黑龍江省生豬養(yǎng)殖廢水沼氣工程最適運(yùn)行溫度模擬分析

史風(fēng)梅，劉 娣，裴占江，王 粟，佟啟玉，盧玢宇，高亞冰，劉 杰

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所, 哈爾濱 150086；2.農(nóng)業(yè)部種養(yǎng)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086；3.黑龍江省秸稈能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086；4.黑龍江省農(nóng)墾總局能源辦公室，哈爾濱 150036)

近年來(lái)，隨著南方生豬規(guī)模養(yǎng)殖的快速發(fā)展、環(huán)境壓力的持續(xù)上升以及國(guó)家環(huán)保政策的不斷收緊，國(guó)家出臺(tái)了第一個(gè)生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃《全國(guó)生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃(2016～2020年)》，生豬養(yǎng)殖開始向北遷移。黑龍江省因具有優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境、冷涼的氣候條件和豐富的飼料資源而成為重要的生豬養(yǎng)殖省份，生豬養(yǎng)殖發(fā)展迅速[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，黑龍江省的生豬存欄量和出欄量分別為1353.2萬(wàn)頭和1964.4萬(wàn)頭[2]。然而，在生豬養(yǎng)殖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量由豬尿、部分豬糞和豬舍沖洗水等組成的養(yǎng)殖污水[3]。采用干清糞工藝和水沖工藝時(shí)，1頭豬平均每天的污水排放量分別約為15和30 kg[4]。生豬養(yǎng)殖廢水中的pH值，COD，BOD5，懸浮物SS和NH3-N分別在7.0～9.0，7000～11000 mg·L-1，6000～10000 mg·L-1，2000～4000 mg·L-1和800～1300 mg·L-1，處理難度較大，易引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題[5-7]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)比較常用的處理養(yǎng)殖廢水的技術(shù)之一[8-10]。溫度是影響厭氧發(fā)酵進(jìn)程和產(chǎn)氣效率的重要因素[11-12]。與接種率、原料添加量和攪拌速率相比，溫度對(duì)厭氧產(chǎn)氣效率及過(guò)程的影響最為顯著[13-14]。厭氧發(fā)酵溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響沼氣工程的產(chǎn)氣效率[15-16]。發(fā)酵溫度越高就意味著越多的能量投入，尤其是在高緯度地區(qū)，冬季漫長(zhǎng)，溫度低，發(fā)酵溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致投入產(chǎn)出失衡，影響沼氣企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)。產(chǎn)能與耗能的比值越大，沼氣工程運(yùn)行的能效就越高。而最大的產(chǎn)能與耗能的比值對(duì)應(yīng)的厭氧發(fā)酵溫度可視為最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度。不管沼氣工程建設(shè)的目的是為了環(huán)境保護(hù)還是為了盡可能獲取最多的能量，都需要適宜的運(yùn)行溫度，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，本文利用黑龍江省近5年的日平均氣溫以及歷史最低日平均氣溫，計(jì)算沼氣工程的產(chǎn)能和耗能情況，從而得到黑龍江省生豬養(yǎng)殖廢水沼氣工程的最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度，以及相應(yīng)的保溫層厚度，并在黑龍江省進(jìn)行了沼氣工程驗(yàn)證。該文可為已建的北方沼氣工程節(jié)能增效以及新建沼氣工程保溫層敷設(shè)提供計(jì)算方法和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與方法

豬糞水厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)：新鮮豬糞和接種活性污泥分別由黑龍江省哈爾濱市某養(yǎng)殖場(chǎng)和黑龍江省哈爾濱市良大實(shí)業(yè)有限公司提供，其化學(xué)性質(zhì)見表1。稱取適量豬糞和接種物置于5000 mL實(shí)驗(yàn)瓶中，用去離子水調(diào)節(jié)至3000 mL，分別在14℃，17℃，20℃，23℃，26℃，29℃，32℃和35℃的水浴槽內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵。待沼氣中甲烷含量約達(dá)到60%開始每天進(jìn)200 mL料，進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷3 gVS·L-1d-1，出上清液200 mL。利用Excel對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算和作圖。

表1 試驗(yàn)材料基本物化性質(zhì) (%)

1.2 最適經(jīng)濟(jì)溫度計(jì)算

利用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬的厭氧反應(yīng)器材質(zhì)為6 mm的不銹鋼板，具體尺寸如圖1和表2所示[17-18]。

圖1 厭氧反應(yīng)器圖

表2 厭氧反應(yīng)器尺寸[18]

沼氣工程的能量可以分為產(chǎn)生能量和消耗能量?jī)刹糠?，寒區(qū)沼氣工程需要的能量(Q)、主要有加熱物料所需的熱量(Q1)、厭氧反應(yīng)器散失熱量(Q2)、輸熱管道散失熱量補(bǔ)償(Q3)、沼氣排出和水蒸氣蒸發(fā)所帶走的熱量(Q4)[19-20]。沼氣工程的進(jìn)料管路一般都較短，而且有較好的保溫措施，故管路熱損失較罐體散失熱量、加熱物料所需熱量而言可以忽略不計(jì)。Q3和Q4一般在工程上可不考慮[19]。

沼氣工程需要的熱量：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q為沼氣工程需要的能量，kJ·a-1；Q1為加熱物料所需的熱量，kJ·a-1；Q2為厭氧反應(yīng)器散失的熱量，kJ·a-1。

1.2.1 產(chǎn)能計(jì)算

沼氣工程每年產(chǎn)生總能量按下式計(jì)算[19-20]：

(2)

式中：E為年產(chǎn)沼氣可提供的能量，kJ·a-1；TS為進(jìn)料中總固體含量，%;Win為日進(jìn)料量，t·d-1;q為原料產(chǎn)氣率，m3·kg-1TS;e為甲烷熱值，本文取20921 kJ·m-3。

1.2.2 耗能計(jì)算

在沼氣工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其耗能主要為反應(yīng)器主體熱量損失、管道熱量損失、進(jìn)出料的熱耗、氣體帶走能量以及攪拌等的能耗，其中沼氣帶走的能量及攪拌等的能耗可以忽略不計(jì)[18, 21]。

1.2.2.1 每天加熱物料所需的熱量

每天加熱物料所需的熱量見公式(3)：

(3)

式中：Q1為加熱物料所需的熱量，kJ·a-1；Win為日進(jìn)料量，t·d-1;C為料液的比熱容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2；T為發(fā)酵溫度，℃；Ts為環(huán)境溫度，℃，為黑龍江省近5年每日平均溫度，當(dāng)其小于0℃時(shí)，Ts取值為0[20]。

1.2.2.2 散熱

罐體的散熱按照公式[19]：

(4)

式中：Q2為厭氧反應(yīng)器散失的熱量，kJ·a-1；S為罐頂、罐壁和罐底的散熱面積，m2；T為發(fā)酵溫度，℃；Ts為環(huán)境溫度，Ts 溫度為近5年每日的平均溫度，℃；K為罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)，kJ·m-2h-1℃，按照公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：K為罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)，kJ·m-2h-1℃；α1為內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2h-1℃；α2為外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2h-1℃；σ為罐體各部分結(jié)構(gòu)層和保溫層厚度，m；λ為罐體各部分結(jié)構(gòu)層和保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-2h-1℃。

當(dāng)E/Q值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度。

1.3 保溫層厚度計(jì)算

然后將最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度和日平均最低溫度Tmin代入公式(4)得到最高散熱量Q2max，然后按照公式(6)[17]得到日最大溫降ΔTmax，也可據(jù)此確定ΔTmax時(shí)的Q2max以及公式(4)和(5)得到保溫層厚度，本文計(jì)算ΔTmax=0.5℃時(shí)的保溫層厚度。

(6)

式中：ΔTmax為無(wú)加熱時(shí)的最大溫降，K；Q2max為根據(jù)日平均最低溫度計(jì)算得到的厭氧反應(yīng)器的散熱，kJ·d-1；V為厭氧反應(yīng)器的有效容積，m3；c為料液的比熱容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2。

計(jì)算中所涉及到的傳熱系數(shù)見表3[17,19]。

表3 相關(guān)導(dǎo)熱系數(shù)[17,19]

2 結(jié)果

2.1 發(fā)酵溫度與產(chǎn)氣量之間的關(guān)系

厭氧發(fā)酵的過(guò)程是菌群生命活動(dòng)的過(guò)程，而菌群的生命活動(dòng)受溫度的影響，因此厭氧反應(yīng)受溫度影響。圖2為不同厭氧發(fā)酵溫度條件下得到的原料產(chǎn)氣率。由圖2可知厭氧發(fā)酵溫度升高，原料的產(chǎn)氣率是增加的。經(jīng)擬合得到原料產(chǎn)氣率V與厭氧發(fā)酵溫度T(14℃～35℃)的關(guān)系：

圖2 原料產(chǎn)氣率與溫度的關(guān)系

V=-0.1722T2+19.14T-184.32R2=0.9836

公式均經(jīng)過(guò)ANOVA檢驗(yàn)，其Prob>F為0.00035, 該公式可表示原料產(chǎn)氣率V與厭氧發(fā)酵溫度T之間的關(guān)系。

2.2 能量平衡計(jì)算

根據(jù)圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用公式(1)～(4)計(jì)算得出產(chǎn)能E、加熱所需要能量Q1和散熱Q2，擬合得到產(chǎn)能E、加熱所需要能量Q1和散熱Q2與發(fā)酵溫度T的關(guān)系分別符合公式：

E=616264T3-5×107T2+1×109T-1×1010(R2=0.995)

Q1=7×107T-5.0×108(R2=0.994)

Q2=8×107T-2×108(R2=0.994)

這3個(gè)公式均經(jīng)過(guò)ANOVA檢驗(yàn)，其Prob>F分別為0.00057，6.48×10-8和6.48×10-8。因此其可以表示產(chǎn)能E，加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與發(fā)酵溫度T之間的變化關(guān)系(見圖3)。

圖3 E，Q1和Q2與發(fā)酵溫度變化關(guān)系曲線

2.3 最適溫度的計(jì)算

E/Q～T的關(guān)系圖見圖4。由圖4可以看出，E/Q的變化可以分為3個(gè)階段：在13℃～20℃范圍內(nèi)，E/Q隨厭氧發(fā)酵T的增加呈線性增加的趨勢(shì)，在20℃達(dá)到了1.165，當(dāng)溫度從20℃升高到32℃，E/Q迅表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；從32℃～35℃，E/Q又表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，在35℃達(dá)到了1.105。因此，沼氣工程最適運(yùn)行溫度在14℃～23℃之間。在該溫度范圍，對(duì)E/Q～T進(jìn)行擬合，得到E/Q=-0.017T2+0.6958T-5.9629(R2=0.9999)。通過(guò)ANOVA檢驗(yàn)，其Prob>F為0.00858。因此其可以表示E/Q與發(fā)酵溫度T之間的變化關(guān)系。利用擬合公式計(jì)算得到在14℃～35℃范圍內(nèi)，適宜的厭氧發(fā)酵溫度為20.6℃，此時(shí)的E/Q值可高達(dá)1.17。

圖4 E/Q～T曲線

3 保溫層厚度計(jì)算

黑龍江省的歷史極端低溫出現(xiàn)在該省的漠河市，溫度達(dá)到了-52.3℃。本文以該溫度計(jì)算保溫層的厚度，得到日最大溫降為0.5℃時(shí)PVC板和PS板的厚度分別為558和57 mm(見圖5)，將其乘以修正系數(shù)1.5，分別為837和86 mm。將PS保溫板厚度為86 mm這一計(jì)算結(jié)果在200 m3池容的沼氣工程進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表4。因此，在北方地區(qū)，采用86 mm厚的PS保溫板，可保持沼氣工程運(yùn)行溫度波動(dòng)不超過(guò)0.5℃，池容產(chǎn)氣率高于0.5 m3·d-1L-1。

圖5 保溫層厚度與溫度波動(dòng)曲線

表4 發(fā)酵溫度20.6℃，PS保溫板86 mm厚時(shí)的沼氣工程驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

利用生豬養(yǎng)殖廢水半連續(xù)厭氧發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)黑龍江省近五年的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)及歷史最低日平均溫度，計(jì)算了黑龍江省沼氣工程的最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度和保溫層厚度，并在200 m3池容的沼氣工程進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如下：

(1)在14℃～35℃，有機(jī)負(fù)荷為3 gVS·L-1d-1，水力停留時(shí)間為15 d的條件下，黑龍江省沼氣工程的最適運(yùn)行溫度均為20.6℃，此時(shí)產(chǎn)能與耗能的比值為1.17。

(2)在歷史最低日平均溫度及最適運(yùn)行溫度條件下，沼氣工程日最大溫降為0.5 ℃時(shí)的保溫材料PVC板和PS板的厚度分別為558和57 mm。修正后的PVC板和PS板厚度分別為837和86 mm，可使沼氣工程的溫降小于0.5 ℃。

(3)工程驗(yàn)證結(jié)果表明在北方地區(qū)，采用該86 mm厚的PS保溫板可保持沼氣工程運(yùn)行溫度波動(dòng)不超過(guò)0.5℃，池容產(chǎn)氣率不低于0.5 m3·d-1L-1。