—动态发酵装置与发酵工艺
静态沼气发酵装置原料人池后，随着时间的推移，发酵间内存在着严重的结壳、沉淀、分层现象，导致发酵间有效容积减小，不破壳和大换料就无法继续使用。由于没有破壳和清渣装置，形成的结壳和发酵沉淀物只能从顶部的天窗口取出，劳动强度大，安全保障差，容易发生事故，致使大量的沼气池因出料难而无法使用。与此同时，发酵间内菌料分布不均，存在着“料液短路”、“发酵盲区”和“微生物贫乏区”，活性悬浮污泥随出料流失，微生物和新鲜原料不能充分接触，从而影响了沼气池的产气率。为此，通过理论分析和工程实践，研究发明了旋流布料沼气池，以此为根据，探索出厌氧微生物附着成膜和回流搅拌动态连续发酵工艺，使户用沼气池进料连续均衡，管理简便，全年产气用气。
1 沼气发酵装置关键技术
1.1研究依据
沼气发酵装置在具备适宜的运行条件的基础上，决定其功能特性的构成因素主要是水力滞留期(HRT),固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT) [2] .HRT是指一个发酵装置内的发酵料液按体积计算被全部置换所需要的时间;SRT是指有机固体物质从发酵装置里被置换出的平均时间;MRT是指从微生物细胞的生成到被置换出发酵装置的平均时间。
沼气发酵装置优化设计思想就是在较短的HRT的情况下，获得较长的MRT和SRT。即在发酵料液排出装置时，由微生物和有机固体物质所构成的污泥得到保留，并使微生物呈膜状附着滞留于发酵装置内的支持物表面，从而使发酵装置获得较高的原料消化率和产气率。
1 .2关键技术 旋流布料沼气池以厌氧污泥滞留和附着膜技术为基础，在保留常规水压式沼气池优点的基础上，将进、出料由180°布局变为90°布局，通过旋流布料墙将进、出料隔开，使进料在旋流布料墙的导流作用下，做圆弧形流动至出料通道底部，并通过由抽渣管和出料活塞构成的强制回流搅拌装置进行回流搅拌，从而增加了污泥滞留期和菌料均匀度，消除了静态发酵沼气池存在的料液短路、发酵盲区和微生物贫乏区等技术问题。 由砖砌体构成的旋流布料墙成为微生物的载体，微生物在其上附着、增殖、成膜，有效地固定了微生物，避免了微生物随出料流失。同时，旋流布料墙的顶部和墙面上的破壳齿，在池内料液上下运动时，切碎发酵液面可能形成的结壳层，从而达到自动破壳的功用。
通过沼气池池体结构的优化计算和力学分析，旋流布料沼气池采用池盖矢跨比fl/D为I/5，池墙高跨比H/D为1/2.5，池底矢跨比f2/D为1/7，旋流墙半径r为3D/5的优化结构，保证池体危险断面处于受压状态，具有良好的力学性能[3].
2沼气发酵工艺关键技术
2.1动态发酵工艺流程的构建
沼气发酵是复杂的微生物学过程，要使沼气发酵装置持续高效的运行，除了发酵装置结构合理外，还需要建立动态高效的发酵机制。只有有了大量的沼气发酵微生物，并使各种类群的微生物得到最佳的生长条件，各种有机原料才会在微生物的作用下转化为沼气。为此，与旋流布料沼气发酵装置相配套，构建形成了图1所示动态连续高效沼气发酵工艺流程。
畜禽舍和厕所的人畜粪污通过排污管道进人预处理间，经沉砂、除杂、酸化处理后，从进料口进入发酵间，通过厌氧发酵，将人畜粪污转化为沼气和沼肥，使人畜粪污得到无害化和减量化处理。通过设置在发酵间底部的抽渣管和管内的活塞，进行强制回流搅拌，提高菌料均匀度和产气率。发酵装置产生的沼气经脱水、脱硫净化处理后，供炊事、照明使用。从出料间溢出的沼液和抽渣管抽出的沼渣储存于储肥间，用作农作物有机肥料或淡水养殖营养饵料，从而实现轻松管理和永续利用的目标。
2.2动态发酵工艺参数的调控
(1)配料启动
要获得较高的装置产气率和原料转化率，必须为沼气发酵微生物创造适宜的生存和繁殖条件，必须有质优量足的沼气微生物和碳氮比适宜的发酵原料。从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵微生物消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25一30倍。因此，在其它条件都具备的情况下，原料碳氮比例配成25一30:1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。理论研究和工程实践表明，沼气发酵启动需按接种物:原料:水=1:2:5的比例配料，其中，接种物是富含沼气微生物的物质，来源广、易采集的接种物是正常产气的沼气发酵剩余物，一般需要添加10%以上。启动原料采用碳氮比为25一30: 1的纯净牛粪、马粪、羊粪，或者一半的猪粪搭配一半牛马粪。启动原料进人发酵装置前，应在含水率60%一70%左右的条件下堆沤处理3一6天，并加盖塑料薄膜封闭，以聚集热量和富集菌种。
(2)温度调控
温度是沼气发酵的重要外因条件，温度适宜则细菌繁殖旺盛，活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度快，产气量高。研究表明:化学反应速度随温度的升高而加快，温度每升高1090，反应速度增加2一3倍，沼气发酵过程是由微生物进行的生化反应过程，在常温范围内符合这一规律[(2l。发酵温度低于10℃，微生物休眠，产气很少，达不到使用的目的。因此，启动料液温度要调控在20℃以上，运行料液温度要调控在15 `C以上，才能达到产气和使用的目的。对于户用沼气池，尤其是北方沼气池来讲，通过太阳能热利用技术，提高沼气池发酵料液的温度，对于提高产气量显得尤为重要。人冬前，对于“三结合”沼气系统，要用塑料薄膜覆盖太阳能畜禽舍顶面;对于“四位一体”沼气系统，要用塑料薄膜覆盖日光温室;对于露地沼气池，要为沼气池搭建简易温棚，进行保温越冬。
(3)负荷调控
农村沼气工程的负荷常用容积有机负荷表示，即单位体积沼气装置每天所承受的有机物的数量，通常以千克COD/(米3*天)为单位。容积负荷是沼气工程设计和运行的重要参数，其大小主要由厌氧活性污泥的数量和活性决定。农村沼气工程的负荷通常用发酵原料浓度来体现，适宜的干物质浓度为4%一10%，即发酵原料含水量为90%一96%。沼气微生物吸收养分、排泄废物和生存繁殖，都需要有适宜的水分，水分过多或过少都不利于沼气微生物的活动和沼气的产生。若水量过多，发酵料液中干物质含量少，单位体积的产气量减少;如果水量过少，发酵料液太浓，容易积累有机酸，使沼气发酵受阻，影响沼气产量。农村沼气工程启动料液浓度一般调控在6%以下，运行浓度随温度变化在5%一10%范围内调控。
(4)酸碱度调控
沼气发酵是酸碱度中性条件下的厌氧发酵，其最适pH值为6.8一7.4, pH值6.4以下、7.6以上都对产气有抑制作用。在沼气工程启动和运行过程中，影响pH值变化的因素主要有三点:1.发酵原料中含有大量有机酸，如果在短时间内大量向发酵装置内投人这类原料，就会引起发酵装置内pH值的下降。但如果向正常运行的发酵装置内按发酵装置可承受的负荷投人原料，有机酸会很快被分解掉，因而不会引起发酵装的酸化，所以不必对进料的pH值进行调整。2.发酵装置启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足时，以及在发酵装置运行阶段突然升高负荷，使产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累，导致pH值下降，这往往是造成发酵装置启动失败或运行失常的主要原因。3.进料中混人大量强酸或强碱，直接影响发酵液的pH值。
在沼气工程启动或运行过程中，一旦发生酸化现象应立即停止进料。如果酸化程度不大，靠发酵装置内的甲烷菌逐渐分解积累的有机酸，使pH值逐渐恢复正常;如pH值在6.0以上，可适当投人石灰水、Na2C03溶液或NH4HCO3溶液加以中和;如果pH值在6.0以下，则应在调整pH值的同时，大量投人接种污泥，以加快pH值的恢复。
(5)吐故纳新
在沼气工程运行中，建立与沼气发酵微生物数量及活性相适应的新陈代谢机制，是维持沼气工程持续产气和应用的重要前提。沼气工程一旦启动，加入沼气发酵装置的发酵原料，经过沼气发酵微生物的分解利用，逐渐地被消耗或转化。如果不及时补充新鲜原料，沼气微生物就会“吃不饱”、“吃不好”，产气量就会下降。为了保证沼气微生物有充足的食物，并进行正常的新陈代谢，使产气正常而持久，就要连续不断地补充新鲜原料。
户用沼气池正常启动使用1一2个月后，每天应保持20公斤左右的新鲜畜禽粪便人池发酵。户用“三结合”沼气系统，每天有4一6头猪或1一2头牛的粪便人池发酵即可满足需要，平时只需添加适量的水，以保持发酵原料的浓度。同时要根据农作物生长情况，随时出料供肥，以保持池内相对稳定的料液量。农村小型沼气工程，每天早晚应各进占发酵装置总容积2%左右的发酵原料，以满足沼气微生物的需求。
(6)强化搅拌
在生物反应器中，生物化学反应是依靠微生物的代谢活动进行的，这就要使微生物不断接触新的食料。搅拌是使微生物与食物接触的有效手段，沼气工程运行后，经常搅拌沼气发酵装置内的发酵原料，能使原料与沼气微生物充分接触，促进沼气微生物的新陈代谢，使其迅速生长繁殖，提高产气率;可以打破上层结壳，使中、下层所产生的附着在发酵原料上的沼气，由小气泡聚积成大气泡，并上升到气箱内;可以使沼气微生物的生活环境不断更新，有利于它们获得新的养料。如不经常搅拌发酵原料，就会使其表层形成很厚的结壳，阻止下层产生的沼气进人气箱，降低沼气池的产气量。
沼气工程常用的搅拌方法有发酵液回流搅拌、沼气回流搅拌和机械搅拌。农村沼气工程一般采用发酵液回流搅拌方式，其搅拌方法有三种:其一是通过手动回流搅拌装置，进行强制回流搅拌;其二是通过在出料池设置小型污泥泵，依靠电力将发酵料液回流进发酵间，进行强制搅拌;其三是采用生物能气动搅拌和旋动搅拌装置，利用产气和用气的动力，自动搅拌池内发酵原料。3装置与工艺的实践验证
通过在陕西乾县、澄城、陇县、洛川等地建立以旋流布料沼气池为核心的庭园生态农业示范点，并按照动态连续发酵工艺运行管理，经过8年多的定点检测和实践验证，结果表明:
旋流布料沼气他将厌氧活性污泥滞留和附着膜等技术优化组装配套，实现了自流进料、旋流布料、强回流搅拌、固菌成膜等动态高效运行机制。底部沉渣只需通过设置在发酵间底部的抽渣管和管内的活塞轻便抽出，无需揭开天窗盖，从池顶部出料，省工省时。示范点沼气池连续运行8年，没有大出料仍正常使用，实现了100%的正常使用率。
按照动态连续发酵工艺管理的旋流布料沼气池，其年平均产气量为380一500 m3/年，比普通水压式沼气池年平均产气量290m3/年提高了31%一72.4%，使家用沼气池在冬季寒冷的西北地区全年正常产气使用，改变了北方池全年只能使用半年的历史。
以旋流布料沼气池为纽带，通过建立鸡猪主体联养，圈池上下联体，种养沼有机结合，能量和物质良性循环的能源一生态一经济系统，取得了“四省三增两减少一净化”(省煤、省电、省劳、省钱;增肥、增效、增产;病虫减少、水土流失减少;净化环境)的综合效益。
4小结与讨论
(1)以厌氧污泥滞留和附着膜技术为基础，通过旋流布料和强回流搅拌技术，解决了普通水压式沼气池存在的料液短路、发酵盲区和微生物贫乏区等技术问题，年均产气量比普通水压式沼气池提高31%72.4% o
(2)旋流布料沼气池通过自流进料、旋流布料、强回流搅拌、固菌成膜的动态连续发酵工艺，解决了静态不连续发酵工艺存在的菌料分布不均和出料困难等技术问题，管理轻便，持续运行。
(3)在北方寒冷地区应用旋流布料沼气池，要和农业主导产业配套，用太阳能畜禽舍或日光温室增温保温。
参考文献:
[1]邱凌，席新明，卢旭珍生物能气动搅拌沼气发酵装置与技术研究〔J7.农业工程学报，2002,18:72.
[2〕周孟津主编沼气生产利用技术〔M].北京:中国农业大学出版社，1999:115一121.
[3]邱凌，张正茂，谢惠民.农村沼气工程理论与实践[M].西安:世界图书出版公司,1998:90一i02.
[4〕王革华，孟松，白金明.户用沼气综合利用调查与效益分析〔M].成都:成都科技大学出版社，1993:85.
