05）或极显著（大写 字母代表 P<0.01），下同。 张波等:不同高径比反应器对厌氧发酵产气特性的影响 43 黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报 第 21卷 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ����/d �� � � �� � � � �� �� �� �� · 前 4天，Ⅰ组容积产气率从 0.7快速上升到 1.71。通 过监测 pH值及挥发性脂肪酸（VFA），说明前 3天发 酵液中产氢产酸菌的活性达到了最大值，根据以往所 做的试验[4,5]可知发酵液中 VFA达到了最大值，由于 菌群中的反馈抑制，高浓度的 VFA抑制了产酸菌的 生长繁殖，而发酵液中的 VFA提供了产甲烷菌生长 繁殖充足的底物，使产甲烷菌的快速生长繁殖，同时 在 H/D较小的反应器内，发酵液中产甲烷菌横向比 较活跃，能够充分利用产酸菌所产生的底物，根据以 往所做的试验在第 4天产甲烷菌的数量达到了峰值， 同时它们的活性也达到了最大，所以说，在整个发酵 周期内，Ⅰ组容积产气率明显高于其他三组，底物利 用充分，发酵效果好。实际上，厌氧生物处理反应器可 以看成是一个人工创建的微生物生态系统，而生物处 理实质上是污染物在微生物体内的生化代谢过程。在 反应器内，发酵性细菌所分泌的胞外酶水解复杂有机 物为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，再将上述可 溶性物质吸收进入细胞后，分解发酵成有机酸和醇 类，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被产甲烷菌所利 用，必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和 二氧化碳。丙酸、丁酸、乙醇、乳酸降解生成乙酸和氢 气，除乳酸外均是吸热反应，而产甲烷菌代谢甲酸、甲 醇、乙酸和 H2 /CO2都是放热反应，但总体按自由能进 行计算，整个厌氧发酵过程都伴随着能量的变化，最 终是放热反应[6-8]。当反应器内部发酵液温度达到稳定 时，反应器中心处温度成梯度向四周递减分布。通过 散热方程进行计算，H/D小的反应器在单位时间内， 单位体积的发酵液温度变化幅度很小，同时发酵液温 度变化慢，使得发酵中液产甲烷菌活性高，利于产甲 烷菌的繁殖生长。另外 H/D值小的反应器能保留更 多的污泥量，污泥量越多各种菌的活性越大，利于产 氢产酸菌、产甲烷菌的生长繁殖，同时他们的活性高 能快速降解牛粪发酵液中的有机物质，也能很好地利 用降解后的底物，可见，Ⅰ组的发酵效果最好。 图 2 不同 H/D对容积产气率的影响 Fig. 2 The effect of different H/D on the volume gas production rate 2.3 不同 H/D反应器对平均容积产气率的影响 由平均容积产气率（图 3）可知，在整个周期内， Ⅰ组的平均容积产气率极显著地高于其它 3组。Ⅱ 组和Ⅳ组的平均容积产气率差异达到显著水平 （0.01