【正文】 果表明,相對(duì)于發(fā)酵溫度為35176。C的條件,在30176。C狀態(tài)下的產(chǎn)氣量降低了3%,而在25176。C時(shí)的產(chǎn)氣量減少了25%。 Samantha Cristina Pinho[40]等在厭氧預(yù)批式生物膜反應(yīng)器中,對(duì)部分可溶性廢水進(jìn)行處理,研究了機(jī)械攪動(dòng)對(duì)有機(jī)物降解率的影響。 從上述文獻(xiàn)查閱中可以看出,不同發(fā)酵原料的發(fā)酵工藝的參數(shù)變化范圍很大,很難得到可以適用于任何發(fā)酵裝置的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù),對(duì)于不同的發(fā)酵原料和系統(tǒng),需要結(jié)合具體情況進(jìn)行具體的分析，進(jìn)而對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。溫度對(duì)厭氧消化系統(tǒng)中微生物的影響是最大的,甚至系統(tǒng)溫度發(fā)生微小的改變都可能造成系統(tǒng)的癱疾。在厭氧反應(yīng)器中,厭氧微生物通過(guò)生命代謝過(guò)程來(lái)產(chǎn)生能量以維持自身的生長(zhǎng),同時(shí)也產(chǎn)生副產(chǎn)物甲烷厭氧發(fā)酵制備沼氣的過(guò)程中,微生物代謝活動(dòng)與溫度有著密切的關(guān)系。細(xì)菌代謝活動(dòng)在35176。C~38176。C和50176。C~65176。C范圍內(nèi)分別有一個(gè)高峰值。40176。C~50176。C是產(chǎn)沼氣高溫菌種和中溫菌種活動(dòng)過(guò)渡的溫度區(qū)間范圍,它們?cè)谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)都不太適應(yīng),因而產(chǎn)氣率可能會(huì)下降。而隨著溫度的升高,微生物的代謝越發(fā)旺盛,沼氣的產(chǎn)量也就越多,當(dāng)溫度增加到53176。C~55176。C時(shí),高溫菌種會(huì)變得活躍,產(chǎn)沼氣的速率當(dāng)然最快。當(dāng)溫度超過(guò)65176。C時(shí),高溫菌則會(huì)被殺死，產(chǎn)沼氣的速率也會(huì)急劇的減少,直至停止產(chǎn)沼氣。厭氧微生物可分為低溫微生物、中溫微生物和高溫微生物,各類(lèi)厭氧微生物生長(zhǎng)的溫度范圍見(jiàn)表21。因此,厭氧處理工藝可以分為低溫厭氧處理工藝、中溫厭氧處理工藝和高溫厭氧處理工藝。表21 不同種類(lèi)厭氧微生物的適宜溫度范圍細(xì)菌種類(lèi)生長(zhǎng)的溫度范圍/℃最適溫度/℃低溫菌10~3010~20中溫菌30~4035~38高溫菌50~6051~53一般來(lái)說(shuō),高溫區(qū)的微生物代謝速率要大于中溫區(qū)。而中溫區(qū)的代謝速率大于低溫區(qū)。在大多數(shù)厭氧反應(yīng)器中,溫度每增加10℃速率就增加1倍。中溫發(fā)酵(45℃~48℃)，與常溫相比,具有降解速度快、產(chǎn)氣率高、產(chǎn)氣性質(zhì)好等特點(diǎn)。中溫發(fā)酵在大中型沼氣工程占有主導(dǎo)地位。高溫發(fā)酵降解快、產(chǎn)氣率高、環(huán)保效果好,有利于無(wú)害化。與中溫發(fā)酵相比,高溫發(fā)酵在產(chǎn)氣量方面沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì),但發(fā)酵所需能耗較多。一般用于有余熱利用或需要?dú)缬泻?xì)菌的廢物處理的工程項(xiàng)目。(pH值) 環(huán)境pH值是通過(guò)影響酶的活性來(lái)影響微生物代謝的。環(huán)境pH值的變化可以引起微生物細(xì)胞膜上電荷的改變,從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。介質(zhì)的pH值不僅能影響微生物的生命活動(dòng),甚至能影響微生物的形態(tài)。pH值是氫離子活度的負(fù)對(duì)數(shù),微生物對(duì)pH值有一個(gè)適應(yīng)的范圍,并且對(duì)pH值的波動(dòng)十分敏感。微生物對(duì)pH值的適應(yīng)范圍隨著微生物種類(lèi)的不同而有所不同?！?。（ORL） 體系中氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)度稱(chēng)之為氧化還原電位,通常用Eh表示,以伏特(V)或毫伏(mV)來(lái)計(jì)量。根據(jù)Nerast的方程式,溶液體系中的氧化還原電位可(Eh)可以表示為式中,R為氣體常數(shù)。T為熱力學(xué)溫度(K), T=273+t (176。C)。 n為離子價(jià)。f為電化學(xué)當(dāng)量。E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。Eh為待測(cè)氧化還原電位。[氧化型]為氧化態(tài)離子濃度。[還原型]為還原態(tài)離子濃度。 好氧微生物、兼性微生物和厭氧微生物都呈現(xiàn)出一種趨勢(shì),那就是在其生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)降低外界的氧化還原電位。這是因?yàn)楹醚跷⑸锖图嫘晕⑸镌谄渖x中都以氧為最終電子的受體,環(huán)境中的氧被微生物代謝消耗會(huì)導(dǎo)致使環(huán)境中的氧化還原電位降低。 在厭氧反應(yīng)器運(yùn)行中,一般是控制進(jìn)料的C/N的比例來(lái)滿(mǎn)足厭氧發(fā)酵微生物的營(yíng)養(yǎng)要求的。通常情況下,含有天然有機(jī)物的廢水會(huì)在處理時(shí)不需要加入基質(zhì),但是在處理化工廢水時(shí)就要注意進(jìn)水中碳、氮、磷的三者比例。不論是在好氧反應(yīng)器中還是厭氧反應(yīng)反應(yīng)器中,氮與磷的比值都應(yīng)當(dāng)是5: 1。但碳與它們的比值則差異會(huì)很大。厭氧反應(yīng)需要的碳比好氧反應(yīng)需要的多。(COD/VSS) 厭氧生物處理系統(tǒng)中的COD/VSS對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的影響非常大,在實(shí)用中常以有機(jī)負(fù)荷(C0D/VSS)表示其含量,單位為kg / ( kgd)。但通常情況是進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷大,系統(tǒng)產(chǎn)氣量則大。厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)酸階段比產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)速率要高得多,所以在選擇有機(jī)負(fù)荷時(shí)我們需要十分謹(jǐn)慎把握,避免揮發(fā)酸的積累。有機(jī)負(fù)荷的絕對(duì)值在反應(yīng)的開(kāi)始階段不適合太高。與其他生物系統(tǒng)一樣,有毒物質(zhì)的進(jìn)入也會(huì)影響厭氧處理系統(tǒng)。由于微生物對(duì)各種有毒物質(zhì)具有一定的適應(yīng)能力,因此,只有當(dāng)有毒物質(zhì)超過(guò)一定限度才會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用,嚴(yán)重時(shí)甚至完全破壞厭氧過(guò)程。只有溶解成離子狀態(tài)的重金屬才會(huì)對(duì)細(xì)菌有毒害作用,如果重金屬離子可以與硫化物結(jié)合生成不溶物質(zhì),則對(duì)微生物無(wú)毒害作用。因此,重金屬即使?jié)舛群芨?如同時(shí)存在著與其相應(yīng)的硫化物,抑制作用就不會(huì)產(chǎn)生。具體情況如表22所示。表22列出了氨濃度對(duì)微生物的影響情況影響程度氨濃度（以N記）（mg/L）有益50~200無(wú)不利情況200~1000抑制作用1500~3000有毒高于3000 對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行破碎處理,可以減小發(fā)酵原料的粒徑,增加發(fā)酵原料與厭氧菌種的接觸面積,提高發(fā)酵過(guò)程的生化反應(yīng)速度，從而縮短產(chǎn)氣時(shí)間和提高反應(yīng)器單位發(fā)酵容積的產(chǎn)氣率。另外,經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理,還可以破壞農(nóng)作物所含木質(zhì)纖維素的細(xì)胞壁,使其有利于降解，增加降解速率，縮短產(chǎn)氣時(shí)間和提高反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率。農(nóng)作物經(jīng)過(guò)破碎,還可以提高其堆積密度,便于農(nóng)作物的運(yùn)輸和存儲(chǔ)。因此，在農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的工程實(shí)際中,對(duì)農(nóng)作物梧稈進(jìn)行破碎處理是必不可少的預(yù)處理工序。 除了對(duì)于加入物質(zhì)、控制環(huán)境等因素外,其他因素也會(huì)對(duì)厭氧微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。例如在反應(yīng)過(guò)程中攪拌（甚至攪拌速度不同，影響也不同）、在反應(yīng)前對(duì)物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理等都會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)情況。在反應(yīng)過(guò)程中攪拌可以加快反應(yīng),預(yù)處理可以提高水解過(guò)程、產(chǎn)甲烷過(guò)程的穩(wěn)定性性。除了考慮共性問(wèn)題,同時(shí),還必須關(guān)注不同處理工藝中的特殊因素等其他影響。第3章 農(nóng)作物破碎原理、粒度與能耗分析 為縮短發(fā)酵原料的產(chǎn)氣時(shí)間,提高單位容積的產(chǎn)氣量,需要對(duì)發(fā)酵原料（蔬菜類(lèi)農(nóng)作物）進(jìn)行預(yù)處理,如前面所述,在農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的項(xiàng)目中,最常用的預(yù)處理方式之一是進(jìn)行破碎。本章首先介紹常見(jiàn)的破碎工藝,然后通過(guò)粒度表征方法和分形模型對(duì)破碎后的粒度分布進(jìn)行表征,目的是為了確定粒度分布的特征參數(shù)和粒度的分布情況,從而分析破碎不同粒徑所需要的能耗。 物料在受到外力作用時(shí),總是沿著其最抗壓性最差處發(fā)生破裂。經(jīng)過(guò)破裂后,物料的粒徑變小。不同的破碎方式有一個(gè)共同的特性,就是在不同形式的破碎力的作用下,對(duì)物料進(jìn)行破碎,從而達(dá)到減小物料粒徑,增大比表面積的目的,從而使物料在厭氧發(fā)酵制備沼氣的過(guò)程中,可以加速物料的生化反應(yīng)。 論述中我有查閱有關(guān)文獻(xiàn)，由于研究的是蔬菜類(lèi)農(nóng)作物（黃瓜藤），結(jié)構(gòu)和秸稈類(lèi)似，所以以秸稈來(lái)說(shuō)明農(nóng)作物的破碎原理，農(nóng)作物秸稈的結(jié)構(gòu)由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、果膠和蠟質(zhì)等化合物組成。由于農(nóng)作物秸稈的木質(zhì)素很難通過(guò)微生物來(lái)進(jìn)行降解,因而農(nóng)作物秸稈的原料的厭氧發(fā)酵,其降解率一般取決于纖維素和半纖維素被木質(zhì)素包裹的程度。當(dāng)木質(zhì)素完全包裹在纖維素和半 纖維素表面時(shí),微生物難以接觸纖維素和半纖維素,使其降解速率十分緩慢。秸稈表面的一層蠟質(zhì),也不易被厭氧微生物所分解。所以從中可以發(fā)現(xiàn)秸稈不經(jīng)過(guò)預(yù)處理進(jìn)行發(fā)酵,就會(huì)不能有效降解。因此,要求對(duì)木質(zhì)素和蠟質(zhì)進(jìn)行破碎處理,使纖維素與有機(jī)微生物的接觸表面積增大,加快原料的分解。秸稈的破碎過(guò)程破壞了秸稈表面的蠟質(zhì)層,同時(shí)增加原料與料液接觸面積。工程實(shí)用中對(duì)秸稈進(jìn)行破碎,主要是通過(guò)機(jī)械的方式對(duì)秸稈進(jìn)行破碎,從而達(dá)到增加接觸表面積的目的。 常見(jiàn)的破碎工藝 常見(jiàn)的破碎工藝主要有:閉路破碎工藝、開(kāi)路破碎工藝、半路破碎工藝[17]。(1) 閉路破碎工藝中,原料在破碎機(jī)內(nèi)完成破碎。在破碎機(jī)下方安裝有蹄板或蹄條,符合粒度要求的物料才能從篩板或蹄條中排出。該工藝一般由鄂式破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)組合而成,實(shí)現(xiàn)粗破碎與細(xì)破碎的組合破碎工藝,該工藝較適宜對(duì)硬度較軟的物料進(jìn)行破碎。(2) 開(kāi)路破碎工藝中,破碎機(jī)下方不安裝蹄板或蹄條,物料可以直接從破碎機(jī)底部排出,破碎后的物料經(jīng)過(guò)篩分工序,才能滿(mǎn)足所需的粒度要求,該工藝中需加蹄分設(shè)備。此工藝一般由鄂式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、振動(dòng)蹄組合而成,組合成粗破碎、細(xì)破碎和蹄分的破碎工藝。相對(duì)于閉路破碎工藝而言,開(kāi)路生產(chǎn)的破碎工藝降低了破碎機(jī)的設(shè)計(jì)難度,且具有較高的產(chǎn)量。所需的功率也相對(duì)較低。對(duì)于原料含水率要求,可略高于閉路破碎工藝。對(duì)于破碎密度小,質(zhì)量輕的物料,易形成無(wú)數(shù)小顆粒和大量粉塵。而且對(duì)小粒徑物料的再破碎難度很大,物料在蹄網(wǎng)上過(guò)多的返料,降低了破碎效率,增加了功率的消耗。(3) 半開(kāi)路破碎工藝中,是閉路、開(kāi)路生產(chǎn)破碎工藝的優(yōu)化組合,在本破碎工藝中,在排料區(qū)域設(shè)置一段蹄條,形成部分閉路生產(chǎn)的效果。該工藝也是由鄂式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、振動(dòng)蹄組合而成,形成粗破碎、細(xì)破碎和篩分的工藝組合。半路破碎工藝不僅采用了開(kāi)路工藝直接排料方式,又兼顧了閉路工藝蹄分排料的設(shè)置,具有 路破碎工藝和閉路破碎工藝兩者的優(yōu)點(diǎn),此種工藝實(shí)際應(yīng)用最為廣泛。 常見(jiàn)的農(nóng)作物破碎方式 對(duì)于農(nóng)作物的破碎,由于其質(zhì)地較軟,并對(duì)破碎后的粒度有一定的要求,因此常選擇閉路式破碎工藝,這樣既簡(jiǎn)化了破碎工藝,又不會(huì)因?yàn)槠扑槎a(chǎn)生大量小顆粒和灰塵。在選取破碎工藝的同時(shí),也應(yīng)考慮對(duì)農(nóng)作物的破碎方式。由于農(nóng)作物具有粗度大、密度低、硬度小等特點(diǎn),因此要選用適合農(nóng)作物秸稈特點(diǎn)的破碎方式。對(duì)于秸稈的破碎,主要是借助機(jī)械力的作用,對(duì)秸稈進(jìn)行剪切和磨碎,從而減小秸稈的粒度。實(shí)際上,能夠?qū)崿F(xiàn)剪切和磨碎的秸稈破碎方式有如下幾種[41]：(1)劈碎,利用尖齒楔入物料的勢(shì)力,使物料破碎,其特點(diǎn)是力的作用范圍較為集中,可以發(fā)生局部破裂。(2)磨削,在兩個(gè)平面及不同形狀的研磨面中對(duì)物料進(jìn)行磨削,剪切后被磨削成為很細(xì)的微粒。(3)沖擊,沖擊力是瞬間作用在物料上,同時(shí)沖擊力可以是動(dòng)擠壓、動(dòng)剪切、動(dòng)拉伸、動(dòng)彎曲等作用。沖擊力施于物料,或運(yùn)動(dòng)中的物料與物料相互撞擊而破碎碎。沖擊方式應(yīng)用較廣,近年來(lái)的新型破碎機(jī)中,尤其是中小型破碎機(jī),多為沖擊式破碎機(jī)。 固體物質(zhì)在自然界存多以顆粒群的狀態(tài)存在。不同固體的顆粒粒徑、顆粒表面積、顆粒體積等都具有自相似性,即具有分形的特征,頻率分布和累積分布是常見(jiàn)的粒徑分布表征方法[]。 [42],是指一粒度大小(可用Dp表示)或某一粒度大小范圍內(nèi)(用ΔDp表示)的顆粒在樣品中出現(xiàn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),即為頻率,可用f(Dp)或表示。樣品中的顆?？倲?shù)用表示,頻率的關(guān)系式為: 這種頻率與顆粒大小的關(guān)系,稱(chēng)為頻率分布。在頻率分布坐標(biāo)圖中,縱坐標(biāo)最大值所對(duì)應(yīng)粒徑稱(chēng)為最頻粒徑,即為顆粒群中個(gè)數(shù)或質(zhì)量出現(xiàn)概率最大的顆粒粒徑,一般用Dmo表示。累積分布,是指把顆粒大小的頻率分布按一定的方式累積。累積分布可用圖形表示,但更多的是用積累曲線表示。一般可用兩種方式表示,一種是按粒徑從小到大進(jìn)行分布,稱(chēng)為篩下積累(用“_”號(hào)表示)。另一種是從大到小的粒徑分布,稱(chēng)為篩上積累(用“ + ”號(hào)表示)。篩下積累所得到的積累分布表示小于某一粒徑的顆粒數(shù)(或顆粒質(zhì)量)的百分?jǐn)?shù),篩上積累則表示大于某一粒徑顆粒數(shù)(或顆粒質(zhì)量)的百分?jǐn)?shù)。通常用D (Dp)表示篩下積累分布。用R(Dp)表示篩上積累分布。 在顆粒物料的樣品中,可以把顆粒的個(gè)數(shù)(或質(zhì)量)分成相等兩部分的顆粒粒徑稱(chēng)為中位粒徑。中位粒徑也就是在累積分布圖形中,篩下累積質(zhì)量分布的曲線與篩上累積質(zhì)量分布的曲線所對(duì)應(yīng)的粒徑,用D50表示,即D(Dp)=R(Dp)=50%。 3. 粒度的頻率分布與累計(jì)分布的關(guān)系 頻率分布f(Dp)和累積分布D(Dp)或R(Dp)之間的微分和積分關(guān)系式如下式所示: 因此,f(Dp)又稱(chēng)顆粒粒度分布微分函數(shù),而D(Dp)或R(Dp)又稱(chēng)顆粒粒度分布積分函數(shù)。 顆粒的分形理論模型 1967年,美國(guó)數(shù)學(xué)家Mandelbrot首次在提出分形的概念后,分形理論得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用,它把從純數(shù)學(xué)領(lǐng)域到工程技術(shù)領(lǐng)域的己有概念統(tǒng)一起來(lái),因此引起了眾多領(lǐng)域研究者的興趣。分形理論表明,顆粒粒度分布是作為自然現(xiàn)象的一種統(tǒng)計(jì)描述。而破碎過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程,每一顆粒的破碎概率和所受粉碎力都是不一樣的,如果破碎過(guò)程是在很大的粒度范圍內(nèi)產(chǎn)生的,則在相當(dāng)寬廣的粒度范圍內(nèi),除了顆粒形狀的自相似之外,其粒徑個(gè)數(shù)與粒度分布之間也具有自相似性,即粒度分布符合分形。Mandlbrot分形理論指出[43]:多分散顆粒系統(tǒng)的粒徑個(gè)數(shù)粒度分布如果是分形的,則應(yīng)滿(mǎn)足下式:上式為顆粒個(gè)數(shù)—粒度分形模型,其中N(r)為系統(tǒng)中粒度大于r的顆粒個(gè)數(shù)。r為粒度。D為分布分維數(shù)(相似維數(shù))。C為常數(shù)。 1992年Tyler等人[44]建立了三維空間的顆粒體積分形模型:上式中,V(rR)為顆粒尺寸大于R的顆粒體積。λv,Cv為顆粒形狀和尺寸的常數(shù)。R為顆粒尺寸。D為分形維數(shù)。根據(jù)顆粒特性,假設(shè)農(nóng)作物密度為,則尺寸大于R的顆粒累積質(zhì)量為：當(dāng)R=0時(shí),得出顆?？傎|(zhì)量為:當(dāng)rRmax,上式中右等式為0,因此可得出,則上式變?yōu)?因此得出尺寸小于r的農(nóng)作物顆粒累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為: