【摘 要】
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目前,传统动态搅拌技术存在对沼气工程产气效率的提升较为有限,既难以解决好高浓度、高固含率、高有机负荷率的多种混合物料稳定发酵,又难以实现低能耗投入、高产气率、短发酵周期的生产要求等问题。因此,本文结合多相流原理与传统的动态搅拌技术,设计建造了直径为0.3 m,总高度为1.35 m的流态化搅拌厌氧发酵反应器（FMAD）,反应器在结构上分为流化床水室、发酵空间与沼气空间,以实现沼液循环流化厌氧发酵进程
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目前,传统动态搅拌技术存在对沼气工程产气效率的提升较为有限,既难以解决好高浓度、高固含率、高有机负荷率的多种混合物料稳定发酵,又难以实现低能耗投入、高产气率、短发酵周期的生产要求等问题。因此,本文结合多相流原理与传统的动态搅拌技术,设计建造了直径为0.3 m,总高度为1.35 m的流态化搅拌厌氧发酵反应器（FMAD）,反应器在结构上分为流化床水室、发酵空间与沼气空间,以实现沼液循环流化厌氧发酵进程。同时,利用FMAD反应器开展了相关产气实验与流场特性研究,具体开展的科研工作与得到的主要成果如下:（1）通过数值模拟确定了FMAD反应器锥形底、大孔隙率孔板及四周出水口布局的优化结构,建造出流态化厌氧发酵实验系统与机械搅拌、静态发酵对照系统,并按照循环流量1 m~3/h、1.5 m~3/h、2 m~3/h三个梯度,以及总固体含量（TS）为2%、5%、8%三个梯度分别开展了水力停留时间（HRT）为36 d的序批式沼液厌氧发酵与HRT为20 d的半连续秸秆厌氧发酵产气实验。结果表明,相比对照系统,流态化厌氧发酵实验系统在产气效率和污染物转化效率两方面均有增强,在对反应底物氨氮浓度和有机酸的耐受性上也均有明显改善,且以上增强和改善趋势是随着循环流量加大而强化,但这一强化趋势在逐渐减弱。（2）利用粒子图像测速（PIV）技术与数值模拟相结合,研究了不同发酵工况下FMAD反应器内相态分布、流速分布、涡量分布等流场特性分布情况。PIV实验结果表明,PIV技术能准确测定反应器内断面流速,循环流量为2 m~3/h时反应器内高位动能分布最为均匀,秸秆颗粒的添加促进了液相的流速均匀性。数值模拟结果表明,反应器内径向呈环-核流动形式,循环流量的增大会使得反应器内流速与秸秆物料分布的径向不均匀性提升,而物料TS的增大可以使反应器内液相流速分布均匀性提高,促进局部秸秆物料的均匀分布。（3）进行了沼液与秸秆物料发酵下不同发酵工况时流态化发酵过程物料转化分析、能效评估与料液铵根和游离氨含量综合评价分析。结果表明,流态化发酵系统比传统机械搅拌发酵系统与静态发酵系统有更高的物料转化率、能量转化率、能效比,更有利于铵根的微生物同化,减少游离氨的危害。同时,建立了沼液与秸秆物料发酵下不同发酵工况时流态化厌氧发酵过程的相关产气与物料物性参数变化预测模型。（4）对不同工况条件流态化厌氧发酵过程进行拟合,结果表明,一阶动力学模型、Fitzhugh模型、修正的Cone模型与修正的Gompertz模型均能较好地描述沼液与秸秆发酵下不同发酵工况时流态化发酵的产气过程,但是Fitzhugh模型的整体拟合效果最好,而一阶动力学模型最差。半连续秸秆发酵条件下,在发酵稳定期物料的投入受进料温度等影响,在进料后仍有一段产气迟滞期。根据修正Gompertz模型预测,在较低秸秆物料TS时,迟滞期θ随循环流量的增大而增大,但在较高秸秆物料TS时,迟滞期θ随循环流量的增大在逐渐减小。这表明,不同秸秆物料TS所需的搅拌强度不同,在较低秸秆物料TS时,循环流量的增大反而会使发酵稳定性进一步降低,使物料水解阶段时间延长,影响了有机质的降解。而在较高秸秆物料TS时,循环流量的增大使得秸秆物料能更快速地与沼液中的厌氧发酵菌群充分接触,让新的物料快速地进入产甲烷阶段。
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