中溫發酵技術在沼氣工程提升改造中的應用探討

尤濱乾

(海寧市新能源技術服務站，浙江 海寧 314400)

浙江嘉興于2008年啟動開展了以沼氣為主要技術手段的養殖污染集中整治行動。目前，規模化畜禽養殖場已普遍建造了沼氣綜合利用工程和剩余污水納管工程，實現了養殖糞污的無害化處理和資源化利用。但是，受當時技術資金等條件制約，沼氣工程大多采用常溫發酵技術，沼氣利用主要局限于對場內及周邊農戶進行集中供氣[1]，加上后期養殖規模和生產工藝調整及后續維護等原因，普遍存在工程運行效率偏低的狀況[2]。

以沼氣生物天然氣為主要處理方向，以就地就近用于農村能源和農業有機肥為主要使用方向，加快推進畜禽養殖廢棄物的處理和資源化利用，關系農村生產生活環境，關系農村能源革命。為此，有必要對現有沼氣工程進行技術改造，提升養殖糞污處理和資源化利用效率[3]。以某養殖場沼氣站為實例，對中溫發酵技術[4]在沼氣工程提升改造中的應用進行探討，以期為進一步提升沼氣工程運行效率提供參考。

1 沼氣站基本情況

沼氣站廢水處理量約為30 t·d-1，干物質含量(TS)約為5.5%。

站內安裝螺旋擠壓式固液分離機1臺，糞污處理量15 t·h-1，固態物去除率30%。擠壓分離后產生的固態物1.65 t·d-1，含水率約70%，免費供周邊農戶作有機肥使用，產生的液態物28.35 t·d-1，含固率4.07%，自流入厭氧池進行沼氣發酵。

站內建有地埋式厭氧池600 m3，水力負荷約0.05 m3·m-3·d-1，水力停留時間約20 d。采用常溫發酵：冬季1—2月池溫最低，約10 ℃，容積產氣率0.1 m3·m-3·d-1，產氣量60 m3·d-1；夏季8月份池溫最高，約25 ℃，容積產氣率0.6 m3·m-3·d-1，產氣量360 m3·d-1。

沼氣集中供氣農戶150戶，用氣量約200 m3·d-1。因此，養殖場在夏季除保持沼氣正常供應外還有富余，冬季為避免用氣糾紛只能對農戶停止供氣。

2 初步設計思想

沼氣池進料量28.35 t·d-1，TS 4.07%，如果完全發酵，產氣量為0.42 m3·kg-1，可產沼氣約485 m3·d-1。因此，通過對工程進行提升改造，進一步提高生物質能轉化率，完全可以保證沼氣的常年正常供應。

溫度是厭氧發酵的重要外因條件，是決定沼氣產量和質量的關鍵因素之一，溫度過高、過低或者不穩定都會影響沼氣發酵。在選擇沼氣發酵溫度時，不僅要考慮產氣率，還要考慮保持溫度所需能耗。對于高濃度豬糞污水，采用26～30 ℃的操作溫度進行中溫發酵，可以在保證處理效率的同時，顯著提高凈能產量。

基于上述分析，技術目標初步定為：在保持沼氣池規模、水力負荷、進料濃度等參數基本不變的前提下，采用中溫發酵技術對現有沼氣工程進行提升改造。設計發酵溫度30 ℃，水力停留時間保持在20 d，相對產氣率為86.5%，容積產氣率0.7 m3·m-3·d-1，產沼氣量約420 m3·d-1。

3 能量需求側分析

要使厭氧發酵系統溫度保持恒定，必須使每天的能量輸入Q與輸出Q′相等。系統能量損耗Q′主要由3部分組成：料液“冷進熱出”過程中出現的熱量轉移損耗Qa，厭氧系統與外界介質之間的熱傳遞損耗Qb，增溫管道向外界散發熱量損耗Qc。

Q=Q′=Qa+Qb+Qc；

Qa=Cm(Tin-Tout)；

Qb=t(Tin-Tout)/[(α1S)-1+b1(λ1S)-1+b2(λ2S)-1+(α2S)-1]；

式中：C為料液比熱，kJ·kg-1·℃-1；m為日進料量，kg；Tin為厭氧池內料液溫度，℃；Tout為進料料液溫度，℃；t為日散熱時長，24 h；α1為池內壁對料液的傳熱系數，W·m-2·℃-1；S為池頂部散熱面積，m2；b1為池頂部鋼砼層厚度，m；λ1為池頂部鋼砼層導熱系數，W·m-1·℃-1；b2為池頂部覆土層厚度，m；λ2為池頂部覆土層導熱系數，W·m-1·℃-1；α2為池頂土表層對空氣的傳熱系數，W·m-2·℃-1；Tj為增溫管進水溫度，℃；Tk為外界空氣溫度，℃；Lj為增溫管進水段長度，m；Tc為增溫管出水溫度，℃；Lc為增溫管回水段長度，m；α3為增溫管內壁對水的傳熱系數，W·m-2·℃-1；r1為增溫管內半徑，m；r2為增溫管外半徑，m；λ3為增溫管導熱系數，W·m-1·℃-1；r3為增溫管保溫層外半徑，m；λ4為增溫管保溫層導熱系數，W·m-1·℃-1；α4為增溫管保溫層對空氣的傳熱系數，W·m-2·℃-1。

由于沼氣池為地埋式，池壁和池底的熱阻遠大于池頂部，且與池頂部熱阻并聯，因此Qb計算式中忽略池壁和池底的熱量損耗。此外，土壤成分、太陽輻射、空氣流動等都會對相關系數造成影響。

初步計算表明：對于保溫性能良好的沼氣池，中溫發酵用于加熱新投放料液的能量Qa占系統熱耗Q′的90%以上。在浙北地區，對新進料液加溫至35 ℃，基本可以保證系統在30 ℃以上運行。據此，按新進料液比熱近似取水的比熱4.2 kJ·kg-1·℃-1，冬季進料溫度取5 ℃做簡單估算，系統冬季每天所需熱量為3 572 MJ。

4 能量供給側分析

可供選擇的熱量供給方式主要有電熱增溫、熱泵增溫、太陽能增溫、沼氣熱水爐增溫、沼氣發電回熱增溫。系統運行時，對水加熱，使熱水在增溫管道內循環，熱水熱量透過管道傳遞給料液。此外，還有高溫煙氣增溫法，但設備和技術要求較高，不適用于中溫發酵。

4.1 電熱增溫

熱效率約為80%，冬季耗電量約為3 572 MJ·d-1÷80%=4 465 MJ·d-1=1 250 kW·h·d-1。全天候運行，功率約為50 kW。

4.2 熱泵增溫

耗電量約為電熱膜的35%，即1 240 kWh·d-1×35%=437.5 kW·h·d-1。全天候運行，功率約為18 kW。

4.3 太陽能增溫

集熱面積A=Q/(Iη1)，式中：I為集熱面日照輻射強度，取13.5 MJ·m-2·d-1；η1為太陽能利用率，取65%。經測算，太陽能集熱器面積約為400 m2。

4.4 沼氣熱水爐增溫

所需沼氣量V=Qq-1η-1，式中：q為沼氣熱值，取23 MJ·m-3；η為沼氣熱水爐的熱效率，取80%。則，沼氣用量約為195 m3·d-1。

4.5 沼氣發電回熱增溫

沼氣發電效率取30%，可回收冷卻水和排氣中的熱量約占沼氣提供總熱量的50%，其余20%未利用。因此，沼氣用量為310 m3·d-1，此時沼氣發電量為300 kW·h·d-1。假設沼氣發電機組滿負荷運行6 h·d-1，則功率為50 kW，具體可結合養殖場用電實際進行機組配置。

5 技術實用性分析

目前，沼氣集中供氣在用氣收費問題上，養殖場和農戶間往往難以達成一致：農戶認為生豬養殖影響環境，免費供氣理所當然；養殖場認為自己貼錢給農戶進行冬季供氣是賠本賺吆喝，還不如繼續維持原狀。因此，如果采用電熱增溫或熱泵增溫方式雖然可以保障冬季供氣，但后續運行的電費來源是個問題，模式運行缺乏可持續性。

太陽能增溫受氣候影響較大，初始投入較高，優點是運行維護成本較低。因此，建議不單獨采用，可以與其他增溫方案配合使用。

采用沼氣熱水爐增溫，以氣養氣，工藝簡單，投資少，后續維護方便，運行成本較低，缺點是相對于養殖場來說，缺乏經濟上的吸引力。冬季總產氣量為420 m3·d-1，增溫設備耗氣量為195 m3·d-1，結余225 m3·d-1，能基本滿足現有沼氣集中供氣農戶使用。

目前，純沼氣發電技術已經成熟，購置一套50 kW沼氣發電機組，發電300 kW·h·d-1，按0.62元·kW·h-1計，可節約電費開支6.8萬元·a-1，運行3 a可基本收回投資和運行成本，具有一定的經濟效益(表1)。采用沼氣發電回熱增溫，冬季總產氣量為420 m3·d-1，耗氣量為310 m3·d-1，結余110 m3·d-1，不能滿足現有沼氣集中供氣農戶用氣需求。要保證系統運行的可持續性，必須進一步解決產氣少的問題。

表1 5種增溫模式的成本與效益對比

6 工藝優化

為進一步提高系統運行的經濟、社會和生態效益，對原有工藝進行調整優化，將固液分離環節后置為對沼渣進行固液分離，從而提高進料濃度，進而提高產氣量。具體實施上：廢水30 t·d-1，TS 5.5%，直接進入沼氣池進行中溫發酵，從而在水力負荷基本不變的條件下，有機負荷增加43%，產氣量相應增加約40%，約為590 m3·d-1，若發電用氣量不變，則結余280 m3·d-1，在滿足現有沼氣集中供氣農戶用氣需求的情況下還提供了進一步提升項目效益的空間，有利于縮短投資回收期。對沼液沼渣進行固液分離，擠壓分離后產生的固態物作有機肥使用，產生的液態物除部分用于沼氣池回沖攪拌外，其余流入沼液池和氧化塘。沼液經沉淀和氧化后，除部分用于沖洗豬舍外，其余用于農田灌溉施肥。

該技術工藝除保障農戶用氣和提高發電效益外，還具有以下特點：1)沼渣不具備豬糞的黏性，對沼渣進行固液分離，可以減少固液分離機組故障發生率；2)固液分離產生的固態物質已經過厭氧發酵，肥效更好；3)中溫發酵可以提高污水處理效果，同時，沼液回沖攪拌能進一步提高生物質轉化率及沼氣產氣率；4)沼液具備一定的殺菌抗病能力，回用于沖洗豬舍，可實現循環利用和源頭減量；5)農戶用氣通常集中在早上和晚上，以及節假日等，結合沼氣發電，可以平衡用氣，防止沼氣空排；6)夏季產氣較多，農戶用氣偏少，又時值用電高峰，可進一步增加發電量，保障電力穩定供應，避免拉閘限電對生豬生產帶來的不利影響；7)沼氣發電產生的多余熱能和電能可直接用于沼液深度凈化處理，從而降低污水處理成本。

7 小結

以中溫發酵技術為核心，通過“沼氣發電、回熱增溫、沼渣固液分離、沼液回沖”等技術手段對沼氣工程進行提升改造，可使沼氣系統長年保持在高效快速運行狀態，促進物質能量的多級循環利用，切實保障生產生活用能，有效改善農村生態環境[5]，實現養殖場與周邊農戶的雙贏，具有很好的推廣價值。