顶返式厌氧反应沼气池容产气率的测定试验①

原瑞芬 李斌 陈勇红 张如松 陈志浪

（1莆田市农业环保能源站福建莆田351100；2福建省农业生态环境与能源技术推广总站福建福州350003；3仙游县农业农村局能源站福建莆田351200）

我国水污染源46%来自农村，而养殖业排放的高浓度有机废水是其中重要污染源。目前，我国处理养猪场污水普遍采用推流式或全混合式沼气池厌氧处理，这类沼气池主要存在3大问题：一是厌氧消化效率低，容积有机负荷低；COD去除率低（50%～60%）；二是沼气池容积大、施工周期长；三是厌氧出水沼液中含有大量厌氧污泥，出水COD高（3 000～4 000 mg/L）。因此，有必要自主研发了一种处理效率高、厌氧出水水质好的顶返式厌氧反应器沼气池。

顶返式厌氧反应器是CSTR反应器的改进版，适用于消化高浓度有机养殖污水的高效反应器。应用薄壳结构和CSTR反应器基本结构和工艺原理，进行了两大方面的技术改进：一是在反应器的顶部增设了发酵液回流循环槽，用于替代储气柜储存沼气，当产气时，沼液被压入顶返槽内，形成了池内外的水位差，即产生了供气压力；二是在反应器正上方的中间位置，增设水封式悬空吊管，用作搅拌、增温等设备安装、维护和维修的通道。

以福建规模养猪场推广应用该顶返式厌氧反应器为试验依据，通过测定COD去除率，系统研究顶返式厌氧反应器池容产气率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点为福建省亿生农业开发有限公司养猪场，以猪场养殖污水为研究对象，新建1 800 m³顶返式沼气池（4×450 m³）。

1.2 试验设计

经统计，养猪场存栏生猪约6 000头（平均毛重50 kg/头）；试验采用水冲粪（水泡粪）和干清粪工艺及固液分离设施2种进料方式，每2个月测定1次沼气池进水COD、出水COD，通过COD去除率计算池容产气率，每种进料方式连续测定6次。

2 结果与分析

2.1 水冲粪（水泡粪）方式

以养猪场常年存栏约6 000头的全部猪粪尿进入沼气发酵系统，日鲜粪量约12 t、日尿量21 t；按猪粪、尿干物质（TS）含量分别为18%、0.4%计，日猪粪、尿（TS）总量约2.244 t（其中猪粪和猪尿TS分别为2.16、0.084t）；考虑2%干物质损耗率，每天若投TS 2199.12 kg，产沼率为0.28～0.32 m3/kg TS，取值0.30 m3/kg TS，理论上可产沼气659.74 m3，顶返式厌氧反应器的池容产气率为0.37 m³/m³·d。

表1 水冲粪方式的顶返式厌氧反应器COD去除率

根据《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》《沼气生产利用技术》，沼气的产气率与滞留期、TS等因素有关，为较准确测算沼气产量，采用CODCr去除对应沼气产气量的指标。CODCr产气率一般为0.4 m3/kg CODCr，结合厌氧消化池设计参数，每天沼气产量不小于428.56 m3，顶返式厌氧反应器的池容产气率大于0.24 m³/m³·d。

2.2 采用干清粪工艺及固液分离设施

考虑60%干物质损耗率（采用干清粪工艺及固液分离），每天若投TS 897.6 kg，产沼率0.28～0.32 m3/kg TS，取0.30m3/kg TS，理论上可产沼气269.28 m3，顶返式厌氧反应器的池容产气率为0.15 m³/m³·d。

表2 干清粪工艺顶返式厌氧反应器的COD去除率

与2.1同理，采用干清粪工艺及固液分离设施每天沼气产量≥213.88 m3，顶返式厌氧反应器的池容产气率＞0.12m³/m³·d。

3 结论

冲栏污水CODCr浓度高达13 437～15 215 mg/L，经干清粪工艺及固液分离后，浓度降为6 521～7 628 mg/L，经顶返式厌氧反应器厌氧消化后，水冲粪（水泡粪）方式的出水平均浓度为2 824.67 mg/L，CODCr去除率达80.24%；采用干清粪工艺及固液分离设施的出水平均浓度为1 522.33 mg/L，CODCr去除率达79.12%。由此可见，顶返式厌氧反应器比传统推流式或全混合式的沼气池CODCr去除率（50%～60%）均高出20%～30%。

采用水冲粪（水泡粪）方式测得顶返式厌氧反应器的池容产气率为0.37 m³/m³·d，比传统沼气池容产气率高54.17%；采用干清粪工艺及固液分离设施测得顶返式厌氧反应器的池容产气率为0.15m³/m³·d，比传统沼气池容产气率高4.76%。