搜索
新能源产业李布青2*周婷婷21.安徽大学生命科学学院；2.安徽省农业科学院农业工程所摘 要：介绍了大中型沼气工程发展概况，工艺流程。阐述了根据养殖场具体情况，因地制宜选 择合适的沼气工程建设方案，处理模式、反应器池型和池容大小的设计。关键词：养殖场；沼气工程；工艺；流程 1国内沼气工程发展概况 20世纪80年代以来，我国规模化的养殖场逐年增加，畜禽粪便污染日趋严重；与此同时，我国农村用能短缺，大中型沼气工程迎来了一个快速发展期。中央投资不断增加，2003~2008年，中央累计投资国债资金105亿元，2008年底和2009年初，国家又紧急下拨拉动内需资金30亿元和50亿元，大大加快了沼气工程的建设步伐。中央不但在资金给予大力支持，在政策也给予了大力倾斜，极大地促进了我国大中型沼气工程的发展。 与欧美国家相比，我国的农村沼气建设起步较晚，但由于政策和资金的倾斜使其发展速度较快。据农业部统计数据显示：截至2008年底，我国畜禽养殖场沼气工程达39510处，总池容451.476万立方米，年产沼气约5.2亿立方米。其中：大型沼气工程2761处，年产沼气约2.7亿立方米；中型沼气工程12864处，年产沼气约1.8亿立方米；小型沼气工程23885处，年产沼气7096万立方米。 作为我国农村沼气管理部门，农业部在我国沼气工程的发展中起了关键作用。近年来，配套党中央和国务院的各项政策，农业部制定和出台了大量的政策法规，并发布了《畜禽养殖场沼气工程设计规范》等多项标准和规范。这些政策法规为沼气工程搭建了政策框架，为我国沼气工程的全面发展起到了保驾护航的作用。 截至2008年底，全国户用沼气池达到了2800多万口，大中型沼气设施达到了8000多处，沼气年利用量达到了约120亿立方米。 近年来，农业部以科学发展观为指导，以普及农村沼气、促进秸秆综合利用为目标，以技术创新和机制创新为动力，积极推进秸秆沼气试点工作。2009年又在全国12个省对不同原料、不同工艺、不同规模的秸秆沼气技术进行试点。通过验证工艺和设备的的可靠性、可行性及适用性，从中筛选出了几种可供推广的主推工艺，因户制宜、因村制宜、因场制宜，为大规模推广秸秆沼气提供技术支持和管理经验。 2大型沼气工程的工艺流程 2.1工艺构成 养殖场大中型沼气工程一般由以下7个部份组成。①原料收集；②粪污的前处理系统；③厌氧消化系统；④好氧消化系统；⑤沼气处理系统；⑥沼渣生产固体有机肥系统；⑦沼液无害化处理及商品化液体肥料加工系统，见图1。图1养殖场粪污处理工艺流程框图 2.2工艺流程简简述 2.2.1原料收集。充足稳定的原料供应是在厌氧消化过程中产生沼气的基础；不少沼气工程因原料来源的变化被迫停止运转或报废。原料的收集方式又直接影响原料的质量，如一个猪场采用自动化冲洗其污水TS浓度一般只有1.5%～3.5%，若采用粪板刮出，则原料浓度可达5%～6%，如手工清运浓度可达20%左右。因此，在畜禽场或工厂设计时就应当根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。 收集到的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，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，会因好氧呼吸作用或沼气发酵的进行而损失沼气产量[1]。 2.2.2粪污的前处理系统。养殖场粪污预处理的主要目的是进行固液分离。畜禽粪污中对环境构成威胁物质的产业论坛IndustryForum产业论坛IndustryForum科学研究ScientificResearch2021新能源产业以上存于猪粪之中，固液分离可降低液体中的BOD、COD及SS的含量，降低后续粪水处理单元的负荷。固液分离后，固体废渣用于制肥，液体进入后续处理单元。养殖场粪污前处理系统包括格栅、集水池、固液分离、调节/水解池。固液分离可采用沉淀池、水力筛网或固液分离机。养殖场废水处理系统应前端设置调节池，以避免水量冲击负荷对后续废水处理工艺的影响，其有效容积为设计流量的80~100%。 2.2.3厌氧消化系统 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，使用较多的有连续搅拌反应器CSTR、适用于处理可溶性废水的UASB、适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，适用于可溶性有机废水处理，有启动快、运行容易的优点。 2.2.4好氧处理系统。厌氧处理系统对COD有良好的处理效果，但对N、P的去除率却很低。在排放标准要求严格的养猪场，就需要采用好氧生物处理工艺以使出水达标排放。 好氧处理方法主要有活性污泥法和生物膜法两大类。已在畜禽粪便污水处理中使用的好氧工艺有完全混合活性污泥法、序批活性污泥法（SBR法）、氧化沟工艺、曝气生物滤池、接触氧化工艺等。近年来获得成功应用的好氧工艺主要有SBR法。 2.2.5沼气处理系统。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。 沼气首先被收集起来脱硫净化后经输气系统输送到沼气柜，再从沼气柜经配气系统送到用户，沼气柜一般按平均日产气量的25~40%计算。在输气管道的适当地点设水封罐，以便调整和稳定压力，在消化池、贮气柜、压缩机、锅炉房等构筑物之间起隔绝作用；水封罐也可兼做排除冷凝水之用。沼气中硫化氢的体积含量一般占0.005~0.01%。 2.2.6沼渣生产固体有机肥料系统。沼渣含有较全面的养分和丰富的有机物，是优质有机肥料，可以做基肥，也可以做追肥。沼渣养鱼比直接用人畜粪便养鱼具有更好的增产效果。 堆肥工艺的设计规模除了要考虑固体粪便排放总量、沼渣量外，尚需要与养殖场当地农作物的种植情况和养分需求结合起来，以利于实现农牧结合、种养平衡。各养殖场可根据自身的条件选择不同的堆肥方式，在根据堆肥规模确定相应的设备；在养殖场附近建有机肥料厂，可考虑将养殖场粪便及废渣作为肥料厂的原料，以避免重复建设，也减轻养殖场处理固体粪便的投资[2]。 2.2.7沼液无害化处理及商品化液体肥料加工系统。沼液肥用可使土壤疏松，增强土壤保水保肥能力；沼液浸种具有催芽、刺激生长和抗病作用。另外，沼液还可作为无土栽培的营养液，适合植物的营养要求，同时原料来源广，成本低。 沼液用作添加剂喂猪效果好，因为沼液中含有多种常量和微量元素；沼液喂鱼不但可提高成鱼产量，降低成本，而且发病率也大大减少。 沼液首先通过肥用、饲用两种途径消纳，在不能完全消纳的情况下，在考虑通过好氧工艺进一步处理后达标排放。 3沼气发酵反应器的设计 目前成功应用于畜禽废水处理的厌氧工艺有厌氧接触工艺、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧滤池、厌氧流化床反应器等。厌氧消化工艺是沼气工程的枢纽，是实现沼气、沼液、沼渣“三沼”效益的前提。 3.1厌氧消化工艺比较科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch2021新能源产业～8%2%3%-5%2%～8%3应用区域全国各地中部、南部中部、南部全国各地4水力停留时间15-25天2-5天7-15天10-20天5单位能耗高中等中等低6单池容积300-1000m3100-1000m3100-600m3100-1000m37操作难度高中等中等低8产气率≥0.8m3/m3≥0.3m3/m3≥0.7m3/m3≥0.8m3/m39经济效益较佳低较低佳 注：均为单一畜禽粪污原料（中温发酵） 经过以上对比分析可以看出几种工艺各有所长，必须“因地制宜”采用。 CSTR工艺适合各类粪污处理沼气工程。其特征是原料液要预处理、液泵进料、进料TS浓度为6～8%（采用螺杆泵才能达到8%）。因我国使用单一的畜禽粪，故产气率在中温条件下，一般为0.8～1.0m3/m3；沼渣沼液一般不经固液分离直接用于农田施肥。其缺点是原料要进行预处理，工程投资偏高；能耗偏大，能量输出率偏低，如进行热电联产(CHP)，能量输出率可大幅度提高。 UASB工艺是20世纪70年代开发的一种适用于低SS工业有机废水的厌氧处理工艺，并被应用于畜禽养殖场的污水处理。其原理是先对养殖场污水进行固液分离，污水进入UASB反应器进行厌氧反应，产生沼气，出水需进一步好氧处理达标排放，是一种以环保治理为主，生产能源为辅的能源环保型沼气工程工艺。 USR工艺采用上流式污泥床原理，其特征是原料预处理，液泵进料，进料TS浓度3～5%，采用下进料上出料方式，没有机械搅拌；产气率在中温条件下，一般为0.7m3/m3左右。USR是一种简单而又低值的反应器，主要适用于原料浓度较低的南方猪场粪污处理；在北方寒冷地区运行经济效益不佳。 QIC厌氧反应是目前效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和流化反应器的优点于一身，利用反应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反应器。适用于各种养殖场粪污处理的“能源生态型”沼气工程，具有节能降耗、投资较低、操作简单、运行费用低。 3.2厌氧反应器池型选择 厌氧系统的设计规模完全取决于畜禽养殖场粪污的排放量。养殖场粪污的排放量可参照类似规模、相同清粪工艺、相同管理水平的养殖场来确定。工艺设计时可根据反应器的容积负荷进行池容确定，再根据反应器的工艺原理和实际运行经验确定反应器的最低高度和池型（圆形、矩形）。圆形结构的反应器受力情况较好，具有结构较稳定的优点，同时，在同样的截面积下，圆形反应器的周长比正方形少12%。所以，圆形池子的建造费用至少比具有相同截面积的矩形反应器低12%以上，因此采用单池或规模较小时往往采用圆形反应器。 而大池容的反应器经常建成矩形或方形的，如UASB反应器、厌氧滤池和折流式反应器等。从节省材料上考虑，当建立两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用共科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch新能源产业建壁。所以，当建造多个矩形反应器时有其优越性。对于采用公共壁的矩形反应器，池型的长宽比对造价也有较大的影响。因此如果不考虑地形和其他因素，这是一个在设计中需要优化的参数。 3.3厌氧反应器池体设计 厌氧反应器有效容积（包括沉淀区和反应区）均可采用进水有机负荷法进行确定，有机负荷（q，kgCOD/(m3•d)）定义式如下： q=QC0/V式中：V——反应器，有效容积m3 Q——平均废水流量，m3/d C0——进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L 对特定废水，反应器的容积负荷一般应通过实验确定，容积负荷值与反应器的温度、废水的性质和浓度有关。应该注意厌氧反应中采用的负荷概念是进水有机负荷，而好氧反应中采用的是去除负荷[3]。如果有同类型的废水处理资料，可以作为参考选用。 3.3.1反应器的容积 厌氧反应器一个重要的设计参数是有机负荷或水力停留时间。该参数还不能从理论上