半干式厌氧发酵沼气工程运行性能测试

李靖李爱芹赵国明袁存亮邢向欣张重张蕾蕾张旭

(1.吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022；2.吉林农业大学工程技术学院，吉林 长春 130118)

引言

随着我国畜牧业的迅速发展，每年畜禽养殖粪便产生量也十分巨大，据统计，2010年我国规模化养殖场所产生的畜禽粪污量可达20.5亿t[1]，但仅有44%得到了有效利用。畜禽粪便特点是含固量高、有机质含量高并且还存在虫卵、病原体等物质[2-4]，若不经过处理而直接进行排放则会严重污染环境，并且造成疾病的传播，因此如何将畜禽粪便进行无害化处理已成为当下主要的研究方向[5,6]。

厌氧发酵作为畜禽粪便有效利用的一种解决方法，不仅能够对畜禽粪便进行无害化处理，而且能够产生清洁能源的同时，发酵底物也可加工成有机肥施于田地中，这样既能够实现畜禽粪便的资源化利用,也能维持畜禽养殖业的可持续发展[7,8]。目前，我国规模化的养殖场中，养牛场占据了主要一部分，而其中牛粪的产量也是十分巨大，传统的水冲粪的清洁形式不仅加大用水量造成水资源的浪费，而且还对后续的无害化处理造成极大的压力。因此，现如今我国规模化的畜禽养殖场多采用干清粪的处理方式。其中，干清牛粪中有机质含量高达80%～85%，多糖类物质占27%～32%，粗蛋白占9%～23%[9]。牛粪的C/N基本为25∶1，适合进行厌氧发酵，但高浓度的干清牛粪在进行厌氧发酵过程中易造成酸化、发料等现象，选择适合的厌氧发酵工艺则直接影响厌氧发酵效果[10]。因此，针对上述问题本研究提出干清牛粪厌氧发酵工艺技术与装备，并以采用该技术的吉林省农业机械研究院乾安县牧羊厂300m3沼气示范工程为例，对运行情况进行分析，进而为我国畜禽粪便资源化利用提供高效利用途径。

1 畜禽干清粪便厌氧发酵沼气工程关键技术

畜禽干清粪便厌氧发酵存在的问题主要是因为浓度高物料易酸化，并且在厌氧发酵过程中易出现发料的现象[11]，因此要选择合适的工艺与搅拌方式。笔者所在团队则是针对上述问题，自行研发了一种星型卧式旋流搅拌立式圆柱型反应器用以进行厌氧发酵，通过设计计算建立了星型卧式旋流搅拌立式圆柱型反应器的仿真模型，利用CFD仿真分析方法，结合反应器内部物料运动情况进行仿真分析，并结合反应器内部流场特征参数进行综合分析与优化[12]，最终确定了实际工程中的厌氧反应器结构。

2 畜禽干清粪便沼气技术集成

基于以上关键技术分析与研究，笔者所在团队处理畜禽干清粪便沼气技术集成工艺。在周边养牛场收集干清牛粪，进场后将干清牛粪输送至除杂沉沙池中进行沉降，去除泥沙等杂物，进入预处理池进行物料的预增温及匀质，进入星型卧式旋流搅拌立式圆柱型反应罐体内部进行全混合半干式中温厌氧发酵，厌氧发酵的剩余产物可经过固液分离器进行分离，制作有机肥料；产生的气体可经过净化后进行储存，方便后续生产生活使用。具体工艺流程如图1所示。

图1 干清牛粪沼气工艺技术路线

3 实际工程案例

3.1 工程概述

吉林省农业机械研究院乾安县牧羊厂300m3沼气示范工程依托于吉林省科技发展计划项目《畜禽粪便高浓度沼气发酵及沼渣基质化利用技术装备研究》，工程占地1300m2。工程运行处理畜禽干清粪便产生天然气可供示范园区生产生活，沼渣、沼液可固态、液态有机肥还田使用。实际工程见图2所示。

图2 300m3沼气示范工程

3.2 技术方案

3.2.1 原料收集体系

工程采用周边养殖场的干清牛粪作为发酵原料，干清牛粪收集运至除砂池，经除砂沉降后的牛粪通过输送管道送至牛粪预处理池中进行预增温以及匀质，料液含固量约为17%。池内通过换热管，利用循环水进行预增温处理，泵入厌氧发酵罐体内部。

3.2.2 厌氧发酵系统

厌氧发酵系统主要由星型卧式旋流搅拌立式圆柱型反应罐构成，罐体分别设有进料口与出料口，并在罐体底部设有螺旋出料装置方便出料。罐体内部设有按星型布置的3个卧式搅拌轴，每个搅拌轴之间间隔120°，每个搅拌轴上设有螺带与搅拌叶翅，搅拌叶翅也呈螺旋线分布，方便在搅拌过程中实现物料沿搅拌轴周向及径向的运动。罐体产生的沼气通过顶部出气口沿气体输送管道进入储气装置。星型卧式三轴旋流搅拌立式圆柱型反应罐体内部铺设换热管道，罐体内部设计发酵温度为35±2℃，HRT为20d，发酵物料含固率可达16.3%，采用间歇式机械搅拌(每4h搅拌2min，搅拌转速为10r·min-1)。

3.2.3 沼气储存及净化系统

发酵罐体内部产生的气体经过脱硫脱水罐后进入双层膜气体储存装置中储存，使用时，经过增压系统，方便后续生产生活使用。

3.3 工程运行情况

示范工程建成后开始投入运行试验，并以干清牛粪作为厌氧发酵原料(牛粪TS=16.4%)，加入30%接种比例的接种物，装料量为容积的80%，全部投入罐体后打开整个系统的控制设备，并进行5min的低速搅拌，使得干清牛粪与接种物充分混合后，开始整个厌氧发酵反应，以20d为1个发酵周期，发酵温度设定为35±2℃，搅拌转速为10r·min-1，搅拌间隔为4h，搅拌时长为1次2min，并记录产气量，对设备进行运行检查。

本次试验的处理畜禽干清粪便的高浓度厌氧发酵装置的日产气量如图3所示，测试记录时间从2020年11月28日—12月18日，根据产气记录结果统计20d总产气量为6443.86m3，日均产沼气322.2m3，平均容积产气率1.07m3·m-3·d-1，最高日产气量614.38m3，最高日产气率达到2.05m3·m-3·d-1。整个发酵周期内，干清牛粪能迅速进行反应，并且维持较高的产气效率。

图3 厌氧发酵日产气量变化

4 结论与讨论

畜禽干清粪便通过厌氧发酵进行处理是畜禽干清粪便资源化利用的有效途径之一，但目前我国对于半干式厌氧发酵沼气工程应用较少，未取得大规模的推广应用。本文设计建设的半干式厌氧发酵工程优化了半干式厌氧发酵工艺，为后续的研究提供了有利的工艺方案与形式，打破传统的搅拌形式采用星型旋流搅拌，有效地避免了畜禽干清粪便半干式厌氧发酵时物料易酸化发料的情况，并且示范工程运行情况良好且稳定，为今后对于畜禽粪便半干法沼气工程起到一定的支撑作用。

本研究提出的畜禽干清粪便半干式沼气工程集成技术虽取得较高的实际应用成果，但具体过程还需进一步优化，并且，此次工程运行试验仅利用干清牛粪进行了批式厌氧发酵研究，对于其它种类畜禽干清粪便与连续工程运行的应用情况还需进一步研究。