李金平, 蔣 琴, 黃娟娟, 王春龍

(1. 蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050; 3. 蘭州理工大學(xué) 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 甘肅 蘭州 730050; 4. 蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

國內(nèi)外已有許多關(guān)于牛糞流變特性的研究[1-11].李剛等[1]使用NDJ-8型旋轉(zhuǎn)黏度計研究了不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w0為4%、6%、8%)牛糞中溫(35 ℃)厭氧發(fā)酵過程中的分層流變特性和產(chǎn)氣特性.朱坤展等[2]使用NDJ-9S數(shù)顯黏度計測量了不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w0為4%、6%、8%、10%)新鮮奶牛糞便在不同溫度(15～55 ℃)和轉(zhuǎn)速(6～60 r/min)下的表觀黏度,并分析了初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度對其流變特性的影響.Salehiyoun[3]使用同軸圓筒旋轉(zhuǎn)黏度計研究了不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w0為7%、10%、10.9%、13%、16%)含沙奶牛糞便在不同溫度(10～50 ℃)和剪切速率(1.76～225.28 s-1)下的流變特性.Hreiz[4]使用AR-G2流變儀研究了新鮮和厭氧消化奶牛糞便在不同溫度(7～57 ℃)和轉(zhuǎn)速(5×10-6～1 rad/s)下的流變特性,并分析了篩分、溫度和厭氧消化等因素的影響.劉刈等[5]使用NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)黏度計研究了包括牛糞在內(nèi)的6種新鮮畜禽糞便的流變特性,并分析了初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度和發(fā)酵時間等因素的影響.

但是國內(nèi)外目前使用在線黏度計連續(xù)自動地對整個厭氧發(fā)酵過程中高濃度牛糞流變特性變化的研究還沒有.為此,本文使用HYND-50振動式在線黏度計實驗研究了初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%和15%時牛糞在高溫(52±1)℃厭氧發(fā)酵過程中的流變特性和產(chǎn)氣規(guī)律變化,以期為厭氧消化設(shè)備的設(shè)計與選型、功耗以及厭氧消化過程中的傳熱傳質(zhì)提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為新鮮牛糞和接種液.新鮮牛糞取自蘭州花莊奶牛繁育中心,新鮮接種液取自該中心的厭氧發(fā)酵罐.實驗材料的理化性質(zhì)見表1.

表1 試驗材料的理化性質(zhì)

1.2 實驗系統(tǒng)

本實驗采用課題組自行設(shè)計的可控加熱恒溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng),系統(tǒng)主要由2個有效容積為10 L的反應(yīng)釜為主體以及增溫子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、氣體收集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成.反應(yīng)釜內(nèi)部設(shè)有加熱盤管,恒溫水箱提供恒溫?zé)崴ㄟ^兩個循環(huán)水泵分別進(jìn)入兩個厭氧反應(yīng)釜,由加熱盤管對反應(yīng)釜內(nèi)牛糞混合液進(jìn)行增溫,恒溫水箱中熱水通過電加熱的方式增溫,反應(yīng)釜及恒溫水箱外部均采用30 mm厚橡塑棉進(jìn)行保溫.反應(yīng)釜內(nèi)的溫度傳感器連接在溫控箱上,通過溫控箱調(diào)節(jié)控制反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的溫度,使其維持在(52±1)℃.HYND-50振動式在線黏度計(量程為0～25 mPa·s,精度為±1%)每2 s記錄一次反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的溫度和表觀黏度,并通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀保存輸出.反應(yīng)釜頂部的出氣口與燃?xì)馊ㄩy連接,三通閥一端通過PU軟管連接沼氣取樣袋以測沼氣氣體成分,另一端通過PU軟管連接裝滿自來水的集氣桶,通過排水集氣法計算日產(chǎn)氣量.實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 可控加熱恒溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of controlled heating and constant temperature anaerobic fermentation system

1.3 研究方法

1.3.1溫度對流變特性的影響測試

根據(jù)牛糞和接種液的初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù),用自來水分別配制出初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%的混合液各8.5 L,分別裝入兩個10 L的厭氧反應(yīng)釜中.恒溫水箱提供恒溫?zé)崴ㄟ^兩個循環(huán)水泵分別進(jìn)入兩個厭氧反應(yīng)釜,由內(nèi)盤管對反應(yīng)釜內(nèi)的混合液進(jìn)行增溫,兩個循環(huán)水泵的流量均為2.3 L/min.恒溫水箱中熱水的初始溫度為23 ℃,通過電加熱的方式進(jìn)行增溫,恒溫水箱中的溫度傳感器連接在溫控箱上,通過溫控箱調(diào)節(jié)控制恒溫水箱中熱水的溫度,使其維持在(52±1)℃.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的混合液的初始溫度為16.8 ℃,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的混合液的初始溫度為17.0 ℃.兩個厭氧反應(yīng)釜同時開始升溫,兩個反應(yīng)釜內(nèi)的溫度傳感器均連接在溫控箱上,通過溫控箱調(diào)節(jié)控制厭氧反應(yīng)釜內(nèi)混合液的溫度,使其均維持在(52±1)℃.在整個厭氧發(fā)酵過程中,HYND-50振動式在線黏度計每2 s記錄一次混合液的表觀黏度和溫度,并通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀保存輸出.

根據(jù)牛糞和接種液的初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù),用自來水分別配制出初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%的混合液各8.5 L,分別裝入兩個10 L的厭氧反應(yīng)釜中,利用(52±1)℃的恒溫水浴循環(huán)裝置進(jìn)行高溫(52±1)℃厭氧發(fā)酵.HYND-50振動式在線黏度計每2 s記錄一次混合液的表觀黏度和溫度,并通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀保存輸出.發(fā)酵前10天每天定時取樣測量混合液的密度、總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH,之后每隔3天定時取樣測量混合液的密度、總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH,直至實驗結(jié)束,并且實驗期間每天記錄產(chǎn)氣量和測量沼氣成分CH4和CO2.

1.4 測定項目及方法

1.4.1密度的測定

取一定量的物料,用電子天平稱得質(zhì)量m,在量筒中加入適量的水,讀取體積V1,然后將物料加入到量筒中,讀取體積V2,質(zhì)量m與V1、V2差值的比值就是物料的密度[12].

1.4.2日產(chǎn)氣量及沼氣成分CH4和CO2的測定

日產(chǎn)氣量采用排水集氣法進(jìn)行測定,每天定時(上午十一點半)用量筒測量集氣桶中排出的水量,并做以記錄.沼氣成分CH4和CO2采用Biogas 5000便攜式沼氣分析儀測定.根據(jù)日產(chǎn)氣量及沼氣中CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)可計算每日CH4產(chǎn)量和CO2體積.每天測完產(chǎn)氣量之后再進(jìn)行取樣,避免空氣進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)影響產(chǎn)氣測量.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞流變特性分析

2.1.1溫度對流變特性的影響

5) 可靠性技術(shù)研究。研究多余度結(jié)構(gòu)的磁通切換電動機(jī)，提出切實可行的余度結(jié)構(gòu)方案；研發(fā)模塊化、集成化的控制器，優(yōu)化軟、硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。

在特定的剪切速率(1000 s-1)條件下,阿倫尼烏斯模型(Arrhenius model)可以進(jìn)一步描述溫度對流變特性的影響[5,13-15]：

η=Aexp(Ea/RT)

(1)

式中：η為表觀黏度,Pa·s；A為指前因子；Ea為活化能,J/mol；T為溫度,K;R為氣體常數(shù),取值為8.314 J/(mol·K).

為了對阿倫尼烏斯模型進(jìn)行線性回歸分析,首先對式(1)兩邊同時取ln對數(shù),得到lnη=lnA+(Ea/R)·(1/T).其次,根據(jù)升溫過程中所測得的不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的表觀黏度和溫度作lnη-1/T線性回歸直線.最后,該直線在縱坐標(biāo)上的截距為lnA,則可以通過計算得到指前因子A；該直線的斜率為Ea/R,則根據(jù)斜率和氣體常數(shù)R的大小可計算得到活化能Ea的值.不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的lnη-1/T線性回歸直線如圖2所示.

圖2 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在升溫過程中的ln η-1/T線性回歸直線

從圖中可以看出:在升溫過程中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時牛糞的lnη-1/T線性回歸直線為y=2 379.5x-12.776,決定系數(shù)R2為0.990 3；初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時牛糞的lnη-1/T線性回歸直線為y=2 321.7x-13.847,決定系數(shù)R2為0.977 2.從決定系數(shù)R2來看,阿倫尼烏斯模型可以很好地解釋溫度對牛糞表觀黏度的影響.

表2是通過lnη-1/T線性回歸直線計算的不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在特定剪切速率(1 000 s-1)條件下的活化能.目前對于活化能的物理意義并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識,被大多數(shù)人接受的觀點是:它既是大分子向空穴躍遷時克服周圍分子作用所需要的能量,也可以作為黏度對溫度敏感程度的量度,即Ea越大黏度對溫度的變化越敏感.流動活化能增大,流體的流動性變差;反之,流動活化能減小,流體的流動性變好[5,16].

表2 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在特定剪切速率(1 000 s-1)條件下的活化能

從表中可以看出,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時牛糞的活化能為19.303 kJ/mol,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時牛糞的活化能為19.783 kJ/mol,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時牛糞的活化能大于初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時牛糞的活化能.該結(jié)果符合牛糞的表觀黏度對溫度變化的敏感程度,因為初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,牛糞越濃稠,流動性越差.

2.1.2厭氧消化時間對流變特性的影響

在厭氧消化過程中,反應(yīng)釜內(nèi)的牛糞并不完全是新鮮牛糞,而是新鮮牛糞與處于不同發(fā)酵階段牛糞的混合體.牛糞在不同的發(fā)酵階段有不同的產(chǎn)物,不同的產(chǎn)物又有不同的物理特性.因此,厭氧消化時間也是影響牛糞流變特性的一個重要因素[5].

1) 表觀黏度變化

黏性是流體固有的物理性質(zhì),流體流動時流層間存在著速度差和運動的傳遞,這正是由于流體具有黏性.流體的黏性實質(zhì)上是流體分子微觀作用的宏觀表現(xiàn).氣體具有黏性是由于動量傳遞,液體具有黏性是由于分子引力,流體分子間的這些相互作用使得運動得以逐層傳遞,并保持著層間的速度差,即呈現(xiàn)流體的黏性.黏度是黏性的程度[17],因此,流體分子間作用力和分子熱運動是影響流體黏度變化的主要因素.牛糞在厭氧消化過程中伴隨著物質(zhì)的生成和轉(zhuǎn)化,分子數(shù)量、分子間作用力、分子熱運動狀態(tài)和代謝產(chǎn)物性質(zhì)在厭氧消化過程中均會產(chǎn)生一定的變化,這些變化會導(dǎo)致牛糞的表觀黏度也產(chǎn)生變化.圖3是初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和8%時反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的表觀黏度隨厭氧消化時間變化的關(guān)系圖.

圖3 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞表觀黏度隨厭氧消化時間的變化Fig.3 The apparent viscosity of cattle manure in reactor change with anaerobic digestion time with different initial total solid mass fraction

從圖中可以看出:初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,厭氧發(fā)酵過程中牛糞的表觀黏度呈現(xiàn)先增大后減小并逐步趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,在反應(yīng)第2天達(dá)到最大值4.39 mPa·s,48天后基本趨于穩(wěn)定,表觀黏度為1.00 mPa·s;初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時,厭氧發(fā)酵過程中牛糞的表觀黏度呈現(xiàn)先減小再增大的變化規(guī)律,并以此變化波動,但最終趨勢是減小的,在反應(yīng)第1天達(dá)到最大值1.88 mPa·s,隨著反應(yīng)的進(jìn)行表觀黏度最終達(dá)到0.79 mPa·s.與此同時，在整個厭氧發(fā)酵過程中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%牛糞的表觀黏度始終大于初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%牛糞的表觀黏度.

2) 密度變化

料液密度是決定物料在溶液中所受浮力大小進(jìn)而影響其懸浮分層的主要因素,除了溫度和壓強(qiáng)等外界條件對料液密度的物理影響外,物料代謝產(chǎn)物中水溶性物質(zhì)的生成量和累積情況也是影響其變化的主要因素[1].圖4是初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和8%時反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的密度隨厭氧消化時間變化的關(guān)系圖.從圖中可以看出,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和8%牛糞的密度在厭氧發(fā)酵過程中均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,牛糞的初始密度(第2天)為0.991 6 g/cm3,并且在反應(yīng)第6天升高至最大值1.157 5 g/cm3,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,最終密度為0.948 0 g/cm3,在整個厭氧發(fā)酵過程中,密度為0.948 0～1.157 5 g/cm3.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時,牛糞的初始密度(第2天)為0.961 9 g/cm3,并且在反應(yīng)第4天升高至最大值0.994 2 g/cm3,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,最終密度為0.894 5 g/cm3,在整個厭氧發(fā)酵過程中,密度為0.894 5～0.994 2 g/cm3.

圖4 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞密度隨厭氧消化時間的變化Fig.4 The density of cattle manure in reactor change with anaerobic digestion time with different initial total solid mass fraction

當(dāng)牛糞、接種液和水混合時,由于牛糞的密度小于水進(jìn)而使混合液的密度也小于水.隨著厭氧消化反應(yīng)的進(jìn)行,牛糞逐步降解轉(zhuǎn)化為水溶性物質(zhì),其中一部分被微生物直接利用,剩余部分則溶于料液中并逐步積累.混合液中水溶性物質(zhì)的增加量大于消耗量,混合液的液相濃度有增加趨勢,同時由于牛糞的降解使其體積減小,進(jìn)而使得混合液的密度進(jìn)一步增加.當(dāng)厭氧消化反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時,由于反應(yīng)釜內(nèi)牛糞逐漸消耗減少,水溶性物質(zhì)的生成量小于消耗量,混合液中的水溶性物質(zhì)含量減少,使得混合液的密度呈現(xiàn)減小的趨勢[1].

2.2 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞產(chǎn)氣規(guī)律分析

2.2.1恒溫發(fā)酵系統(tǒng)溫度分析

在高溫(52±1)℃發(fā)酵條件下,圖5為不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的溫度在反應(yīng)第1天內(nèi)的變化情況.

圖5 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在反應(yīng)第1天的溫度變化Fig.5 The temperature change of cattle manure in reactor during the first day of reaction with different initial total solid mass fraction

從圖中可以看出,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的初始溫度分別為16.8℃和17.0 ℃.兩個循環(huán)水泵以相同的流量2.3 L/min同時給兩個反應(yīng)釜內(nèi)的牛糞增溫,隨著加熱的進(jìn)行,當(dāng)循環(huán)水泵第一次停止工作時,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的最終溫度均為53.3 ℃,加熱時長分別為4.67 h和5 h.當(dāng)循環(huán)水泵停止運行時,由于反應(yīng)釜中的加熱盤管內(nèi)還有循環(huán)水,水的余熱會使得牛糞的溫度稍微繼續(xù)上升,所以最終溫度會超過53 ℃.由于初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的牛糞要比初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的牛糞濃稠,所以需要的加熱時間稍微長一點.之后,通過溫控箱來控制循環(huán)水泵的啟停,進(jìn)而控制反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的溫度.可以發(fā)現(xiàn),初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的溫度均能維持在(52±1)℃左右.

2.2.2產(chǎn)氣量分析

圖6為不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在高溫(52±1)℃條件下的日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量隨厭氧消化時間變化的關(guān)系圖.從圖中可以看出,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的厭氧發(fā)酵實驗均在第2天才開始產(chǎn)氣,分別在第5和第6天達(dá)到第一次產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量分別為15.94 L和20.59 L.可以發(fā)現(xiàn),初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,高峰日產(chǎn)氣量也越大.這是由于初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,牛糞中容易降解的有機(jī)質(zhì)含量越多,經(jīng)過水解、酸化階段后反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸越多，產(chǎn)甲烷菌與揮發(fā)性脂肪酸反應(yīng)生成的甲烷越多.

圖6 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量隨厭氧消化時間變化

隨著反應(yīng)的進(jìn)行,日產(chǎn)氣量均一直處于波動衰減狀態(tài),整個產(chǎn)氣周期持續(xù)50天,最后一天的日產(chǎn)氣量分別為0.1 L和0.3 L.在整個厭氧發(fā)酵周期51天內(nèi),初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%牛糞的累計產(chǎn)氣量為169.08 L,容積產(chǎn)氣率為0.34 L/(L·d),周期干物質(zhì)產(chǎn)氣率為0.27 m3/kg；初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%牛糞的累計產(chǎn)氣量為210.23 L,容積產(chǎn)氣率為0.42 L/(L·d),周期干物質(zhì)產(chǎn)氣率為0.17 m3/kg.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%牛糞的累計產(chǎn)氣量是初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%牛糞的1.24倍.

2.2.3沼氣成分分析

沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳,其中,甲烷產(chǎn)量的高低決定著沼氣品質(zhì)的好壞,一般甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以上就可以保證沼氣的燃燒品質(zhì)[18-19].因此,了解整個厭氧發(fā)酵過程中CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)的變化是十分有必要的.圖7為不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在高溫(52±1)℃條件下的CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)隨厭氧消化時間變化的關(guān)系圖.從圖中可以看出,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的CH4體積分?jǐn)?shù)在發(fā)酵初期均迅速上升,分別在第4天和第6天超過50%,其值分別為52.1%和63.4%,又分別在第8天和第7天達(dá)到最大值66.1%和66.3%,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,CH4體積分?jǐn)?shù)開始下降并基本維持在40%～60%.在整個厭氧發(fā)酵周期內(nèi),初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的CH4體積分?jǐn)?shù)平均值分別為49.6%和51.7%,而CO2體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與CH4體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律正好相反.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的CO2體積分?jǐn)?shù)在發(fā)酵初期迅速降低,分別在第10天和第6天達(dá)到最小值30.1%和31.3%,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,CO2體積分?jǐn)?shù)開始回升并一直維持在34%～47%.在整個厭氧發(fā)酵周期內(nèi),初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的CO2體積分?jǐn)?shù)平均值分別為42.6%和41.6%.

圖7 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞的CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)隨厭氧消化時間變化

2.2.4產(chǎn)甲烷量分析

圖8為初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞在高溫(52±1)℃條件下的日甲烷產(chǎn)量和累計產(chǎn)甲烷量隨厭氧消化時間變化的關(guān)系圖.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的日甲烷產(chǎn)量在發(fā)酵初期均迅速上升,分別在第5天和第6天達(dá)到第一個峰值,日甲烷產(chǎn)量分別為9.181 L和13.054 L.隨著反應(yīng)的進(jìn)行,日甲烷產(chǎn)量均一直處于波動衰減狀態(tài),整個產(chǎn)氣周期持續(xù)50天,最后一天的日甲烷產(chǎn)量分別為0.041 L和0.156 L.在整個厭氧發(fā)酵周期51天內(nèi),初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的累計產(chǎn)甲烷量分別為93.553 L和116.865 L,其中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%牛糞的累計產(chǎn)甲烷量是初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%牛糞的1.25倍.厭氧發(fā)酵過程中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的產(chǎn)甲烷期主要集中在1～30天.厭氧消化前20天累計產(chǎn)甲烷量分別為82.082 L和97.623 L,分別占總累計甲烷產(chǎn)量的87.74%和83.53%；厭氧消化前30天累計產(chǎn)甲烷量分別為88.311 L和107.224 L,分別占總累計甲烷產(chǎn)量的94.40%和91.75%.

圖8 不同初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下反應(yīng)釜內(nèi)牛糞日甲烷產(chǎn)量和累計產(chǎn)甲烷量隨厭氧消化時間的變化

3 結(jié)論

1) 隨著溫度的升高,通過阿倫尼烏斯模型變換的線性回歸直線得到初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%時牛糞的活化能分別為19.303 kJ/mol和19.783 kJ/mol.該結(jié)果從另一方面驗證了初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,牛糞越濃稠,流動性越差.因為流動活化能可以作為表觀黏度對溫度敏感程度的量度,流動活化能越大,表觀黏度對溫度的變化越敏感,流體的流動性越差.

2) 厭氧發(fā)酵過程中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的表觀黏度分別在第1天和第2天達(dá)到最大值1.88 mPa·s和4.39 mPa·s,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,最終表觀黏度分別為0.79 mPa·s和1.00 mPa·s.與此同時,在整個厭氧發(fā)酵過程中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%牛糞的表觀黏度始終大于初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%牛糞的表觀黏度.

3) 厭氧發(fā)酵過程中,初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的密度均表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時,牛糞的初始密度(第2天)為0.9619 g/cm3,并且在反應(yīng)第4天升高至最大值0.994 2 g/cm3,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,牛糞的密度最終達(dá)到0.894 5 g/cm3,在整個厭氧發(fā)酵過程中,密度為0.894 5～0.994 2 g/cm3.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,牛糞的初始密度(第2天)為0.991 6 g/cm3,并且在反應(yīng)第6天升高至最大值1.157 5 g/cm3,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,牛糞的密度最終達(dá)到0.948 0 g/cm3，在整個厭氧發(fā)酵過程中,密度為0.948 0～1.157 5 g/cm3.

4) 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒溫(52±1)℃發(fā)酵.初始總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和15%牛糞的高峰日產(chǎn)氣量分別為15.94 L和20.59 L,累計產(chǎn)氣量分別為169.08 L和210.23 L,容積產(chǎn)氣率分別為0.34 L/(L·d)和 0.42 L/(L·d),周期干物質(zhì)產(chǎn)氣率分別為0.27 m3/kg和0.17 m3/kg,平均CH4體積分?jǐn)?shù)分別為49.6%和51.7%,平均CO2體積分?jǐn)?shù)分別為42.6%和41.6%,高峰日產(chǎn)甲烷量分別為9.181 L和13.054 L,累計產(chǎn)甲烷量分別為93.553 L和116.865 L.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)紅柳一流學(xué)科方向項目(0807J1)的資助，在此表示感謝.