大型畜禽糞污厭氧發(fā)酵+沼氣發(fā)電工藝設(shè)計

張哲，張麗，周益輝，李洗明，高博

（1.湖南平安環(huán)保股份有限公司，長沙 410100；2.長沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)項目開發(fā)建設(shè)管理有限公司，長沙 410100；3.長沙環(huán)保（服務(wù)）工業(yè)技術(shù)研究院,長沙 410100；4.航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長沙 410100）

近年來，我國的農(nóng)業(yè)污染尤其是畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的畜禽廢棄物問題日漸嚴(yán)峻，水體富營養(yǎng)化的主要原因與畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化過程中產(chǎn)生的畜禽污染也有密切關(guān)系。隨著我國畜牧業(yè)行業(yè)的不斷持續(xù)穩(wěn)定增長，大量畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢棄物被隨意排放，并且沒有得到任何利用。因此，大量的畜禽養(yǎng)殖廢棄物尤其是畜禽廢棄物已經(jīng)是農(nóng)村環(huán)境主要的污染物之一。因此，實現(xiàn)畜禽廢棄物資源化應(yīng)用、保證畜產(chǎn)品安全供應(yīng)、改善農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境，是一項民生工程。加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用途徑，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。

1 畜禽糞污資源化利用的必要性

畜禽糞污是一種具有高附加值的可利用資源，通過高效的厭氧發(fā)酵方式產(chǎn)生高濃度沼氣，沼氣經(jīng)提純后是一種清潔能源。但在沼氣制作的過程中，不可避免會產(chǎn)生沼渣、沼液，而這兩種物質(zhì)含有大量的氮、磷、鉀和腐殖酸等農(nóng)林作物需要的營養(yǎng)成分，可用于制作有機(jī)肥及農(nóng)田使用，其主要作用是使土壤的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化改良，增進(jìn)增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，使農(nóng)作物的產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，同時，在發(fā)展有機(jī)綠色農(nóng)業(yè)的途徑上找到合理的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。

畜禽在養(yǎng)殖中會產(chǎn)生大量糞便，即有機(jī)廢棄物，這些有機(jī)廢棄物含有生物質(zhì)能，是有機(jī)肥的資源，如果不經(jīng)處理就直接排放，會對土壤、水體等產(chǎn)生嚴(yán)重污染，也會對人們的生產(chǎn)生活造成不利影響。如對畜禽糞便處理不及時，會引起糞水橫流，病菌傳播，也會對生產(chǎn)生活環(huán)境造成不利影響。

養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的畜禽糞便及廢棄物等，在消化厭氧發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量沼氣。如能將此沼氣用于農(nóng)戶的生產(chǎn)生活，可提供大量的免費(fèi)能源，起到緩解農(nóng)村能源缺乏的現(xiàn)實情況[3]。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，沼氣利用項目可以實現(xiàn)能量循環(huán)，提高畜禽的產(chǎn)量。隨著石化等不可再生能源的持續(xù)大量消耗，環(huán)境影響壓力也在不斷增加，因此如何利用可再生資源具有重大意義，畜禽糞便資源化利用能夠為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)起到重要的作用。

畜禽廢水經(jīng)過厭氧處理后，可對其中大量的好氧菌群起到殺滅作用，對于大腸桿菌也有很強(qiáng)的殺滅效果，經(jīng)過厭氧處理后的廢水能夠?qū)崿F(xiàn)無害化排放。同時，氮、磷等元素基本上都以簡單易吸收的結(jié)構(gòu)形式狀態(tài)保存下來。廢水中也含有豐富的腐殖質(zhì)，該部分廢水如果應(yīng)用于土壤改良，會使改良后的土壤富含有機(jī)肥，有利于農(nóng)作物的吸收，可作為一種速效肥且效果很好。厭氧反應(yīng)后的出水還可作為生物有機(jī)肥并在農(nóng)田使用，施用經(jīng)厭氧發(fā)酵后形成的沼液，可降低農(nóng)作物的病蟲害發(fā)作率，從而節(jié)省種植成本，減輕農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，對環(huán)境的改善也能起到積極作用[4]。

大型厭氧發(fā)酵+沼氣利用工程，不僅可改善和保護(hù)居民的生產(chǎn)生活環(huán)境，還可有效利用畜禽糞便，這種可再生能源的高效利用還可以帶動地方經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展。沼氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的沼液、沼渣，可作為農(nóng)業(yè)高效有機(jī)肥料，促進(jìn)無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

綜上所述，開展畜禽糞污資源化利用項目，可改善區(qū)域居民的生活環(huán)境，并給項目地及周邊百姓帶來福利，因此建設(shè)該類項目十分必要。

2 厭氧發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀

厭氧發(fā)酵技術(shù)在國外起步較早，德國、丹麥、荷蘭等發(fā)達(dá)國家開發(fā)設(shè)計的沼氣工程裝備都已實現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化的三化過程，并且產(chǎn)品質(zhì)量也已得到了大幅提升。工程裝備的組裝也早已達(dá)到規(guī)范化、模塊化的程度。其中大型厭氧消化裝置設(shè)計為圓柱型、立式罐形式，在結(jié)構(gòu)上則多為鋼結(jié)構(gòu)形式，大多數(shù)為拼裝罐體；對于較小型的厭氧消化裝置一般容積較小，且多為圓柱型的立式、鋼結(jié)構(gòu)的罐狀體。對于立式罐式的二級厭氧消化裝置，在頂部一般都裝設(shè)雙膜儲氣罩或儲氣囊，組成發(fā)酵、儲氣一體化裝置。這樣的裝置既節(jié)省了儲氣裝置和占地面積，又解決了在寒冷地區(qū)冬季儲氣裝置水封防凍的問題[5]。

3 厭氧發(fā)酵技術(shù)的比較

對于大型沼氣綜合利用工程建設(shè)，選擇厭氧發(fā)酵技術(shù)是關(guān)鍵。處理技術(shù)工藝的合理性則直接關(guān)系到工程運(yùn)行的穩(wěn)定性及處理效果、工程投資額、工程運(yùn)營成本和整個項目的管理操作水平等。

3.1 完全混合式反應(yīng)器（CSTR）

完全混合式反應(yīng)器（CSTR）是在常規(guī)消化器內(nèi)安裝了攪拌裝置，使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)的反應(yīng)器。污泥或污水連續(xù)或定期分批流入?yún)捬跸刂?，通過與池內(nèi)原有的厭氧活性污泥（厭氧微生物）充分接觸混合后，污泥或污水在厭氧段被厭氧微生物吸收、吸附，最終被厭氧微生物降解，使其轉(zhuǎn)化為沼氣。攪拌裝置一般每隔2～4h攪拌1次，且常采用中溫發(fā)酵。

完全混合式反應(yīng)器優(yōu)點：1）可進(jìn)入高SS含量原料；2）底物均勻分布；3）反應(yīng)器內(nèi)溫度分布均勻；4）分散迅速；5）不易堵塞、溝流，避免氣體逸出不暢。缺點：1）消化器體積大；2）能耗高；3）難混合；4）微生物易隨出料流出。

3.2 厭氧接觸（ACR）反應(yīng)器

厭氧接觸（ACR）反應(yīng)器與CSTR厭氧反應(yīng)器類似，同屬于完全混合式厭氧發(fā)酵技術(shù)一類，但其是在CSTR厭氧反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化后所發(fā)展衍生出來的新一代具有更好厭氧發(fā)酵效率的反應(yīng)器。該厭氧反應(yīng)器將內(nèi)部的物料厭氧發(fā)酵后，會排出大量混合液物，其中分為固體和液體，該混合物要先進(jìn)入沉淀池進(jìn)行沉淀，在該池內(nèi)進(jìn)行固液分離使固體沉淀在底部，污水則通過沉淀池上部的排污口排出，沉淀池下部沉淀下來的污泥則發(fā)生回流，再次進(jìn)入?yún)捬跸貎?nèi)。這樣的厭氧發(fā)酵循環(huán)工藝既能有效確保活性污泥不發(fā)生大量流失，又能夠起到提高污泥濃度的作用，從而使厭氧消化池中的活性污泥含量大量提高，并直接提高了有機(jī)物處理效率[6]。

3.3 升流式厭氧床（UASB）反應(yīng)器

升流式厭氧床（UASB）反應(yīng)器適用于低SS含量廢水的處理，同時可保證較高的污泥濃度。其工作原理是，需處理的污水通過布水器進(jìn)入UASB底部，水流由下向上流動，在向上流過的過程中流經(jīng)絮狀或顆粒狀污泥床，該污泥床為厭氧狀態(tài)。污水與污泥相接觸的過程中，厭氧菌與污水中的有機(jī)物發(fā)生一系列厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生大量沼氣，因沼氣產(chǎn)生會引起污泥床體整體擾動。一部分沼氣會附著在污泥顆粒上，大部分的自由氣泡會上升至反應(yīng)器的頂部。污泥顆粒在不斷上升的過程中會逐漸撞擊到三相分離器，三相分離器的下部擋板會起到阻礙作用，使自由氣泡和被附著的氣泡得到釋放；被脫去沼氣的活性污泥將流至污泥層表面。自由狀態(tài)下釋放的沼氣，被收集至錐頂部的集氣室。液體中含有的剩余活性污泥進(jìn)入到三相分離器的沉淀區(qū)內(nèi)，其他固體物包括生物顆粒在內(nèi)，則從液體中被分離出來，再通過三相分離器的錐板間隙回到污泥層。

升流式厭氧床反應(yīng)器優(yōu)點：1）沒有攪拌裝置；2）負(fù)荷率高；3）工藝穩(wěn)定；4）出水SS含量低。缺點：1）必須有三相分離器；2）對布水器性能要求高；3）進(jìn)水水質(zhì)對SS含量要求較嚴(yán)；4）運(yùn)行技術(shù)要求高。

3.4 塞流式（HCPF）消化器

塞流式（HCPF）消化器是一種長方形厭氧消化裝置，也是一種非完全混合式厭氧消化器，原料從該裝置的一端進(jìn)入，從另一端流出，整個過程呈活塞式推移狀態(tài)。由于在該厭氧消化器內(nèi)產(chǎn)生的沼氣的作用，使整個攪拌作用呈現(xiàn)垂直攪拌狀態(tài)。水解酸化作用的較強(qiáng)階段主要表現(xiàn)在整個設(shè)備的進(jìn)料端，在出料方向上，甲烷的產(chǎn)生量也越來越增大。該厭氧發(fā)酵設(shè)備一樣需要進(jìn)行固體回流。為有效避免微生物流失，一般會在消化器內(nèi)設(shè)置擋板，以確保整個厭氧發(fā)酵過程運(yùn)行穩(wěn)定。

塞流式消化器優(yōu)點：1）無需攪拌裝置；2）適用于高SS的廢水處理。缺點：1）反應(yīng)器體積容易受到影響；2）溫度難以保持一致，效率較低；3）易發(fā)生浮渣結(jié)殼；4）最大單體容積小。

3.5 升流式（USR）固體反應(yīng)器

升流式固體反應(yīng)器是一種造價低且結(jié)構(gòu)簡單的厭氧反應(yīng)器，能自動形成比HRT較高的SRT和MRT，未反應(yīng)的生物固體和微生物靠自然沉淀滯留在反應(yīng)器內(nèi)，可進(jìn)入高SS原料，如畜禽糞水和酒清生產(chǎn)廢液等[7]。

4 大型畜禽糞污厭氧發(fā)酵發(fā)電工程工藝設(shè)計

根據(jù)我國的實際情況，針對市場上較主流的技術(shù)，經(jīng)大量研究對比，提出解決大型沼氣發(fā)酵+發(fā)電的工藝流程：即“預(yù)處理+生物菌中溫發(fā)酵+ACR+CSTR一體化+高效沼氣發(fā)電組+優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥生產(chǎn)線”為核心的處理工藝，該套工藝適合處理秸稈、畜禽糞便混合物料；配有高效生物菌，使產(chǎn)沼過程具有產(chǎn)氣調(diào)試期短、運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)氣率高等優(yōu)點；配有沼氣發(fā)電機(jī)組，增加經(jīng)濟(jì)收入；配有優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥生產(chǎn)線，提高有機(jī)肥質(zhì)量。工藝流程如下圖。

秸稈經(jīng)破碎機(jī)破碎后，通過鏟車輸送至預(yù)處理池中，預(yù)混池中裝有潛水?dāng)嚢铏C(jī)，可將破碎的秸稈和水充分混勻（TS為8%），混勻后的物料采用螺桿進(jìn)料泵泵送至生物預(yù)處理發(fā)酵罐，生物預(yù)處理后的秸稈溢流至出料池后用螺桿泵泵送至進(jìn)料池。

厭氧發(fā)酵+沼氣發(fā)電工藝流程圖

發(fā)酵原料畜禽糞、尿和沖洗水等統(tǒng)一收集，收集的畜禽糞便通過輸送機(jī)進(jìn)入到混料池中，加入一定量的沼液或污水稀釋，充分混勻（TS為8%），然后由輸送機(jī)送至進(jìn)料池內(nèi)進(jìn)行儲備。使用養(yǎng)殖場產(chǎn)生的畜禽廢水或上一步生產(chǎn)中產(chǎn)生的回流沼肥再一次稀釋泡糞至TS為7%，被最終稀釋后的合流糞污通過污水泵經(jīng)過格柵進(jìn)入勻漿水解池，合流糞污在水解池內(nèi)發(fā)生水解反應(yīng)和沉淀。養(yǎng)殖場生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的廢水被引入水解池中，將其中的混合物稀釋至設(shè)計所需的固含量，通過攪拌裝置對該混合料進(jìn)行攪拌，再用提升設(shè)備將混合物料提升至厭氧反應(yīng)裝置中，進(jìn)行厭氧沼氣發(fā)酵，在這一厭氧反應(yīng)過程中使混合物發(fā)生消解，從而使大部分污染物得到消解處理。

畜禽糞污經(jīng)厭氧反應(yīng)器發(fā)酵處理后會產(chǎn)生大量沼氣（一般為500m3/t左右），所產(chǎn)生的沼氣先進(jìn)入水封器，以防沼氣發(fā)生泄漏。沼氣進(jìn)入氣水分離裝置后再進(jìn)入脫硫塔等裝置進(jìn)行凈化處理，然后通過氣體流量計計量后，將產(chǎn)生的沼氣儲存到雙膜式儲氣柜或一體化儲柜，最后進(jìn)入沼氣發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生的電量上網(wǎng)。

發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的余熱，可供給勻漿水解池和厭氧反應(yīng)器使用，因此不需要任何外加燃料。剩余的熱量，可供給周邊的養(yǎng)殖場或園區(qū)內(nèi)供暖使用。

CSTR反應(yīng)器反應(yīng)后流出的發(fā)酵后料液首先通過出料管流至水封池，再通過重力管道流進(jìn)設(shè)置好的出料池；排出來的沼肥在出料池中被泵送至固液分離裝置，進(jìn)行固液分離操作，最終完成沼液和沼渣的分離。分離出來的沼渣可通過沼渣生產(chǎn)線制作成有機(jī)肥，出售或自用，沼液則經(jīng)過處理后，可用于農(nóng)田灌溉，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。厭氧發(fā)酵后的發(fā)酵混合液經(jīng)過固液分離裝置進(jìn)行固液分離，沼渣可用于生產(chǎn)固態(tài)有機(jī)肥，沼液可用于果園、農(nóng)田、無公害蔬菜基地等。在不需要使用肥料的季節(jié)，沼液可通過氧化塘儲存或通過氧化塘凈化處理達(dá)到畜禽廢水排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。

5 結(jié)論

該套工藝適合大型沼氣發(fā)酵+發(fā)電工程，非常適合我國農(nóng)業(yè)的基本國情。不僅利用了沼氣發(fā)電，還可以實現(xiàn)農(nóng)忙時厭氧發(fā)酵后的廢渣罐裝、廢液瓶裝銷售。當(dāng)農(nóng)田不需要沼液、沼渣時，可通過低成本的氧化塘凈化后達(dá)標(biāo)排放，實現(xiàn)畜禽糞污等廢棄物的資源化利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國李日強(qiáng)．不同菌株固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈生產(chǎn)飼料蛋白的比較研究田[J]．生態(tài)學(xué)報，2001，9（21）：1512-15-8．

[2] 岑承志，陳礪，嚴(yán)宗誠，等．沼氣發(fā)酵技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀田[J]．廣東化工，2009，36（6）：78-79．

[3] 劉偉偉，曹成茂，楊智良，等．德國下薩克森州沼氣工程考察報告田[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011．

[4] 何榮玉，宋玲玲，孟凡茂．德國典型沼氣發(fā)電技術(shù)及其借鑒田[J]．可再生能源，2010，28（1）：150-152．

[5] 華永新，朱劍平．大中型畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程模式及投資效益分析[J]．能源工程，2004（2） ：11-15．

[6] 王志剛．中小型養(yǎng)殖場沼氣工程技術(shù)的應(yīng)用田[J]．中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報，2008，18（2） ：92-93．

[7] 李子富，余敏娜，范曉琳，等．德國沼氣工程現(xiàn)狀分析口[J]．可再生能源，2010，28（4）：141-144．