大型畜禽粪污厌氧发酵+沼气发电工艺设计

2018-04-25张哲张丽周益辉李洗明高博

中国环保产业 2018年3期

张哲，张丽，周益辉，李洗明，高博

（1.湖南平安环保股份有限公司，长沙 410100；2.长沙经济技术开发区项目开发建设管理有限公司，长沙 410100；3.长沙环保（服务）工业技术研究院,长沙 410100；4.航天凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100）

近年来，我国的农业污染尤其是畜禽养殖业产生的畜禽废弃物问题日渐严峻，水体富营养化的主要原因与畜禽养殖业规模化过程中产生的畜禽污染也有密切关系。随着我国畜牧业行业的不断持续稳定增长，大量畜禽养殖业废弃物被随意排放，并且没有得到任何利用。因此，大量的畜禽养殖废弃物尤其是畜禽废弃物已经是农村环境主要的污染物之一。因此，实现畜禽废弃物资源化应用、保证畜产品安全供应、改善农村生产生活环境，是一项民生工程。加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用途径，是促进农业可持续发展的必由之路[1]。

1 畜禽粪污资源化利用的必要性

畜禽粪污是一种具有高附加值的可利用资源，通过高效的厌氧发酵方式产生高浓度沼气，沼气经提纯后是一种清洁能源。但在沼气制作的过程中，不可避免会产生沼渣、沼液，而这两种物质含有大量的氮、磷、钾和腐殖酸等农林作物需要的营养成分，可用于制作有机肥及农田使用，其主要作用是使土壤的结构得到优化改良，增进增加农作物的产量，使农作物的产品质量大幅提高，同时，在发展有机绿色农业的途径上找到合理的物质基础[2]。

畜禽在养殖中会产生大量粪便，即有机废弃物，这些有机废弃物含有生物质能，是有机肥的资源，如果不经处理就直接排放，会对土壤、水体等产生严重污染，也会对人们的生产生活造成不利影响。如对畜禽粪便处理不及时，会引起粪水横流，病菌传播，也会对生产生活环境造成不利影响。

养殖场所产生的畜禽粪便及废弃物等，在消化厌氧发酵过程中会产生大量沼气。如能将此沼气用于农户的生产生活，可提供大量的免费能源，起到缓解农村能源缺乏的现实情况[3]。厌氧发酵产生沼气，沼气利用项目可以实现能量循环，提高畜禽的产量。随着石化等不可再生能源的持续大量消耗，环境影响压力也在不断增加，因此如何利用可再生资源具有重大意义，畜禽粪便资源化利用能够为发展循环经济起到重要的作用。

畜禽废水经过厌氧处理后，可对其中大量的好氧菌群起到杀灭作用，对于大肠杆菌也有很强的杀灭效果，经过厌氧处理后的废水能够实现无害化排放。同时，氮、磷等元素基本上都以简单易吸收的结构形式状态保存下来。废水中也含有丰富的腐殖质，该部分废水如果应用于土壤改良，会使改良后的土壤富含有机肥，有利于农作物的吸收，可作为一种速效肥且效果很好。厌氧反应后的出水还可作为生物有机肥并在农田使用，施用经厌氧发酵后形成的沼液，可降低农作物的病虫害发作率，从而节省种植成本，减轻农民的经济负担，对环境的改善也能起到积极作用[4]。

大型厌氧发酵+沼气利用工程，不仅可改善和保护居民的生产生活环境，还可有效利用畜禽粪便，这种可再生能源的高效利用还可以带动地方经济快速稳定发展。沼气生产过程中产生的沼液、沼渣，可作为农业高效有机肥料，促进无公害农产品生产，促进循环经济的发展。

综上所述，开展畜禽粪污资源化利用项目，可改善区域居民的生活环境，并给项目地及周边百姓带来福利，因此建设该类项目十分必要。

2 厌氧发酵技术的现状

厌氧发酵技术在国外起步较早，德国、丹麦、荷兰等发达国家开发设计的沼气工程装备都已实现了系列化、标准化、工业化的三化过程，并且产品质量也已得到了大幅提升。工程装备的组装也早已达到规范化、模块化的程度。其中大型厌氧消化装置设计为圆柱型、立式罐形式，在结构上则多为钢结构形式，大多数为拼装罐体；对于较小型的厌氧消化装置一般容积较小，且多为圆柱型的立式、钢结构的罐状体。对于立式罐式的二级厌氧消化装置，在顶部一般都装设双膜储气罩或储气囊，组成发酵、储气一体化装置。这样的装置既节省了储气装置和占地面积，又解决了在寒冷地区冬季储气装置水封防冻的问题[5]。

3 厌氧发酵技术的比较

对于大型沼气综合利用工程建设，选择厌氧发酵技术是关键。处理技术工艺的合理性则直接关系到工程运行的稳定性及处理效果、工程投资额、工程运营成本和整个项目的管理操作水平等。

3.1 完全混合式反应器（CSTR）

完全混合式反应器（CSTR）是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态的反应器。污泥或污水连续或定期分批流入厌氧消化池中，通过与池内原有的厌氧活性污泥（厌氧微生物）充分接触混合后，污泥或污水在厌氧段被厌氧微生物吸收、吸附，最终被厌氧微生物降解，使其转化为沼气。搅拌装置一般每隔2～4h搅拌1次，且常采用中温发酵。

完全混合式反应器优点：1）可进入高SS含量原料；2）底物均匀分布；3）反应器内温度分布均匀；4）分散迅速；5）不易堵塞、沟流，避免气体逸出不畅。缺点：1）消化器体积大；2）能耗高；3）难混合；4）微生物易随出料流出。

3.2 厌氧接触（ACR）反应器

厌氧接触（ACR）反应器与CSTR厌氧反应器类似，同属于完全混合式厌氧发酵技术一类，但其是在CSTR厌氧反应器的基础上改进优化后所发展衍生出来的新一代具有更好厌氧发酵效率的反应器。该厌氧反应器将内部的物料厌氧发酵后，会排出大量混合液物，其中分为固体和液体，该混合物要先进入沉淀池进行沉淀，在该池内进行固液分离使固体沉淀在底部，污水则通过沉淀池上部的排污口排出，沉淀池下部沉淀下来的污泥则发生回流，再次进入厌氧消化池内。这样的厌氧发酵循环工艺既能有效确保活性污泥不发生大量流失，又能够起到提高污泥浓度的作用，从而使厌氧消化池中的活性污泥含量大量提高，并直接提高了有机物处理效率[6]。

3.3 升流式厌氧床（UASB）反应器

升流式厌氧床（UASB）反应器适用于低SS含量废水的处理，同时可保证较高的污泥浓度。其工作原理是，需处理的污水通过布水器进入UASB底部，水流由下向上流动，在向上流过的过程中流经絮状或颗粒状污泥床，该污泥床为厌氧状态。污水与污泥相接触的过程中，厌氧菌与污水中的有机物发生一系列厌氧反应，产生大量沼气，因沼气产生会引起污泥床体整体扰动。一部分沼气会附着在污泥颗粒上，大部分的自由气泡会上升至反应器的顶部。污泥颗粒在不断上升的过程中会逐渐撞击到三相分离器，三相分离器的下部挡板会起到阻碍作用，使自由气泡和被附着的气泡得到释放；被脱去沼气的活性污泥将流至污泥层表面。自由状态下释放的沼气，被收集至锥顶部的集气室。液体中含有的剩余活性污泥进入到三相分离器的沉淀区内，其他固体物包括生物颗粒在内，则从液体中被分离出来，再通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。

升流式厌氧床反应器优点：1）没有搅拌装置；2）负荷率高；3）工艺稳定；4）出水SS含量低。缺点：1）必须有三相分离器；2）对布水器性能要求高；3）进水水质对SS含量要求较严；4）运行技术要求高。

3.4 塞流式（HCPF）消化器

塞流式（HCPF）消化器是一种长方形厌氧消化装置，也是一种非完全混合式厌氧消化器，原料从该装置的一端进入，从另一端流出，整个过程呈活塞式推移状态。由于在该厌氧消化器内产生的沼气的作用，使整个搅拌作用呈现垂直搅拌状态。水解酸化作用的较强阶段主要表现在整个设备的进料端，在出料方向上，甲烷的产生量也越来越增大。该厌氧发酵设备一样需要进行固体回流。为有效避免微生物流失，一般会在消化器内设置挡板，以确保整个厌氧发酵过程运行稳定。

塞流式消化器优点：1）无需搅拌装置；2）适用于高SS的废水处理。缺点：1）反应器体积容易受到影响；2）温度难以保持一致，效率较低；3）易发生浮渣结壳；4）最大单体容积小。

3.5 升流式（USR）固体反应器

升流式固体反应器是一种造价低且结构简单的厌氧反应器，能自动形成比HRT较高的SRT和MRT，未反应的生物固体和微生物靠自然沉淀滞留在反应器内，可进入高SS原料，如畜禽粪水和酒清生产废液等[7]。

4 大型畜禽粪污厌氧发酵发电工程工艺设计

根据我国的实际情况，针对市场上较主流的技术，经大量研究对比，提出解决大型沼气发酵+发电的工艺流程：即“预处理+生物菌中温发酵+ACR+CSTR一体化+高效沼气发电组+优质有机肥生产线”为核心的处理工艺，该套工艺适合处理秸秆、畜禽粪便混合物料；配有高效生物菌，使产沼过程具有产气调试期短、运行稳定、产气率高等优点；配有沼气发电机组，增加经济收入；配有优质有机肥生产线，提高有机肥质量。工艺流程如下图。

秸秆经破碎机破碎后，通过铲车输送至预处理池中，预混池中装有潜水搅拌机，可将破碎的秸秆和水充分混匀（TS为8%），混匀后的物料采用螺杆进料泵泵送至生物预处理发酵罐，生物预处理后的秸秆溢流至出料池后用螺杆泵泵送至进料池。

厌氧发酵+沼气发电工艺流程图

发酵原料畜禽粪、尿和冲洗水等统一收集，收集的畜禽粪便通过输送机进入到混料池中，加入一定量的沼液或污水稀释，充分混匀（TS为8%），然后由输送机送至进料池内进行储备。使用养殖场产生的畜禽废水或上一步生产中产生的回流沼肥再一次稀释泡粪至TS为7%，被最终稀释后的合流粪污通过污水泵经过格栅进入匀浆水解池，合流粪污在水解池内发生水解反应和沉淀。养殖场生产生活过程中产生的废水被引入水解池中，将其中的混合物稀释至设计所需的固含量，通过搅拌装置对该混合料进行搅拌，再用提升设备将混合物料提升至厌氧反应装置中，进行厌氧沼气发酵，在这一厌氧反应过程中使混合物发生消解，从而使大部分污染物得到消解处理。

畜禽粪污经厌氧反应器发酵处理后会产生大量沼气（一般为500m3/t左右），所产生的沼气先进入水封器，以防沼气发生泄漏。沼气进入气水分离装置后再进入脱硫塔等装置进行净化处理，然后通过气体流量计计量后，将产生的沼气储存到双膜式储气柜或一体化储柜，最后进入沼气发电机组，产生的电量上网。

发电机组产生的余热，可供给匀浆水解池和厌氧反应器使用，因此不需要任何外加燃料。剩余的热量，可供给周边的养殖场或园区内供暖使用。

CSTR反应器反应后流出的发酵后料液首先通过出料管流至水封池，再通过重力管道流进设置好的出料池；排出来的沼肥在出料池中被泵送至固液分离装置，进行固液分离操作，最终完成沼液和沼渣的分离。分离出来的沼渣可通过沼渣生产线制作成有机肥，出售或自用，沼液则经过处理后，可用于农田灌溉，实现资源的循环利用。厌氧发酵后的发酵混合液经过固液分离装置进行固液分离，沼渣可用于生产固态有机肥，沼液可用于果园、农田、无公害蔬菜基地等。在不需要使用肥料的季节，沼液可通过氧化塘储存或通过氧化塘净化处理达到畜禽废水排放标准后排放。