黑龍江省生豬養殖廢水沼氣工程最適運行溫度模擬分析

史風梅，劉 娣，裴占江，王 粟，佟啟玉，盧玢宇，高亞冰，劉 杰

(1.黑龍江省農業科學院農村能源與環保研究所, 哈爾濱 150086；2.農業部種養循環重點實驗室，哈爾濱 150086；3.黑龍江省秸稈能源化重點實驗室，哈爾濱 150086；4.黑龍江省農墾總局能源辦公室，哈爾濱 150036)

近年來，隨著南方生豬規模養殖的快速發展、環境壓力的持續上升以及國家環保政策的不斷收緊，國家出臺了第一個生豬生產發展規劃《全國生豬生產發展規劃(2016～2020年)》，生豬養殖開始向北遷移。黑龍江省因具有優良的生態環境、冷涼的氣候條件和豐富的飼料資源而成為重要的生豬養殖省份，生豬養殖發展迅速[1]。據統計，2018年，黑龍江省的生豬存欄量和出欄量分別為1353.2萬頭和1964.4萬頭[2]。然而，在生豬養殖過程中會產生大量由豬尿、部分豬糞和豬舍沖洗水等組成的養殖污水[3]。采用干清糞工藝和水沖工藝時，1頭豬平均每天的污水排放量分別約為15和30 kg[4]。生豬養殖廢水中的pH值，COD，BOD5，懸浮物SS和NH3-N分別在7.0～9.0，7000～11000 mg·L-1，6000～10000 mg·L-1，2000～4000 mg·L-1和800～1300 mg·L-1，處理難度較大，易引發一系列環境問題[5-7]。厭氧發酵技術是目前國內比較常用的處理養殖廢水的技術之一[8-10]。溫度是影響厭氧發酵進程和產氣效率的重要因素[11-12]。與接種率、原料添加量和攪拌速率相比，溫度對厭氧產氣效率及過程的影響最為顯著[13-14]。厭氧發酵溫度過高或過低都會影響沼氣工程的產氣效率[15-16]。發酵溫度越高就意味著越多的能量投入，尤其是在高緯度地區，冬季漫長，溫度低，發酵溫度過高會導致投入產出失衡，影響沼氣企業的正常運營。產能與耗能的比值越大，沼氣工程運行的能效就越高。而最大的產能與耗能的比值對應的厭氧發酵溫度可視為最適經濟運行溫度。不管沼氣工程建設的目的是為了環境保護還是為了盡可能獲取最多的能量，都需要適宜的運行溫度，以實現經濟效益最大化。因此，本文利用黑龍江省近5年的日平均氣溫以及歷史最低日平均氣溫，計算沼氣工程的產能和耗能情況，從而得到黑龍江省生豬養殖廢水沼氣工程的最適經濟運行溫度，以及相應的保溫層厚度，并在黑龍江省進行了沼氣工程驗證。該文可為已建的北方沼氣工程節能增效以及新建沼氣工程保溫層敷設提供計算方法和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與方法

豬糞水厭氧發酵實驗：新鮮豬糞和接種活性污泥分別由黑龍江省哈爾濱市某養殖場和黑龍江省哈爾濱市良大實業有限公司提供，其化學性質見表1。稱取適量豬糞和接種物置于5000 mL實驗瓶中，用去離子水調節至3000 mL，分別在14℃，17℃，20℃，23℃，26℃，29℃，32℃和35℃的水浴槽內進行厭氧發酵。待沼氣中甲烷含量約達到60%開始每天進200 mL料，進料有機負荷3 gVS·L-1d-1，出上清液200 mL。利用Excel對所得數據進行統計分析、計算和作圖。

表1 試驗材料基本物化性質 (%)

1.2 最適經濟溫度計算

利用上述實驗數據進行模擬計算，模擬的厭氧反應器材質為6 mm的不銹鋼板，具體尺寸如圖1和表2所示[17-18]。

圖1 厭氧反應器圖

表2 厭氧反應器尺寸[18]

沼氣工程的能量可以分為產生能量和消耗能量兩部分，寒區沼氣工程需要的能量(Q)、主要有加熱物料所需的熱量(Q1)、厭氧反應器散失熱量(Q2)、輸熱管道散失熱量補償(Q3)、沼氣排出和水蒸氣蒸發所帶走的熱量(Q4)[19-20]。沼氣工程的進料管路一般都較短，而且有較好的保溫措施，故管路熱損失較罐體散失熱量、加熱物料所需熱量而言可以忽略不計。Q3和Q4一般在工程上可不考慮[19]。

沼氣工程需要的熱量：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q為沼氣工程需要的能量，kJ·a-1；Q1為加熱物料所需的熱量，kJ·a-1；Q2為厭氧反應器散失的熱量，kJ·a-1。

1.2.1 產能計算

沼氣工程每年產生總能量按下式計算[19-20]：

(2)

式中：E為年產沼氣可提供的能量，kJ·a-1；TS為進料中總固體含量，%;Win為日進料量，t·d-1;q為原料產氣率，m3·kg-1TS;e為甲烷熱值，本文取20921 kJ·m-3。

1.2.2 耗能計算

在沼氣工程實際運行過程中，其耗能主要為反應器主體熱量損失、管道熱量損失、進出料的熱耗、氣體帶走能量以及攪拌等的能耗，其中沼氣帶走的能量及攪拌等的能耗可以忽略不計[18, 21]。

1.2.2.1 每天加熱物料所需的熱量

每天加熱物料所需的熱量見公式(3)：

(3)

式中：Q1為加熱物料所需的熱量，kJ·a-1；Win為日進料量，t·d-1;C為料液的比熱容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2；T為發酵溫度，℃；Ts為環境溫度，℃，為黑龍江省近5年每日平均溫度，當其小于0℃時，Ts取值為0[20]。

1.2.2.2 散熱

罐體的散熱按照公式[19]：

(4)

式中：Q2為厭氧反應器散失的熱量，kJ·a-1；S為罐頂、罐壁和罐底的散熱面積，m2；T為發酵溫度，℃；Ts為環境溫度，Ts 溫度為近5年每日的平均溫度，℃；K為罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數，kJ·m-2h-1℃，按照公式(5)計算：

(5)

式中：K為罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數，kJ·m-2h-1℃；α1為內表面傳熱系數，W·m-2h-1℃；α2為外表面傳熱系數，W·m-2h-1℃；σ為罐體各部分結構層和保溫層厚度，m；λ為罐體各部分結構層和保溫層導熱系數，W·m-2h-1℃。

當E/Q值最大時對應的溫度定義為最適經濟運行溫度。

1.3 保溫層厚度計算

然后將最適經濟運行溫度和日平均最低溫度Tmin代入公式(4)得到最高散熱量Q2max，然后按照公式(6)[17]得到日最大溫降ΔTmax，也可據此確定ΔTmax時的Q2max以及公式(4)和(5)得到保溫層厚度，本文計算ΔTmax=0.5℃時的保溫層厚度。

(6)

式中：ΔTmax為無加熱時的最大溫降，K；Q2max為根據日平均最低溫度計算得到的厭氧反應器的散熱，kJ·d-1；V為厭氧反應器的有效容積，m3；c為料液的比熱容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2。

計算中所涉及到的傳熱系數見表3[17,19]。

表3 相關導熱系數[17,19]

2 結果

2.1 發酵溫度與產氣量之間的關系

厭氧發酵的過程是菌群生命活動的過程，而菌群的生命活動受溫度的影響，因此厭氧反應受溫度影響。圖2為不同厭氧發酵溫度條件下得到的原料產氣率。由圖2可知厭氧發酵溫度升高，原料的產氣率是增加的。經擬合得到原料產氣率V與厭氧發酵溫度T(14℃～35℃)的關系：

圖2 原料產氣率與溫度的關系

V=-0.1722T2+19.14T-184.32R2=0.9836

公式均經過ANOVA檢驗，其Prob>F為0.00035, 該公式可表示原料產氣率V與厭氧發酵溫度T之間的關系。

2.2 能量平衡計算

根據圖2中的實驗數據，利用公式(1)～(4)計算得出產能E、加熱所需要能量Q1和散熱Q2，擬合得到產能E、加熱所需要能量Q1和散熱Q2與發酵溫度T的關系分別符合公式：

E=616264T3-5×107T2+1×109T-1×1010(R2=0.995)

Q1=7×107T-5.0×108(R2=0.994)

Q2=8×107T-2×108(R2=0.994)

這3個公式均經過ANOVA檢驗，其Prob>F分別為0.00057，6.48×10-8和6.48×10-8。因此其可以表示產能E，加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與發酵溫度T之間的變化關系(見圖3)。

圖3 E，Q1和Q2與發酵溫度變化關系曲線

2.3 最適溫度的計算

E/Q～T的關系圖見圖4。由圖4可以看出，E/Q的變化可以分為3個階段：在13℃～20℃范圍內，E/Q隨厭氧發酵T的增加呈線性增加的趨勢，在20℃達到了1.165，當溫度從20℃升高到32℃，E/Q迅表現出下降的趨勢；從32℃～35℃，E/Q又表現為增加的趨勢，在35℃達到了1.105。因此，沼氣工程最適運行溫度在14℃～23℃之間。在該溫度范圍，對E/Q～T進行擬合，得到E/Q=-0.017T2+0.6958T-5.9629(R2=0.9999)。通過ANOVA檢驗，其Prob>F為0.00858。因此其可以表示E/Q與發酵溫度T之間的變化關系。利用擬合公式計算得到在14℃～35℃范圍內，適宜的厭氧發酵溫度為20.6℃，此時的E/Q值可高達1.17。

圖4 E/Q～T曲線

3 保溫層厚度計算

黑龍江省的歷史極端低溫出現在該省的漠河市，溫度達到了-52.3℃。本文以該溫度計算保溫層的厚度，得到日最大溫降為0.5℃時PVC板和PS板的厚度分別為558和57 mm(見圖5)，將其乘以修正系數1.5，分別為837和86 mm。將PS保溫板厚度為86 mm這一計算結果在200 m3池容的沼氣工程進行驗證，結果見表4。因此，在北方地區，采用86 mm厚的PS保溫板，可保持沼氣工程運行溫度波動不超過0.5℃，池容產氣率高于0.5 m3·d-1L-1。

圖5 保溫層厚度與溫度波動曲線

表4 發酵溫度20.6℃，PS保溫板86 mm厚時的沼氣工程驗證結果

4 結論

利用生豬養殖廢水半連續厭氧發酵的實驗數據，根據黑龍江省近五年的逐日氣溫數據及歷史最低日平均溫度，計算了黑龍江省沼氣工程的最適經濟運行溫度和保溫層厚度，并在200 m3池容的沼氣工程進行了驗證，結果如下：

(1)在14℃～35℃，有機負荷為3 gVS·L-1d-1，水力停留時間為15 d的條件下，黑龍江省沼氣工程的最適運行溫度均為20.6℃，此時產能與耗能的比值為1.17。

(2)在歷史最低日平均溫度及最適運行溫度條件下，沼氣工程日最大溫降為0.5 ℃時的保溫材料PVC板和PS板的厚度分別為558和57 mm。修正后的PVC板和PS板厚度分別為837和86 mm，可使沼氣工程的溫降小于0.5 ℃。

(3)工程驗證結果表明在北方地區，采用該86 mm厚的PS保溫板可保持沼氣工程運行溫度波動不超過0.5℃，池容產氣率不低于0.5 m3·d-1L-1。