文 献 综 述

1.1 引言

厌氧发酵产沼气原料来源广泛，如餐厨垃圾、农作物秸秆、畜禽粪便等。正是由于这种产能方法原料易得且带来良好的环境效益，很多学者展开了对厌氧发酵产沼气的研究。厌氧发酵的形式根据所使用原料含水率的不同大致可以分为2 类：干发酵和湿发酵^[1]。在湿发酵中为了达到产气的最大化和效率最高化，会在发酵反应器中运用搅拌技术。混合的目的历来有三个方面：（一）将与所述发酵内容混合新进料，（二）避免浮或沉淀层造成材料沼气池建立过程中的问题，以及（三）加热控制^[2]。在沼气工程中应用搅拌技术，一般说来能够改善物料及温度的均匀性，保证沼气发酵的稳定运行，从而提高沼气产率，但同时由于沼气发酵效果受多种因素控制，如温度、水力停留时间、进料参数以及微生物数量等，以及从能效比等经济因素考量，搅拌技术的合理运用有非常值得深入研究的意义^[3]。

1.2 搅拌方式

沼气工程中搅拌方式分为三类：机械搅拌，气体搅拌以及水力搅拌。气体搅拌运用沼气回流原理来实现搅拌效果，具有反应器内设备少、构造简单、机械性磨损小、运行费用低效率高等优点，但是其对于技术要求和设备费用很高，且不利于厌氧消化过程的进行。而运用水泵来进行循环的水力搅拌虽然相比于气体搅拌拥有更高的能效和经济性能，但其搅拌范围有限，容易产生死角。目前，机械搅拌被认为是最有效的搅拌方式，因为这种搅拌方式可以均匀混合物料，此外，其能耗也是最低的^[4]。

1.3测量项目及方法

COD含量采用重络酸钾法测定；TS含量采用烘干法测定；温度采用自带温度计测定，PH值采用装置自带PH计测定，产气速率采用排气泡法测定，产气量采用排饱和沼气水集气法测定^[5]，气体含量采用气相色谱仪测定。

1.3.1发酵产气量及CH4含量变化

图2 发酵日产量和CH4含量变化曲线

产气过程大致分为缓慢期16 d, 旺盛期12 d,衰退期17 d,发酵产气总量261 417.6ml(图2), COD产气率为0.148 ml/kg。旺盛期日产气量平均偏差3 023.2 ml,平均相对偏差20.16%, 可见高负荷旺盛期日产气量波动较大。产气中CH4 含量每5 d测定1次, 变化见图2。由图2可知, CH4 含量在产气过程中首先逐渐增加, 在第18天时达到高峰,此后变化相对平缓。

1.3.2搅拌对发酵的影响

在产气衰退期搅拌不同时间(5、10、15 min), 各有4组平行操作,求平均值, 绘制曲线见图3。由图3可知, 搅拌之间隔开数小时并保证产气平稳,结果均使产气速率先上升后下降,且出现一定程度的产气间断和后续产气降低的现象。搅拌5、10、15 min使产气量增加9.77、24.06、21.33 ml/kg。其中,搅拌10 min使产气增加最多,继续搅拌产气增量会减少,搅拌时间过长会对产气造成不利影响。

1.4搅拌对沼气发酵的影响

　产甲烷细菌有在固体介质表面附着生长的习性。当发酵器内有固体介质时, 首先是营养基质和微生物在介质上吸附, 微生物逐渐增殖, 并依靠胞外聚合物等粘性物形成微生物聚合体^[6] , 形成生物膜或颗粒污泥。所谓沼气工程搅拌就是沼气池内的料液在外力作用下形成某种特定的运动形式。这种”特定的运动形式” 不但直接影响料液在池内的分布,而且直接影响沼气发酵细菌在池内的分布以及细菌的形态和生命形式^[7]。 各种有关搅拌对沼气发酵微生物影响的描述都是正面的。但是过度搅拌也许会产生负面影响。

1.4.1 搅拌对微生物的负面影响

如机械搅拌和液流搅拌的过度操作会引起压力或发酵器内的局部压力的增加，从而影响微生物的生活环境^[8]。高强度的搅拌所带来的连续剧烈运动会破坏微生物絮团的结构，从而扰乱厌氧环境中各互营性菌群间的空间分布关系，并直接导致产甲烷菌无法适应在水解酸化相对过快的环境。种间氢转移是一种重要的互动互养类型，氢直接在产酸和产甲烷直接传递（生产者和氢气的消费者），微生物维持较低的氢气分压，否则会产生AD过程的副作用^[9]。充分混合显示可以拆散微生物群落，并降低胞外聚合物质，可以起到在细胞之间或者在细胞与其他表面之间提供附着力的作用。Hoffman^[10] 等观察了在宽范围的混合强度下连续搅拌的几乎所有絮状物的破坏情况，（每分钟的转速旋转50-1500）并对沼气生产没有任何负面影响。絮状物的破坏是由混合中的剪切应力导致的。过度混合强度会提高沼气过程的启动时间，由于工艺过程中含有较高的丙酸和醋酸，所以反过来混合强度的降低能够使一个不稳定过程稳定下来。因此在厌氧消化的启动阶段应进行强度尽量小的搅拌。

1.4.2 搅拌对厌氧活性污泥活性的影响

　 产甲烷细菌在营养缺乏时会产生气泡而上浮。搅拌可以破坏这种漂浮作用,并使细菌在料液的紊流状态下尽快获得营养。细菌的附着生长习性使其在发酵器内大部分以生物膜的形式存在^[11]。生物膜厚度受控于有机负荷率和水力条件。此时, 膜内的传质过程是沼气发酵的限速步骤。微生物在种群上是共生的。在一定搅拌强度内, 搅拌能够有效改善反应器内的混合传质效果,强化微生物之间的生物链,从而提高污泥的活性^[12]。但过烈的搅拌可能会危及细菌的生存。另外,由于搅拌器以及水流的剪切作用、固体原料与污泥颗粒以及污泥颗粒之间碰撞和摩擦作用等,会使生物膜脱落或使颗粒污泥破碎而影响其沉降性能, 但对污泥的活性影响不大^[13]。

1.4.3搅拌对厌氧发酵的积极影响

搅拌借助其形成的流动，增加可降解有机物和微生物之间的紧密和有效的接触，进而加强有机物的溶解、提高其转化和降解效率。此外，搅拌能够使反应器内各处的物化和生化性状( 物料浓度，温度，pH 值，微生物种群等) 保持一致，因为反应器内性状的不均匀会影响到微生物的活性。搅拌可以使发酵罐内浮渣层破碎并减少其底部沉积物的积累，从而有效地避免了反应器有效容积的减少^[14]，并能将有害的微量抑制物均匀分布，尽量降低或者消除其影响。

1.5 结论

搅拌是沼气发酵工艺中的重要操作单元。搅拌装置是整个沼气发酵工艺的高耗能装置。搅拌工艺设计恰当与否,不仅关系到实际发酵效果,而且会影响整体工艺的经济性。

现代沼气工程表明: 高浓度物料沼气发酵是规模化沼气工程正常运行的关键。而对于高浓度物料沼气发酵，机械搅拌是最有效的搅拌方式。由于沼气发酵过程的复杂，原料来源多样化，对沼气发酵过程了解还不够透彻，所以，沼气发酵混合搅拌的理论研究尚处于探索阶段，还不能根据不同发酵原料来设计混合搅拌装置及运行参数^[15]。

此外，还应注意搅拌强度对整个厌氧消化反应的影响，适当的搅拌能够使微生物与营养物质充分接触，并且使产物及时排出，从而进一步提高了发酵速率和产气量，达到产气的最大化和效率最高化。

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