恒壓黑膜沼氣池設(shè)計及運行效果分析

徐慶賢，官雪芳，吳曉梅，吳飛龍，林 斌，張 沖

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所，福建 福州 350003；2.福州北環(huán)環(huán)保技術(shù)開發(fā)有限公司，福建 福州 350003）

0 引言

規(guī)?；B(yǎng)豬場的排污量巨大，豬場糞污的有機物、懸浮物、總氮和總磷濃度極高[1]，并含有大量的病原菌，迅猛發(fā)展的規(guī)?；B(yǎng)豬場排放的糞污已成為農(nóng)業(yè)面源污染中突出的環(huán)境問題[2]～[8]。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的大型養(yǎng)殖污水綜合處理設(shè)施是目前處理養(yǎng)殖場污水的主要形式，厭氧發(fā)酵沼氣工程是養(yǎng)殖污水綜合處理設(shè)施的核心處理單元。沼氣建設(shè)為國家的能源安全和生態(tài)文明建設(shè)作岀了重要貢獻，在推動畜禽糞污資源化利用和農(nóng)業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[9]。福建省是全國首批生態(tài)文明試驗區(qū)的3個省份之一，于2016年第一個被批準(zhǔn)了《國家生態(tài)文明試驗區(qū)（福建）實施方案》[10]。因此，福建省對養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)范化發(fā)展與整治，養(yǎng)殖業(yè)糞污治理工程達標(biāo)排放以及廢棄物資源化利用有了更高要求。上流式厭氧反應(yīng)器等傳統(tǒng)厭氧消化裝置的建設(shè)成本高、運行管理復(fù)雜，這在一定程度上制約了其在中小型養(yǎng)殖場的推廣應(yīng)用。

黑膜沼氣池是在開挖平整好的土方基礎(chǔ)上，用HDPE（高密度聚乙烯）作為底膜和頂膜密封形成的一種厭氧反應(yīng)器。HDPE是一種優(yōu)質(zhì)的無毒環(huán)保的黑膜材質(zhì)，具有防滲透性好、化學(xué)穩(wěn)定性強、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕的特點，以及優(yōu)異的抗老化、抗紫外線、抗分解、抗植物根系穿刺的能力和優(yōu)異的抗拉強度與斷裂伸長率（表1），非常適用于膨脹或收縮基面，可有效克服基面不均勻沉降等問題。

表1 HDPE膜屬性Table 1 Property of HDPE membrane

朱飛虹運用黑膜沼氣池處理養(yǎng)豬場高濃度糞污時，水力停留時間（HRT）在60 d以上，污水處理率基本穩(wěn)定在90%以上[11]。何仁真利用黑膜沼氣池和一體化處理設(shè)備組合工藝處理養(yǎng)豬場糞污，結(jié)果出水的化學(xué)需氧量（CODCr）≤50 mg/L，遠低于農(nóng)業(yè)灌溉水的要求（CODCr≤200 mg/L）[12]。肖艷春應(yīng)用新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置處理規(guī)?；B(yǎng)豬場高濃度養(yǎng)殖污水，結(jié)果表明，該裝置的全年平均沼氣發(fā)酵溫度為35℃，平均池容產(chǎn)氣率為0.79 m3/（m3·d），比傳統(tǒng)沼氣池提高了163%[13]。

黑膜沼氣池具有建設(shè)成本低、施工簡單、建設(shè)周期短、運行安全性高、使用壽命長、運行費用低、抗沖擊負荷大、運行維護方便等特點[14]。但由于黑膜沼氣池的建設(shè)體積大，對HDPE膜現(xiàn)場焊接施工要求高，易產(chǎn)生接觸焊接不均而漏氣的問題，再加上沼氣生產(chǎn)的不恒定性，使得黑膜沼氣池頂膜易出現(xiàn)塌陷。由于體積較大，黑膜沼氣池運行過程中沉淀的污泥不易排出，常堆積板結(jié)于沼氣池底部，占用部分發(fā)酵空間，這嚴(yán)重影響了沼氣池的運行效率和使用壽命。

針對傳統(tǒng)黑膜沼氣池存在的不足，恒壓黑膜沼氣池從進料口、出料口、排泥口、出氣口及黑膜銜接工藝上進行技術(shù)改進，增設(shè)恒壓系統(tǒng)和改進排泥系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的單點進、出料改為多點布料和出料工藝。恒壓黑膜沼氣池的推廣應(yīng)用既能緩解養(yǎng)殖業(yè)主的資金壓力，又能有效處理畜禽養(yǎng)殖糞污的污染問題，從而為畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護作出貢獻。

1 恒壓黑膜沼氣池設(shè)計

圖1為恒壓黑膜沼氣池的示意圖。

圖1 恒壓黑膜沼氣池示意圖Fig.1 Constant pressure black membrane biogas digester

恒壓黑膜沼氣池主要由改進的黑膜發(fā)酵池、恒壓系統(tǒng)和排泥系統(tǒng)組成。糞污經(jīng)多點布料口攪拌后，進入改進的黑膜發(fā)酵池中進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣和沼液；排泥系統(tǒng)主要負責(zé)將池內(nèi)的污泥及時排出，保障沼氣池處理效率；恒壓系統(tǒng)則負責(zé)調(diào)節(jié)沼氣池內(nèi)的壓力使池壓趨于恒定，并保持在300 Pa的恒定狀態(tài)，防止其塌陷影響運行效果。

1.1 黑膜沼氣池技術(shù)工藝改進

為克服傳統(tǒng)黑膜沼氣池頂膜和底膜因焊接不均而導(dǎo)致的漏氣現(xiàn)象，恒壓黑膜沼氣池以HDPE為頂膜和底膜材料，將傳統(tǒng)的HDPE頂膜和底膜熱膜封口工藝改為頂膜和底膜水封疊加連接工藝，實現(xiàn)連接處不漏氣的目的。為解決黑膜沼氣池頂膜與底膜間安裝出氣口和出氣管道時易彎曲積水形成水封，從而阻塞氣道和出氣管以及導(dǎo)致膜密封不實而漏氣的問題，恒壓黑膜沼氣池的出氣口采用耐磨力極強的紅泥塑膠材質(zhì)制造，方便出氣口的活動，可保證長期使用不破損漏氣。為防止沼氣池污泥沉積和出現(xiàn)“管道”現(xiàn)象，恒壓黑膜沼氣池將傳統(tǒng)單點進、出料工藝改為多點進、出料工藝，通過多點進料與出料帶動沼氣池內(nèi)的發(fā)酵糞污無死角攪動，使糞污在池內(nèi)充分發(fā)酵，防止沼氣池出現(xiàn)“管道”現(xiàn)象而降低發(fā)酵空間。

1.2 排泥系統(tǒng)設(shè)計

排泥系統(tǒng)主要由排泥管、排泥井、污泥收集井和污泥泵組成。在沼氣池內(nèi)均勻設(shè)計多個排泥口（間距約為8 m），每個口預(yù)埋de200PVC排泥管，每個排泥管延伸至排泥井，排泥時將排泥井內(nèi)的承插管拔起，利用池內(nèi)的靜水壓力（大于1.50 m的水壓）排泥；排出的污泥自流進入排泥井，排泥井間通過de200PVC管道連接，排出的污泥通過連接管道最終排至污泥收集井，然后通過污泥收集井內(nèi)的污泥泵抽出進行處理，排泥后期將承插管插入排泥管后完成排泥。由于恒壓黑膜沼氣池內(nèi)設(shè)計了多個排泥口，加上沼氣池運行過程中形成的多個鍋型排泥口，使得沼氣池內(nèi)的多余污泥可及時排出，防止污泥沉積占用池內(nèi)發(fā)酵空間，并可定時更新沼氣池內(nèi)的糞污，從而提高微生物活性和沼氣池的產(chǎn)氣效率。

1.3 恒壓系統(tǒng)設(shè)計

為防止沼氣池在使用過程中因池內(nèi)壓力不均導(dǎo)致的塌陷或過度膨脹問題，恒壓黑膜沼氣池加裝了恒壓系統(tǒng)（XY-300S沼氣卸壓裝置）。如圖2所示，該恒壓系統(tǒng)由密閉儲壓筒、進氣管、排氣管和溢流管組成，進氣管和排氣管固定于儲壓筒封蓋上，進氣管連接外部輸氣管道，排氣管上端口敞開與外界相通；溢流管連接于筒壁外側(cè)，與儲壓筒構(gòu)成U形結(jié)構(gòu)，溢流管上端口較進氣管下端口高出30 mm。儲壓筒內(nèi)盛水，液面與溢流管上端口齊平，沒過進氣管下端口，形成水封，液面上方形成與大氣連通的空腔。氣體由輸氣管道輸送至恒壓系統(tǒng)，在一定的氣壓作用下，儲壓筒內(nèi)液面被迫下降，液體從溢流管排出，直到U形結(jié)構(gòu)形成的液位差與輸入氣體壓強相等，水位不再變化。當(dāng)輸入氣體壓強高于300 Pa時，進氣管內(nèi)液面將降至進氣管下端口以下，水封結(jié)構(gòu)被破壞，氣體流入空腔，由排氣管排出，氣壓逐漸降低，液體從溢流管返回，筒內(nèi)液面上升，重新沒過進氣管下端口，水封自動恢復(fù)。恒壓系統(tǒng)保障了沼氣池內(nèi)壓力恒定，經(jīng)過多次實驗驗證，恒壓系統(tǒng)可使黑膜沼氣池內(nèi)的壓力保持在300 Pa的正常工作范圍內(nèi)，可有效防止黑膜塌陷或膨脹。

圖2 恒壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖Fig.2 Structural diagram and physical drawing of constant pressure system

2 恒壓黑膜沼氣池應(yīng)用實踐

由于恒壓黑膜沼氣池克服了傳統(tǒng)黑膜沼氣池漏氣、塌陷、污泥沉積等問題，該款沼氣池已在我國多處規(guī)模養(yǎng)豬場得到應(yīng)用。本文以福建省華峰農(nóng)牧科技發(fā)展有限公司（以下簡稱華峰農(nóng)牧）建成的恒壓黑膜沼氣池為例，進行恒壓黑膜沼氣池具體應(yīng)用及運行效果分析。

華峰農(nóng)牧養(yǎng)豬場于2009建成投產(chǎn)，設(shè)計存欄母豬2 600頭，豬舍生豬存欄20 000頭，污水產(chǎn)生量約為240 t/d。該養(yǎng)豬場配置了兩個容積約為12 000 m3的恒壓黑膜沼氣池，每個沼氣池的污水處理能力約為120 t/d，池深6.5 m（有效水深6 m）。沼氣池底部采用HDPE膜（厚度為1.0 mm）進行防滲處理，頂上采用HDPE膜（厚度為1.5 mm）進行密封，設(shè)有排泥系統(tǒng)，定期將沉渣排至污泥收集池。糞污在恒壓黑膜沼氣池內(nèi)的停留時間在50 d以上，因此，恒壓黑膜沼氣池能夠最大限度地降解糞污中的有機物質(zhì)，減少厭氧污泥的產(chǎn)量。

2.1 運行工藝流程

養(yǎng)豬場糞污經(jīng)過固液分離后，污水進入沉淀池進行酸化沉淀，然后進入恒壓黑膜沼氣池進行厭氧發(fā)酵處理，產(chǎn)生的沼氣、沼液及沼渣開展綜合應(yīng)用，從而達到養(yǎng)殖廢棄物環(huán)境污染治理及資源化利用的雙重效果。恒壓黑膜沼氣池處理糞污的具體工藝流程如圖3所示。

圖3 恒壓黑膜沼氣池工藝流程圖Fig.3 Process of constant pressure black membrane biogas digester

2.2 運行效果分析

為了解華峰農(nóng)牧的恒壓黑膜沼氣池的運行效果，對沼氣池的發(fā)酵液進行取樣檢測，結(jié)果取3次檢測的平均值。其中，CODCr采用重鉻酸鹽回流法、生物需氧量（BOD5）采用稀釋培養(yǎng)法、NH3-N濃度采用納氏比色法、固體懸浮物（SS）濃度采用重量法，各參數(shù)的檢測結(jié)果見表2。由表2可知，經(jīng)恒壓黑膜沼氣池處理后，豬場糞污出水中的CODCr，BOD5和SS的去除率分別為81%，87%和95%。XY-300S沼氣卸壓裝置的安裝，保證了沼氣池常年壓力恒定在300 Pa，有效防止黑膜塌陷，并保證了黑膜沼氣池內(nèi)的嚴(yán)格厭氧環(huán)境。

表2 恒壓黑膜沼氣池的處理效果Table 2 Treatment effects of constant pressure black membrane biogas digester mg/L

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)黑膜沼氣池相比，恒壓黑膜沼氣池可防止因出氣口結(jié)合不結(jié)實、HDPE底膜和頂膜焊接不均導(dǎo)致的漏氣問題；附加的恒壓系統(tǒng)可有效防止由于用氣導(dǎo)致的黑膜塌陷、裂痕問題，延長沼氣池的使用壽命；多點進、出料及排泥系統(tǒng)的設(shè)計可有效防止由于污泥的沉積以及“管道”現(xiàn)象造成的有效發(fā)酵空間的減少，使沼氣池實時更新池內(nèi)糞污，有效提高沼氣池的產(chǎn)氣效率和使用年限。恒壓黑膜沼氣池在華峰農(nóng)牧的應(yīng)用實踐表明，恒壓黑膜沼氣池池內(nèi)壓力恒定，不會出現(xiàn)塌陷漏氣問題，可常年穩(wěn)定運行。