濃稀分流-重點(diǎn)增溫模式在豬糞沼氣工程中的應(yīng)用

譚婧 宋波

摘要 以河北裕豐京安養(yǎng)殖有限公司2 MW沼氣發(fā)電項(xiàng)目為例，介紹了濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵工藝在低濃度豬糞污沼氣工程中的應(yīng)用，并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)3個(gè)月的監(jiān)測和分析。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵工藝，豬糞原料（TS濃度1.8%）的產(chǎn)氣率可達(dá)10.8 m.3/t;與傳統(tǒng)發(fā)酵模式相比，容積產(chǎn)氣率提升了50%，同時(shí)節(jié)省了41%的增溫能耗。項(xiàng)目運(yùn)行情況表明，濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵工藝可以有效改善低濃度豬糞污水厭氧發(fā)酵項(xiàng)目的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞 濃稀分流;重點(diǎn)增溫;豬糞;沼氣工程

中圖分類號(hào) S216.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）05-0211-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.059

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract Taking Hebei Yufeng Jingan 2 MW power generation biogas project as an example， this paper introduced the application of gravitational settlingselective heating （GSSH） anaerobic digestion （AD） process in biogas engineering. The operating parameters were detected and analyzed， including COD concentration， total solid （TS） content， biogas production rate， etc. The analysis showed that the biogas production rate of the swine slurry （TS concentration 1.8%） could reach 10.8 m.3/t. Compared with the traditional digestion process， the GSSH mode herein could increase 50% of the digester volume biogas yield， and save 41% heat demanding of anaerobic digestion. It was demonstrated that the GSSH AD process could effectively improve the operation efficiency and economic benefit of large scale swine slurry treatment biogas projects.

Key words Gravitational settling;Selective heating;Swine manure;Biogas project

目前，我國規(guī)模化養(yǎng)豬場主要清糞工藝有干清糞、水沖糞和水泡糞3種[1-2]。其中，水沖糞是每天數(shù)次用水沖洗糞溝，糞水順著糞溝流入儲(chǔ)糞池;水泡糞則是在糞溝內(nèi)注入一定量的水，糞尿污水進(jìn)入糞溝并在其中儲(chǔ)存一定時(shí)間（1—2月）[3]。我國南方地區(qū)大多采用水沖糞清糞方式，北方地區(qū)多采用水泡糞方式，這2種清糞方式用水量大，糞尿與污水混在一起，糞便中的大部分可溶性有機(jī)物進(jìn)入水體，使得廢水COD濃度偏高，增加了后續(xù)污水處理難度，導(dǎo)致污水處理工程投資大、處理成本高（表1）。

目前國內(nèi)規(guī)?；B(yǎng)豬場污水處理大多采用厭氧發(fā)酵的方式[4]，但由于水泡糞和水沖糞水量多、TS濃度低，厭氧發(fā)酵存在增溫能耗大、容積產(chǎn)氣率低、工程投資大、冬季運(yùn)行困難等問題，沼氣工程無法實(shí)現(xiàn)常年穩(wěn)定運(yùn)行，厭氧出水也很難達(dá)標(biāo)排放，從而給養(yǎng)殖企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保壓力[5]。筆者以河北裕豐京安養(yǎng)殖有限公司2 MW沼氣發(fā)電項(xiàng)目為案例，介紹了濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵工藝在處理養(yǎng)豬場水泡糞和水沖糞沼氣工程中的應(yīng)用，并對(duì)項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，以期對(duì)同類養(yǎng)豬場沼氣工程提供借鑒和參考。

1 項(xiàng)目簡介

河北裕豐京安養(yǎng)殖有限公司年出欄20萬頭豬，存欄量約9.5萬頭，采用水泡糞及水沖糞清糞工藝，日產(chǎn)豬糞污約2 500 m.3/d，TS 1.8%，COD約21 328 mg/L。公司于2013年投資建成2 MW沼氣發(fā)電項(xiàng)目（圖1），采用杭州能源環(huán)境工程有限公司的基于濃稀分流-重點(diǎn)增溫的高效厭氧發(fā)酵技術(shù)處理養(yǎng)殖所產(chǎn)糞污，項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后每年處理約90萬t豬糞污。

2 濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵模式工藝

項(xiàng)目采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵模式，即在厭氧發(fā)酵前對(duì)糞污先進(jìn)行濃稀分離，濃液和稀液分別發(fā)酵，發(fā)電機(jī)余熱重點(diǎn)用于濃液發(fā)酵罐增溫，剩余的熱量用于稀液發(fā)酵罐增溫。具體工藝流程圖如圖2所示。

豬場污水首先經(jīng)過機(jī)械格柵去除雜質(zhì)，然后進(jìn)入初沉池物理沉淀1 h。初沉池下層濃液進(jìn)入2座單體有效容積5 000 m.3的中溫厭氧罐進(jìn)行中溫發(fā)酵，厭氧停留時(shí)間16 d;中溫發(fā)酵后的沼續(xù)進(jìn)入2座單體有效容積5 000 m.3的常溫發(fā)酵罐與初沉池的上層稀液一起發(fā)酵，從而使得中溫發(fā)酵沼液所帶熱量得到進(jìn)一步利用，常溫厭氧罐內(nèi)停留時(shí)間為4 d。常溫厭氧發(fā)酵出料進(jìn)入二沉池，沉淀污泥回流至中溫發(fā)酵罐前的進(jìn)料池以保證中溫厭氧罐內(nèi)的污泥濃度，二沉池的上清液進(jìn)入沼肥生產(chǎn)線用于制造有機(jī)肥。厭氧罐發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫凈化后進(jìn)入沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，所產(chǎn)電能并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的余熱優(yōu)先用于濃液中溫發(fā)酵增溫，剩余熱量用于常溫罐增溫。

3 項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

3.1 測定項(xiàng)目及方法

3.1.1 COD。進(jìn)料COD每天在調(diào)節(jié)池采集2次水樣，出料COD每天在常溫罐沼液出口處采集2次水樣，采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定。

3.1.2 TS。進(jìn)料TS每天在調(diào)節(jié)池、中間水池、進(jìn)料池采集2次水樣，出料TS每天在常溫罐沼液出口處采集2次水樣。水樣在105 ℃條件下烘干至恒重，根據(jù)烘干前后的質(zhì)量計(jì)算TS濃度。

3.1.3 原料產(chǎn)氣率。采用在線安裝的恩德斯·豪斯流量儀表技術(shù)（中國）有限公司（簡稱E+H）生產(chǎn)的B200型沼氣流量計(jì)監(jiān)測沼氣產(chǎn)量。

3.2 濃稀分流數(shù)據(jù)監(jiān)測

糞污在進(jìn)入?yún)捬踔跋仍诔醭脸剡M(jìn)行初步沉淀，設(shè)計(jì)沉淀時(shí)間2～3 h。由于養(yǎng)殖場清糞用水量變化較大，監(jiān)測期內(nèi)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大。調(diào)節(jié)池、中間水池及進(jìn)料池的TS濃度分別如圖3所示。沉淀池的上層清液進(jìn)入中間水池，平均TS濃度為1.24%，沉淀池下層濃液進(jìn)入進(jìn)料池，平均TS濃度為3.52%。楊迪[6]研究表明，隨著濃液所占比例的增加，污染物在濃液中的比例可能增加，在稀液中的比例相應(yīng)減少。

3.3 厭氧階段TS和COD的去除效果

由于未對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的TS濃度及COD濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，僅以厭氧進(jìn)出料的TS濃度及COD濃度分析厭氧階段的降解效率，如圖4、5所示。

由于養(yǎng)殖場清糞用水量變化較大，監(jiān)測期內(nèi)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大。厭氧進(jìn)料平均TS濃度為1.8%，出料TS濃度為0.8%，TS總體降解率約54%（圖4）。

同時(shí)，厭氧發(fā)酵進(jìn)料平均COD濃度為21.328 g/L，出料COD濃度6.345 g/L，平均COD去除率約70%（圖5），這與丁福貴等[7]報(bào)道實(shí)驗(yàn)室測得的豬糞污連續(xù)厭氧發(fā)酵COD去除效率基本一致。

3.4 原料產(chǎn)氣情況

由于進(jìn)料水質(zhì)的波動(dòng)，原料產(chǎn)氣率存在一定程度的波動(dòng)，平均每噸豬糞污（TS濃度1.8%）的產(chǎn)氣量約10.8 m.3（圖6），遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)厭氧工藝4.84 m.3/t[8]。根據(jù)報(bào)道，原料單位COD的理論產(chǎn)氣率為0.35 m.3（CH4）/kg COD[9]。該項(xiàng)目所產(chǎn)沼氣中甲烷平均濃度約60%，即每降解1 kg COD理論上可產(chǎn)生0.58 m.3沼氣。由圖5可以看出，每噸原料厭氧過程中降解的COD量約為15.0 kg，即理論COD產(chǎn)氣量約為8.7 m.3/t，而實(shí)際原料產(chǎn)氣率（10.8 m.3/t）高于理論值，可能來自未溶解的VS的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)。

4 濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵模式的優(yōu)勢(shì)

4.1 濃稀分流，節(jié)省厭氧罐容積，提高容積產(chǎn)氣率

該項(xiàng)目采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵模式，設(shè)計(jì)處理豬糞污量2 500 t/d，TS濃度1.8%，厭氧總有效罐容20 000 m.3，通過濃稀分流，濃液中溫發(fā)酵停留時(shí)間16 d，中溫發(fā)酵出料繼續(xù)在常溫罐內(nèi)停留4 d，即濃液的實(shí)際總停留時(shí)間為20 d，確保濃液充分發(fā)酵，提高產(chǎn)氣效率。稀液停留時(shí)間4 d。厭氧系統(tǒng)平均容積產(chǎn)氣率可達(dá)1.35 m.3/（m.3·d）。

由杭州能源環(huán)境工程有限公司設(shè)計(jì)建設(shè)的同類項(xiàng)目中糧集團(tuán)江蘇金東臺(tái)大型豬糞沼氣工程，采用傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵工藝，設(shè)計(jì)進(jìn)料為1 284 t/d豬糞污，TS濃度為5.5%，厭氧罐有效容積20 000 m.3，停留時(shí)間16 d[10]。實(shí)際運(yùn)行過程中，由于養(yǎng)豬場用水量不穩(wěn)定，水量及水質(zhì)隨季節(jié)變化較大，年均日產(chǎn)氣量約17 000 m.3，容積產(chǎn)氣率僅0.85 m.3/（m.3·d）。

綜上所述，與傳統(tǒng)厭氧模式相比，通過濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧發(fā)酵模式可顯著提升容積產(chǎn)氣率，減少厭氧罐容積，從而使得項(xiàng)目運(yùn)行成本降低，運(yùn)行效率得到提高。

4.2 重點(diǎn)增溫，保證濃液發(fā)酵溫度，降低增溫能耗

該項(xiàng)目冬季物料原始平均溫度按1 ℃計(jì)算，年均物料原始溫度按12 ℃計(jì)算，增溫?fù)Q熱效率按70%估算，物料比熱容按水的比熱容4.2 kJ/（kg·℃）估算，厭氧罐體年均散熱系數(shù)按0.16 ℃/（m.3·d）估算。增溫?zé)嵩磥碜园l(fā)電機(jī)余熱及當(dāng)?shù)氐責(zé)帷?/p>

4.2.1 傳統(tǒng)厭氧方式增溫所需能耗。

若采用傳統(tǒng)的厭氧方式，即全部物料2 500 t/d增溫至35 ℃進(jìn)行中溫發(fā)酵，需利用發(fā)電機(jī)余熱及地?zé)釋?duì)中溫發(fā)酵罐進(jìn)行增溫，增溫需要熱量3.45×10.8 kJ/d，保溫需要熱量3.9×10.7 kJ/d，增溫保溫所需能耗合計(jì)3.84×10.8 kJ/d。

4.2.2 濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧方式增溫所需能耗。

采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧模式，將625 t/d的濃液增溫至35 ℃進(jìn)行中溫發(fā)酵，剩余糞污維持25 ℃常溫發(fā)酵。中溫發(fā)酵物料增溫需要熱量8.6×10.7 kJ/d，保溫需要熱量9.8×10.6 kJ/d，增溫保溫所需能耗共計(jì)9.6×10.7 kJ/d，僅發(fā)電機(jī)余熱即可滿足于要求。中溫發(fā)酵出料（35 ℃）進(jìn)入常溫罐繼續(xù)發(fā)酵，可同時(shí)與稀液進(jìn)行熱量傳遞，實(shí)現(xiàn)熱量梯級(jí)利用，濃稀液混合后物料年均溫度17.6 ℃，冬季僅9.3 ℃。為了進(jìn)行常溫發(fā)酵，除了夏季外，需利用發(fā)電機(jī)余熱和當(dāng)?shù)氐責(zé)釤嵩磳?duì)常溫發(fā)酵罐進(jìn)行增溫，增溫至常溫25 ℃發(fā)酵所需熱量為1.10×10.8 kJ/d，保溫需要熱量9.8×10.6 kJ/d，增溫保溫所需能耗共計(jì)1.20×10.8 kJ/d。采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧模式，增溫保溫所需能耗合計(jì)2.16×10.8 kJ/d。

由表2可知，相較于傳統(tǒng)厭氧模式，采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧模式可以節(jié)省約40%以上的能耗，能有效改善整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）采用濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧模式處理TS濃度為1.8%左右的豬糞污水，可節(jié)省罐容，原料平均產(chǎn)氣率達(dá)10.8 m.3/t，COD去除率達(dá)70%以上，TS降解率達(dá)54%，容積產(chǎn)氣率可達(dá)1.35 m.3/（m.3·d）。

（2）相較于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵工藝，濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧模式的CSTR工藝在提升容積產(chǎn)氣率的同時(shí)，還可節(jié)省約41%的增溫保溫能耗;

（3）濃稀分流-重點(diǎn)增溫厭氧模式的CSTR工藝適用于處理水泡糞或水沖糞清糞工藝所產(chǎn)低濃度豬糞污水，可以在降低工程投資的同時(shí)，有效地改善整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

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