泔脚厌氧发酵中试系统设计及运行研究

摘要：在小型试验的基础上，进行了总容积1300L的预酸化两相连续发酵的中试设备构建设计；运行试验结果表明，在中温发酵条件下，泔脚废物的预酸化两相处理，在负荷1.66kg•m-3d-1和35℃时，每吨泔脚能产生102m3沼气。与城市有机废物大型发酵工艺的技术与运营指标对比定性分析表明，本工艺条件下的泔脚厌氧发酵处置具有广阔的社会产业化应用前景。
关键词：泔脚；厌氧发酵；中试
1引言
在有机废物的厌氧消化中，影响转化效率的除物料自身特性、生态因子控制外，反应系统的结构特性对于提高消化效率具有重要的影响。有机废水的流动介质特性使得高生物量的保持以及泥水分离得以实现，这促进了废水厌氧反应器的极大发展和应用，但由于固体物料与废水截然不同的流动和物料特性，迄今为止，有机固体厌氧消化反应器方面的研究进展较慢。常用的传统厌氧消化器、农村沼气池等，在实际应用中存在发酵期间易出现分层、微生物与基质不能均匀接触、原料转化率低、滞留时间长等缺陷。因此，进行有机物料固体发酵反应器的结构优化，提高系统的均匀传质、生物量的保持，对提高废物厌氧效率和推广废物厌氧技术的应用是非常必要的。
2泔脚厌氧反应器设计与构建
2.1发酵工艺的选择
前期小型试验显示，采用单级处理工艺，在处理负荷上，中温和高温基本相同，温度的提高并没有提高反应器的处理容积效率；但在生物气化效率上，温度的提高，在同等VS负荷（0.90g•L-1d-1）的条件下，气化效率有一定提高，提高率为18％。高温条件下的预酸化发酵工艺在处理负荷以及气化效率方面，相比单级工艺均有较大的提高，提高效率分别达到50％左右，容积效率的提高，意味着同等容积的反应器，每日的废物处理量增大50％以上，同比总的初期设备投资将降低50％；此外，生物气化效率的提高，亦意味着同等的废物处理，资源化效率将提高50％。因此在成套设备构建中，采取粉碎加前期部分预酸化的方式，一方面提高泔脚废物的物料均匀性、亲水性，另一方面进行预调节使其形成为含水率为85％～90％左右的均匀桨料，这为后续严格厌氧处理的进一步混合、进料出料、生物的回流接种等提供了有利的条件。
2.2反应器流态的选择
在厌氧生物处理中，反应器的设计和运行性能除与参与反应过程的微生物（或酶）类群特性有密切的关系外，还与反应物料在反应器内的流动与混合状况有极大的关系。反应器中物料的流动与混合状况不仅影响反应或处理过程中底物的转化效率，而且与工艺的运行稳定性、所需的反应时间及设备的投资有关，因而流态类型是决定反应进行状况的重要工程因素。
在连续运行的厌氧反应器中，物料的混合状况反映了进水基质在反应器内停留时间（HRT）的分布状况。反应器从理论流态出发可区分为：反应器内完全不存在物料间返混的塞流反应器（PFR），反应器内不同物料间存在最大限度返混的完全混合反应器（CSTR）。由生物反应动力学，对于无抑制单一底物的生化反应，在相同反应条件下达到相同的有机底物去除效率时，CSTR和PFR两者所需的反应器容积比可用式1表示：

由式1明显可知，在相同的处理效率下，CSTR反应器所需的反应器容积要大于PFR，这是由于流动的混流所造成的，且随着处理效率的要求提高，两者的差距趋大，同时混流对反应器容积的影响随着反应底物初始浓度的提高而减少。在实际生物反应器内流体的流态为非理想流态，一定程度的混流是不可避免的，对泔脚等固体废物的厌氧发酵来说，反应的底物量很大，相比于废水的厌氧处理，式1中Km/Cso项趋于很小，两种反应流态的反应器的容积差距，相比于废水厌氧要小很多，同时由于固体物料的混合要求，良好的物料-生物的宏观混合是必须的，只有这样，大量的生物体才能与基质良好接触而发挥其降解功能，否则易造成反应器的大量死区，影响处理效果，大大降低反应器的容积利用率，且采用塞流处理对物料均匀混合的技术要求相当高，在一定程度上亦可能造成反应器投资的提高，因此，对具有复合流态（即局部完全混合，整体趋于推流）的反应器工艺已开始成为第三代新型高效厌氧工艺研究和开发的发展主流。
综上所述，泔脚的厌氧反应器采用完全混合（CSTR）流态是合理可行的。
2.3搅拌方式的选择
从泔脚发酵的流态分析，对泔脚反应器的物料反应过程采用完全的混流是合理的，进行物料的完全混合，就是要使得反应器内形成完全混合的流场。进行完全混合的方式需要能量的输入，小型反应器最经济、最常用的方式是采用机械混合的方式，对于泔脚物料的高固体、高黏度特性，良好的机械搅拌器选择是反应器设计的关键要求，对于系统的处理能力和效率影响较大，机械混合对于提高泔脚废物的启动稳定性，降低初期接种率，提高有机负荷具有明显的刺激作用。
从前述多相体系的搅拌技术可知，搅拌器的类型以及反应器的形状对反应器的整体混合传质条件具有重要的影响。随着发酵、化工等领域的发展，工业搅拌器也经历了一个快速发展的历程，众多研究者以及专业搅拌器生产厂商提出并生产了多种搅拌器类型，常用的搅拌器有：径向流涡轮搅拌器、轴向流搅拌器以及组合式搅拌器等。其中，径流式搅拌器分散性能好，功耗较大，作用范围小；而轴向流搅拌器的轴向混合性能较好，功耗低，作用范围大。组合桨是将径向流搅拌器和轴向流搅拌器进行组合使用，进一步提高反应器的搅拌混合效果。