兰州交通大学学报
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仿生态胃厌氧消化器的设计

  厌氧消化是处理有机废弃物比较理想的方式。在农村推广使用沼气池发酵处理畜禽粪便污染具有积极意义,而沼气发酵必须在严格的厌氧环境下才能实现。在具体应用中,有许多可选择的厌氧消化工艺,这些厌氧消化工艺在设计、施工、运行、管理等方面有着诸多严格的要求。现有传统的沼气厌氧消化器一般采用粪污与废水完全混合,反应器内固体停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)基本相等,负荷较低,一般由砖混结构和混凝土现浇建成,密封采用刷密封剂及七层作法实现厌氧环境。一方面,我国北方大部分地区昼夜温差大、土壤盐溃化严重,寒冷、冻融现象、地基承载力差,这些现象都影响到沼气厌氧消化器的密闭效果,造成厌氧环境被破坏,厌氧消化器即沼气池报废。由于沼气的产量受环境温度的影响,导致北方农村沼气使用和推广受到严重制约,北方地区冬季沼气利用技术成为目前亟待解决的关键技术问题;另一方面沼气分子直径是混凝土分子直径的四分之一,要实现厌氧消化器即沼气池的气密性,单单靠刷几遍密封剂是远远不能满足实际需要的。新疆绿野宝油环保能源科技有限公司科技人员课题组将传统混凝土沼气池和聚氯乙烯高分子复合材料膜结构沼气池结合起来。设计出仿生态胃厌氧消化器,提高了沼气池的气密性,利用太阳能技术,提高沼气池的温度,形成了优势互补,延长产气时间,提高了处理有机废弃物的效率。


  1 总体设计


  1.1 设计原则


  仿生态胃厌氧消化器是常规型全混合式消化器,它的设计原则主要为以下几点:一是实现厌氧环境;二是实现循环搅拌;三是利用太阳能加热;四是方便进出料;五是方便维修、维护;六是提高气密性,产气时间长。


  1.2 设计理念


  2009年4月底,新疆维吾尔自治区已建成沼气项目用户23.25万户,成为西北地区发展最快的省区之一。但在部分地区,尤其是新疆寒冷地区冬季时间长,昼夜温差大,有些地区盐碱比较严重,土质疏松、地基下沉这些问题都制约了沼气事业的发展。


  牛是能通过胃的消化产生沼气的动物之一,牛属反刍动物,其胃有四室,分别叫瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃。牛的消化特点是:瘤胃含有大量的细菌[其中就包括产甲烷菌]和纤毛虫,是主要的发酵位置,舌乳头覆盖表面,增加表面积,有利于发酵。瘤胃发酵的产物主要是挥发性脂肪酸、CO2、CH4、H2、H2S。据研究达60多种,形成反刍消化的特点。牛瘤胃可以对碳水化合物、蛋白质发酵。如图1所示。


  研究人员通过分析发现:对微生物发酵而言理想的场所是瘤胃――它具有相对稳定的温度(39-40℃)、固定的基质流入,产生连续的发酵作用、固定的残余去除、固定的渗透压、固定的PH以及厌氧状态。这些都是厌氧消化器应当具备的条件。也是仿生态胃厌氧消化器设计的技术要求。


  1.3 设计方案


  仿生态胃厌氧消化器是由预处理池、循环池、仿生态胃消化器、消化器池体、进出料池、加热循环系统、保温系统、搅拌装置、输气管路连接组成,结构如图2所示。建造时,按养殖规模、设计出厌氧消化器的体积,用砖混结构或钢筋混凝土建成消化器池体,池体位于地下。池体内部安装仿生态胃厌氧消化器,它是由聚氯乙烯高分子复合材料制成的膜结构沼气池,耐酸碱,因产甲烷菌有在固体介质表面附着生长的习性,固仿生态厌氧消化器内部设计有发酵菌床――凹凸相间的网状结构组成内表面,膜结构沼气池外层为聚氯乙烯高分子复合材料,能为发酵菌提供适宜生长的环境。池体四周有保温隔热系统,一般采用苯板、沥青等保温防水效果较好的材料;池体底部设计有加热循环系统,它是由PE热循环管、循环泵、太阳能集热器、传导介质、调温箱、温度探头及变送器组成,通过温度探头调节控制仿生态胃厌氧消化器的温度,使之恒温发酵。池体上部由预处理池、循环池、进出料池、循环管路组成,将原料进行预处理后加入仿生态胃消化器中,通过手动或机械抽取料液进行前后循环;仿生态胃消化器下部设计有搅拌装置,通过定期搅拌对料液进行上下循环。运行时,将原料放人预处理池进行预处理,然后通过进料池进人仿生态胃厌氧消化器中,加热循环系统、保温系统、发酵菌床为发酵微生物提供适宜的温度、酸碱度、厌氧环境:通过搅拌装置、循环池、预处理池循环、搅拌使发酵菌分布均匀、畜禽粪便废水表面不结壳,保证安全高效生产沼气。


  2 主要技术参数


  仿生态胃厌氧消化器容积:100m3;厌氧消化有机废弃物容量;80m3;设计气压:6kPa;产气率:0.6~0.9m3/(m3?d)。


  3 工艺设计方案


  3.1 预处理池的设计


  预处理池的设计,一般考虑养殖场的规模及消化器的容积,本设计方案为20m3,包括预处理池、循环池、进出料池。对畜禽粪便、垃圾及污水等有机物废弃物先进行砂石、长草、毛发等杂物的分离去除后人预处理池。当原料为干粪、鲜大粪、羊粪、鲜禽粪时,也须预处理。在预处理过程中,使发酵细菌大量生长繁殖,减缓酸化作用,同时防止料液人池后,干粪漂浮与上层结壳或产酸过多,使发酵受阻。预处理池与进出料口、循环池设计为一体。中间有循环管路连通,可以对发酵料液进行循环搅拌处理。有研究表明,循环搅拌能明显提高产气率,这是因为循环可以加快反应器内溶液中的溶解氢由液体向气体传递,能够有效降低反应体系中的氢分压。从而促进甲烷化进程。


  3.2 消化器池体的设计


  消化器池体的设计,考虑到新疆寒冷地区以及荒漠化严重,池体设在地下冻土层以下,为砖混结构或钢筋混凝土结构构成,它对仿生态胃厌氧消化器起到支撑作用。池体底部进行防水处理,池体四周用苯板进行保温处理。 br>


  3.3 仿生态胃消化器的设计


  仿生态胃厌氧消化器设计遵循相对稳定的温度、产生连续的发酵作用、进出料方便、以及严格的厌氧环境等原则。牛胃是天然的沼气消化器,而聚氯乙烯高分子膜结构沼气池同样具备上述原则条件。与传统沼气池相比相当于在混凝土结构中放了一个牛胃气囊即膜结构仿生态胃厌氧消化器;传统沼气池的做法是在混凝土结构上刷密封剂。仿生态胃厌氧消化器系统中设计了凹凸相间网状结构的发酵菌床,增加发酵面积,利于发酵菌附着。发酵菌床可以和仿生态胃厌氧消化器融为一体,也可单独设置联接。为了增加发酵菌吸收新鲜养分及发酵菌分布均匀、防止料液液面结壳在仿生态胃消化器下部安装有搅拌装置。通过试验分析检测聚氯乙烯膜结构沼气池耐压性能可以达到10kPa,耐酸碱性能优异。


  3.4 加热循环系统的设计


  加热循环系统是保证厌氧消化器稳定运行的重要设备。沼气发酵与温度有密切关系,产气量是否旺盛,温度是关键,一些研究结果表明,温度高于15℃时开始产气,当池温下降到6℃以下时,沼气池内就停止产气。新疆北疆地区冬季温度较低。不利于厌氧发酵。仿生态胃厌氧消化器加热循环系统由PE热循环管、循环泵、太阳能集热器、传导介质、调温箱、温度探头及变送器组成,PE热循环管成u形盘绕位于池体底部,内装有防冻传导介质,通过太阳能集热器、温度探头、变送器、调温箱调整消化器温度。通过一个冬季的运行基本可以保证沼气池正常越冬,生产沼气。以下图表是安装了仿生态胃厌氧消化器的沼气池在北疆地区的运行情况与传统沼气池温度比较图表:


  如上图表所示,仿生态胃厌氧消化器设计基本保证了沼气池冬季运行所需的温度及厌氧环境,提高了沼气池的运行时间,改变了新疆沼气池半年好用,半年不能用的局面。


  4 结论


  通过牛胃的消化原理设计出仿生态胃厌氧消化器技术含量高,产气率高,气密性能强,它的膨胀系数、耐腐蚀、抗老化、耐冻融性能也较好,聚氯乙烯高分子膜结构材料运用于厌氧消化器可行,较传统消化器更方便加热、保温可以保证沼气池的冬季生产。


  在新疆寒冷地区推广使用这种仿生态胃厌氧消化器,可以充分利用新疆的太阳能能源优势,对促进新疆农村地区的沼气池建设、农牧区能源保证、畜牧业粪便处理意义深远。


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