半干式厭氧發(fā)酵沼氣工程運行性能測試

李靖李愛芹趙國明袁存亮邢向欣張重張蕾蕾張旭

(1.吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118)

引言

隨著我國畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，每年畜禽養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量也十分巨大，據(jù)統(tǒng)計，2010年我國規(guī)?；B(yǎng)殖場所產(chǎn)生的畜禽糞污量可達(dá)20.5億t[1]，但僅有44%得到了有效利用。畜禽糞便特點是含固量高、有機(jī)質(zhì)含量高并且還存在蟲卵、病原體等物質(zhì)[2-4]，若不經(jīng)過處理而直接進(jìn)行排放則會嚴(yán)重污染環(huán)境，并且造成疾病的傳播，因此如何將畜禽糞便進(jìn)行無害化處理已成為當(dāng)下主要的研究方向[5,6]。

厭氧發(fā)酵作為畜禽糞便有效利用的一種解決方法，不僅能夠?qū)π笄菁S便進(jìn)行無害化處理，而且能夠產(chǎn)生清潔能源的同時，發(fā)酵底物也可加工成有機(jī)肥施于田地中，這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)畜禽糞便的資源化利用,也能維持畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7,8]。目前，我國規(guī)?；酿B(yǎng)殖場中，養(yǎng)牛場占據(jù)了主要一部分，而其中牛糞的產(chǎn)量也是十分巨大，傳統(tǒng)的水沖糞的清潔形式不僅加大用水量造成水資源的浪費，而且還對后續(xù)的無害化處理造成極大的壓力。因此，現(xiàn)如今我國規(guī)模化的畜禽養(yǎng)殖場多采用干清糞的處理方式。其中，干清牛糞中有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)80%～85%，多糖類物質(zhì)占27%～32%，粗蛋白占9%～23%[9]。牛糞的C/N基本為25∶1，適合進(jìn)行厭氧發(fā)酵，但高濃度的干清牛糞在進(jìn)行厭氧發(fā)酵過程中易造成酸化、發(fā)料等現(xiàn)象，選擇適合的厭氧發(fā)酵工藝則直接影響厭氧發(fā)酵效果[10]。因此，針對上述問題本研究提出干清牛糞厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)與裝備，并以采用該技術(shù)的吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院乾安縣牧羊廠300m3沼氣示范工程為例，對運行情況進(jìn)行分析，進(jìn)而為我國畜禽糞便資源化利用提供高效利用途徑。

1 畜禽干清糞便厭氧發(fā)酵沼氣工程關(guān)鍵技術(shù)

畜禽干清糞便厭氧發(fā)酵存在的問題主要是因為濃度高物料易酸化，并且在厭氧發(fā)酵過程中易出現(xiàn)發(fā)料的現(xiàn)象[11]，因此要選擇合適的工藝與攪拌方式。筆者所在團(tuán)隊則是針對上述問題，自行研發(fā)了一種星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應(yīng)器用以進(jìn)行厭氧發(fā)酵，通過設(shè)計計算建立了星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應(yīng)器的仿真模型，利用CFD仿真分析方法，結(jié)合反應(yīng)器內(nèi)部物料運動情況進(jìn)行仿真分析，并結(jié)合反應(yīng)器內(nèi)部流場特征參數(shù)進(jìn)行綜合分析與優(yōu)化[12]，最終確定了實際工程中的厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

2 畜禽干清糞便沼氣技術(shù)集成

基于以上關(guān)鍵技術(shù)分析與研究，筆者所在團(tuán)隊處理畜禽干清糞便沼氣技術(shù)集成工藝。在周邊養(yǎng)牛場收集干清牛糞，進(jìn)場后將干清牛糞輸送至除雜沉沙池中進(jìn)行沉降，去除泥沙等雜物，進(jìn)入預(yù)處理池進(jìn)行物料的預(yù)增溫及勻質(zhì)，進(jìn)入星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應(yīng)罐體內(nèi)部進(jìn)行全混合半干式中溫厭氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵的剩余產(chǎn)物可經(jīng)過固液分離器進(jìn)行分離，制作有機(jī)肥料；產(chǎn)生的氣體可經(jīng)過凈化后進(jìn)行儲存，方便后續(xù)生產(chǎn)生活使用。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 干清牛糞沼氣工藝技術(shù)路線

3 實際工程案例

3.1 工程概述

吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院乾安縣牧羊廠300m3沼氣示范工程依托于吉林省科技發(fā)展計劃項目《畜禽糞便高濃度沼氣發(fā)酵及沼渣基質(zhì)化利用技術(shù)裝備研究》，工程占地1300m2。工程運行處理畜禽干清糞便產(chǎn)生天然氣可供示范園區(qū)生產(chǎn)生活，沼渣、沼液可固態(tài)、液態(tài)有機(jī)肥還田使用。實際工程見圖2所示。

圖2 300m3沼氣示范工程

3.2 技術(shù)方案

3.2.1 原料收集體系

工程采用周邊養(yǎng)殖場的干清牛糞作為發(fā)酵原料，干清牛糞收集運至除砂池，經(jīng)除砂沉降后的牛糞通過輸送管道送至牛糞預(yù)處理池中進(jìn)行預(yù)增溫以及勻質(zhì)，料液含固量約為17%。池內(nèi)通過換熱管，利用循環(huán)水進(jìn)行預(yù)增溫處理，泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐體內(nèi)部。

3.2.2 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)主要由星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應(yīng)罐構(gòu)成，罐體分別設(shè)有進(jìn)料口與出料口，并在罐體底部設(shè)有螺旋出料裝置方便出料。罐體內(nèi)部設(shè)有按星型布置的3個臥式攪拌軸，每個攪拌軸之間間隔120°，每個攪拌軸上設(shè)有螺帶與攪拌葉翅，攪拌葉翅也呈螺旋線分布，方便在攪拌過程中實現(xiàn)物料沿攪拌軸周向及徑向的運動。罐體產(chǎn)生的沼氣通過頂部出氣口沿氣體輸送管道進(jìn)入儲氣裝置。星型臥式三軸旋流攪拌立式圓柱型反應(yīng)罐體內(nèi)部鋪設(shè)換熱管道，罐體內(nèi)部設(shè)計發(fā)酵溫度為35±2℃，HRT為20d，發(fā)酵物料含固率可達(dá)16.3%，采用間歇式機(jī)械攪拌(每4h攪拌2min，攪拌轉(zhuǎn)速為10r·min-1)。

3.2.3 沼氣儲存及凈化系統(tǒng)

發(fā)酵罐體內(nèi)部產(chǎn)生的氣體經(jīng)過脫硫脫水罐后進(jìn)入雙層膜氣體儲存裝置中儲存，使用時，經(jīng)過增壓系統(tǒng)，方便后續(xù)生產(chǎn)生活使用。

3.3 工程運行情況

示范工程建成后開始投入運行試驗，并以干清牛糞作為厭氧發(fā)酵原料(牛糞TS=16.4%)，加入30%接種比例的接種物，裝料量為容積的80%，全部投入罐體后打開整個系統(tǒng)的控制設(shè)備，并進(jìn)行5min的低速攪拌，使得干清牛糞與接種物充分混合后，開始整個厭氧發(fā)酵反應(yīng)，以20d為1個發(fā)酵周期，發(fā)酵溫度設(shè)定為35±2℃，攪拌轉(zhuǎn)速為10r·min-1，攪拌間隔為4h，攪拌時長為1次2min，并記錄產(chǎn)氣量，對設(shè)備進(jìn)行運行檢查。

本次試驗的處理畜禽干清糞便的高濃度厭氧發(fā)酵裝置的日產(chǎn)氣量如圖3所示，測試記錄時間從2020年11月28日—12月18日，根據(jù)產(chǎn)氣記錄結(jié)果統(tǒng)計20d總產(chǎn)氣量為6443.86m3，日均產(chǎn)沼氣322.2m3，平均容積產(chǎn)氣率1.07m3·m-3·d-1，最高日產(chǎn)氣量614.38m3，最高日產(chǎn)氣率達(dá)到2.05m3·m-3·d-1。整個發(fā)酵周期內(nèi)，干清牛糞能迅速進(jìn)行反應(yīng)，并且維持較高的產(chǎn)氣效率。

圖3 厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量變化

4 結(jié)論與討論

畜禽干清糞便通過厭氧發(fā)酵進(jìn)行處理是畜禽干清糞便資源化利用的有效途徑之一，但目前我國對于半干式厭氧發(fā)酵沼氣工程應(yīng)用較少，未取得大規(guī)模的推廣應(yīng)用。本文設(shè)計建設(shè)的半干式厭氧發(fā)酵工程優(yōu)化了半干式厭氧發(fā)酵工藝，為后續(xù)的研究提供了有利的工藝方案與形式，打破傳統(tǒng)的攪拌形式采用星型旋流攪拌，有效地避免了畜禽干清糞便半干式厭氧發(fā)酵時物料易酸化發(fā)料的情況，并且示范工程運行情況良好且穩(wěn)定，為今后對于畜禽糞便半干法沼氣工程起到一定的支撐作用。

本研究提出的畜禽干清糞便半干式沼氣工程集成技術(shù)雖取得較高的實際應(yīng)用成果，但具體過程還需進(jìn)一步優(yōu)化，并且，此次工程運行試驗僅利用干清牛糞進(jìn)行了批式厭氧發(fā)酵研究，對于其它種類畜禽干清糞便與連續(xù)工程運行的應(yīng)用情況還需進(jìn)一步研究。