生猪养殖废水厌氧处理最适运行温度估算

2021-04-15马玉新赵文军贾学斌马维超

黑龙江大学自然科学学报 2021年1期

马玉新，赵文军，贾学斌，马维超，陶冉

（1.黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨150080；2.黑龙江大学黑龙江省村镇饮水安全工程技术研究中心，哈尔滨150080）

0 引言

近年来，在国家政策引导下，黑龙江省禽畜养殖业发展迅速［1-3］。畜禽养殖会产生大量的粪污，成为主要的污染源之一，如处理不当会引发环境污染［4-6］。厌氧发酵是禽畜养殖废水处理的一个重要工艺单元［7-9］。厌氧处理受多种环境因素的影响，其中温度是影响沼气发酵的重要因素［10-12］。温度波动同样会影响厌氧发酵过程中微生物菌群的活性，从而对产气效率产生影响［13］。而黑龙江省冬季漫长寒冷，气温较低，反应体系内外温差大，在无增温措施时其温度会降低或温度波动过大，造成沼气产量低，甚至无法维持发酵系统本身的运行［14-15］。沼气工程多采用热源来提供系统维持温度稳定需要的能量［16-17］。根据能量平衡估算，当发酵温度为35℃时，物料加热的耗能占总能耗的90%以上，发酵温度每提高1℃，则用于物料加热的能耗和反应器通过热辐射损失的能量就要增加4%左右［18-19］。为了降低系统冬季运行的费用，同时保证其在冬季运行的稳定性，可适当地降低发酵温度。目前，该方面计算和研究较少。因此，本文以运行温度为出发点，兼顾能量获取和环境保护两个方面，以生猪养殖废水作为处理物质，利用黑龙江省近5年的日平均气温数据来计算沼气工程的产能和耗能情况，从而得到黑龙江省沼气工程在最大原料产气率和最大容积产气率两种运行模式下的最适运行温度，为已建的禽畜养殖废水厌氧反应器运行的节能增效提供技术和计算方法支持。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文分析采用的生猪养殖粪水的厌氧处理运行工艺参数如表1所示［20］。以黑龙江省哈尔滨市双城区某沼气工程的一次厌氧反应器为例进行能量平衡估算，厌氧反应器的材质为6 mm的不锈钢板，尺寸如图1所示。每日进水量和浓度根据最大容积产气率和最大原料产气率所对应的工艺条件进行计算。

表1 生猪养殖废水厌氧发酵运行数据[20]Table 1 Anaerobic experimental data of swine slurry[20]

1.2 最适运行温度计算

1.2.1 产能计算

厌氧反应每年总产能E为［19，21］：

式中：E为年总产能，kJ·a-1；TS为料液总固体含量，%；Win为每日进料量，t·d-1；q为原料产气率，m3·（kg·TS）-1；e为沼气热值，kJ·m-3，本文取21 000 kJ·m-3。

1.2.2 耗能计算

在沼气工程实际运行过程中，其耗能主要为反应器主体散热、管道散热、出料带走的热量、气体带走的能量、物料加热的耗能以及搅拌等的能耗，其中沼气带走的能量及搅拌等的能耗可以忽略不计［15，22］。

（1）每天加热物料所需的热量为：

式中：Q1为用于加热物料的能量，kJ·a-1；Win为每日进料量，t·d-1；C为厌氧发酵液的比热容，kJ·（kg·K）-1，本文取4.2 kJ·（kg·K）-1；T为厌氧发酵温度，℃；Ts为环境温度，℃，如Ts≤0℃时，令Ts=0［21］。

（2）散热

厌氧反应器的散热损失为［18，20］：

图1 厌氧反应器示意图Fig.1 Diagram of anaerobic reactor

式中：Q2为厌氧反应器的散热量，kJ·a-1；S为厌氧反应器顶、壁和底的散热面积，m2；T为厌氧反应器运行温度，℃；Ts为环境温度，℃；K为厌氧反应器顶、壁和底部的传热系数，kJ·（m2·h·℃）-1，其计算公式为：

式中：K为厌氧反应器顶、壁和底的传热系数，kJ·（m2·h·℃）-1；α1为厌氧反应器内表面传热系数，kJ·（m2·h·℃）-1，污泥和沼气传到不锈钢罐壁导热系数分别为1 256和31.4 kJ·（m2·h·℃）-1；α2为厌氧反应器外表面传热系数，kJ·（m2·h·℃）-1，罐外壁到空气和土壤的导热系数分别为23和4.2 kJ·（m2·h·℃）-1；σ为厌氧反应器各部分结构层和保温层厚度，m；λ为厌氧反应器各部分结构层和保温层导热系数，kJ·（m2·h·℃）-1，本计算设定保温层厚度为0，反应器材质为不锈钢，厚度为6 mm，导热系数为58 W·（m·K）-1。

将E/Q值最大对应的温度定义为最适运行温度。

2 结果与讨论

2.1 以原料产气率计算

2.1.1 基于最大原料产气率的产能和耗能计算

在原料产气率较高时，COD的去除率也相应较高，废水处理程度提高。因此，从环境保护角度出发，以最大原料产气率及相应的有机负荷计算最适经济温度，此条件下的COD去除率较高。根据表1中的最大原料产气率的实验结果［20］拟合得到产能E、加热所需要能量Q1和散热Q2与发酵温度T的关系分别符合公式：E=1.07×107T2-2.132×108T+9.52×108（R2=0.97）、Q1=2.32×107T2-5.85×108T+3.84×109（R2=0.997）和Q2=1×106T2+3×107T+4×108（R2=0.999），如图2所示。这三个公式均经过ANOVA检验，其Prob＞F分别为0.004 33、0.000 09和0.000 004。因此，其可以表示产能E、加热所需要的能量Q1和散热Q2与发酵温度T之间的变化关系。

2.1.2 最适温度的计算

E/Q～T的关系如图3所示，可以看出，E/Q的变化可以分为3个阶段：在10℃～20℃，E/Q随厌氧发酵温度的增加呈线性增加的趋势，且增长速度缓慢；当温度从20℃升高到25℃，E/Q迅速升高；在25℃～35℃，E/Q呈先降低后增加的趋势。因此，以最大原料产气率计算，在10、15、20、25、30和35℃这6个发酵温度中，25℃是最适宜的发酵温度。当厌氧发酵温度为25℃时，有机负荷为4.0 g TS·（L·d）-1时，生猪养殖废水的COD的去除率可达到87.0%，兼顾了产能和污水处理效果［20］。

图2 E～T、Q1～T和Q2～T曲线Fig.2 Curves of E～T，Q1～T and Q2～T

图3 E/Q～T曲线Fig.3 Curve of E/Q～T

2.2 基于最大容积产气率的最适经济温度计算

2.2.1 基于最大容积产气率的产能和耗能计算

如果利用沼气工程处理生猪养殖废水主要是为了最大化的获取能量，那么最适经济运行温度应采用最大容积产气率进行计算。根据表1中的最大容积产气率的实验结果［20］拟合得到产能E、加热所需要的能量Q1和散热Q2与温度T的关系分别符合公式：E=4×107T2-6×108T+2×109（R2=0.990）、Q1=4×107T2-8×108T+4×109（R2=0.999）和Q2=1×106T2+3×107T+4×108（R2=0.999），如图4所示。这三个公式均经过ANOVA检验，其Prob＞F分别为0.000 96、0.000 038 3和0.000 004。因此，其可以表示产能E、加热所需要的能量Q1和散热Q2与温度之间的变化关系。

Q1/Q随温度的变化如图5所示。由图可知，当沼气工程无论是按照最大容积产气率还是原料最大产气率运行时，加热物料所需的热能均随着发酵温度的升高而增加，按最大容积产气率运行时的Q1/Q比按原料最大产气率运行时的Q1/Q约高30%。例如在25℃时，沼气工程以最大容积产气率和最大原料产气率运行时，Q1/Q的值分别为85.7%和67.0%，增加了27.9%。究其原因是由于最大原料产气率和最大容积产气率两种模式下沼气工程运行的有机负荷不同，最大容积产气率模式沼气工程的有机负荷相对较高。文献［20］采用进料VS不变、改变进料体积（不同停留时间）来改变有机负荷。最大原料产气率模式对应的有机负荷为4.0 g TS·（L·d）-1，水力停留时间（HRT）为2.5 d，而最大容积产气率模式对应的有机负荷为6.0 g TS·（L·d）-1，水力停留时间为1.7 d。因此，最大容积产气率模式，由于料液停留时间短，加入的料液量较最大原料产气率模式多了1/3，故所需要的加热能量也相应增加了约30%。

图4 E～T、Q1～T和Q2～T曲线Fig.4 Curves of E～T，Q1～T and Q2～T

图5 Q1/Q随温度的变化Fig.5 Curves of Q1/Q～T

2.2.2 最适温度的计算

图6 E/Q～T曲线Fig.6 Curve of E/Q～T

以最大容积产气率为沼气工程的运行条件时，其E/Q～T的关系如图6所示。可以看出，E/Q呈随厌氧发酵温度先增高后降低，然后再升高的趋势。当温度从10℃升高到25℃，E/Q迅速升高；在25～30℃，E/Q呈降低趋势；30℃之后，E/Q又开始升高。因此，以最大容积产气率计算，在10、15、20、25、30和35℃这6个发酵温度中，25℃最为适宜。当厌氧发酵温度为25℃，有机负荷为6.0 g TS·L-1，水力停留时间1.7 d时，生猪养殖废水的COD的去除率可达50.9%以上，但产能是最大原料产气率的4倍。

当有机负荷和水力停留时间相同时，沼气工程运行温度为25℃和30℃的能量值如表4所示。由表可知，当其他操作条件相同时，发酵温度越高，产能与耗能之间的差值越大。两种运行模式下，沼气工程运行温度由25℃升高到30℃，其产能增加约6.0%，但能量需求增加30%左右。因此，提高发酵温度意味着需要投入更多的资金来维持沼气工程的稳定运行。目前，黑龙江省已经建设的沼气工程有10多万处，大部分发酵温度在30℃左右。如果现有的沼气工程按照最适经济温度运行，那么耗能可下降20%，而产能仅下降6%左右。因此，冬季可节省大量的运行成本。