恒压黑膜沼气池设计及运行效果分析

徐庆贤，官雪芳，吴晓梅，吴飞龙，林 斌，张 冲

（1.福建省农业科学院 农业工程技术研究所，福建 福州 350003；2.福州北环环保技术开发有限公司，福建 福州 350003）

0 引言

规模化养猪场的排污量巨大，猪场粪污的有机物、悬浮物、总氮和总磷浓度极高[1]，并含有大量的病原菌，迅猛发展的规模化养猪场排放的粪污已成为农业面源污染中突出的环境问题[2]～[8]。建设标准化的大型养殖污水综合处理设施是目前处理养殖场污水的主要形式，厌氧发酵沼气工程是养殖污水综合处理设施的核心处理单元。沼气建设为国家的能源安全和生态文明建设作岀了重要贡献，在推动畜禽粪污资源化利用和农业绿色循环发展方面发挥了重要作用[9]。福建省是全国首批生态文明试验区的3个省份之一，于2016年第一个被批准了《国家生态文明试验区（福建）实施方案》[10]。因此，福建省对养殖业的规范化发展与整治，养殖业粪污治理工程达标排放以及废弃物资源化利用有了更高要求。上流式厌氧反应器等传统厌氧消化装置的建设成本高、运行管理复杂，这在一定程度上制约了其在中小型养殖场的推广应用。

黑膜沼气池是在开挖平整好的土方基础上，用HDPE（高密度聚乙烯）作为底膜和顶膜密封形成的一种厌氧反应器。HDPE是一种优质的无毒环保的黑膜材质，具有防渗透性好、化学稳定性强、耐高温、耐低温、耐腐蚀的特点，以及优异的抗老化、抗紫外线、抗分解、抗植物根系穿刺的能力和优异的抗拉强度与断裂伸长率（表1），非常适用于膨胀或收缩基面，可有效克服基面不均匀沉降等问题。

表1 HDPE膜属性Table 1 Property of HDPE membrane

朱飞虹运用黑膜沼气池处理养猪场高浓度粪污时，水力停留时间（HRT）在60 d以上，污水处理率基本稳定在90%以上[11]。何仁真利用黑膜沼气池和一体化处理设备组合工艺处理养猪场粪污，结果出水的化学需氧量（CODCr）≤50 mg/L，远低于农业灌溉水的要求（CODCr≤200 mg/L）[12]。肖艳春应用新型HDPE防渗膜厌氧发酵装置处理规模化养猪场高浓度养殖污水，结果表明，该装置的全年平均沼气发酵温度为35℃，平均池容产气率为0.79 m3/（m3·d），比传统沼气池提高了163%[13]。

黑膜沼气池具有建设成本低、施工简单、建设周期短、运行安全性高、使用寿命长、运行费用低、抗冲击负荷大、运行维护方便等特点[14]。但由于黑膜沼气池的建设体积大，对HDPE膜现场焊接施工要求高，易产生接触焊接不均而漏气的问题，再加上沼气生产的不恒定性，使得黑膜沼气池顶膜易出现塌陷。由于体积较大，黑膜沼气池运行过程中沉淀的污泥不易排出，常堆积板结于沼气池底部，占用部分发酵空间，这严重影响了沼气池的运行效率和使用寿命。

针对传统黑膜沼气池存在的不足，恒压黑膜沼气池从进料口、出料口、排泥口、出气口及黑膜衔接工艺上进行技术改进，增设恒压系统和改进排泥系统，将传统的单点进、出料改为多点布料和出料工艺。恒压黑膜沼气池的推广应用既能缓解养殖业主的资金压力，又能有效处理畜禽养殖粪污的污染问题，从而为畜禽养殖业污染治理及农村生态环境保护作出贡献。

1 恒压黑膜沼气池设计

图1为恒压黑膜沼气池的示意图。

图1 恒压黑膜沼气池示意图Fig.1 Constant pressure black membrane biogas digester

恒压黑膜沼气池主要由改进的黑膜发酵池、恒压系统和排泥系统组成。粪污经多点布料口搅拌后，进入改进的黑膜发酵池中进行厌氧发酵产生沼气和沼液；排泥系统主要负责将池内的污泥及时排出，保障沼气池处理效率；恒压系统则负责调节沼气池内的压力使池压趋于恒定，并保持在300 Pa的恒定状态，防止其塌陷影响运行效果。

1.1 黑膜沼气池技术工艺改进

为克服传统黑膜沼气池顶膜和底膜因焊接不均而导致的漏气现象，恒压黑膜沼气池以HDPE为顶膜和底膜材料，将传统的HDPE顶膜和底膜热膜封口工艺改为顶膜和底膜水封叠加连接工艺，实现连接处不漏气的目的。为解决黑膜沼气池顶膜与底膜间安装出气口和出气管道时易弯曲积水形成水封，从而阻塞气道和出气管以及导致膜密封不实而漏气的问题，恒压黑膜沼气池的出气口采用耐磨力极强的红泥塑胶材质制造，方便出气口的活动，可保证长期使用不破损漏气。为防止沼气池污泥沉积和出现“管道”现象，恒压黑膜沼气池将传统单点进、出料工艺改为多点进、出料工艺，通过多点进料与出料带动沼气池内的发酵粪污无死角搅动，使粪污在池内充分发酵，防止沼气池出现“管道”现象而降低发酵空间。

1.2 排泥系统设计

排泥系统主要由排泥管、排泥井、污泥收集井和污泥泵组成。在沼气池内均匀设计多个排泥口（间距约为8 m），每个口预埋de200PVC排泥管，每个排泥管延伸至排泥井，排泥时将排泥井内的承插管拔起，利用池内的静水压力（大于1.50 m的水压）排泥；排出的污泥自流进入排泥井，排泥井间通过de200PVC管道连接，排出的污泥通过连接管道最终排至污泥收集井，然后通过污泥收集井内的污泥泵抽出进行处理，排泥后期将承插管插入排泥管后完成排泥。由于恒压黑膜沼气池内设计了多个排泥口，加上沼气池运行过程中形成的多个锅型排泥口，使得沼气池内的多余污泥可及时排出，防止污泥沉积占用池内发酵空间，并可定时更新沼气池内的粪污，从而提高微生物活性和沼气池的产气效率。

1.3 恒压系统设计

为防止沼气池在使用过程中因池内压力不均导致的塌陷或过度膨胀问题，恒压黑膜沼气池加装了恒压系统（XY-300S沼气卸压装置）。如图2所示，该恒压系统由密闭储压筒、进气管、排气管和溢流管组成，进气管和排气管固定于储压筒封盖上，进气管连接外部输气管道，排气管上端口敞开与外界相通；溢流管连接于筒壁外侧，与储压筒构成U形结构，溢流管上端口较进气管下端口高出30 mm。储压筒内盛水，液面与溢流管上端口齐平，没过进气管下端口，形成水封，液面上方形成与大气连通的空腔。气体由输气管道输送至恒压系统，在一定的气压作用下，储压筒内液面被迫下降，液体从溢流管排出，直到U形结构形成的液位差与输入气体压强相等，水位不再变化。当输入气体压强高于300 Pa时，进气管内液面将降至进气管下端口以下，水封结构被破坏，气体流入空腔，由排气管排出，气压逐渐降低，液体从溢流管返回，筒内液面上升，重新没过进气管下端口，水封自动恢复。恒压系统保障了沼气池内压力恒定，经过多次实验验证，恒压系统可使黑膜沼气池内的压力保持在300 Pa的正常工作范围内，可有效防止黑膜塌陷或膨胀。

图2 恒压系统的结构示意图和实物图Fig.2 Structural diagram and physical drawing of constant pressure system

2 恒压黑膜沼气池应用实践

由于恒压黑膜沼气池克服了传统黑膜沼气池漏气、塌陷、污泥沉积等问题，该款沼气池已在我国多处规模养猪场得到应用。本文以福建省华峰农牧科技发展有限公司（以下简称华峰农牧）建成的恒压黑膜沼气池为例，进行恒压黑膜沼气池具体应用及运行效果分析。

华峰农牧养猪场于2009建成投产，设计存栏母猪2 600头，猪舍生猪存栏20 000头，污水产生量约为240 t/d。该养猪场配置了两个容积约为12 000 m3的恒压黑膜沼气池，每个沼气池的污水处理能力约为120 t/d，池深6.5 m（有效水深6 m）。沼气池底部采用HDPE膜（厚度为1.0 mm）进行防渗处理，顶上采用HDPE膜（厚度为1.5 mm）进行密封，设有排泥系统，定期将沉渣排至污泥收集池。粪污在恒压黑膜沼气池内的停留时间在50 d以上，因此，恒压黑膜沼气池能够最大限度地降解粪污中的有机物质，减少厌氧污泥的产量。

2.1 运行工艺流程

养猪场粪污经过固液分离后，污水进入沉淀池进行酸化沉淀，然后进入恒压黑膜沼气池进行厌氧发酵处理，产生的沼气、沼液及沼渣开展综合应用，从而达到养殖废弃物环境污染治理及资源化利用的双重效果。恒压黑膜沼气池处理粪污的具体工艺流程如图3所示。

图3 恒压黑膜沼气池工艺流程图Fig.3 Process of constant pressure black membrane biogas digester

2.2 运行效果分析

为了解华峰农牧的恒压黑膜沼气池的运行效果，对沼气池的发酵液进行取样检测，结果取3次检测的平均值。其中，CODCr采用重铬酸盐回流法、生物需氧量（BOD5）采用稀释培养法、NH3-N浓度采用纳氏比色法、固体悬浮物（SS）浓度采用重量法，各参数的检测结果见表2。由表2可知，经恒压黑膜沼气池处理后，猪场粪污出水中的CODCr，BOD5和SS的去除率分别为81%，87%和95%。XY-300S沼气卸压装置的安装，保证了沼气池常年压力恒定在300 Pa，有效防止黑膜塌陷，并保证了黑膜沼气池内的严格厌氧环境。

表2 恒压黑膜沼气池的处理效果Table 2 Treatment effects of constant pressure black membrane biogas digester mg/L

3 结论

与传统黑膜沼气池相比，恒压黑膜沼气池可防止因出气口结合不结实、HDPE底膜和顶膜焊接不均导致的漏气问题；附加的恒压系统可有效防止由于用气导致的黑膜塌陷、裂痕问题，延长沼气池的使用寿命；多点进、出料及排泥系统的设计可有效防止由于污泥的沉积以及“管道”现象造成的有效发酵空间的减少，使沼气池实时更新池内粪污，有效提高沼气池的产气效率和使用年限。恒压黑膜沼气池在华峰农牧的应用实践表明，恒压黑膜沼气池池内压力恒定，不会出现塌陷漏气问题，可常年稳定运行。