半干式厭氧發酵沼氣工程運行性能測試

李靖李愛芹趙國明袁存亮邢向欣張重張蕾蕾張旭

(1.吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022；2.吉林農業大學工程技術學院，吉林 長春 130118)

引言

隨著我國畜牧業的迅速發展，每年畜禽養殖糞便產生量也十分巨大，據統計，2010年我國規模化養殖場所產生的畜禽糞污量可達20.5億t[1]，但僅有44%得到了有效利用。畜禽糞便特點是含固量高、有機質含量高并且還存在蟲卵、病原體等物質[2-4]，若不經過處理而直接進行排放則會嚴重污染環境，并且造成疾病的傳播，因此如何將畜禽糞便進行無害化處理已成為當下主要的研究方向[5,6]。

厭氧發酵作為畜禽糞便有效利用的一種解決方法，不僅能夠對畜禽糞便進行無害化處理，而且能夠產生清潔能源的同時，發酵底物也可加工成有機肥施于田地中，這樣既能夠實現畜禽糞便的資源化利用,也能維持畜禽養殖業的可持續發展[7,8]。目前，我國規模化的養殖場中，養牛場占據了主要一部分，而其中牛糞的產量也是十分巨大，傳統的水沖糞的清潔形式不僅加大用水量造成水資源的浪費，而且還對后續的無害化處理造成極大的壓力。因此，現如今我國規模化的畜禽養殖場多采用干清糞的處理方式。其中，干清牛糞中有機質含量高達80%～85%，多糖類物質占27%～32%，粗蛋白占9%～23%[9]。牛糞的C/N基本為25∶1，適合進行厭氧發酵，但高濃度的干清牛糞在進行厭氧發酵過程中易造成酸化、發料等現象，選擇適合的厭氧發酵工藝則直接影響厭氧發酵效果[10]。因此，針對上述問題本研究提出干清牛糞厭氧發酵工藝技術與裝備，并以采用該技術的吉林省農業機械研究院乾安縣牧羊廠300m3沼氣示范工程為例，對運行情況進行分析，進而為我國畜禽糞便資源化利用提供高效利用途徑。

1 畜禽干清糞便厭氧發酵沼氣工程關鍵技術

畜禽干清糞便厭氧發酵存在的問題主要是因為濃度高物料易酸化，并且在厭氧發酵過程中易出現發料的現象[11]，因此要選擇合適的工藝與攪拌方式。筆者所在團隊則是針對上述問題，自行研發了一種星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應器用以進行厭氧發酵，通過設計計算建立了星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應器的仿真模型，利用CFD仿真分析方法，結合反應器內部物料運動情況進行仿真分析，并結合反應器內部流場特征參數進行綜合分析與優化[12]，最終確定了實際工程中的厭氧反應器結構。

2 畜禽干清糞便沼氣技術集成

基于以上關鍵技術分析與研究，筆者所在團隊處理畜禽干清糞便沼氣技術集成工藝。在周邊養牛場收集干清牛糞，進場后將干清牛糞輸送至除雜沉沙池中進行沉降，去除泥沙等雜物，進入預處理池進行物料的預增溫及勻質，進入星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應罐體內部進行全混合半干式中溫厭氧發酵，厭氧發酵的剩余產物可經過固液分離器進行分離，制作有機肥料；產生的氣體可經過凈化后進行儲存，方便后續生產生活使用。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 干清牛糞沼氣工藝技術路線

3 實際工程案例

3.1 工程概述

吉林省農業機械研究院乾安縣牧羊廠300m3沼氣示范工程依托于吉林省科技發展計劃項目《畜禽糞便高濃度沼氣發酵及沼渣基質化利用技術裝備研究》，工程占地1300m2。工程運行處理畜禽干清糞便產生天然氣可供示范園區生產生活，沼渣、沼液可固態、液態有機肥還田使用。實際工程見圖2所示。

圖2 300m3沼氣示范工程

3.2 技術方案

3.2.1 原料收集體系

工程采用周邊養殖場的干清牛糞作為發酵原料，干清牛糞收集運至除砂池，經除砂沉降后的牛糞通過輸送管道送至牛糞預處理池中進行預增溫以及勻質，料液含固量約為17%。池內通過換熱管，利用循環水進行預增溫處理，泵入厭氧發酵罐體內部。

3.2.2 厭氧發酵系統

厭氧發酵系統主要由星型臥式旋流攪拌立式圓柱型反應罐構成，罐體分別設有進料口與出料口，并在罐體底部設有螺旋出料裝置方便出料。罐體內部設有按星型布置的3個臥式攪拌軸，每個攪拌軸之間間隔120°，每個攪拌軸上設有螺帶與攪拌葉翅，攪拌葉翅也呈螺旋線分布，方便在攪拌過程中實現物料沿攪拌軸周向及徑向的運動。罐體產生的沼氣通過頂部出氣口沿氣體輸送管道進入儲氣裝置。星型臥式三軸旋流攪拌立式圓柱型反應罐體內部鋪設換熱管道，罐體內部設計發酵溫度為35±2℃，HRT為20d，發酵物料含固率可達16.3%，采用間歇式機械攪拌(每4h攪拌2min，攪拌轉速為10r·min-1)。

3.2.3 沼氣儲存及凈化系統

發酵罐體內部產生的氣體經過脫硫脫水罐后進入雙層膜氣體儲存裝置中儲存，使用時，經過增壓系統，方便后續生產生活使用。

3.3 工程運行情況

示范工程建成后開始投入運行試驗，并以干清牛糞作為厭氧發酵原料(牛糞TS=16.4%)，加入30%接種比例的接種物，裝料量為容積的80%，全部投入罐體后打開整個系統的控制設備，并進行5min的低速攪拌，使得干清牛糞與接種物充分混合后，開始整個厭氧發酵反應，以20d為1個發酵周期，發酵溫度設定為35±2℃，攪拌轉速為10r·min-1，攪拌間隔為4h，攪拌時長為1次2min，并記錄產氣量，對設備進行運行檢查。

本次試驗的處理畜禽干清糞便的高濃度厭氧發酵裝置的日產氣量如圖3所示，測試記錄時間從2020年11月28日—12月18日，根據產氣記錄結果統計20d總產氣量為6443.86m3，日均產沼氣322.2m3，平均容積產氣率1.07m3·m-3·d-1，最高日產氣量614.38m3，最高日產氣率達到2.05m3·m-3·d-1。整個發酵周期內，干清牛糞能迅速進行反應，并且維持較高的產氣效率。

圖3 厭氧發酵日產氣量變化

4 結論與討論

畜禽干清糞便通過厭氧發酵進行處理是畜禽干清糞便資源化利用的有效途徑之一，但目前我國對于半干式厭氧發酵沼氣工程應用較少，未取得大規模的推廣應用。本文設計建設的半干式厭氧發酵工程優化了半干式厭氧發酵工藝，為后續的研究提供了有利的工藝方案與形式，打破傳統的攪拌形式采用星型旋流攪拌，有效地避免了畜禽干清糞便半干式厭氧發酵時物料易酸化發料的情況，并且示范工程運行情況良好且穩定，為今后對于畜禽糞便半干法沼氣工程起到一定的支撐作用。

本研究提出的畜禽干清糞便半干式沼氣工程集成技術雖取得較高的實際應用成果，但具體過程還需進一步優化，并且，此次工程運行試驗僅利用干清牛糞進行了批式厭氧發酵研究，對于其它種類畜禽干清糞便與連續工程運行的應用情況還需進一步研究。