利用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣的技術(shù)裝備研究與效益分析

馬立新 劉衛(wèi)華 荊和平 陳 云 沈啟揚

利用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣是集約化畜禽養(yǎng)殖場糞便及污水處理與資源化利用的重要途徑。近幾年來，我國大中型沼氣工程數(shù)量每年以40%以上的速度快速增加，已建成并運行的大中型沼氣工程每年可處理數(shù)億立方米畜禽廢棄物與養(yǎng)殖場廢水。2007年，國家發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》以及農(nóng)業(yè)部編制出臺的《全國農(nóng)村沼氣工程建設(shè)規(guī)劃》提出：到2020年全國大中型沼氣工程達到8 000處，年利用沼氣總量達440億m3。然而，在沼氣工程得到快速發(fā)展的同時，對已建沼氣工程的研究較少，尤其缺乏沼氣工程實際運行狀況的研究。為進一步探索研究沼氣生產(chǎn)與利用技術(shù)裝備，評估沼氣工程帶來的經(jīng)濟效益和社會效益，現(xiàn)從以下幾個方面進行分析研究。

1 利用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣的技術(shù)特征與原理

1.1 沼氣的基本參數(shù)與特性

典型的沼氣組分、熱值及燃燒特性參數(shù)如下：

體積含量：CH4為61.28%，CO2為38.09%，H2S及其他組分為0.63%；高位熱值：23.90 MJ/m3；低位熱值：21.55 MJ/m3；華白指數(shù)：24.59 MJ/m3；燃燒勢(CP)：18.52；氣體密度：1.22 kg/m3。

1.2 沼氣發(fā)酵基本原理

厭氧發(fā)酵畜禽糞便生產(chǎn)沼氣就是利用受控制的厭氧細菌分解作用,將糞便中的有機物(碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪)轉(zhuǎn)化成簡單的有機酸，然后再將簡單的有機酸轉(zhuǎn)化為沼氣和二氧化碳。目前，人們普遍認為厭氧消化過程主要分為三個階段：第一階段為水解性細菌產(chǎn)生水解酶把非水溶性大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)等水解成可溶性的較小分子化合物的過程；第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段；第三階段為利用降解產(chǎn)物產(chǎn)生甲烷的過程。整個厭氧消化過程是一個產(chǎn)甲烷菌和非產(chǎn)甲烷菌相互作用、相互制約的動態(tài)平衡過程。用于厭氧消化的原料幾乎都是不溶性的有機大分子，只有通過水解酶把它們分解成較小的分子后才能被產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌利用，最終產(chǎn)生甲烷。

1.3 沼氣消化處理技術(shù)的影響因素

影響畜禽糞便生產(chǎn)沼氣的因素有：厭氧環(huán)境、有機物、碳氮比、溫度、pH值及攪拌、稀釋情況?？梢酝ㄟ^建造不透氣的沼氣池或沼氣罐來實現(xiàn)厭氧環(huán)境。沼氣罐中需要充足的有機物，以保證沼氣菌等各種微生物正常生長和大量繁殖。在糞便發(fā)酵過程中，揮發(fā)性酸、氨、氧、抗生素等過多，將影響厭氧性分解。為了避免氨過多，可將糞便稀釋。通常發(fā)酵池干物質(zhì)與水的比例以1:10為宜，過稀則耗水量增加，并增大發(fā)酵池容積。畜禽糞厭氧發(fā)酵后，約60%的碳素轉(zhuǎn)變?yōu)檎託狻?/p>

2 沼氣生產(chǎn)與利用機械化技術(shù)路線及整體設(shè)計

2.1 沼氣生產(chǎn)與利用機械化技術(shù)工藝

目前使用最多的利用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣的技術(shù)是升流式厭氧固體反應(yīng)器，其構(gòu)造特點是反應(yīng)器內(nèi)不設(shè)三相分離器和其他構(gòu)件。廢液由池底配水系統(tǒng)進入，均勻地分布在反應(yīng)器的底部，然后向上升流通過含有高濃度厭氧微生物的固體床，使廢液中的有機固體與厭氧微生物充分接觸反應(yīng)，有機固體被液化發(fā)酵和厭氧分解；而產(chǎn)生的沼氣隨水流上升具有攪拌混合作用，促進了固體與微生物的接觸。由于重力作用，固體床區(qū)有自然沉淀作用，比重較大的固體物（包括微生物、未降解的固體和無機固體等）被累積在固體床下部，使反應(yīng)器內(nèi)保持較高的固體量和生物量，可使反應(yīng)器有較長的微生物滯留時間。通過固體床的水流從池頂?shù)某鏊缌髦脸赝?，在出水溢流渠前設(shè)置擋渣板，可減少池內(nèi)SS（液體中固體顆粒懸浮物）的流失，在反應(yīng)器液面會形成一層浮渣層，在長期穩(wěn)定運行過程中，浮渣層的厚度達到一定厚度后趨于動態(tài)平衡。在不斷有固體被沼氣攜帶到浮渣層的同時，也有經(jīng)脫氣的固體返回到固體床區(qū)。沼氣要透過浮渣層進入到反應(yīng)器頂部的集氣室，對浮渣層產(chǎn)生一定的“破碎”作用。對于生產(chǎn)性反應(yīng)器，由于浮渣層表面積較大，浮渣層不會引起堵塞。集氣室中的沼氣經(jīng)導管引出池外進入沼氣貯柜，池內(nèi)設(shè)排泥管可將多余的污泥和下沉在底部的惰性物質(zhì)定期排除。

圖1 沼氣生產(chǎn)利用工藝流程

2.2 沼氣生產(chǎn)與利用工藝流程（見圖 1）

2.3 沼氣生產(chǎn)機械化技術(shù)

以溧陽市乾豐養(yǎng)殖有限公司的大型沼氣工程為例，該工程由厭氧發(fā)酵罐1 200 m3、貯氣罐500 m3、沼液池10 000 m3的“無害化”沼氣發(fā)電工程示范基地組成，并配備120 kV沼氣發(fā)電站機組。

2.3.1 厭氧發(fā)酵罐工藝設(shè)備與材料

厭氧發(fā)酵罐外觀由圓柱型鋼制材料制成，配有進料孔、回流孔、出料孔、排渣孔、沼氣孔、壓力保護安裝孔、取樣孔、測溫孔、視鏡、池體等裝置（如圖 2所示）。

圖2 厭氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡圖

2.3.2 厭氧罐頂部雙層貯氣膜結(jié)構(gòu)

該貯氣方式采用厭氧罐頂部拱形雙層貯氣膜結(jié)構(gòu)，由貯氣罩外膜、貯氣罩內(nèi)膜、支撐網(wǎng)架（橡皮帶+網(wǎng)繩）、貯氣袋等部分組成，形成貯氣和排放多余氣體等功能（如圖 3所示）。

圖3 雙層貯氣罐結(jié)構(gòu)簡圖

2.3.3 沼氣罐連接結(jié)構(gòu)示意圖（如圖 4）為固定沼氣貯氣罐，保持氣袋良好的密封結(jié)構(gòu)，將氣袋上方放置壓緊鋼條，內(nèi)置橡膠泡沫密封板進行保溫，罐體壁面外部由罐沿口角鋼包裹，最后安裝螺栓固定。

圖4 沼氣罐連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 養(yǎng)殖場效益分析

3.1 養(yǎng)殖場基本情況

溧陽市乾豐養(yǎng)殖有限公司為年出欄50 000頭育肥豬生產(chǎn)規(guī)模的養(yǎng)殖場，存欄數(shù)15 000頭，日產(chǎn)鮮糞7 t，糞水110 m3。該公司投資生產(chǎn)的沼氣工程，主要包括糞污的前處理系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、好氧處理系統(tǒng)、沼氣利用系統(tǒng)、沼渣生產(chǎn)固體有機肥料系統(tǒng)、沼液無害化處理及商品化液體肥料加工系統(tǒng)，可日處理污水120 t，年產(chǎn)沼氣25萬m3，年發(fā)電30萬度，年生產(chǎn)有機肥2 000 t。

3.2 經(jīng)濟效益分析

沼氣工程總投資為318.6萬元，折合單位池容比投資為1 880元/m3。設(shè)備壽命按15年計算，設(shè)備殘值約8萬元。

3.2.1 設(shè)備年運行費用

修理費用：按折舊費的40%計算。年維修費=（318.6－8）/15×40%＝8.28（萬元）。

人工費：工程運行需5人，人均年工資2萬元，年人工費＝2×5＝10（萬元）。

管理費：按工資的1/3計算，年管理費=10/3=3.3（萬元）。

原料（輔料）費：按每噸有機肥添加輔助材料費40元計算，年原材料費＝40×2 000＝8（萬元）。

年運行費總計：8.28+10+3.3+8=29.58（萬元）。

3.2.2 設(shè)備年收益年收益=沼氣收益+有機肥收益+避免排污罰款支出+畜禽發(fā)病率減少節(jié)省的支出。

沼氣發(fā)電收益：養(yǎng)殖場年發(fā)電量30萬度電，每度電價格為1.38元，沼氣年收益=30×1.38＝41.4（萬元）。

有機固體肥料：年產(chǎn)固體有機肥2 000 t，每噸售價520元，固體有機肥年收益=2 000×520＝104（萬元）。

年減少排污罰款：按照水污染特殊行業(yè)收費標準2元/t計，年減少排污罰款＝120×365×2＝8.76（萬元）。

畜禽發(fā)病率減少避免的損失：根據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，一個萬頭養(yǎng)豬場，沼氣工程建成后畜禽發(fā)病率減少的損失為0.55萬元。

年總收益＝41.4+104+8.76+0.55=154.71（萬元）。

3.2.3 設(shè)備年凈收益年凈收益＝年總收益－年運行費用＝154.71－29.58＝125.13（萬元）。投資回收期＝投資總額/ 年凈收益=318.6/125.13＝2.5（年）。

3.3 社會效益和生態(tài)效益

養(yǎng)殖場在使用了沼氣工程后，減少了對周邊大氣、地表水、土壤的污染，既避免了環(huán)保部門的罰款，又消除了養(yǎng)殖場與村民因污染物排放引起的糾紛。沼氣工程建成運行，豬場周邊的臭味減少，空氣清新；生產(chǎn)的沼氣用于發(fā)電，可解決養(yǎng)殖場辦公和生產(chǎn)環(huán)節(jié)用電；農(nóng)田、果樹使用有機肥，可減少因使用化肥帶來的土壤污染，改善土壤養(yǎng)分平衡和土壤理化性狀，同時也提升了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量；沼液農(nóng)田利用，經(jīng)生化工藝處理后再經(jīng)生化塘進一步處理達標排放，使渾濁的溪水重新變清澈，環(huán)境生態(tài)效益顯著。