中温发酵技术在沼气工程提升改造中的应用探讨

2018-09-17尤滨乾

浙江农业科学 2018年9期

尤滨乾

(海宁市新能源技术服务站，浙江海宁 314400)

浙江嘉兴于2008年启动开展了以沼气为主要技术手段的养殖污染集中整治行动。目前，规模化畜禽养殖场已普遍建造了沼气综合利用工程和剩余污水纳管工程，实现了养殖粪污的无害化处理和资源化利用。但是，受当时技术资金等条件制约，沼气工程大多采用常温发酵技术，沼气利用主要局限于对场内及周边农户进行集中供气[1]，加上后期养殖规模和生产工艺调整及后续维护等原因，普遍存在工程运行效率偏低的状况[2]。

以沼气生物天然气为主要处理方向，以就地就近用于农村能源和农业有机肥为主要使用方向，加快推进畜禽养殖废弃物的处理和资源化利用，关系农村生产生活环境，关系农村能源革命。为此，有必要对现有沼气工程进行技术改造，提升养殖粪污处理和资源化利用效率[3]。以某养殖场沼气站为实例，对中温发酵技术[4]在沼气工程提升改造中的应用进行探讨，以期为进一步提升沼气工程运行效率提供参考。

1 沼气站基本情况

沼气站废水处理量约为30 t·d-1，干物质含量(TS)约为5.5%。

站内安装螺旋挤压式固液分离机1台，粪污处理量15 t·h-1，固态物去除率30%。挤压分离后产生的固态物1.65 t·d-1，含水率约70%，免费供周边农户作有机肥使用，产生的液态物28.35 t·d-1，含固率4.07%，自流入厌氧池进行沼气发酵。

站内建有地埋式厌氧池600 m3，水力负荷约0.05 m3·m-3·d-1，水力停留时间约20 d。采用常温发酵：冬季1—2月池温最低，约10 ℃，容积产气率0.1 m3·m-3·d-1，产气量60 m3·d-1；夏季8月份池温最高，约25 ℃，容积产气率0.6 m3·m-3·d-1，产气量360 m3·d-1。

沼气集中供气农户150户，用气量约200 m3·d-1。因此，养殖场在夏季除保持沼气正常供应外还有富余，冬季为避免用气纠纷只能对农户停止供气。

2 初步设计思想

沼气池进料量28.35 t·d-1，TS 4.07%，如果完全发酵，产气量为0.42 m3·kg-1，可产沼气约485 m3·d-1。因此，通过对工程进行提升改造，进一步提高生物质能转化率，完全可以保证沼气的常年正常供应。

温度是厌氧发酵的重要外因条件，是决定沼气产量和质量的关键因素之一，温度过高、过低或者不稳定都会影响沼气发酵。在选择沼气发酵温度时，不仅要考虑产气率，还要考虑保持温度所需能耗。对于高浓度猪粪污水，采用26～30 ℃的操作温度进行中温发酵，可以在保证处理效率的同时，显著提高净能产量。

基于上述分析，技术目标初步定为：在保持沼气池规模、水力负荷、进料浓度等参数基本不变的前提下，采用中温发酵技术对现有沼气工程进行提升改造。设计发酵温度30 ℃，水力停留时间保持在20 d，相对产气率为86.5%，容积产气率0.7 m3·m-3·d-1，产沼气量约420 m3·d-1。

3 能量需求侧分析

要使厌氧发酵系统温度保持恒定，必须使每天的能量输入Q与输出Q′相等。系统能量损耗Q′主要由3部分组成：料液“冷进热出”过程中出现的热量转移损耗Qa，厌氧系统与外界介质之间的热传递损耗Qb，增温管道向外界散发热量损耗Qc。

Q=Q′=Qa+Qb+Qc；

Qa=Cm(Tin-Tout)；

Qb=t(Tin-Tout)/[(α1S)-1+b1(λ1S)-1+b2(λ2S)-1+(α2S)-1]；

式中：C为料液比热，kJ·kg-1·℃-1；m为日进料量，kg；Tin为厌氧池内料液温度，℃；Tout为进料料液温度，℃；t为日散热时长，24 h；α1为池内壁对料液的传热系数，W·m-2·℃-1；S为池顶部散热面积，m2；b1为池顶部钢砼层厚度，m；λ1为池顶部钢砼层导热系数，W·m-1·℃-1；b2为池顶部覆土层厚度，m；λ2为池顶部覆土层导热系数，W·m-1·℃-1；α2为池顶土表层对空气的传热系数，W·m-2·℃-1；Tj为增温管进水温度，℃；Tk为外界空气温度，℃；Lj为增温管进水段长度，m；Tc为增温管出水温度，℃；Lc为增温管回水段长度，m；α3为增温管内壁对水的传热系数，W·m-2·℃-1；r1为增温管内半径，m；r2为增温管外半径，m；λ3为增温管导热系数，W·m-1·℃-1；r3为增温管保温层外半径，m；λ4为增温管保温层导热系数，W·m-1·℃-1；α4为增温管保温层对空气的传热系数，W·m-2·℃-1。

由于沼气池为地埋式，池壁和池底的热阻远大于池顶部，且与池顶部热阻并联，因此Qb计算式中忽略池壁和池底的热量损耗。此外，土壤成分、太阳辐射、空气流动等都会对相关系数造成影响。

初步计算表明：对于保温性能良好的沼气池，中温发酵用于加热新投放料液的能量Qa占系统热耗Q′的90%以上。在浙北地区，对新进料液加温至35 ℃，基本可以保证系统在30 ℃以上运行。据此，按新进料液比热近似取水的比热4.2 kJ·kg-1·℃-1，冬季进料温度取5 ℃做简单估算，系统冬季每天所需热量为3 572 MJ。

4 能量供给侧分析

可供选择的热量供给方式主要有电热增温、热泵增温、太阳能增温、沼气热水炉增温、沼气发电回热增温。系统运行时，对水加热，使热水在增温管道内循环，热水热量透过管道传递给料液。此外，还有高温烟气增温法，但设备和技术要求较高，不适用于中温发酵。

4.1 电热增温

热效率约为80%，冬季耗电量约为3 572 MJ·d-1÷80%=4 465 MJ·d-1=1 250 kW·h·d-1。全天候运行，功率约为50 kW。

4.2 热泵增温

耗电量约为电热膜的35%，即1 240 kWh·d-1×35%=437.5 kW·h·d-1。全天候运行，功率约为18 kW。

4.3 太阳能增温

集热面积A=Q/(Iη1)，式中：I为集热面日照辐射强度，取13.5 MJ·m-2·d-1；η1为太阳能利用率，取65%。经测算，太阳能集热器面积约为400 m2。

4.4 沼气热水炉增温

所需沼气量V=Qq-1η-1，式中：q为沼气热值，取23 MJ·m-3；η为沼气热水炉的热效率，取80%。则，沼气用量约为195 m3·d-1。

4.5 沼气发电回热增温

沼气发电效率取30%，可回收冷却水和排气中的热量约占沼气提供总热量的50%，其余20%未利用。因此，沼气用量为310 m3·d-1，此时沼气发电量为300 kW·h·d-1。假设沼气发电机组满负荷运行6 h·d-1，则功率为50 kW，具体可结合养殖场用电实际进行机组配置。

5 技术实用性分析

目前，沼气集中供气在用气收费问题上，养殖场和农户间往往难以达成一致：农户认为生猪养殖影响环境，免费供气理所当然；养殖场认为自己贴钱给农户进行冬季供气是赔本赚吆喝，还不如继续维持原状。因此，如果采用电热增温或热泵增温方式虽然可以保障冬季供气，但后续运行的电费来源是个问题，模式运行缺乏可持续性。

太阳能增温受气候影响较大，初始投入较高，优点是运行维护成本较低。因此，建议不单独采用，可以与其他增温方案配合使用。

采用沼气热水炉增温，以气养气，工艺简单，投资少，后续维护方便，运行成本较低，缺点是相对于养殖场来说，缺乏经济上的吸引力。冬季总产气量为420 m3·d-1，增温设备耗气量为195 m3·d-1，结余225 m3·d-1，能基本满足现有沼气集中供气农户使用。

目前，纯沼气发电技术已经成熟，购置一套50 kW沼气发电机组，发电300 kW·h·d-1，按0.62元·kW·h-1计，可节约电费开支6.8万元·a-1，运行3 a可基本收回投资和运行成本，具有一定的经济效益(表1)。采用沼气发电回热增温，冬季总产气量为420 m3·d-1，耗气量为310 m3·d-1，结余110 m3·d-1，不能满足现有沼气集中供气农户用气需求。要保证系统运行的可持续性，必须进一步解决产气少的问题。

表1 5种增温模式的成本与效益对比

6 工艺优化

为进一步提高系统运行的经济、社会和生态效益，对原有工艺进行调整优化，将固液分离环节后置为对沼渣进行固液分离，从而提高进料浓度，进而提高产气量。具体实施上：废水30 t·d-1，TS 5.5%，直接进入沼气池进行中温发酵，从而在水力负荷基本不变的条件下，有机负荷增加43%，产气量相应增加约40%，约为590 m3·d-1，若发电用气量不变，则结余280 m3·d-1，在满足现有沼气集中供气农户用气需求的情况下还提供了进一步提升项目效益的空间，有利于缩短投资回收期。对沼液沼渣进行固液分离，挤压分离后产生的固态物作有机肥使用，产生的液态物除部分用于沼气池回冲搅拌外，其余流入沼液池和氧化塘。沼液经沉淀和氧化后，除部分用于冲洗猪舍外，其余用于农田灌溉施肥。

该技术工艺除保障农户用气和提高发电效益外，还具有以下特点：1)沼渣不具备猪粪的黏性，对沼渣进行固液分离，可以减少固液分离机组故障发生率；2)固液分离产生的固态物质已经过厌氧发酵，肥效更好；3)中温发酵可以提高污水处理效果，同时，沼液回冲搅拌能进一步提高生物质转化率及沼气产气率；4)沼液具备一定的杀菌抗病能力，回用于冲洗猪舍，可实现循环利用和源头减量；5)农户用气通常集中在早上和晚上，以及节假日等，结合沼气发电，可以平衡用气，防止沼气空排；6)夏季产气较多，农户用气偏少，又时值用电高峰，可进一步增加发电量，保障电力稳定供应，避免拉闸限电对生猪生产带来的不利影响；7)沼气发电产生的多余热能和电能可直接用于沼液深度净化处理，从而降低污水处理成本。