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第27卷增刊1农业工程学报Vol.27Supp.12011年5月TransactionsoftheCSAEMay.201141畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析韩芳1,2，林聪2（1.中国农村能源行业协会，北京100125；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083）摘要：为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行，提高其厌氧消化效率，该文选择了3座沼气工程，对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上，提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程；与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点；热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化；利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源，降低工程运行成本。关键词：沼气工程，厌氧消化，工艺，农业废弃物doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z1.009中图分类号：TK421文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-Supp.1-0041-07韩芳，林聪.畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析[J].农业工程学报，2011，27(增刊1)：41－47.HanFang,LinCong.Optimizationanalysisofanaerobicdigestiontechnologiesofbiogasengineeringinlivestockandpoultryfarms[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(Supp.1):41－47.(inChinesewithEnglishabstract)0引言沼气工程具有环保、生态、经济、能源、社会等诸多效益。现阶段，中国的沼气工程已从获取沼气燃料的单一模式发展为对沼气、沼渣和沼液综合利用的系统工程。近年来，畜禽养殖场沼气工程的发展非常迅速，取得了显著的成效。但多数畜禽养殖场沼气工程的综合效益无法充分显现。其主要原因是工程运行管理不到位，调控不完善，工艺技术不尽合理。厌氧消化技术和工艺是沼气工程的重点和关键。这方面的优化分析和工艺的合理选择是保证沼气工程建设质量、运行稳定和可持续发展的关键。在大中型沼气工程迅速发展的现阶段，优化沼气工程的厌氧消化技术显得尤为重要。厌氧消化技术始于19世纪末20世纪初，经过波浪式的发展历程[1-5]，开始蓬勃发展并被广泛应用。国内外对厌氧技术有较多的研究。中国重视厌氧消化工艺本身的研究开发，几乎所有常规的、高效的厌氧消化工艺在中国都有应用[6]。中国畜禽养殖场沼气工程多采用常温和中温发酵，进料TS(干物质)浓度基本在2%～6%以下，产气率为0.2～0.5m3/(m3·d)[7]。不论是在沼气工程技术、相关政策还是在沼气工程带来的经济、环境和能源效益等各方面，一些欧洲国家尤其是丹麦和德国走在了世界前列。欧洲的农场沼气工程主要采用完全混合式厌氧反应器、推流式反应器或其组合工艺，其容积产气率视原料和温度不同，通常在0.8～15.0m3/(m3·d)之间[6]。收稿日期：2011-01-06修订日期：2011-01-24基金项目：国家科技支撑计划项目（2008BADC4B03）(2009BAC64B08)作者简介：韩芳（1976－），女，内蒙古呼和浩特人，工程师。研究方向为农业生态环境与可再生能源开发。北京中国农村能源行业协会，100125。Email:hanf822@126.com。沼气经热电联产系统转化为电能和热能，产生的电能并网销售，回收的热能通常用于周边农场、村镇供热以及补偿沼气工程本身所需的热消耗[8]。在欧洲，有专业化的公司投资建设运营管理沼气工程，沼气站一般是独立的经营机构[9]。沼气厂产生的沼液沼渣，一般不经固液分离直接用于农田施肥。本文从3座畜禽养殖场沼气工程的运行情况出发，对畜禽养殖场沼气工程厌氧消化的工艺类型、运行管理、投入与产出等关键技术进行了深入的分析研究，探讨养殖场沼气工程建设的经验和问题，为畜禽养殖场沼气工程的可持续发展提供参考。1工程示范点简介本文选择了3座有代表性的沼气工程进行优化分析，以下是所选工程示范点的概况。1.1留民营七村沼气联供工程留民营七村联供沼气工程位于北京市东南郊的大兴区长子营镇境内，是北京市目前最大的农村沼气集中供气工程。1991年，留民营就建起了第一期沼气工程,见图1a。该工程是中国第一批投入运行的大中型沼气工程之一，也是目前国内使用时间最长、管理维护最好的沼气工程之一，对全国沼气工程技术的发展起到了良好的示范作用。为了进一步加大新能源利用，适应该村养殖业发展需要，1997年，留民营又建成第二期沼气工程，如图1b所示。两座工程一起对全村200多户居民进行管道供气。进入21世纪，原有的沼气工程已经不能完全处理村内养殖产生的粪便污水。为了扩大治污能力，同时解决周边村庄利用沼气的难题，进一步加大新能源利用规模，2009年，留民营村在对Ⅰ、Ⅱ期工程进行升级改造的基础上，新建了第三期沼气工程，见图1c，开始为附近7个村的近1700户居民提供方便、清洁、安全和廉价农业工程学报2011年42的管道沼气。七村联供工程总投资2381万元，日处理畜禽粪便及污水97.5t，其中鸡粪22t、牛粪6t、猪粪6t、污水63.5t。工程年产沼气68.4万m³，年减排温室气体折合CO2当量2.3万t，全年节煤4000余t。工程每年生产固态有机肥料2135t、液态有机肥2.9万t。a.工程Ⅰ期b.工程Ⅱ期c.工程Ⅲ期图1留民营三期沼气工程Fig.1PictureofLiuminyingBiogasEngineeringindifferentperoids1.2北郎中集中供气沼气工程北郎中集中供气沼气工程位于北京市顺义区赵全营镇北郎中村。早在上世纪90年代，北郎中村曾一度被誉为“京郊养猪第一村”。养猪带动经济发展的同时，也严重地影响了当地的生活环境。为了治理养殖污染，该村从2001年开始，先后投资1000多万元，采取分期实施的形式，陆续建起了3期沼气工程（图2）。目前，北郎中村三期工程同时运行，日处理猪粪便20t、污水20t，日产沼气1200m³。所产沼气通过脱硫、脱水处理后，一部分打入输气管道，除了为养殖场食堂的30～40人做饭和养殖车间消毒以及为全村的500多户村民稳定供气外，多余的部分用来发电。沼气工程年产生物有机肥3000t。a.工程Ⅰ期b.工程Ⅱ期c.工程Ⅲ期图2北郎中集中供气沼气工程图Fig.2PictureofBeilangzhongBiogasEngineering这些肥料全部施到村里的果园和花卉种植园。该沼气工程每年可节约标煤780t，减排CO22000t，减排SO26.63t，减排NOx5.8t。工程的循环联动运行见图3。图3北郎中沼气工程系统循环流程框图Fig.3Circular-flowdiagramofBeilangzhongBiogasEngineering1.3蒙牛澳亚国际牧场大型沼气综合利用工程蒙牛澳亚示范牧场大型沼气发电综合利用工程（图4）是中国最早发电上网的沼气工程，也是当时国内规模最大的奶牛养殖场粪污处理沼气工程，位于内蒙古自治区呼和浩特市和林县盛乐经济园区，占地3hm2多。该工程从2006年开始实施，采用热电肥联产（CHP）零排放模式，实现了牧场万头奶牛的牛粪、牛尿及污水处理，沼气生产、净化及贮存，沼气发电，发电余热回收利用，有机肥生产及销售。项目总投资8000万元。工程日处理牧场全群10000多头存栏牛的鲜牛粪280t、牛尿54t和冲洗水360t，日产沼气11500m3，年减排温室气体CO2当量约21400t，日沼气发电量近2万kWh；年沼气发电量750余万kWh，发电余热中的80%得到了回收利用；年产固态有机肥约3万t、沼液约17万t，用于牧场近470ha牧草的施肥，同时用于周边农户牧草、青贮饲料以及近10个育苗种植基地施肥。目前，该工程已被中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会开发为清洁发展机制（CDM）项目。增刊1韩芳等：畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析43图4蒙牛澳亚示范牧场大型沼气发电综合利用工程Fig.4Large-scalebiogasengineeringatMengniu-MacaoDemonstrationPasture2沼气工程厌氧消化技术优化分析2.1工艺类型优化分析厌氧消化器是沼气发酵的核心设备，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。厌氧消化器的结构决定了沼气发酵的工艺类型。下面将对上述3座沼气工程所采用的厌氧消化工艺类型，也是目前能源生态型技术模式中应用较多的厌氧消化器和发酵工艺进行对比分析。留民营村三期沼气工程采用了两种工艺，Ⅰ期为塞流式反应器（PlugFlowReactor，以下简称PFR），Ⅱ期和Ⅲ期均为升流式固体反应器（UpflowSolidReactor，简称USR），各工艺具体运行情况见表1。表1留民营沼气三期工程工艺对比一览表Table1ProcesscontrastofLiuminyingBiogasEngineeringduringthreedifferentconstructionphases工程段Ⅰ期Ⅱ期Ⅲ期建设规模/m31002001600建设时间/年199119972009工艺类型PFRUSRUSR发酵温度/℃283035滞留期/d151515进料浓度/%6～86～86～8年产气量/万m33.0157.0358.4北郎中集中供气沼气工程Ⅰ期工程于2002年投入运行，采用上流式厌氧污泥床（Up-flowAnaerobicSludgeBed，以下简称UASB）工艺，在2006年5月检修时改为USR。2004年建设的污水处理Ⅱ期工程仍采用USR工艺。2006年Ⅲ期工程建成，采用高浓度塞流式（以下简称HCF）工艺，厌氧发酵罐为4个250m3的池体。各期工程的工艺运行见表2。表2北郎中三期沼气工程厌氧发酵工艺一览表Table2ProcesscontrastofBeilangzhongthreephaseBiogasEngineering工程段Ⅰ期Ⅱ期Ⅲ期工艺类型USR（UASB）USRHCF发酵罐容积/m35007001000滞留期/d121213进料浓度/%666发酵温度/℃263632日产气量/m3140～600130～580300蒙牛澳亚示范牧场大型沼气发电综合利用工程针对牧场污水有机物浓度高、残渣固体多容易结壳的特点，厌氧消化采用完全混合式厌氧消化器（ContinuousStirredTankReactor，以下简称CSTR）工艺。内设搅拌器以提高传质效率和破除浮渣。其工艺参数如表3。这3座工程采用了5种工艺（PFR、USRCSTR、UASB、HCF），HCF是近几年在PFR基础上增加搅拌装置后改进而成的新工艺，他们同为塞流式厌氧消化工艺。下面将其中最常用的、也是现阶段发展比较快的4种工艺进行分析对比，见表4。厌氧消化器工艺的选择是决定畜禽粪便沼气工程能否长期、高效、稳定运行的关键。根据以上分析，可以看出4种工艺有着自身的原料适应性，适合于不同的工程类型。对于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料，选择CSTR、USR和PFR，此3种工艺适用于“能源生态型”沼气工程。对于“能源环保型”沼气工程中处理低悬浮固体浓度的溶解性废水应选择UASB。在悬浮物含量较高的情况下，经济效益和技术最合适的为CSTR与USR，表3蒙牛澳亚示范牧场大型沼气工程厌氧消化工艺参数Table3Anaerobicdigestionprocessparametersoflarge-scalebiogasengineeringatMengniu-MacaoDemonstrationPasture厌氧消化温度/°C消化罐容积/m3日进料量/m3PH值进料浓度%投配率/%滞留期/d容积负荷/(kg(m3·d)-1)池容产气率/(m3(m3·d)-1)沼气产量/(m3·d-1)出