大中型沼气工程设计初探

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人中型沼气工程设计初探　

雷震字　李布青　’周婷婷　

１安徽大学生命科学学院；２．安徽省衣业科学院农业Ｚ－程所　

摘要：介绍了大中型沼气丁程发展概况，　艺流程。阐述　根据养殖场具体情况，因地制宜选　择合适的沼气Ｔ程建设方案，处理模式、反应器池型和池容大小的设计。　关键词：养殖场；沼气上稗；工艺；流稃　

１国内沼气工程发展概况　

２０世纪８０年代以来，我国规模化的养殖场逐年增加，　畜禽粪便污染日趋严重；与此同时，我国农村用能短缺，　

大中型沼气工程迎来了一个快速发展期。中央投资不断　增加，２００３～２００８年，中央累计投资国债资金１ｏ５，ｆＬ元，　２００８年底和２００９年初，国家又紧急下拨拉动内需资金３０＇ｆ７￣　

元和５０亿元，大大加快了沼气工程的建设步伐。中央不但　

在资金给予大力支持，在政策也给予了大力倾斜，极大地　

促进了我国大中型沼气工程的发展。　与欧美国家相比，我国的农村沼气建设起步较晚，但　

由于政策和资金的倾斜使其发展速度较快。据农业部统计　数据显示：截至２００８年底，我国畜禽养殖场沼气工程达　

３９５１０处，总池容４５１　４７６万立方米，年产沼气约５　２亿立　方米。其中：大型沼气工程２７６１处，年产沼气约２．７｛Ｚ立方　

米：中型沼气工程１２８６４处，年产沼气约１　８．ｆＺ，立方米；／Ｊ＼　

型沼气工程２３８８５处，年产沼气７０９６万立方米。　作为我国农村沼气管理部门，农业部在我国沼气工程　的发展中起了关键作用。近年来，配套党中央和国务院的　各项政策，农业部制定和出台了大量的政策法规，并发布　

了《畜禽养殖场沼气工程设计规范》等多项标准和规范。　

这些政策法规为沼气工程搭建了政策框架，为我国沼气工　

程的全面发展起到了保驾护航的作用。　截至２００８年底，全国户用沼气池达到了２８００多万口，　大中型沼气设施达到了８０００多处，沼气年利用量达到了约　

１２０－ｆ７￣立方米。　近年来，农业部以科学发展观为指导，以普及农村沼　

气、促进秸秆综合利用为目标，以技术创新和机制创新为　动力，积极推进秸秆沼气试点工作。２００９年又在全国１　２　

个省对不同原料、不同工艺、不同规模的秸秆沼气技术进　行试点。通过验证工艺和设备的的可靠性、可行性及适用　

性，从中筛选出了几种可供推广的主推工艺，因户制宜、　

因村制宜、因场制宜，为大规模推广秸秆沼气提供技术支　持和管理经验。　

２大型沼气工程的工艺流程　

２　１工艺构成　养殖场大中型沼气工程一般由以下７个部份组成。④　

原料收集；２粪污的前处理系统；⑧厌氧消化系统；④　好氧消化系统；　／／－ｍ沼气处理系统；⑧沼渣生产固体有机肥　系统；⑦沼液无害化处理及商品化液体肥料加工系统，见　

图１。　

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图１养殖场粪污处理工艺流程框图　

２　２工艺流程简简述　２ｌ２．１原料收集。充足稳定的原料供应是在厌氧消化　

过程中产生沼气的基础；不少沼气工程因原料来源的变化　

被迫停止运转或报废。原料的收集方式又直接影响原料的　质量，如一个猪场采用自动化冲洗其污水ＴＳ浓度一般只　

有１．５％～３．５％，若采用粪板刮出，则原料浓度可达５％～　６％，如手工清运浓度可达２０％左右。因此，在畜禽场或工　

厂设计时就应当根据当地条件合理安排废物的收集方式和　集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。　

收集到的原料一般要进入调节池储存，因为原料收集　时间往往比较集中，消化器的进料常需在一天均匀分配。　

所以调节池的大小一般要能储存２４小时废物量。在温暖季　

节，调节池常可兼有酸化作用，这对提高原料可消化性和　加速厌氧消化都有好处。若调节池内原料滞留期过长，会　因好氧呼吸作用或沼气发酵的进行而损失沼气产量　Ｊ。　

２　２　２粪污的前处理系统。养殖场粪污预处理的主要　目的是进行固液分离。畜禽粪污中对环境构成威胁物质的　

新能源产业　１　９　甲

　０　科学研究１黪　ｉ　辩　载　髓躲瓣拙挫　蔓｛　冀　

８０％以上存于猪粪之中，固液分离可降低液体中的ＢＯＤ、　Ｃ０Ｄ及ＳＳ的含量，降低后续粪水处理单元的负荷。固液分　

离后，固体废渣用于制肥，液体进入后续处理单元。养殖　场粪污前处理系统包括格栅、集水池、固液分离、调节／水　

解池。固液分离可采用沉淀池、水力筛网或固液分离机。　

养殖场废水处理系统应前端设置调节池，以避免水量冲击　负荷对后续废水处理工艺的影响，其有效容积为设计流量　

的８０～１００％。　２　２．３厌氧消化系统　

厌氧消化器是大中型沼气工程的核心设备。微生物的　

繁殖、有机物的分解转化、沼气的生成都是在消化器里进　行的，因此，消化器的结构和运行情况是一个沼气工程设　

计的重点。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发　酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。　

目前，应用较多的工艺类型及消化器的结构有常规型　消化器，如在农村大量使用的家用水压式沼气池和酒厂使　

用的隧道式沼气池。第二类为污泥滞留型消化器，使用较　多的有连续搅拌反应器ＣＳＴＲ、适用于处理可溶性废水的　

ＵＡＳＢ、适用于处理高悬浮固体的ＵＳＲ。另外，内循环厌氧　消化器（ｆＣ）是目前效率较高的工艺类型，主要用于处理中　

低浓度、ＳＳ含量低、ＰＨ偏中性的污水。第三类为附着膜型　消化器，目前使用的主要是填料过滤器，适用于可溶性有　

机废水处理，有启动快、运行容易的优点。　

２　２　４好氧处理系统。厌氧处理系统对ＣＯＤ有良好的　处理效果，但对Ｎ、Ｐ的去除率却很低。在排放标准要求严　

格的养猪场，就需要采用好氧生物处理工艺以使出水达标　排放。　好氧处理方法主要有活性污泥法和生物膜法两大类。　

已在畜禽粪便污水处理中使用的好氧工艺有完全混合活性　

污泥法、序批活性污泥法（ＳＢＲ法）、氧化沟工艺、曝气　生物滤池、接触氧化工艺等。近年来获得成功应用的好氧　工艺主要有ＳＢＲ法。　

２．２　５沼气处理系统。沼气发酵　时会有水分蒸发进入沼气，由于微生　物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作　用也会有一定量硫化氢（Ｈ　Ｓ）气体生　

成并进入沼气。水的冷凝会造成管路　堵塞，有时气体流量计中也充满了　

水。Ｈ，Ｓ是一种腐蚀性很强的气体，　

它可引起管道及仪表的快速腐蚀。　沼气首先被收集起来脱硫净化后　

经输气系统输送到沼气柜，再从沼气　柜经配气系统送到用户，沼气柜一般　

按平均日产气量的２５～４０％计算。在　输气管道的适当地点设水封罐，以便　调整和稳定压力，在消化池、贮气　

柜、压缩机、锅炉房等构筑物之间起　

隔绝作用；水封罐也可兼做排除冷凝　水之用。沼气中硫化氢的体积含量一般占０．００５～０．０１％。　

２ｌ２　６沼渣生产固体有机肥料系统。沼渣含有较全面的　

养分和丰富的有机物，是优质有机肥料，可以做基肥，也　可以做追肥。沼渣养鱼比直接用人畜粪便养鱼具有更好的　

增产效果。　堆肥工艺的设计规模除了要考虑固体粪便排放总量、　

沼渣量外，尚需要与养殖场当地农作物的种植情况和养分　

需求结合起来，以利于实现农牧结合、种养平衡。各养殖　场可根据自身的条件选择不同的堆肥方式，在根据堆肥规　模确定相应的设备；在养殖场附近建有机肥料厂，可考虑　

将养殖场粪便及废渣作为肥料厂的原料，以避免重复建　设，也减轻养殖场处理固体粪便的投资　Ｊ。　

２，２．７沼液无害化处理及商品化液体肥料加工系统。　

沼液肥用可使土壤疏松，增强土壤保水保肥能力；沼液浸　

种具有催芽、刺激生长和抗病作用。另外，沼液还可作为　无土栽培的营养液，适合植物的营养要求，同时原料来源　

广，威本低。　沼液用作添加剂喂猪效果好，因为沼液中含有多种常　

量和微量元素；沼液喂鱼不但可提高成鱼产量，降低成　本，而且发病率也大大减少。　沼液首先通过肥用、饲用两种途径消纳，在不能完全　消纳的情况下，在考虑通过好氧工艺进～步处理后达标：ｊｆｌ｝　

放。　

３沼气发酵反应器的设计　

目前成功应用于畜禽废水处理的厌氧工艺有厌氧接触　

工艺、升流式厌氧污泥床反应器（ＵＡＳＢ）、厌氧滤池、厌　氧流化床反应器等。厌氧消化工艺是沼气工程的枢纽，是　

实现沼气、沼液、沼渣“三沼”效益的前提。　

３　１厌氧消化工艺比较　

２０Ⅵ　ｌ　．ｅｈｏｍｅ．ｇｏｖ．

ｃｎ　霉霪｛静勰　Ｒｅｓｅａｒｃ￣Ｉ科学研究。　

表１　沼气工程工艺比较　

序号　类别　ＣＳＴＲ　ＵＡＳＢ　ＵＳＲ　ＱＩＣ　

１　原料范围　畜禽场粪污　畜禽场污水　猪场粪污水　畜禽场粪污　

２　原料ＴＳ浓度　６％～８％　＜２％　３％一５％　２％～８％　

３　应用区域　全国各地　中部、南部　中部、南部　全国各地　

４　水力停留时问　１５　２５天　２—５天　７　１５天　１０　２Ｏ天　

５　单位能耗　同　中等　中等　低　

６　单池容积　３００　１０００ｍ　１０Ｏ一１Ｏ００ｍ　１　Ｏ０—６００ｍ　１ＯＯ一１Ｏ００ｍ　

一　７　操作难度　品　中等　中等　低　

８　产气率　≥０．８　ｉｎ　／ｍ。　≥Ｏ．３　ｍ。／ｍ：　≥Ｏ．７　ｍ。／ｍ。　≥Ｏ．８　ｍ。／　

９　经济效益　较佳　低　较低　佳　

注：均为单一畜禽粪污原料（中温发酵）　

经过以上对比分析可以看出几种工艺各有所长，必须　“因地制宜”采用。　

ＣＳＴＲ工艺适合各类粪污处理沼气工程。其特征是原料　

液要预处理、液泵进料、进料ＴＳ浓度为６～８％（采用螺杆　泵才能达到８％）。因我国使用单一的畜禽粪，故产气率在　中温条件下，一般为０．８～１．０ｍ。／ｍ。；沼渣沼液一般不经固　

液分离直接用于农田施肥。其缺点是原料要进行预处理，　

工程投资偏高；能耗偏大，能量输出率偏低，如进行热电　联产（ＣＨＰ），能量输出率可大幅度提高。　

ＵＡＳＢ工艺是２０世纪７０年代开发的一种适用于低ＳＳ工　

业有机废水的厌氧处理工艺，并被应用于畜禽养殖场的污　水处理。其原理是先对养殖场污水进行固液分离，污水进　

入ＵＡＳＢ反应器进行厌氧反应，产生沼气，出水需进一步好　氧处理达标排放，是一种以环保治理为主，生产能源为辅　

的能源环保型沼气工程工艺。　ＵＳＲ工艺采用上流式污泥床原理，其特征是原料预处　

理，液泵进料，进料ＴＳ浓度３～５％，采用下进料上出料方　式，没有机械搅拌；产气率在中温条件下，一般为０ｌ７ｍ。／ｍ。　

左右。ＵＳＲ是一种简单而又低值的反应器，主要适用于原　料浓度较低的南方猪场粪污处理；在北方寒冷地区运行经　济效益不佳。　Ｑ　１　Ｃ厌氧反应是目前效能最高的厌氧反应器。该反应　器是集ＵＡＳＢ反应器和流化反应器的优点于一身，利用反　

应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反　应器。适用于各种养殖场粪污处理的“能源生态型”沼气工　程，具有节能降耗、投资较低、操作简单、运行费用低。　

３　２厌氧反应器池型选择　厌氧系统的设计规模完全取决于畜禽养殖场粪污的排　放量。养殖场粪污的排放量可参照类似规模、相同清粪工　

艺、相同管理水平的养殖场来确定。工艺设计时可根据反　

应器的容积负荷进行池容确定，再根据反应器的工艺原理　和实际运行经验确定反应器的最低高度和池型（圆形、矩　

形）。圆形结构的反应器受力情况较好，具有结构较稳定　

的优点，同时，在同样的截面积下，圆形反应器的周长比　正方形少１２％。所以，圆形池子的建造费用至少比具有相　同截面积的矩形反应器低１２％以上，因此采用单池或规模　较小时往往采用圆形反应器。