【word】規(guī)模養(yǎng)牛場糞污厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)研究

1、規(guī)模養(yǎng)牛場糞污厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)研究安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),JournalotAnhuing6.Sci.2011,39(18):11072 11073 責(zé)任編輯劉月娟責(zé)任校對況玲玲規(guī)模養(yǎng)牛場糞污厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)研究楊明珍(1.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧沈陽110031；2.遼寧省流域污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽l10031)till 對畜禽養(yǎng)殖糞污治理技術(shù)進(jìn)行簡要綜述,以規(guī)?；B(yǎng)牛場糞污治理為實(shí)例 ,并展厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)研究.最后,指出厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)注意的問題.關(guān)鍵詞沼氣工程;設(shè)計(jì);牛糞中 圖 分 類 號 X713 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 A 文 章 編 號0517 661

2、1(2011)18 11072 02ResearchonBiogasEngineeringDesignforCattleFarmYANGMing-zhen(LiaoningAcademyofEnvironmentalSciences,Shenyang,Liaoning110031)AbstractThetechnologyofanimalma +nuretreatingwasanalyzed,andthedesignofbiogasengineeringforcattlefarmh adbeenputoutasan example.Someadvicesforthedesignofbiogas

3、engineeringwereputforwardint heend.KeywordsBiogasengineering;Design;Cattlemanure畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染物主要來源于畜禽排泄物,主要污染物質(zhì)有糞便,尿液及沖洗水等.近年來,在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展過程中人們忽視了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的管理問題.大量的畜禽排泄物沒有得到合理處理與綜合利用,對環(huán)境造成嚴(yán)重污染 .1 畜禽養(yǎng)殖糞污常用治理技術(shù)概述畜禽糞便中有機(jī)物,氨氮,磷等污染物濃度高,單純從污染治理的角度對其進(jìn)行處理,投資,運(yùn)行成本都很高,無法實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的運(yùn)行.從資源化角度考慮,畜禽糞便中有機(jī)物 ,氨氮,磷等是寶貴的資源,在處理畜禽

4、糞污的過程中對這些資源進(jìn)行回收,從而在實(shí)現(xiàn)污染治理的同時(shí)可獲取一定的收益.采用資源化技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖糞污已經(jīng)成為主流 .目前畜禽養(yǎng)殖糞污治理的主導(dǎo)技術(shù)主要有:飼料化技術(shù),包括用新鮮糞便直接作為飼料,與青草（切短的青玉米秸 ）和麩皮混合青貯后作為飼料,利用優(yōu)良品種的蠅,蚯蚓和蝸牛等低等動物分解畜禽糞便后作為飼料等；肥料化技術(shù) ,常采用的方法有厭氧發(fā)酵方法,快速烘干法,微波法,充氧動態(tài)發(fā)酵法；能源化技術(shù)，主要是以厭氧發(fā)酵制沼氣為核心的能源化技術(shù).2 牛場養(yǎng)殖場糞污厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)2.1 養(yǎng)牛場糞污的基本特性一般,奶牛和肉牛每天產(chǎn)生糞便量分別為25和15kg（含水率為87%）,COD31g/k

5、g,NH3 N1.7g/kg,TN4.37g/kg,TP1.18g/尿液,沖洗水量與養(yǎng)殖場清糞工藝有關(guān),且各養(yǎng)牛場差異較大,設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能以實(shí)測為依據(jù).2.2 工藝選擇采用以厭氧發(fā)酵制備沼氣為核心的能源化技術(shù).利用養(yǎng)殖場尿液,沖洗水對新鮮牛糞進(jìn)行稀釋,稀釋成固形物（SS）濃度在4%左右,然后進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵,發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)凈化后進(jìn)人沼氣儲柜.凈化后的沼氣一部分進(jìn)入供氣管道供周邊居民炊用,剩余部分進(jìn)入沼氣鍋爐燃燒,回收的余熱用于厭氧發(fā)酵罐增溫,進(jìn)罐前原料增溫以及冬季廠區(qū)辦公廠房,牛舍采暖.發(fā)酵后沼液作為有基金項(xiàng)目作者簡介收稿日期國家科技重大專項(xiàng)（2008zxO72O8 o05）.楊明珍

6、 （1980 一 ）,男 ,內(nèi)蒙古赤峰人,工程師,碩士 ,從事污水處理技術(shù)研究與工程設(shè)計(jì),E mail:yangmzl00126.eom.20l15_03機(jī)肥料施于周邊農(nóng)田.2.3 單元設(shè)計(jì) .2.3.1 原料預(yù)處理.原料中的長草會引起管道堵塞,原料中的砂粒進(jìn)入發(fā)酵罐會在罐體內(nèi)堆積,減少發(fā)酵罐的有效容積 .設(shè)計(jì)采用粉碎格柵去除牛糞中的長草,可以收到較好的效果;同時(shí),配用切割泵進(jìn)一步切短殘留的較長纖維和雜草,可有效地防止管路堵塞.對糞污中的砂粒,采用沉砂進(jìn)行沉砂,沉砂井底部安裝輸送螺旋,將沉砂輸送至預(yù)處理池外.2.3.2 厭氧消化器選擇與設(shè)計(jì).對于畜禽養(yǎng)殖糞污治理大中型沼氣工程,目前最常見的厭氧

7、反應(yīng)器類型有全混式厭氧反應(yīng)器,塞流式反應(yīng)器,升流式厭氧污泥床反應(yīng)器,升流式固體反應(yīng)器以及內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器.各種反應(yīng)器各具特點(diǎn).在丁程設(shè)計(jì)中 ,應(yīng)針對不同類型的發(fā)酵原料合理地選擇反應(yīng)器類型 .（1）塞流式反應(yīng)器（PlugFlowReactor簡稱PFR）亦稱推流式反應(yīng)器,徑高比很小（1/50）,非完全混合,高濃度懸浮固體原料從一端進(jìn)入,從另一端流出,原料在消化器內(nèi)的流動呈活塞式推移狀態(tài).優(yōu)點(diǎn)有:不需攪拌,結(jié)構(gòu)簡單,能耗低;適用ss濃度高的物料處理；運(yùn)轉(zhuǎn)方便，故障少，穩(wěn)定性高.缺點(diǎn)有:固體物質(zhì)可能沉于底部,影響消化器的有效體積，使水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）降低;需要固體和微生物的回

8、流作為接種物：徑高比較小， 難以保持溫度恒定；易產(chǎn)生結(jié)殼.（2）升流式固體反應(yīng)器（UpflowSolidsReactor,簡稱USR).結(jié)構(gòu)簡單，適用于高懸浮固體原料的反應(yīng)器原料從底部進(jìn)入消化器內(nèi),與消化器里的活性污泥接觸,使原料快速消化.未消化的生物質(zhì)固體顆粒和沼氣發(fā)酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內(nèi),上清液從消化器上部溢出,從得到比HRT高得多的SRT提高了固體有機(jī)物的分解率和消 化器的效率.USR反應(yīng)器用于雞糞廢水的中溫厭氧消化，負(fù) 荷達(dá) 10.5kgCOD/(m?d),產(chǎn)氣率高達(dá) 4.9kg/(m?d)該 反應(yīng)器非常適用于雞糞,豬糞的消化處理.(3)全混式反應(yīng)器(ContinuousSt

9、irredTankReacto徜稱 CSTR).在常規(guī)厭氧反應(yīng)器內(nèi)安裝攪拌裝置，使發(fā)酵原料和 微生物處于完全混合狀態(tài),活性區(qū)遍布整個(gè)消化器,效率比常規(guī)消化器明顯提高.在運(yùn)行方式上,常采用恒溫連續(xù)投料39 卷 18 期楊明珍規(guī)模養(yǎng)牛場糞污厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)研究11073或半連續(xù)投料,適用于高濃度及含有大量懸浮固體原料的處理.HRT,SRT均為1020d,中溫發(fā)酵負(fù)荷34kgCOD/ (ITI?d),高溫發(fā)酵負(fù)荷5-6kgCOD/(m?d).優(yōu)點(diǎn)有: 可進(jìn)入高懸浮固體原料；消化器內(nèi)物料混合均勻，增加了 底物和微生物的接觸機(jī)會；消化器內(nèi)溫度分布均勻；進(jìn) 入消化器的物料能夠迅速分散，保持較低的濃度

10、水平；避 免浮渣,結(jié)殼,堵塞,氣體逸出不暢和短流現(xiàn)象.缺點(diǎn)有:消化器體積較大；要有足夠的攪拌，因此能耗較高.(4)上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB).目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用于酒醪濾液,啤酒廢水,豆制品加工廢水等.特點(diǎn)為:自下而上流動的污水通過膨脹的顆粒狀污泥床被消化分解,消化器分為污泥床,污泥層和三相分離器3 個(gè)區(qū) .優(yōu)點(diǎn)有:除三相分離器外，消化器結(jié)構(gòu)簡單，無攪拌裝置及填料；有 機(jī)負(fù)荷大大提高；顆粒污泥的形成使厭氧微生物天然固定 化,增加了工藝的穩(wěn)定性；出水ss含量低.缺點(diǎn)有:需 要安裝三相分離器；需要安裝布水裝置；要求進(jìn)水sS含 量低當(dāng)水力負(fù)荷較高或ss負(fù)荷較高時(shí)，易流失活性污泥 和微生物 ,運(yùn)行

11、技術(shù)要求較高.(5)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(InternalCirculation, 簡稱 Ic 反應(yīng)器 ).如同把 2個(gè) UASB 反應(yīng)器疊加在一起,高度可達(dá)l625m,高徑比可達(dá)48.優(yōu)點(diǎn)有:容積負(fù)荷率高，占地面積 小 ,不需外加動力,抗沖擊負(fù)荷,啟動時(shí)間短,緩沖 pH 能力強(qiáng) ,出水穩(wěn)定性好;缺點(diǎn)有:不適用于懸浮物較多的物料處理 .該設(shè)計(jì)發(fā)酵原料為牛糞.在厭氧發(fā)酵過程中,在反應(yīng)器內(nèi)液面上易發(fā)生結(jié)殼現(xiàn)象,阻礙沼氣釋放.通過對上述5種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),特點(diǎn)進(jìn)行分析,最終選擇厭氧反應(yīng)器類型CSTR.反應(yīng)器主體罐體材料為復(fù)合鋼板，鋼板內(nèi)側(cè)為0.5 mm 不銹鋼板,外層基材為碳鋼.罐內(nèi)設(shè)頂攪拌,攪拌器間歇開

12、啟（轉(zhuǎn)10h停6h）,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為150r/min.2.3.3 沼渣沼液的處置.畜禽糞污厭氧發(fā)酵之后的沼渣,沼液需得到妥善處置,否則將會造成二次污染.目前,沼渣,沼液的處理有3 種模式.農(nóng)用.沼氣工程周邊配套有較大面積的農(nóng)業(yè)作物,魚塘等,能夠就地消納沼氣發(fā)酵的殘留物 （沼液）.該方式的優(yōu)勢是投資和運(yùn)行成本均較低,是一種最為經(jīng)濟(jì)的工程模式目前世界上養(yǎng)殖場沼氣發(fā)電最發(fā)達(dá)的德國基本采用該方式.自然處理.對沼液采用部分還田或分季節(jié)還田,多余的沼液進(jìn)行低能耗或無動力的自然處理 （氧化溝,氧化塘,人工濕地等）,達(dá)到控制污染物總量減排的目的.該方式成本也較低,但對周圍環(huán)境可能造成影響,需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況來

13、考慮是否適用.處理達(dá)標(biāo).將沼液進(jìn)行固液分離,分離出來的沼渣制成商品固體有機(jī)肥料 ,分離后的清液經(jīng)過好氧或物化等深度處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后直接排放.該方式的工程投資和運(yùn)行費(fèi)用都較高”.該設(shè)計(jì)沼液處置采用農(nóng)用方式.建設(shè)沼液儲池1 座 ,建設(shè)配套滴灌系統(tǒng)1 套 ,沼液在沼液池內(nèi)進(jìn)行自然沉淀,上清液通過污水泵,管道進(jìn)入滴灌系統(tǒng),池底沼渣經(jīng)脫水后直接作為固態(tài)肥料還田.為保障在冬季沼液得到及時(shí)利用,建設(shè)溫室大棚 .2.3.4 沼氣儲存及凈化.沼氣是一種混合氣體.它的主要成分是甲烷,還含有二氧化碳,硫化氫,飽和水蒸氣,高碳烴等（從乙烷C:H到庚烷C,fi.）,有時(shí)還含有一氧化碳，氮?dú)猓?氫氣,硅氧烷,鹵代烴

14、及固體顆粒物等雜質(zhì).由于沼氣含有以上雜質(zhì)且沼氣的流量,壓力 ,溫度,濃度等都很不穩(wěn)定 ,直接用于沼氣鍋爐燃?xì)饣蜻M(jìn)入發(fā)電機(jī)組燃燒勢必造成設(shè)備腐蝕,研磨等問題,從而嚴(yán)重縮短設(shè)備的壽命,并可能造成安全隱患.所以,在利用之前,必須建設(shè)沼氣凈化系統(tǒng).該設(shè)計(jì)沼氣凈化包括脫水和脫硫.脫水采用氣水分離器;脫硫采用化學(xué)法.沼氣存儲采用單獨(dú)的囊式氣柜.氣柜容積與產(chǎn)氣情況,用氣情況有關(guān).目前,養(yǎng)殖場沼氣工程設(shè)計(jì)存儲氣量大多按12h 產(chǎn)氣量設(shè)計(jì),即晝夜產(chǎn)氣量的50%.采用沼氣集中供氣 ,氣柜容積放大50%,沼氣用于發(fā)電時(shí)氣柜容積可適當(dāng)減小 .該設(shè)計(jì)沼氣除集中供氣外,還有燃?xì)忮仩t回收熱能,氣柜容積按晝夜產(chǎn)氣量的50%設(shè)

15、計(jì).2.3.5 沼氣利用.目前沼氣利用途徑主要有4 種 :用作炊用燃?xì)?該方式適用于小沼氣以及周邊有一定居民的大中型沼氣工程.沼氣供熱.利用沼氣鍋爐將沼氣燃燒產(chǎn)生的熱量用于采暖,工藝用熱等.沼氣發(fā)電.利用沼氣發(fā)電機(jī)組將沼氣轉(zhuǎn)化為電能,電能可以用于工程內(nèi)部供電,附近居民供電等,同時(shí)可以回收發(fā)電機(jī)組的余熱,用于沼氣工程保溫增溫.沼氣發(fā)電已經(jīng)成為大型沼氣工程沼氣利用的主流技術(shù),但發(fā)電上網(wǎng)程序復(fù)雜,在一定程度上制約其推廣并人天然氣管網(wǎng).隨著沼氣深度凈化技術(shù)的提高,沼氣深度脫碳已經(jīng)成為可能,沼氣脫碳后并人天然氣管網(wǎng)在國內(nèi)已經(jīng)有了少量的應(yīng)用.該設(shè)計(jì)沼氣利用采用炊用燃?xì)夂蜔崮芑厥?2 種模式 .3 應(yīng)注意的問題3.1 原料預(yù)處理原料預(yù)處理問題是以牛糞為原料的沼氣工程穩(wěn)定運(yùn)行的最關(guān)鍵因素之一.對原料中長纖維的去除及粉碎效果不佳,易造成工藝管道的堵塞,無法進(jìn)料;原料中沉砂效果差,會造成原料中砂含量增加,加劇工藝管道的磨損 ,并造成沉砂在反應(yīng)罐內(nèi)的沉積,降低反應(yīng)罐的有效容積.3.2 沼液利用沼液中富含有機(jī)質(zhì),氮 ,磷等營養(yǎng)成分.若采用深度處理達(dá)標(biāo)排放的思路對其進(jìn)行處理,成本非常高,得不償失.因此,在沼氣工程選址過程中必須保障周邊有足夠的農(nóng)田消納項(xiàng)目產(chǎn)生的沼液.3.3 沼氣工程保溫增溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果受溫度的影響很大.在北方地區(qū),冬季約30%的沼氣被用于工程自身的增溫 .在工程設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)特