新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置在规模化养猪场处理高浓度养殖污水中的应用

2018-09-10肖艳春黄婧李洁陈彪

福建农业科技 2018年2期

肖艳春黄婧李洁陈彪

摘要：研发一种新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置，解决以往沼气池建池成本高以及冬季产气速率低的问题。在福建莆田某规模化养猪场应用结果表明：该HDPE防渗膜厌氧发酵装置施工方便，适应性强，厌氧消化能力强，工程造价为同类型沼气池1/10左右，对养殖污水消化降解效果显著，具备良好的经济和环境效益。

关键词：HDPE防渗膜；规模化养猪场；养殖污水；产气量；产气速率

DOI： 1013651/jcnkifjnykj201802012

Application of a New Anaerobic Fermentation Device with HDPE Antiseepage Membrane in

the Treatment of High Concentration Wastewater in a Largescale Piggery

XIAO Yanchun， HUANG Jin， LI Jie， CHEN Biao*

（Institute of Agricultural Engineering and Technology， Fujian Academy of

Agricultural Sciences， Fuzhou， Fujian 350003）

Abstract： A new type of anaerobic fermentation device with HDPE antiseepage membrane was developed to solve the problems in high cost of biogas tank construction and low gas producing rate in the winter. The application results received from a largescale piggery in Putian City of Fujian Province showed that the anaerobic fermentation device with HDPE antiseepage membrane was convenient in construction， had strong adaptability and strong anaerobic digestion capability. The cost of project was about 1/10 of the same level of biogas digester， and it had a remarkable effect on the digestion and degradation of breeding wastewater and possessed good economic and environmental benefits.

Key words： HDPE impervious membrane； largescale piggery； breeding wastewater； gas production； gas producing rate

在厭氧条件下厌氧发酵装置通过微生物的代谢活动消化降解大部分有机物并产生甲烷和二氧化碳等气体，在养殖污水处理领域中得到广泛应用，国内外诸多研究机构在厌氧消化工艺技术、型体结构及主体材料、应用效应等方面做了大量的基础研究和创新性研究[1-3]，推动了厌氧消化技术的推广和应用，特别是在我国农村能源建设和规模化养殖场大中型沼气工程建设中的广泛应用，为提供清洁能源和养殖污染物处理做出巨大贡献。但是，厌氧消化环境条件要求高密封性、技术应用的适应性以及工艺运行的高效性和稳定性，随着材料科学技术的发展和创新性应用，针对厌氧发酵装置建造基材及其相应配套技术的开发应用，已成为诸多专家学者和政府职能部门共同关注的热点，以期突破厌氧消化技术应用的高成本、低效应等产业发展技术短板。

但目前应用的沼气池、罐等厌氧装置还有诸多缺点，如沼气池建池成本高、浮渣易结壳导致原料利用率和产气率低。为实现发酵装置高效产气，国内外许多学者在搅拌系统和增温系统方面开展了大量的研究工作[4-5]。吕建强等[6]设计了一种PJ-240型液壳破碎搅拌器，与沼气池综合服务车配套使用，对沼气池日常使用中出现的浮渣结壳进行破碎，提高了沼气池产气量。李金平等[7]研究了环境温度在-198～-100℃时，采用296 m2 的全玻璃真空管太阳能热水器加热3 m3软体沼气池的产气性能，平均日产沼气1380 m3，池容产气率为046 m3·m-3·d-1，甲烷平均体积分数582%，系统可保证4～5 口农户的生活燃气需求。然而，大部分的研究都是在小型试验装置上进行，个别中试研究造价不菲。为此，在课题组前期研究的基础上[8]，研发一种新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置，并在福建莆田某规模化养猪场开展示范应用，并跟踪监测其应用效果。

1规模化养猪场及粪污水质概况

福建莆田某规模化养猪场是一家国家生猪储备基地，母猪存栏5000头，生猪存栏50000头。猪场实行雨污分流，采用干清粪+刮粪板的清粪工艺，粪污日排放量894 t，总固体502 t。

2新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置构造

肖艳春等：新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置在规模化养猪场处理高浓度养殖污水中的应用2018年第2期2018年第2期肖艳春等：新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置在规模化养猪场处理高浓度养殖污水中的应用新型HDPE厌氧发酵装置为本课题组的前期研究成果[9]（专利号：ZL 2016210744262）。该装置以高密度聚乙烯膜（HDPE膜）为厌氧发酵装置建造材料，充分保障了厌氧发酵装置材料力学性能及密封性；在型体设计上采用椭球体结构设计（a=Kb和c=b/K，所以V=4πb/3，参数K值的选择结合建设场地条件按c≤5 m条件确定，椭球体长轴半径a、短轴半径b、Z轴轴向半径c）；在进料管处设计90°叉形管形成双向射流，实现厌氧装置内新旧料液的无动力均衡搅拌；在覆膜厌氧装置内设计螺旋式导热管[10]，热能来源于沼气发电余热[11]，实现养殖污水处理厌氧消化附产物的高值化循环利用。HDPE装置构造示意图如图1所示。

1：半椭球形凹坑；2：下覆膜；3：上覆膜；4：进料管；5：导气管；6：覆土；7：导热管；8：出料管；9：进料过渡井；10：出料过渡井

3新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置的应用

31新型HDPE装置设计规模

福建莆田某规模化养猪场猪场粪污日排放量894 t，以HRT=35 d计，依据厌氧消化反应装置的总有效容积计算公式：V=QT，式中V-厌氧反应装置的总有效容积（m3）、Q-设计处理量（m3·d-1）、T-设计水力停留期（d），设计新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置总有效容积为894 t·d-1×35 d=31290 m3，取K=40计算求得b=195、c=49、a=78。

32新型HDPE装置选材

综合建设要求、建设条件和建设所在地特点，选用由975%高密度聚乙烯及25%的炭黑组成的HDPE防渗膜，化学稳定性好，具有较高的刚性和韧性，机械强度好，耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好，具有优秀的抗老化、抗紫外线、抗分解能力，可裸露使用，材料使用寿命达30～50年，为环境渗透提供很好的材料保证。

为稳定养殖有机废水的处理规模与水质，并综合考虑HDPE膜成本，下覆膜选用15 mm的HDPE防渗膜。上覆膜即在HDPE装置顶面覆盖一层HDPE膜漂浮在污水水面上，由于常年被太阳暴晒，必须含紫外线吸收剂等，因此，选择20 mm HDPE防渗膜保证其使用寿命。

33新型HDPE装置建设方案

HDPE装置施工过程简单，包括土方开挖、基础夯实、集气管铺设、底膜及边坡铺设、顶膜铺设和沼气利用设施安装等过程。

331土方开挖挖设78 m×20 m×5 m（取整数）的半椭球形凹坑，在离凹坑边缘10 m挖设锚固沟，沟的深度和宽度分别为10 m，清理坑内及沟内硬物并均匀碾压夯实，碾压密度达到《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T231-98）的要求。

332管道铺设沼气池开挖后，根据现场实际状况，开挖盲沟，铺设进水管、出水管、排渣管等，排渣管底部紧贴底膜，进料管位于离底部2/3高度之椭圆长轴顶端处，出料管高出进料管20～30 mm。进料管端口安装90°叉形管，叉形管的交叉点位于椭圆形长轴位置的1/16，叉形管的两出料点连线中点位于椭圆形长轴的1/8位置。底膜内侧设计环形导热管，呈倒锥形弹簧布置，其进端位于下部，导热管的出端位于上部，导热管的进、出端错位180°。

333HDPE膜铺设采用15 mm厚度的HDPE防渗膜进行底部防渗，膜与膜之间接缝的搭接宽度不小于100 mm，使接缝排列方向平行于最大跛脚线，即沿坡度方向排列。HDPE膜焊接多使用楔焊机和挤压熔焊机。接缝宽度范围内有两道焊缝（双保险），每道焊缝宽度不小于10 mm，焊缝处HDPE防渗膜熔接为一个整体，不得出现虚焊、漏焊或过焊。避免边坡膜面“起鼓”或“悬空”。沼气池基础设施、管道铺设、底膜铺设都完成后，采用20 mm厚度的HDPE膜进行整体焊接覆盖顶部。HDPE底膜铺设后，素土填20 cm厚，待铺顶膜后，锚固沟用素土填平夯实。

34新型HDPE装置建设成本概算

猪场常年存栏规模为母猪5000头、生猪50000头。经核算，建设31290 m3 HDPE厌氧发酵装置的总投资为190万元。其中，挖土方、焊接及工人工资等建筑工程费为135万元；根据椭球体表面积公式S=4/3π（ab+bc+ac）及10%余量（锚固、搭接及漏补焊部分），HDPE装置所需的15 mm HDPE膜为35元·m-2、20 mm HDPE膜为40元·m-2，加上PE管、PVC管的少量费用，建筑材料费为55万元。HDPE厌氧发酵装置整体工程造价约为60元·m-3，与传统钢筋混凝土沼气池的建造成本1200元·m-3相比，节约建造成本3650万元；与陈贺亮等[12]计算的沼气池整体工程造价149元·m-3相比，节约建造成本2785万元。

4运行效果与经济效益分析

41水质检测结果

HDPE防渗膜厌氧发酵装置运行效果较稳定，在2017 年1月至12 月期间对该HDPE发酵装置进出口多次采样检测，主要污水指标参数CODCr 、BOD5 、SS、大肠杆菌和蛔虫卵见表1所示。粪便污水经过HDPE装置后，CODCr 、BOD5去除率分别达到839%、852%，悬浮物指标SS 去除率达到856%，大肠杆菌和蛔虫卵去除率分别达到923%和947%。说明在厌氧发酵中HDPE装置运行效果较好，也说明厌氧发酵是污水处理中的重要环节。

2017 年1月至12 月期间，HDPE装置发酵温度、CODcr和容积产气率随时间变化情况运行效果如图2、3所示。全年沼气池平均进料CODcr 67992 mg·L-1，全年沼气池平均出料CODcr 10992 mg·L-1，CODcr去除率839 %；全年沼气发酵温度平均35℃，沼气容积产气率为079 m3·m-3·d-1，比官雪芳等[13]设计的联动沼气池发酵工艺沼气容积产气率（075 m3·m-3·d-1）提高了53%，这与新型HDPE厌氧装置的设计与HDPE防渗膜材料紧密相关，HDPE厌氧装置的优点主要体现在中温动态发酵，由此提高了容积产气率。

43全年产气能力及经济效益分析

该HDPE装置恒温产气系统可全年稳定连续运行，容积产气率为079 m3·m-3·d-1，31290 m3HDPE厌氧发酵装置全年累计产气9022万m3；以1 m3发15度电，及每度电上网电价07元计，则年发电收益为812万元，扣除建设成本190万元，年盈利622万元，具有显著的经济效益。

5讨论与结论

在莆田市气候条件下，新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置内设置热交换系统，利用发电机产生的余热对HDPE防渗膜厌氧发酵装置进行加热，并在进料管处设计90°叉形管，系统实现了35℃恒温动态厌氧发酵，提高了HDPE装置冬季的产气效果。通过对HDPE厌氧装置实际运行12个月情况的测试，结果表明：HDPE厌氧发酵装置全年沼气发酵温度平均35℃，平均池容产气率为079 m3·m-3·d-1，比常規传统沼气池最高的03 m3·m-3·d-1提高了163%，CODCr 、BOD5去除率、悬浮物指标SS去除率分别达到839%、852%、856%，大肠杆菌和蛔虫卵去除率分别达到923%和947%。这是由于厌氧装置内设计了新旧料液无动力均衡搅拌和恒温装置，在恒温状态下保证充分搅动了该装置中的厌氧菌，增加了甲烷菌和发酵原料的分布均匀度及接触概率，保证沼气池内发酵温度的均一稳定，提高甲烷菌活动能力和繁殖能力，加快发酵原料中有机质的分解速度以及甲烷气体从液体中分离的速度，从而提高沼气池产气率；同时也有利于进一步提高厌氧产气效率和出水水质，并实现了养殖污水处理厌氧消化附产物的高值化循环利用。

参考文献：

[1]陈彪，陈敏，钱午巧，等规模化养猪场粪污处理工程设计[J]农业工程学报，2005，21 （2）：126-130

[2]何仁真黑膜沼气池和一体化处理设备组合的工艺设计与效果[J]安徽农学通报，2014，20（21）：78-79

[3]包武，李元钦，钱午巧，等福建省生猪养殖污染状况及治理对策[J]安徽农学通报，2013，19（18）：90-94，105

[4]薛庆玲，王惠生，刘艳敏塞流式沼气池气动搅拌装置的研究[J]农机化研究，2010，32（3）：58-61

[5]李金平，甄箫斐，杨霭蓉，等户用太阳能恒温沼气生产系统全年产气性能试验[J]农业工程学报，2016，32（10）：220-225

[6]吕建强，吕宸，王连沼气池的结壳及破壳器设计[J]农机化研究，2014（10）：228-231

[7]李金平，单少雄，董缇地上式户用太阳能恒温沼气池产气性能[J]农业工程学报，2015，31（5）：287-291

[8]陈彪，黄婧，林敬培，等双水压式玻璃纤维增强塑料沼气池工程技术与应用效益[J]福建农业学报，2013，28（1）：85-90

[9]陈彪，黄婧，肖艳春，等覆膜厌氧发酵装置：中国，ZL 2016210744262[P]20170825

[10]李严恒温式沼气池自动增温系统设计[J]中国农机化学报，2013，34（5）：161-162，189

[11]黄婧，肖艳春，李洁，等规模化养殖场沼气工程不同热供方式能耗分析[J]福建农业科技，2017（5）：9-12