雞場沼氣工程設計若干問題的探討

季立仁， 李布青， 葛 昕

(1.廬江縣生態能源局， 安徽 廬江 231500；2.安徽省農業科學院農業工程研究所， 安徽 合肥 230031)

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雞場沼氣工程設計若干問題的探討

季立仁1， 李布青2， 葛 昕2

(1.廬江縣生態能源局， 安徽 廬江 231500；2.安徽省農業科學院農業工程研究所， 安徽 合肥 230031)

沼氣工程作為處理雞場糞污的有效途徑，受到廣泛關注。目前，我國的雞場沼氣工程都或多或少的顯現出設計上的不足。文章通過工程實例分析，闡述雞糞厭氧發酵制沼氣工程特點，工藝流程和關鍵技術設計，分析工程設計存在的主要問題，并提出改進措施建議。

雞糞；沼氣；工程設計；厭氧消化

養雞業是我國畜牧產業的重要組成部分，在各種養殖業中一直處于領先發展的地位。隨著養殖集約化的迅速發展，在生產大量雞肉、雞蛋的同時，產生大量雞糞、廢水、死亡雞等廢棄物，如對其處理不當，任意傾倒、排放或堆積，將對環境造成嚴重的污染。畜禽養殖所產生的污染物主要來源于畜禽排泄物，主要污染物質有糞便和沖洗水。雞糞既是排泄廢物, 又是一種特殊形態的可再生資源, 經無害化處理后在農業上具有很大開發潛力。厭氧處理畜禽糞便是目前養殖場糞污處理的有效方式，不僅可以減少其對環境的污染，而且可以獲得生物能源沼氣。應用雞糞生產沼氣，開發利用生物能源，對節約自然資源，防止環境污染，實現生態環境良性循環具有重要意義[1-2]。文章通過工程實例分析，闡述雞糞厭氧發酵制沼氣工程特點，工藝流程和關鍵技術設計，分析工程設計存在的主要問題，并提出改進措施建議。

1 工程實例分析

以安徽省廬江縣恒福禽業養殖專業合作社大型沼氣工程實踐為例，闡述雞場厭氧發酵制沼氣工程特點，工藝流程和關鍵技術設計及運行概況。

1.1 工程概況

廬江縣恒福禽業專業合作社位于廬江縣柯坦鎮，擁有肉雞養殖大棚15600 m2，種雞場5800 m2，孵化場1000 m2。年飼養肉雞27萬只，存欄種雞5萬套，年孵化苗雞840萬羽，形成種雞養殖、苗雞孵化、商品雞飼養一條龍生產。該場沼氣工程建有600 m3厭氧罐一座，300 m3沼氣貯氣柜一座和700 m3沼液貯存池等附屬設施，50 KW沼氣發電機組、鋼制網格、污水提升泵、進料泵、脫硫塔等配套設備計25臺(套)，工程于2010年12月竣工。竣工后即投料，發酵原料使用雞糞及沖洗水(污水)，所產沼氣供場區生產生活用能，沼渣、沼液直接用于所屬的1800畝有機茶葉生產基地和500畝苗木基地的施肥灌溉以及500畝水面養魚等。

1.2 工藝技術方案

根據該場擁有的1800畝茶園，500畝苗木和500畝魚塘，完全可以消納沼氣工程所產生的沼渣、沼液，選擇能源生態模式，裝置采用USR工藝，即升流式固體反應器，它適用于高懸浮固體原料的厭氧消化。雞糞原料從底部進入消化器內，與消化器內的活性污泥充分接觸，使原料得到快速消化。未消化的生物固體顆粒和沼氣發酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內，上清液從消化器上部溢出，這樣可以得到比水力滯留期高得多的固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)，從而提高固體有機物的分解率和消化器的效率。

工藝設計參數：進料濃度TS為4.3%，發酵溫度近中溫，滯留期為15 d，池容產氣率約0.8 m3·m-3d-1，COD去除率70%～85%。

工藝流程：1)原料收集。養殖場雞糞是干清糞，沼氣發酵需要的稀釋水采用雞場沖洗水及生活污水。沖洗污水通過水溝自流進入集水池，集水池前設置格柵，去除污水中較大的雜體，經沉砂井沉砂去除砂粒，以便于后續工藝的處理，防止管道堵塞，集水池內設提升泵。2)原料預處理。沉砂：預處理池內設有沉砂功能，能去除雞糞中含有的砂粒和雞毛等較大固體物，以免影響后續處理設備的運行。水解酸化：水解酸化的主要作用在于降解部分懸浮物質，將復雜的有機物轉化為簡單的有機物質，提高其生化性能，有利于厭氧消化；由于鮮雞糞直接進入發酵罐容易酸化積累，產氣不穩定，設水解酸化池，使雞糞污水充分接觸水解酸化有利于厭氧消化和產氣。調節計量：為了使管道和構筑物正常工作，不受廢水高峰流量或濃度變化的影響，設置有調節計量池，并且將鍋爐蒸汽的通入點設在調節池內，使進料溫度保持在30℃左右，熱源由燒鍋爐來保證。3)厭氧消化。根據雞糞物料特征，啟動時進行碳氮比調節。啟動料搭配1/3左右的經粉碎和堆漚處理的秸稈，并加10%以上的沼氣接種物。原料經調節計量池用泵輸送到發酵罐，滯留期為15 d。發酵罐設計容積按照常年存欄種雞5萬套，每只雞每天排糞按照0.1 kg，日排糞量5噸估算。雞糞干物質濃度按30%計，設計選用600 m3鋼結構發酵罐和300 m3貯氣柜。4)沼氣的凈化和利用。沼氣經氣水分離器、脫硫塔、計量后進入貯氣柜。

產品方案： 1)沼氣。工程日產沼氣480 m3左右，其中：360 m3用于發電，采用50 kW沼氣直燃式發電機組，主要供應本場生產用電和職工生活用電。其余120 m3用于燒鍋爐和安裝管道輸送到該場所屬茶葉加工廠用于茶葉加工。2)沼液。該厭氧罐日處理雞糞污水約40 t，沼液內含多種氨基酸和活性酶以及豐富微量元素，直接用于該場所屬1800畝有機茶葉生產基地，800畝苗木基地的施肥灌溉和500畝水面養魚等。3)沼渣。每天可產沼渣3.87 t，年產量1413 t。雞糞有機質含量高，經厭氧消化后不含糞大腸桿菌和寄生蟲卵，是一種優質肥料，用于該場所屬有機茶園和水產養殖。

1.3 工程運行情況

該雞場沼氣工程投運后，運行比較穩定，沼氣產量統計見表1。

表1 2011年～2014年9月間沼氣產量統計表

該雞場于2011年1月～2014年9月間雞存欄量47萬只，糞污減排量即雞糞和沖洗水的實際數量合計27302噸，其中含水30%的干清糞13651 t。在沼氣工程運行操作中，對設計的進料濃度TS和滯留期，在合理區間作調整，使所有雞糞和沖洗污水都進入厭氧罐進行消化處理，共生產沼氣78.26萬m3，增收節支277萬元。該場糞污經過治理后，有效消除了養殖對環境的污染，給種植業提供了優質的有機肥料，同時提供了清潔能源，減少了大氣污染，保護了生態環境。

2 關鍵技術討論

2.1 原料預處理

通過預處理提高原料的可生物消化性能、消化效率和產氣率，同時在預處理階段需要調節進料濃度、進料溫度。如果不能通過預處理確保沼氣工程的進料質量，將導致沼氣工程運行不穩定，難以發揮最佳的處理能力。雞場糞污含有較多的砂粒和雞毛等較大固體物，在集水池、預處理池和水解酸化池需要設置格柵和沉砂功能，定期清理。并選用具有剪切功能的進料泵防止雞毛堵塞，以減少雞毛的不利影響。啟動時進行碳氮比調節和堆漚處理。該工程采用上述措施取得了較好效果，工程多年運行穩定。

2.2 厭氧消化器

厭氧消化器是沼氣發酵的核心設備，目前我國大中型沼氣工程主要有完全混合式(CSTR)，塞流式(PFR)，升流式厭氧污泥床( UASB)，升流式固體反應器(USR)等[3]。CSTR內設攪拌裝置，或進行水力循環攪拌使發酵原料和微生物處于完全混合狀態，與常規沼氣池相比處理效率提高，在雞場糞污沼氣工程中也有成功應用[2]。但CSTR攪拌能耗大，沼渣沼液一起排出，一方面不利于沼肥的后續利用，另一方面沼渣停留時間短，消化不完全。PFR多用于牛糞厭氧消化，效果較好。PFR因積砂和厭氧微生物流失，以及占地大等原因，較少用于雞場糞污沼氣工程。UASB因具有三相分離器故適用于可溶性廢水的厭氧處理，要求較低的懸浮固體含量，在豬場糞污水處理中有較多應用，主要問題是三相分離器易出現堵塞，因此不適合雞場糞污沼氣工程。USR適用于高固體含量的畜禽廢水處理，在養殖糞污處理中應用廣泛。原料從底部進入USR反應器，沼液溢流，利用水頭壓力自動排渣，污泥的停留時間大于水力停留時間從而提高了固體有機物的分解率和消化反應器的效率。而且，USR的運行管理要求也較粗放，運行穩定性較好，比較適合雞場糞污的處理。

2.3 攪拌

USR反應器從理論上講不需要攪拌、不需要回流，具有出水澄清功能。但攪拌可以使反應器內的物料混合均勻，溫度和pH值微生物種群等保持均勻一致，還可以大大降低池底沉積及液面浮渣結殼。從大量沼氣工程運行情況看，適當的攪拌是有利的，可以提高產氣率。然而攪拌過度，則可能會影響微生物的活性。常用的有機械攪拌、水力循環攪拌、沼氣攪拌。為了減少能耗，采用沼氣攪拌或沼液回流(水力循環)攪拌較好。該工程裝置較小，同時因設計的物料TS較低，在無攪拌和回流狀態下，運行穩定，主要問題是池容產氣率較低。

2.4 保溫與增溫

采用中溫發酵既能保持沼氣池具有一定的產氣率，又節省能耗。一般大中型沼氣工程運行溫度均設計為中溫。消耗的熱量主要為新鮮料液加熱、反應器散熱和管道散熱。因此，為減少能耗，料液管道、池體應設計良好的保溫。反應器內設加熱盤管因為盤管易表面結垢，降低換熱效率，維修時需要清空反應器，造成停產。從實際工程來看，外部換熱器更易于維護，使用方便，可以使料液在進入反應器前被加熱；也可以用于反應器內的料液保持恒溫，即用泵把料液抽出經過換熱器，再回到沼氣池，同時起到攪拌作用。對于以發電為主的大型裝置，可以利用發電余熱加溫，但是對于裝機容量較小的工程，余熱利用價值不大。將溢流沼液回流到預處理池，也是很好的余熱循環利用方式，同時還可以減少沼液產生量。該工程冬季采用沼氣鍋爐增溫，鍋爐蒸汽的通入點設在調節池內，使進料溫度保持在30℃左右的設計溫度。

2.5 啟動和進料調節

雖然研究表明，雞糞含有5%～6%的氮，以尿酸的形式存在，雞糞由于含有氨氮和尿酸，在厭氧生物處理時易導致發酵異常[4]。物料配比、初始發酵濃度和發酵溫度是影響產氣量的重要因子，適當調整發酵溫度以及初始發酵濃度將會有效提高沼氣發酵利用效率。混合原料發酵是提高沼氣發酵效果的有效方法，而且牛糞、雞糞、稻稈3種原料在一定比例下混合后發酵效果顯著好于牛糞與稻稈、雞糞與稻稈2種原料混合的發酵效果[5-7]。但工程實踐中，啟動后正常運行的雞糞沼氣工程并不需要調節C/N。主要問題是啟動，采用較大量的沼液接種可實現快速啟動[4-8]。該工程啟動料搭配1/3左右的經粉碎堆漚處理的秸稈，并以沼液調節物料濃度(兼作接種物)。該工程的設計進料濃度TS為4.3%，滯留期為15 d。因USR反應器有較強的抗沖擊負荷能力，實際進料濃度可在3%～12%較寬范圍變動。工程運行中，按雞的實際存欄量、氣溫和用氣需求，對設計的進料濃度TS和滯留期，在合理區間作相應調整，使所有雞糞和沖洗污水都進入厭氧罐進行消化處理和所產沼氣均有效利用。

2.6 沼液控制

大型沼氣工程產生的沼液在儲存和使用過程中會對周圍環境構成污染，其主要表現為沼液儲存過程中有害氣體釋放、沼液直排造成水體污染、農田長期大量施用造成土壤重金屬沉積和沼液滲濾造成地下水惡化。由于單位土地面積對沼液的容納能力有限，沼液的長距離運輸成本又較高，加上氣候變化及農作物復種情況影響，大型沼氣工程所產的沼液無法完全利用，而現階段對多余沼液的凈化處理或者對沼液的濃縮減容處理成本很高[9-11]。隨著環保要求的日益提高[12]，現代沼氣工程設計中避免沼液外排已是基本要求。沼液回流循環利用是沼液減外排的有效措施。雞糞干物質濃度30%，因此在預處理池要大量加水。雖然該場有一定規模的土地可以消納所產沼液，實現了養殖場廢棄物的零排放。但該工程未考慮沼液回用顯然不適應現代沼氣工程發展要求。沼液回流循環利用不僅可以解決冬季沼液不能農業利用、無處消納的問題，同時也利用了沼液的余熱。雞糞為富N原料，沼液回流循環利用時要注意控制系統氨氮濃度，防止因氨氮濃度過高影響厭氧系統的運行效率。

3 結語

畜禽養殖主要污染源是糞便和沖洗水。隨著集約化程度越來越高，沼氣工程規模的擴大，所產生的大量沼液無處消納，易在場區周邊形成二次污染。由于畜禽養殖業污染物排放標準要求的提高[12]，僅依靠沼氣工程已經不可能做到達標排放，畜禽養殖場沼氣工程僅僅是污染治理的一個重要環節。因此，要求現代畜禽養殖場沼氣工程設計要以清潔生產理念為指導，從源頭和過程控制整體考慮，尤其沼液控制是降低工程運行成本的關鍵。雞場沼氣工程設計要充分利用其高固含量的特點，優先選擇高濃度厭氧發酵工藝，并設計合理的沼液回流循環利用措施，最大限度減少系統沼液排放量，降低工程運行成本提高效益。

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Some Issues on Design of Chicken Manure Biogas Project

JI li-ren1， LI Bu-qing2， GE Xin2

(1.Lujiang County Eco Energy Board，Lujiang 231500，China；2.Agricultural Engineering Research Institute of Anhui Academy of Agricultural Sciences，Hefei 230031，China)

At present, China's chicken manure biogas projects are more or less showing deficient design. Through engineering case study, the characteristics of chicken manure biogas projects, the process flow and key technologies, were stated in this paper. The main problems in engineering design were analyzed, and suggestions for improvement were put forward.

chicken manure; biogas; engineering design; anaerobic digestion

2015-02-28

季立仁(1963-)，男，安徽廬江人，能源工程師，主要從事農村能源建設和管理工作,E-mail:jiliren@163.com 通信作者： 李布青，E-mail: 13966718237@163.com

S216.4; X70

B

1000-1166(2016)01-0068-04