大型畜禽糞污厭氧發酵+沼氣發電工藝設計

張哲，張麗，周益輝，李洗明，高博

（1.湖南平安環保股份有限公司，長沙 410100；2.長沙經濟技術開發區項目開發建設管理有限公司，長沙 410100；3.長沙環保（服務）工業技術研究院,長沙 410100；4.航天凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

近年來，我國的農業污染尤其是畜禽養殖業產生的畜禽廢棄物問題日漸嚴峻，水體富營養化的主要原因與畜禽養殖業規模化過程中產生的畜禽污染也有密切關系。隨著我國畜牧業行業的不斷持續穩定增長，大量畜禽養殖業廢棄物被隨意排放，并且沒有得到任何利用。因此，大量的畜禽養殖廢棄物尤其是畜禽廢棄物已經是農村環境主要的污染物之一。因此，實現畜禽廢棄物資源化應用、保證畜產品安全供應、改善農村生產生活環境，是一項民生工程。加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用途徑，是促進農業可持續發展的必由之路[1]。

1 畜禽糞污資源化利用的必要性

畜禽糞污是一種具有高附加值的可利用資源，通過高效的厭氧發酵方式產生高濃度沼氣，沼氣經提純后是一種清潔能源。但在沼氣制作的過程中，不可避免會產生沼渣、沼液，而這兩種物質含有大量的氮、磷、鉀和腐殖酸等農林作物需要的營養成分，可用于制作有機肥及農田使用，其主要作用是使土壤的結構得到優化改良，增進增加農作物的產量，使農作物的產品質量大幅提高，同時，在發展有機綠色農業的途徑上找到合理的物質基礎[2]。

畜禽在養殖中會產生大量糞便，即有機廢棄物，這些有機廢棄物含有生物質能，是有機肥的資源，如果不經處理就直接排放，會對土壤、水體等產生嚴重污染，也會對人們的生產生活造成不利影響。如對畜禽糞便處理不及時，會引起糞水橫流，病菌傳播，也會對生產生活環境造成不利影響。

養殖場所產生的畜禽糞便及廢棄物等，在消化厭氧發酵過程中會產生大量沼氣。如能將此沼氣用于農戶的生產生活，可提供大量的免費能源，起到緩解農村能源缺乏的現實情況[3]。厭氧發酵產生沼氣，沼氣利用項目可以實現能量循環，提高畜禽的產量。隨著石化等不可再生能源的持續大量消耗，環境影響壓力也在不斷增加，因此如何利用可再生資源具有重大意義，畜禽糞便資源化利用能夠為發展循環經濟起到重要的作用。

畜禽廢水經過厭氧處理后，可對其中大量的好氧菌群起到殺滅作用，對于大腸桿菌也有很強的殺滅效果，經過厭氧處理后的廢水能夠實現無害化排放。同時，氮、磷等元素基本上都以簡單易吸收的結構形式狀態保存下來。廢水中也含有豐富的腐殖質，該部分廢水如果應用于土壤改良，會使改良后的土壤富含有機肥，有利于農作物的吸收，可作為一種速效肥且效果很好。厭氧反應后的出水還可作為生物有機肥并在農田使用，施用經厭氧發酵后形成的沼液，可降低農作物的病蟲害發作率，從而節省種植成本，減輕農民的經濟負擔，對環境的改善也能起到積極作用[4]。

大型厭氧發酵+沼氣利用工程，不僅可改善和保護居民的生產生活環境，還可有效利用畜禽糞便，這種可再生能源的高效利用還可以帶動地方經濟快速穩定發展。沼氣生產過程中產生的沼液、沼渣，可作為農業高效有機肥料，促進無公害農產品生產，促進循環經濟的發展。

綜上所述，開展畜禽糞污資源化利用項目，可改善區域居民的生活環境，并給項目地及周邊百姓帶來福利，因此建設該類項目十分必要。

2 厭氧發酵技術的現狀

厭氧發酵技術在國外起步較早，德國、丹麥、荷蘭等發達國家開發設計的沼氣工程裝備都已實現了系列化、標準化、工業化的三化過程，并且產品質量也已得到了大幅提升。工程裝備的組裝也早已達到規范化、模塊化的程度。其中大型厭氧消化裝置設計為圓柱型、立式罐形式，在結構上則多為鋼結構形式，大多數為拼裝罐體；對于較小型的厭氧消化裝置一般容積較小，且多為圓柱型的立式、鋼結構的罐狀體。對于立式罐式的二級厭氧消化裝置，在頂部一般都裝設雙膜儲氣罩或儲氣囊，組成發酵、儲氣一體化裝置。這樣的裝置既節省了儲氣裝置和占地面積，又解決了在寒冷地區冬季儲氣裝置水封防凍的問題[5]。

3 厭氧發酵技術的比較

對于大型沼氣綜合利用工程建設，選擇厭氧發酵技術是關鍵。處理技術工藝的合理性則直接關系到工程運行的穩定性及處理效果、工程投資額、工程運營成本和整個項目的管理操作水平等。

3.1 完全混合式反應器（CSTR）

完全混合式反應器（CSTR）是在常規消化器內安裝了攪拌裝置，使發酵原料和微生物處于完全混合狀態的反應器。污泥或污水連續或定期分批流入厭氧消化池中，通過與池內原有的厭氧活性污泥（厭氧微生物）充分接觸混合后，污泥或污水在厭氧段被厭氧微生物吸收、吸附，最終被厭氧微生物降解，使其轉化為沼氣。攪拌裝置一般每隔2～4h攪拌1次，且常采用中溫發酵。

完全混合式反應器優點：1）可進入高SS含量原料；2）底物均勻分布；3）反應器內溫度分布均勻；4）分散迅速；5）不易堵塞、溝流，避免氣體逸出不暢。缺點：1）消化器體積大；2）能耗高；3）難混合；4）微生物易隨出料流出。

3.2 厭氧接觸（ACR）反應器

厭氧接觸（ACR）反應器與CSTR厭氧反應器類似，同屬于完全混合式厭氧發酵技術一類，但其是在CSTR厭氧反應器的基礎上改進優化后所發展衍生出來的新一代具有更好厭氧發酵效率的反應器。該厭氧反應器將內部的物料厭氧發酵后，會排出大量混合液物，其中分為固體和液體，該混合物要先進入沉淀池進行沉淀，在該池內進行固液分離使固體沉淀在底部，污水則通過沉淀池上部的排污口排出，沉淀池下部沉淀下來的污泥則發生回流，再次進入厭氧消化池內。這樣的厭氧發酵循環工藝既能有效確保活性污泥不發生大量流失，又能夠起到提高污泥濃度的作用，從而使厭氧消化池中的活性污泥含量大量提高，并直接提高了有機物處理效率[6]。

3.3 升流式厭氧床（UASB）反應器

升流式厭氧床（UASB）反應器適用于低SS含量廢水的處理，同時可保證較高的污泥濃度。其工作原理是，需處理的污水通過布水器進入UASB底部，水流由下向上流動，在向上流過的過程中流經絮狀或顆粒狀污泥床，該污泥床為厭氧狀態。污水與污泥相接觸的過程中，厭氧菌與污水中的有機物發生一系列厭氧反應，產生大量沼氣，因沼氣產生會引起污泥床體整體擾動。一部分沼氣會附著在污泥顆粒上，大部分的自由氣泡會上升至反應器的頂部。污泥顆粒在不斷上升的過程中會逐漸撞擊到三相分離器，三相分離器的下部擋板會起到阻礙作用，使自由氣泡和被附著的氣泡得到釋放；被脫去沼氣的活性污泥將流至污泥層表面。自由狀態下釋放的沼氣，被收集至錐頂部的集氣室。液體中含有的剩余活性污泥進入到三相分離器的沉淀區內，其他固體物包括生物顆粒在內，則從液體中被分離出來，再通過三相分離器的錐板間隙回到污泥層。

升流式厭氧床反應器優點：1）沒有攪拌裝置；2）負荷率高；3）工藝穩定；4）出水SS含量低。缺點：1）必須有三相分離器；2）對布水器性能要求高；3）進水水質對SS含量要求較嚴；4）運行技術要求高。

3.4 塞流式（HCPF）消化器

塞流式（HCPF）消化器是一種長方形厭氧消化裝置，也是一種非完全混合式厭氧消化器，原料從該裝置的一端進入，從另一端流出，整個過程呈活塞式推移狀態。由于在該厭氧消化器內產生的沼氣的作用，使整個攪拌作用呈現垂直攪拌狀態。水解酸化作用的較強階段主要表現在整個設備的進料端，在出料方向上，甲烷的產生量也越來越增大。該厭氧發酵設備一樣需要進行固體回流。為有效避免微生物流失，一般會在消化器內設置擋板，以確保整個厭氧發酵過程運行穩定。

塞流式消化器優點：1）無需攪拌裝置；2）適用于高SS的廢水處理。缺點：1）反應器體積容易受到影響；2）溫度難以保持一致，效率較低；3）易發生浮渣結殼；4）最大單體容積小。

3.5 升流式（USR）固體反應器

升流式固體反應器是一種造價低且結構簡單的厭氧反應器，能自動形成比HRT較高的SRT和MRT，未反應的生物固體和微生物靠自然沉淀滯留在反應器內，可進入高SS原料，如畜禽糞水和酒清生產廢液等[7]。

4 大型畜禽糞污厭氧發酵發電工程工藝設計

根據我國的實際情況，針對市場上較主流的技術，經大量研究對比，提出解決大型沼氣發酵+發電的工藝流程：即“預處理+生物菌中溫發酵+ACR+CSTR一體化+高效沼氣發電組+優質有機肥生產線”為核心的處理工藝，該套工藝適合處理秸稈、畜禽糞便混合物料；配有高效生物菌，使產沼過程具有產氣調試期短、運行穩定、產氣率高等優點；配有沼氣發電機組，增加經濟收入；配有優質有機肥生產線，提高有機肥質量。工藝流程如下圖。

秸稈經破碎機破碎后，通過鏟車輸送至預處理池中，預混池中裝有潛水攪拌機，可將破碎的秸稈和水充分混勻（TS為8%），混勻后的物料采用螺桿進料泵泵送至生物預處理發酵罐，生物預處理后的秸稈溢流至出料池后用螺桿泵泵送至進料池。

厭氧發酵+沼氣發電工藝流程圖

發酵原料畜禽糞、尿和沖洗水等統一收集，收集的畜禽糞便通過輸送機進入到混料池中，加入一定量的沼液或污水稀釋，充分混勻（TS為8%），然后由輸送機送至進料池內進行儲備。使用養殖場產生的畜禽廢水或上一步生產中產生的回流沼肥再一次稀釋泡糞至TS為7%，被最終稀釋后的合流糞污通過污水泵經過格柵進入勻漿水解池，合流糞污在水解池內發生水解反應和沉淀。養殖場生產生活過程中產生的廢水被引入水解池中，將其中的混合物稀釋至設計所需的固含量，通過攪拌裝置對該混合料進行攪拌，再用提升設備將混合物料提升至厭氧反應裝置中，進行厭氧沼氣發酵，在這一厭氧反應過程中使混合物發生消解，從而使大部分污染物得到消解處理。

畜禽糞污經厭氧反應器發酵處理后會產生大量沼氣（一般為500m3/t左右），所產生的沼氣先進入水封器，以防沼氣發生泄漏。沼氣進入氣水分離裝置后再進入脫硫塔等裝置進行凈化處理，然后通過氣體流量計計量后，將產生的沼氣儲存到雙膜式儲氣柜或一體化儲柜，最后進入沼氣發電機組，產生的電量上網。

發電機組產生的余熱，可供給勻漿水解池和厭氧反應器使用，因此不需要任何外加燃料。剩余的熱量，可供給周邊的養殖場或園區內供暖使用。

CSTR反應器反應后流出的發酵后料液首先通過出料管流至水封池，再通過重力管道流進設置好的出料池；排出來的沼肥在出料池中被泵送至固液分離裝置，進行固液分離操作，最終完成沼液和沼渣的分離。分離出來的沼渣可通過沼渣生產線制作成有機肥，出售或自用，沼液則經過處理后，可用于農田灌溉，實現資源的循環利用。厭氧發酵后的發酵混合液經過固液分離裝置進行固液分離，沼渣可用于生產固態有機肥，沼液可用于果園、農田、無公害蔬菜基地等。在不需要使用肥料的季節，沼液可通過氧化塘儲存或通過氧化塘凈化處理達到畜禽廢水排放標準后排放。

5 結論

該套工藝適合大型沼氣發酵+發電工程，非常適合我國農業的基本國情。不僅利用了沼氣發電，還可以實現農忙時厭氧發酵后的廢渣罐裝、廢液瓶裝銷售。當農田不需要沼液、沼渣時，可通過低成本的氧化塘凈化后達標排放，實現畜禽糞污等廢棄物的資源化利用。

參考文獻：

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