沼氣發(fā)電耦合沼液熱水解工程的物料平衡分析

孫科 廖達(dá)琛 常星嵐 張?jiān)p 樓志杰 孫海鵬

（浙江天地環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?浙江杭州 311121）

0 引言

沼氣發(fā)電技術(shù)是畜禽糞污、餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物的有效利用方式，該技術(shù)以CSTR［1］、HCPF［2］等厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心，利用沼氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)將厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。但是，沼氣發(fā)電工程會(huì)產(chǎn)生大量的沼液。沼液成分復(fù)雜，有機(jī)物、氨氮等含量高，不妥善處置極易對(duì)水體、土壤等造成污染危害［3］。沼液的無害化和資源化的利用水平，已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)規(guī)?；託獍l(fā)電工程的發(fā)展。

熱水解技術(shù)目前已經(jīng)在污泥領(lǐng)域應(yīng)用［4］，其主要原理是通過輸入能量（如高溫高壓蒸汽等）來分解一些難生物降解的有機(jī)物，以提高厭氧發(fā)酵的反應(yīng)速率和產(chǎn)氣效率［5-6］。除了污泥外，技術(shù)專家和學(xué)者也在嘗試將熱水解應(yīng)用于其他有機(jī)廢棄物的處置領(lǐng)域，如餐廚垃圾、動(dòng)物加工廢物等［7］，但相關(guān)研究和工程應(yīng)用鮮有報(bào)道，尤其是報(bào)道畜禽糞污熱水解處理的案例較少，后續(xù)工程很難得到相關(guān)數(shù)據(jù)的指導(dǎo)和驗(yàn)證。

1 沼氣發(fā)電耦合沼液熱水解技術(shù)工藝

沼氣發(fā)電耦合沼液熱水解技術(shù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 沼氣發(fā)電耦合沼液熱水解技術(shù)工藝流程圖

將有機(jī)廢棄物置于勻漿池中，與廢水池來的廢水混合調(diào)配成厭氧發(fā)酵原料，并通過厭氧進(jìn)料泵輸送至厭氧反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行中溫厭氧發(fā)酵。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫、冷干、加壓等預(yù)處理后進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，煙氣經(jīng)脫硝后排放。厭氧反應(yīng)器的沼液經(jīng)厭氧出料泵輸送至固液分離系統(tǒng)進(jìn)行固液分離，沼渣進(jìn)入有機(jī)肥制備系統(tǒng)。產(chǎn)生的沼液部分輸送至沼液池，最終還田處理，部分輸送至熱水解系統(tǒng)進(jìn)行處理。

熱水解系統(tǒng)主要工藝流程是：①沼液在沼液緩存池中進(jìn)行調(diào)配和勻漿，輸送至接收罐，并進(jìn)行預(yù)熱和漿化；②沼液輸送至熱解罐，在熱解罐內(nèi)通入高溫高壓蒸汽（130 ℃～180 ℃）對(duì)沼液進(jìn)行加熱，同時(shí)保溫保壓一段時(shí)間（30 min～45 min），使纖維素、木質(zhì)素等大分子斷裂成為中小型有機(jī)分子；③沼液保溫保壓后瞬間釋放進(jìn)入閃蒸罐，對(duì)有機(jī)物形成爆破作用，使大分子進(jìn)一步裂解；④沼液輸送至冷卻器，經(jīng)換熱降溫后進(jìn)行固液分離，固體進(jìn)入有機(jī)肥制備系統(tǒng)，液體輸送至廢水池及勻漿池與有機(jī)廢棄物混合，然后進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵。

沼渣進(jìn)入有機(jī)肥制備系統(tǒng)后，添加輔料，并通過曝氣風(fēng)機(jī)和翻拋機(jī)在發(fā)酵槽內(nèi)進(jìn)行好氧發(fā)酵。產(chǎn)生的腐熟物料通過深加工處理，并經(jīng)陳化后制備成有機(jī)肥。

在熱量平衡上，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的缸套水余熱用于厭氧反應(yīng)器的加熱和保溫，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的煙氣余熱制備蒸汽，用于熱水解系統(tǒng)的加熱，蒸汽不足時(shí)依靠沼氣鍋爐補(bǔ)充。

2 以某工程為例的物料平衡分析

2.1 工程概況

某項(xiàng)目擬建立厭氧發(fā)酵大型沼氣發(fā)電工程，依據(jù)國(guó)家和地方政策，統(tǒng)一收集并處理處置該地區(qū)內(nèi)的養(yǎng)豬企業(yè)廢棄物。收集鮮豬糞約400 t/d 物料濃度（TS）約為20%，從卸料口倒入進(jìn)糞池，經(jīng)卸料格柵后進(jìn)入勻漿池，加水270 t/d 稀釋至TS 約為12%的原料。厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)處理量為670 t/d，沼氣產(chǎn)量約為24 000 Nm3/d，產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電上網(wǎng)，并配置2 臺(tái)1.5 MW 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組。

以此沼氣發(fā)電工程為基礎(chǔ)，將沼液熱水解系統(tǒng)置于厭氧反應(yīng)器之后。利用熱水解技術(shù)將沼液中的難生物降解的有機(jī)物分解，再將沼液回用至厭氧反應(yīng)器前端，以減少沼液的外排量，并提高厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)氣量。在滿足現(xiàn)有沼氣發(fā)電工程要求并盡量提高產(chǎn)氣量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行物料平衡分析。

2.2 物料平衡分析

2.2.1 不同熱水解處理量下的沼液還田量分析

根據(jù)物料平衡，因前端最多只能加入稀釋水270 t/d，且熱水解過程中加入了蒸汽和稀釋水，理論最大熱水解處理量為242 t/d（此時(shí)熱水解處理量占比為36.12%），如果處理量進(jìn)一步提升，多余的熱水解沼液難以回用，即使回用也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程效益下降。不同熱水解處理量下的沼液還田量如表1 所示。

表1 不同熱水解處理量下的沼液還田量對(duì)比分析表

根據(jù)表1 可以看出，熱水解處理量占比從0 提升至36.12%，還田沼液量則從528 t/d 大幅度縮減至390 t/d，還田沼液量占比則從78.81%降至58.21%。本沼氣發(fā)電工程周邊用于消納沼液的農(nóng)田和林地較少，過多的沼液施用容易導(dǎo)致“燒苗”等現(xiàn)象出現(xiàn)，根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》測(cè)算，按年均計(jì)算約可以消納450 t/d。根據(jù)線性擬合，此時(shí)熱水解處理量為139 t/d，占比為20.75%。

因此，根據(jù)不同熱水解處理量下的沼液還田量分析以及本沼氣發(fā)電工程的特點(diǎn)，熱水解處理量建議為139 t/d～242 t/d（熱水解處理量占比為20.85%～36.12%）。

2.2.2 不同熱水解處理量下的氨氮濃度分析

沼液中的氨氮主要呈溶解狀態(tài)，在熱水解過程中不易釋放，沼液回流后大部分氨氮仍將回流至厭氧反應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)致氨氮積累。不同熱水解處理量占比下厭氧反應(yīng)器中的氨氮濃度如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可以看出初始氨氮值約為2 360 mg/L，隨著熱水解處理量占比從0 逐漸增加至36.12%，厭氧反應(yīng)器中氨氮濃度逐漸增加至3 716 mg/L，而且整體上呈現(xiàn)加速上漲趨勢(shì)。說明隨著熱水解處理量的增加，氨氮累積速度越來越快。

大量研究表明［8］，當(dāng)氨氮濃度過高時(shí)，對(duì)生物菌群的活性尤其是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用。但不同的原料厭氧發(fā)酵時(shí)，氨氮抑制的閾值差別較大。一般地，豬糞中溫厭氧發(fā)酵的氨氮閾值濃度為3 000 mg/L～4 000 mg/L［9］。

根據(jù)物料平衡分析以及氨氮抑制情況，在允許范圍內(nèi)，建議將熱水解處理量占比盡量提升至22.39%（即熱水解處理量150 t/d）以上，并根據(jù)實(shí)際產(chǎn)氣量確定熱水解處理量。

2.2.3 不同熱水解處理量下的產(chǎn)氣量分析

沼液熱水解處理后，一些難生物降解的有機(jī)物會(huì)分解為容易生物降解的小分子，回流至厭氧反應(yīng)器會(huì)提高產(chǎn)氣量。不同熱水解處理量下的理論產(chǎn)氣量和實(shí)際產(chǎn)氣量如圖3 所示。

圖3 不同熱水解處理量下的產(chǎn)氣量對(duì)比分析圖

根據(jù)圖3 可以看出，隨著熱水解處理量占比從0 逐漸增加至36.12%，理論TS 產(chǎn)氣量從300 Nm3/（d·t）逐漸增加至369 Nm3/（d·t），且處于線性上升，但實(shí)際產(chǎn)氣量?jī)H增加至351 Nm3/（d·t），且增加幅度逐漸放緩，圖中增加值分別為15.33 Nm3/（d·t）、12.73 Nm3/（d·t）、10.16 Nm3/（d·t）、8.38 Nm3/（d·t）、4.15 Nm3/（d·t）。尤其當(dāng)熱水解處理量占比從29.85%增加至36.12%時(shí)，實(shí)際產(chǎn)氣量增加值［4.15 Nm3/（d·t）］ 相較于從22.39%增加至29.85%時(shí)產(chǎn)氣量增加值［8.38 Nm3/（d·t）］，減少了50.48%。因此，隨著熱水解處理量的增加，產(chǎn)氣量的增加具有明顯的邊際效應(yīng)。

經(jīng)分析，產(chǎn)生如上現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)：

（1）氨氮累積效應(yīng)。當(dāng)氨氮逐漸累積時(shí)，對(duì)厭氧發(fā)酵過程的影響逐漸加大，且累積到3 370 mg/L 至3 716 mg/L 之間具有更加明顯的負(fù)面效應(yīng)。當(dāng)熱水解處理量占比達(dá)到36.12%時(shí)，產(chǎn)氣量的增加出現(xiàn)邊際效應(yīng)。

（2）由于熱水解沼液回流至厭氧發(fā)酵系統(tǒng)時(shí)帶入了一定量的溶解性固體，這些溶解性固體在增加產(chǎn)氣量的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵系統(tǒng)含固率超過設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致有機(jī)負(fù)荷過高，使厭氧發(fā)酵系統(tǒng)工況變差，最終導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)氣量下降。

因此，考慮到邊際效應(yīng)和工程成本因素，建議熱水解處理量降至200 t/d（熱水解處理量占比29.85%）以下。

3 結(jié)論

沼氣發(fā)電耦合沼液熱水解技術(shù)，不僅可以減少沼氣發(fā)電工程的沼液外排量，還可以提高產(chǎn)氣量。通過以某沼氣發(fā)電工程為基礎(chǔ)計(jì)算物料平衡并進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）最大熱水解處理量為242 t/d（熱水解處理量占比36.12%）。

（2）由于沼液還田量最大為450 t/d，熱水解處理量建議為139 t/d～242 t/d（熱水解處理量占比為20.75%～36.12%）。

（3）根據(jù)氨氮抑制情況，在允許范圍內(nèi)，建議將熱水解處理量提升至150 t/d（熱水解處理量占比為22.39%）以上，并根據(jù)實(shí)際產(chǎn)氣量確定熱水解處理量。

（4）由于實(shí)際產(chǎn)氣量低于理論產(chǎn)氣量，超過200 t/d 時(shí)存在嚴(yán)重的邊際效應(yīng)，建議熱水解處理量降至200 t/d（熱水解處理量占比為29.85%）以下。

綜上分析，該項(xiàng)目中合理的熱水解處理量應(yīng)為150 t/d～200 t/d（熱水解處理量占比為22.4%～29.9%）。同類工程可以參照本文的物料平衡分析，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。