賴志鵬

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

餐廚垃圾分為廚余垃圾和餐飲垃圾，采用科學(xué)處理方式，能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾減量無害化與資源化，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。隨著全國城鎮(zhèn)生活垃圾分類快速推進(jìn)，分類后廚余垃圾成分明顯改善，有機(jī)質(zhì)含量提高，更有利于采用厭氧處理方式實(shí)現(xiàn)資源化。目前，處理餐廚垃圾的主流設(shè)備是濕式厭氧反應(yīng)器，但受攪拌效率的影響，一般只能處理含固率低于10%的進(jìn)料，而且設(shè)備體積較大，物料預(yù)處理要求高，導(dǎo)致綜合投資成本和運(yùn)行成本都較高。由于廚余垃圾的含固率一般大于20%，若采用濕式厭氧反應(yīng)器，需加水稀釋，不僅會(huì)增加設(shè)備體積，也會(huì)導(dǎo)致后端水處理成本進(jìn)一步提高，因此急需開發(fā)一種能適應(yīng)高含固率的干式厭氧反應(yīng)器處理廚余垃圾。

1 傳統(tǒng)干式厭氧反應(yīng)器

厭氧發(fā)酵是廚余垃圾資源化的主要方式[1-2]，其原理是在厭氧環(huán)境下，通過中/高溫厭氧菌將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣，從而變廢為寶。

厭氧發(fā)酵過程中，溫度對厭氧反應(yīng)效率有著重要的影響[3]。首先實(shí)際工程一般采用中溫（35℃）厭氧或高溫（55℃）厭氧，主要是因?yàn)閰⑴c甲烷化的微生物分為中溫和高溫；其次，溫度的穩(wěn)定性對厭氧微生物也至關(guān)重要，溫差過大易影響微生物的生長速率和代謝速率。

現(xiàn)有干式厭氧反應(yīng)器的加熱方式主要為壁式加熱，反應(yīng)器外壁設(shè)置盤管，通入熱源為反應(yīng)器加熱。這種加熱方式的缺點(diǎn)在于溫度從壁面到中心呈現(xiàn)梯度下降，同時(shí)由于反應(yīng)器內(nèi)部的廚余垃圾含水率低、粘度高、流動(dòng)性差，干式厭氧反應(yīng)攪拌速度低，導(dǎo)致物料溫差大，反應(yīng)器效果差，甚至可能導(dǎo)致厭氧反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行失敗。

因此，為解決干式厭氧反應(yīng)器加熱存在的弊端，本文對現(xiàn)有干式厭氧反應(yīng)器的加熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 干式厭氧反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的干式厭氧反應(yīng)器采用腔道式攪拌加熱系統(tǒng)，整體裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示。優(yōu)化后的干式厭氧反應(yīng)器采用臥式結(jié)構(gòu)，在保持?jǐn)嚢韫δ艿那疤嵯拢瑢嚢杵髟O(shè)計(jì)為內(nèi)部空心，按一定流道設(shè)計(jì)，具有可填充加熱介質(zhì)的攪拌軸與槳葉，從而實(shí)現(xiàn)對物料的攪拌和動(dòng)態(tài)供熱的雙重功能。通過上述優(yōu)化，可提高干式厭氧反應(yīng)器加熱效率，降低物料溫差。

3 腔道式攪拌加熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝備與材料

1、連軸水箱；2、軸封；3、出水管；4、旋轉(zhuǎn)軸；5、支撐槽鋼；6、增壓水泵；7、進(jìn)水管；8、加熱水箱；9、加熱棒；10、溫控器器腔道式加熱干式厭氧反應(yīng)器

參考工程設(shè)備的尺寸，按比例縮小，采用不銹鋼材質(zhì)，制作了兩個(gè)相同尺寸的物模作為實(shí)驗(yàn)裝備，分別命名為裝備A 和裝備B。裝備A 采用傳統(tǒng)的壁式加熱，作為參照組；裝備B 的攪拌系統(tǒng)采用本文設(shè)計(jì)的空心結(jié)構(gòu)攪拌器，即腔道式加熱，作為實(shí)驗(yàn)組。裝備A 和裝備B 的外形尺寸均為長940mm、寬540mm、高580mm，有效工作容積230L。

3.2 測試設(shè)備與方法

3.2.1 測試設(shè)備

測試設(shè)備為在線測溫儀、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。

3.2.2 測試位置與測試頻率

裝置A 和裝置B 設(shè)置的測試點(diǎn)數(shù)量和位置相同，共9 個(gè)點(diǎn)位，設(shè)X、Y、Z 坐標(biāo)，以有效體積的中心點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0，0），9 個(gè)點(diǎn)位的X、Y、Z 坐標(biāo)分別為：點(diǎn)位1（-420，-270，210）、點(diǎn)位2（-420，0，0）、點(diǎn)位3（-420，270，-210）、點(diǎn)位4（0，0，210）、 點(diǎn)位5（0，0，0）、 點(diǎn)位6（0，0，-210）、點(diǎn)位7（420，270，210）、點(diǎn)位8（420，0，0）、點(diǎn)位9（420，-270，-210），每10min 測試一次各點(diǎn)位的溫度，總共持續(xù)120min。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用2%黃原膠模擬干式厭氧發(fā)酵的物料，將同等量的黃原膠溶液倒進(jìn)裝置A 和裝置B，將靠近出料電機(jī)的軸作為軸1 以2rpm 的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)（順時(shí)針）2min 后停止，再反轉(zhuǎn)（逆時(shí)針）2min 停止；另一軸作為軸2 正轉(zhuǎn)2min、反轉(zhuǎn)2min 停止。在線溫度探測器每隔10min 讀取9 個(gè)點(diǎn)位的溫度。其中，實(shí)驗(yàn)期間裝置B 采用39℃的恒溫水，利用泵使恒溫水在腔道式攪拌系統(tǒng)內(nèi)部流道中循環(huán)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度23.2℃下開展，裝置A 和裝置B 均采用39℃的熱水恒溫加熱，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為120min。兩組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位1—9 的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總?cè)缦卤硭尽?/p>

3.4.2 傳統(tǒng)壁式加熱方式小試分析

由下表可知，加熱循環(huán)水為39℃，隨著加熱時(shí)間的延長，9 個(gè)點(diǎn)位的最高溫度和最低溫度差距呈上升趨勢。當(dāng)加熱時(shí)間為120min 時(shí)，點(diǎn)位9 為38.5℃，點(diǎn)位4 卻低至28.2℃，溫差高達(dá)10.3℃。該溫差對于厭氧反應(yīng)的溫度均勻性和穩(wěn)定性極其不利，易降低反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物酶活性，導(dǎo)致厭氧微生物菌群失調(diào)，最終造成反應(yīng)器酸化崩潰。

點(diǎn)位3、點(diǎn)位6、點(diǎn)位9 位于反應(yīng)器底部，較為接近反應(yīng)器底部壁面，而且擾動(dòng)較小。從下表可知，這3 個(gè)點(diǎn)位的平衡溫度較接近控制厭氧的中溫溫度，且這3 個(gè)點(diǎn)位溫度大體上大于其他點(diǎn)位溫度，這驗(yàn)證了傳統(tǒng)加熱方式存在的缺點(diǎn)，即溫度從壁面到中心呈下降趨勢，溫差較大。

3.4.3 腔道式加熱小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由下表可知，加熱循環(huán)水為39℃，隨著加熱時(shí)間的延長，9 個(gè)點(diǎn)位的溫差較小，為0.4℃—0.9℃。當(dāng)加熱時(shí)間為120min 時(shí)，點(diǎn)位1—9 的溫度主要為35.1℃—35.7℃，溫度分布較為均勻。與傳統(tǒng)加熱方式相比，9 個(gè)點(diǎn)位的平衡溫度與循環(huán)水的溫差較大，因此從熱量守恒的角度分析，可推斷裝置B 的其他未被監(jiān)測區(qū)域也接近點(diǎn)位1—9 的溫度，從而可判斷采用腔道式加熱更有利于反應(yīng)器溫度的均勻性和穩(wěn)定性。

3.4.4 對比分析

由上表可知，傳統(tǒng)的壁式加熱反應(yīng)器的9 個(gè)點(diǎn)位的溫差隨著時(shí)間延長呈現(xiàn)明顯上升趨勢，而改進(jìn)后的腔道加熱反應(yīng)器的9 個(gè)點(diǎn)位的溫差并未隨時(shí)間的延長呈現(xiàn)明顯變化，這可能是由于裝置B 采用腔道式加熱攪拌系統(tǒng)，可以在攪拌的同時(shí)實(shí)現(xiàn)加熱，迅速將熱量傳導(dǎo)至裝置B 的各區(qū)域。因此可知，改進(jìn)后的腔道式加熱系統(tǒng)能較大幅度改善傳統(tǒng)加熱方式溫差大的缺點(diǎn)。

點(diǎn)位1-9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：℃）

3.5 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

綜上所述，采用腔道式攪拌加熱系統(tǒng)，可以有效改善傳統(tǒng)壁式加熱的缺點(diǎn)，使反應(yīng)器內(nèi)部各點(diǎn)溫差均勻，可為厭氧反應(yīng)器的生化反應(yīng)提供穩(wěn)定的條件。

4 結(jié)語與展望

通過中試實(shí)驗(yàn)，可知腔道式加熱和攪拌相結(jié)合為一體的設(shè)計(jì)能夠提高反應(yīng)器溫度均勻的穩(wěn)定性，解決干式厭氧反應(yīng)器內(nèi)部溫差大的問題。不過，本文未采用實(shí)際的發(fā)酵物料進(jìn)行研究，因此具有一定局限性，后續(xù)可繼續(xù)開展進(jìn)一步研究，為工程化應(yīng)用提供參考。