一种餐厨垃圾干式厌氧反应器的优化研究

赖志鹏

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

餐厨垃圾分为厨余垃圾和餐饮垃圾，采用科学处理方式，能够实现餐厨垃圾减量无害化与资源化，创造经济效益和环境效益。随着全国城镇生活垃圾分类快速推进，分类后厨余垃圾成分明显改善，有机质含量提高，更有利于采用厌氧处理方式实现资源化。目前，处理餐厨垃圾的主流设备是湿式厌氧反应器，但受搅拌效率的影响，一般只能处理含固率低于10%的进料，而且设备体积较大，物料预处理要求高，导致综合投资成本和运行成本都较高。由于厨余垃圾的含固率一般大于20%，若采用湿式厌氧反应器，需加水稀释，不仅会增加设备体积，也会导致后端水处理成本进一步提高，因此急需开发一种能适应高含固率的干式厌氧反应器处理厨余垃圾。

1 传统干式厌氧反应器

厌氧发酵是厨余垃圾资源化的主要方式[1-2]，其原理是在厌氧环境下，通过中/高温厌氧菌将有机质转化为沼气，从而变废为宝。

厌氧发酵过程中，温度对厌氧反应效率有着重要的影响[3]。首先实际工程一般采用中温（35℃）厌氧或高温（55℃）厌氧，主要是因为参与甲烷化的微生物分为中温和高温；其次，温度的稳定性对厌氧微生物也至关重要，温差过大易影响微生物的生长速率和代谢速率。

现有干式厌氧反应器的加热方式主要为壁式加热，反应器外壁设置盘管，通入热源为反应器加热。这种加热方式的缺点在于温度从壁面到中心呈现梯度下降，同时由于反应器内部的厨余垃圾含水率低、粘度高、流动性差，干式厌氧反应搅拌速度低，导致物料温差大，反应器效果差，甚至可能导致厌氧反应系统运行失败。

因此，为解决干式厌氧反应器加热存在的弊端，本文对现有干式厌氧反应器的加热系统进行优化设计。

2 干式厌氧反应器优化设计

优化后的干式厌氧反应器采用腔道式搅拌加热系统，整体装置结构如下图所示。优化后的干式厌氧反应器采用卧式结构，在保持搅拌功能的前提下，将搅拌器设计为内部空心，按一定流道设计，具有可填充加热介质的搅拌轴与桨叶，从而实现对物料的搅拌和动态供热的双重功能。通过上述优化，可提高干式厌氧反应器加热效率，降低物料温差。

3 腔道式搅拌加热系统实验研究

3.1 实验装备与材料

1、连轴水箱；2、轴封；3、出水管；4、旋转轴；5、支撑槽钢；6、增压水泵；7、进水管；8、加热水箱；9、加热棒；10、温控器器腔道式加热干式厌氧反应器

参考工程设备的尺寸，按比例缩小，采用不锈钢材质，制作了两个相同尺寸的物模作为实验装备，分别命名为装备A 和装备B。装备A 采用传统的壁式加热，作为参照组；装备B 的搅拌系统采用本文设计的空心结构搅拌器，即腔道式加热，作为实验组。装备A 和装备B 的外形尺寸均为长940mm、宽540mm、高580mm，有效工作容积230L。

3.2 测试设备与方法

3.2.1 测试设备

测试设备为在线测温仪、旋转粘度计。

3.2.2 测试位置与测试频率

装置A 和装置B 设置的测试点数量和位置相同，共9 个点位，设X、Y、Z 坐标，以有效体积的中心点为原点（0，0，0），9 个点位的X、Y、Z 坐标分别为：点位1（-420，-270，210）、点位2（-420，0，0）、点位3（-420，270，-210）、点位4（0，0，210）、 点位5（0，0，0）、 点位6（0，0，-210）、点位7（420，270，210）、点位8（420，0，0）、点位9（420，-270，-210），每10min 测试一次各点位的温度，总共持续120min。

3.3 实验方法

本文采用2%黄原胶模拟干式厌氧发酵的物料，将同等量的黄原胶溶液倒进装置A 和装置B，将靠近出料电机的轴作为轴1 以2rpm 的转速正转（顺时针）2min 后停止，再反转（逆时针）2min 停止；另一轴作为轴2 正转2min、反转2min 停止。在线温度探测器每隔10min 读取9 个点位的温度。其中，实验期间装置B 采用39℃的恒温水，利用泵使恒温水在腔道式搅拌系统内部流道中循环。

3.4 实验结果与分析

3.4.1 实验结果

本实验在环境温度23.2℃下开展，装置A 和装置B 均采用39℃的热水恒温加热，实验时间为120min。两组实验点位1—9 的温度监测数据汇总如下表所示。

3.4.2 传统壁式加热方式小试分析

由下表可知，加热循环水为39℃，随着加热时间的延长，9 个点位的最高温度和最低温度差距呈上升趋势。当加热时间为120min 时，点位9 为38.5℃，点位4 却低至28.2℃，温差高达10.3℃。该温差对于厌氧反应的温度均匀性和稳定性极其不利，易降低反应器内厌氧微生物酶活性，导致厌氧微生物菌群失调，最终造成反应器酸化崩溃。

点位3、点位6、点位9 位于反应器底部，较为接近反应器底部壁面，而且扰动较小。从下表可知，这3 个点位的平衡温度较接近控制厌氧的中温温度，且这3 个点位温度大体上大于其他点位温度，这验证了传统加热方式存在的缺点，即温度从壁面到中心呈下降趋势，温差较大。

3.4.3 腔道式加热小试实验结果

由下表可知，加热循环水为39℃，随着加热时间的延长，9 个点位的温差较小，为0.4℃—0.9℃。当加热时间为120min 时，点位1—9 的温度主要为35.1℃—35.7℃，温度分布较为均匀。与传统加热方式相比，9 个点位的平衡温度与循环水的温差较大，因此从热量守恒的角度分析，可推断装置B 的其他未被监测区域也接近点位1—9 的温度，从而可判断采用腔道式加热更有利于反应器温度的均匀性和稳定性。

3.4.4 对比分析

由上表可知，传统的壁式加热反应器的9 个点位的温差随着时间延长呈现明显上升趋势，而改进后的腔道加热反应器的9 个点位的温差并未随时间的延长呈现明显变化，这可能是由于装置B 采用腔道式加热搅拌系统，可以在搅拌的同时实现加热，迅速将热量传导至装置B 的各区域。因此可知，改进后的腔道式加热系统能较大幅度改善传统加热方式温差大的缺点。

点位1-9 实验数据（单位：℃）

3.5 实验小结

综上所述，采用腔道式搅拌加热系统，可以有效改善传统壁式加热的缺点，使反应器内部各点温差均匀，可为厌氧反应器的生化反应提供稳定的条件。

4 结语与展望

通过中试实验，可知腔道式加热和搅拌相结合为一体的设计能够提高反应器温度均匀的稳定性，解决干式厌氧反应器内部温差大的问题。不过，本文未采用实际的发酵物料进行研究，因此具有一定局限性，后续可继续开展进一步研究，为工程化应用提供参考。