大中型沼气工程技术

大中型沼气工程技术培训手册新疆维吾尔自治区农村能源工作站新疆农业职业技术学院2009年6月编印第一讲沼气工程概述沼气工程是指以规模化畜禽养殖场粪便污水的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产和资源化利用为一体的系统工程。按规模大小可分为小型、中型和大型沼气工程。一、工艺类型1、按发酵温度分3种：常温（变温）发酵型、中温（35℃）发酵型、高温（54℃）发酵型2、按处理原料分3种：处理食品工业有机废水工程型、处理畜禽粪污工程型和处理其他工业有机废水工程型3、根据沼气工程的目的和周边环境条件的不同，大中型沼气工程可分为能源生态模式和能源环保模式。所谓能源生态模式，即沼气工程周边的农田、鱼塘、植物塘等能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣、沼液，使沼气工程成为生态农业园区的纽带。如畜禽粪便沼气工程，首先要将养殖业与种植业合理配置，这样即不需要后处理的高额花费，又可促进生态农业建设，所以说能源生态模式是一种理想工艺模式。所谓能源环保模式，即沼气工程周边环境无法消纳沼气发酵后的沼渣、沼液，必须将沼渣、制成商品肥料，将沼液经后处理达标排放。该模式既不能使资源得到充分利用，而且工程和运行费用较高，应尽量避免使用。二、工艺流程一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括如下工艺流程：原料（废水）的收集、预处理、消化器（沼气池）、出料的后处理和沼气的净化与储存等部分。图1大中型沼气工程工艺流程㈠原料收集在畜禽场或工厂设计时就应当据当地条件合理安排废物的收集方式和集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。收集到原料一般要进入调节池储存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天均匀分配。所以调节池的大小一般要能储存24小时废物量。在温暖季节，调节池常可兼有酸化作用，这对提高原料可消化性和加速厌氧消化都有好处。若调节池内原料滞留期过长，会因耗氧呼吸作用或沼气发酵的进行而损失沼气产量㈡原料预处理原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。畜禽场的粪便原料特性详见表1：表1三种发酵原料的特性在预处理时，牛和猪粪中的长草、鸡粪中的鸡毛都应去除，否则极易引起管道堵塞。上海星火农场采用搅龙除草机去除牛粪中的长草，可以收到较好的效果，再配用收割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草可有效防止管道阻塞。鸡粪中含有较多贝壳粉和砂砾等，必须进行沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部，不仅难以排除，而且会影响沼气池容积。目前采用的固液分离方式有格栅机、搅龙除草机、卧螺式离心机、水力筛、板柜压力机带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。其中，螺旋挤压式固液分离机主要用于SS含量高，且易分离的的污水，如新鲜猪粪污水；卧螺式离心机用于酒精厂废醪效果较好；搅龙除草机主要用于纤维较长的废水预处理；板柜压力机和带式压滤机主要用于加凝絮剂后凝絮效果较好的废水，用于好氧污泥的处理效果极佳；水力筛一般均采用不锈钢制成，用于杂物较多、纤维长中等的污水，如猪粪污水、鸡粪污水等，且其分离效果好，安装方便，易于管理，在南方应用较为广泛。㈢厌氧消化器厌氧消化器是大中型沼气工程的核心设备，微生物的繁殖、有机物的分解转化、沼气的生成都是在消化器里进行的，因此，消化器的结构和运行情况是一个沼气工程设计的重点。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。目前，应用较多的工艺类型及消化器的结构有常规型消化器，如在农村大量使用的家用水压水式沼气池和酒厂使用的隧道式沼气池；第二类为污泥滞留型消化器，使用较多的有使用于处理可溶性废水的UASB及使用于处理高悬浮固体的USR，另外，内循环厌氧消化器(IC)是目前效率较高的工艺类型，主要用于处理中低浓度、SS含量低、pH偏中性的污水。第三类为附着膜型消化器，目前使用的主要是填料过滤器，使用于可溶性有机废水处理，有启动快、运行容易的优点。各类消化器的详细特性将在下一节介绍。种类TS%产气潜力(米3/千克TS)物料特征一般水平设计参数一般水平设计参数鲜牛粪鲜猪粪鲜鸡粪15～181818～152025～40300.18～0.300.250.25～0.450.300.30～0.550.35草多，沉淀物较少，浮渣多于沉渣冬季沉淀物多，沉渣多于浮渣；而在冬季则相反有鸡毛贝壳沉淀,沉渣结实图2搪瓷拼装型厌氧消化器（四）出料的后处理出料后处理的方式多种多样，采用能源生态模式，最简便的方法是直接用做肥料施入农田或鱼塘，但施用有季节性，不能保证连续的后处理，应设置适当大小的贮液池，以调节产肥与用肥的矛盾。如采用能源环保模式，则是将出料进行沉淀后再将沉渣进行固液分离，固体残渣用做肥料或配合适量花费做成适用于各种作物或花果的复合肥料，很受市场欢迎，并有较好经济效益。清液部分可经爆气池、氧化塘、人工湿地处理设备进行深度处理，经处理后的出水，可用于灌溉或达标后排入水体、但花费较大。(五)沼气的净化、储存和输配沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量硫化氢(H2S)气体生成并进入沼气。水的冷凝会造成管路堵塞,有时气体流量计中也充满了水。H2S是一种腐蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。H2S本身及燃烧时生成的SO2、H2SO3、H2SO4，对人都有毒害作用。大型沼气工程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱出沼气中的水和H2S。脱水通常采用脱水装置进行（图3）。沼气中的H2S含量在1～12克/米3之间，蛋白质或硫酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的H2S含量就较高。硫化氢的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫（图4）。因脱硫剂使用一定时间后需要再生或更换，所以脱硫塔最少要有两个轮流使用。沼气的输配是指将沼气输送分配至各用户（点），输送距离可达数千米。输送管道通常采用金属管，近年来工程也采用高压聚乙烯塑料管、PE管、PPR管等作为输气干管。用塑料管输气避免了金属管的易锈蚀等问题。气体输送所需的压力通常依靠沼气产生池或储气柜所提供的压力即可满足，远距离输送可采用增压措施。图3脱水装置图4脱硫塔第二讲厌氧消化器一、厌氧消化器分类一个厌氧消化器，无论是哪一种类型工艺，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），并据此对消化器进行分类。（一）分类依据1、水力滞留期（HRT）：厌氧消化器的HRT是指一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要的时间，通常一天（d）或小时（h）为单位，可按下式计算：)3()3((HRTmm每天进料量消化器的有效容积天）从上式可以看出，对一个消化器来说HRT与每天进料量互为函数即：每天的进料量（米3）=天）消化器的有效容积(m()3HRT例如一个消化器有效容积为100米3，每天进料量为5米3，则HRT为20天。同样如果知道了HRT，也可求出每天的投料量。无论是半连续投料运行，或是连续投料运行的消化器都可以根据HRT来确定投料量，在生产上习惯使用投配率一词，即每天进料体积占消化器有效容积的百分数，按下式计算：投配率（%）=)33消化器有效容积（米）每天进料体积（米×100%按此公式计算前面举例消化器的投配率则为5%，而HRT则为投配率的倒数即20天。当消化器在一定容积负荷条件下运行时，其HRT与发酵原料有机物含量呈正比，有机物含量越高，HRT则越长，这有利于提高有机物的分解率。降低发酵原料的有机物浓度或增加消化器的负荷都会使HRT缩短，但过短的HRT会使大量沼气发酵细菌从消化器里冲走，除非采取一定措施将固体和微生物滞留，否则有机物的分解率和沼气产量就会大幅度降低，消化器的运行将难以稳定。图5HRT与甲烷产率的关系曲线其后甲烷产率随滞留期的延长而下降，但原料转化率逐渐上升（表2），在生产过程中可根据发酵目的的不同，选择适合的HRT，如以生产沼气为主则可适当的靠近最佳滞留期，如以环境保护为主，则应适当延长HRT。表2牛粪不同滞留期的产气率与原料利用率滞留期（天）4612图5所示为牛粪高温沼气发酵时HRT与甲烷产率的关系曲线，从图中可以看出，当HRT减少到1.6天时，甲烷产率急剧下降为零。因为这一时间，小于活性污泥中产甲烷菌的增代时间，也就是说甲烷菌还没有来得及繁殖一代，已被料液冲走，这是因为产甲烷菌比产酸菌繁殖速度慢，产甲烷菌更容易从消化器里冲出。这个时间称为极限滞留期。在稍大于极限滞留期的情况下，由于产甲烷菌得到增殖，并有足够的原料可以利用，因而甲烷产率急剧上升，当达到产气最高峰时，其响应滞留期2.9天，即为最佳滞留期。这时的原料利用速度最高，虽可获得最高的熔剂产气率，但因原料在消化器内停留时间太短而不能得到充分消化。所以原料的转化率较低。产气率[米3/（米3·天）]6.294.962.89原料利用率（%）39.846.152.8确定了HRT后，对一个每天污水产量一定的工程来说，就可以得出消化器的体积。例如，一个1000头的猪场，每头猪每天产生污水量为25升，则每天共产生污水25米3，如果HRT定为10天，则消化器的有效容积为250米3，为防止发酵液产生的泡沫堵塞导气管，所以常留10%体积作为缓冲，因此，消化器有效容积只占消化器总体积的90%。这样即可按下式求出消化器体积：）消化器有效容积（天）每天的污水量（消化器体积%HRT()3m则上面举例猪场的消化器体积为：）（米该猪场消化器体积38.277%901025常规消化器的设计是根据HRT，然而在大型沼气工程的设计上常根据消化器的容积负荷而定。一般可溶性有机物容易分解，固体有机物分解较慢，所以固体滞留期（SRT）就显得更为重要。2、固体滞留期（SRT）：是指悬浮固体物质从消化器里被置换的平均时间。在一个混合均匀的完全混合式消化器里，SRT与HRT相等。而在一个非完全混合式消化器里,当消化器在长的SRT运行时，一部分衰老的微生物细胞被分解，为新生长的微生物提供了营养物质，这样就可以减少微生物对原料的营养要求。由于蛋白类物质的分解率提高，因而发酵液中铵态氮含量也随SRT的延长而逐渐上升。一方面因SRT的延长固体有机物分解的更为彻底；另一方面因衰亡微生物的分解使细菌得到更多的营养物质，因而较长的SRT使污泥的甲烷化活性提高，污泥的沉降性能得到改善。所以，高悬浮固体有机物的厌氧消化应设法得到比HRT长得多的SRT，是至关重要的。在消化器里，沼气发酵微生物常附着于固体物表面而生长，SRT的延长也增加了微生物的滞留期，因此，除附着膜式消化器外，SRT与MRT是难以分开的，所以SRT的延长也同时增加微生物的量，减少了微生物的冲出。这也是在长的SRT条件下固体有机物具有较高分解率的原因之一。3、微生物滞留期（MRT）：指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的平均时间。在一定条件下，微生物繁殖一代的时间基本稳定，如果MRT小于微生物增代时间，微生物将会从消化器里被冲洗干净，厌氧消化将被终止。如果微生物的增代时间与MRT相等，微生物的繁殖与被冲出处于平衡状态，则消化器的消化能力难以增长，消化器则难以启动。如果MRT大于微生物增代时间，则消化器内微生物的数量会不断增长。可见在一定条件下，消化器的效率与MRT呈正相关。如果MRT无限延长，则老细胞会不断死亡而被分解掉。这样可使微生物的繁殖和死亡处于平衡状态，就不会有多余的微生物排出。因此，延长MRT不仅可以提高消化器的处理有机物的效率，并且可以降低微生物对外加营养物的需求，还可减少污泥的排放，减少二次污染物的产生。当处理低浓度有机污水时，在HRT很短的情况下运行，这样必须设法延长MRT来维持厌氧消化过程的产酸与产甲烷的平衡。只有延长了MRT才能阻止生长缓慢的产甲烷菌的冲击，增加产甲烷菌在消化器内的积累，防止微生物生长不平衡现象的产生。用什么方法来延长MRT呢？在完全混合式消化器里，MRT与HRT、SRT相等，因此无法使MRT单独增加，所以完全混合型消化器必须有长的HRT，负荷难以提高