大型沼氣示范工程濕法發酵系統運行技術模式研究

陳冠英 劉凡 楊瑞涵 梁雪 張廷軍1 劉磊

摘要 以河北省承德市豐寧滿族自治縣某大型沼氣示范工程濕法發酵系統為例，對原料選擇、工藝設計、設備單體調試和系統運行調試方案進行研究。結果表明：完成原料實驗檢測和設備單體調試后方可啟動系統調試運行模式，調試分為啟動調試階段、負荷提升階段以及穩定運行階段3個階段，確保每個階段的運行技術指標都在合理范圍內。

關鍵詞 濕法發酵；運行技術模式；沼氣工程

中圖分類號 S 216.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）12-0176-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.12.040

Research on the Operation Technology Mode of Wet Fermentation System in Large-scale Biogas Demonstration Project

CHEN Guan-ying1，2，LIU Fan1，2，YANG Rui-han1，2 et al

（1.China Huadian Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100160；2. National Energy Research and Development Center for Production and Utilization of Biomass Gas， Tianjin 301700）

Abstract Taking wet fermentation system of a large biogas demonstration project in Fengning Manchu Autonomous County in Chengde City， Hebei Province as an example，raw material selection， process design， equipment testing and debugging scheme of the? system were studied. The results showed that the operation mode can be started after the completion of raw material experimental testing and equipment testing. The operation mode was divided into three stages， namely debugging start-up stage， load-lifting stage and stable operation stage， so as to ensure that the operation technical indicators in each stage are within a reasonable range.

Key words Wet fermentation;Operating technical mode;Biogas engineering

基金項目 中國華電科工集團有限公司重點科技項目（CHECKJ22-01-19）。

作者簡介 陳冠英（1987—），男，北京人，工程師，從事生物質沼氣工藝設計、研發工作。

收稿日期 2022-06-13

隨著全國畜牧業的發展，集約化、規模化養殖場的污染已經成為造成農業環境污染的主要因素［1-2］，而利用牛糞等畜禽糞便作原料生產生物燃氣是解決這一問題的有效方法之一［3-6］。隨著碳達峰碳中和時代的到來以及各種政策文件的出臺，給生物燃氣行業帶來新的機遇和發展機會。2020年9月，習近平總書記在聯合國一般性辯論大會上鄭重宣布：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。2019年，國家發展和改革委員會下發《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》（發改能源規〔2019〕1895號），提出要加快生物質天然氣產業化發展［7］。2021年初，中央一號文件明確提出將全面推進鄉村振興戰略，加快農業農村現代化［8］。

沼氣工程在發酵過程中以畜禽糞污為主要原料（濕法發酵濃度一般在10%以下［9］），能有效解決畜禽糞污的污染問題，可生產可再生的清潔能源，創造出更多的效益，促進能源的節約，是一種集節能和環保于一體的綜合利用技術［10-11］。目前，我國濕法發酵技術應用較為成熟，但仍存在一定的弊端，在運行效率上存在穩定性不高的現象，導致生物燃氣生產效率低、發酵穩定性不高等問題［12］。筆者以河北省承德市豐寧滿族自治縣某大型沼氣示范工程濕法發酵系統為例，對原料選擇、工藝設計和具體的運行調試方案進行研究，旨在為大型沼氣濕法工程調試和穩定運行提供理論依據和技術支撐。

1 案例分析

1.1 工程設計

1.1.1 項目情況。

項目位于河北省承德市豐寧滿族自治縣五道營鄉，項目周邊養殖場的畜禽糞污采用濕法厭氧發酵工藝進行處理，設計日產沼氣量6 000 m3。

1.1.2 工藝流程。

原料通過沉砂池收集，經過除砂后自流至勻漿池，再通過進料螺桿泵送至一體化厭氧發酵罐。物料經過發酵后，通過出料螺桿泵送至緩沖池，隨后泵入固液分離機，分離后的沼液部分回流至沉砂池和勻漿池，剩余部分可作葉面肥或灌溉還田等，沼渣可作為原料生產生物有機肥。一體化厭氧發酵罐產生的沼氣經罐內生物脫硫后，再進入增壓系統，最后進行發電，發電產生的余熱可為發酵系統提供熱量。濕法發酵工藝流程如圖1所示。

工藝設計共涉及牛糞量、回流沼液/工藝稀釋水量、設計產氣量、有機負荷率（OLR）、反應器總有效容積、水力停留時間（HRT）、反應器數量、容積產氣率8項參數。工藝設計參數如表1所示。

1.2 原料分析

1.2.1 原料技術要求。

該項目濕法發酵系統處理的原料主要是奶牛場的牛糞，目前已與4家奶牛場簽訂原料供應合同，供應總量為175 t/d，滿足工藝需求。項目原料濕法工藝參數如下：TS含量≥25%，含砂率≤1%，堆放時間≤3 d。該項目使用養殖場有機廢水作為發酵原料接種物。

1.2.2 原料性能分析。

將采集的4個奶牛場牛糞樣品混合均勻后，進行樣品制備。采用105 ℃干燥重量法檢測項目原料的總固體（total solids，TS）含量。采用550 ℃灰化法檢測項目原料的揮發性固體（volatile solids，VS）含量。采用電位法以1 mol/L氯化鉀溶液為浸提劑，在25 ℃下使用PE28型pH計檢測原料pH。物料產甲烷潛力試驗按照接種物與物料的VS含量比為2∶1進行，使用全自動甲烷潛力測試系統在40 ℃恒溫水浴條件下測定。牛糞TS含量為（28.60±0.33）%，VS含量為（21.59±0.15）%，VS含量/TS含量為（75.48±0.35）%，pH為6.8。

按試驗原料的水力停留時間（HRT）為30 d進行試驗。牛糞的沼氣日產氣量和累計產氣量變化如圖2所示。

2 案例運行技術模式分析

2.1 調試運行方案

調試分為啟動調試階段、負荷提升階段和穩定運行階段3個階段，其中啟動調試階段又分為接種馴化增殖期和物料增溫期。調試周期表如表2所示。

2.2 調試運行步驟

2.2.1 啟動調試階段。

2.2.1.1 工作步驟。

（1）牛場糞污通過運輸車倒入沉砂池內，使用沼液（最佳方案）或清水沖洗糞污，糞污稀釋至TS含量3%，開啟沉砂池除砂機，除砂后的糞污在勻漿池內攪拌混勻，通過進料螺桿泵打入1#發酵罐內。發酵罐需打入稀釋后的糞污約3 000 m3，預計需要26 d，每天進料115 t，可連續進料。

（2）接種物投加過程中，伴隨著厭氧發酵過程，發酵罐攪拌器可以進行低頻、間隔運行（糞污沒過攪拌器后，才能開啟攪拌器），糞污沒過發酵罐加熱盤管，可使用熱源給發酵罐物料加溫，加溫幅度每天不超過1.5 ℃，預計加溫時間20 d左右，每天檢測發酵罐物料pH，如果現場實驗室具備條件，采用最佳方案測試FOS/TAC比值，即揮發性有機酸和堿度的比值。

（3）菌種富集過程中，每天在發酵罐正負壓保護器排放口處觀察產氣情況，罐內如有產氣，可使用便攜式氣體分析儀測定氣體成分，當沼氣中甲烷含量在50%以上時正負壓保護器就可以加水，水位加至指定刻度線即可，收集沼氣儲存至一體化儲氣膜內。

2.2.1.2 監測數據。

在啟動調試階段共監測溫度、pH、甲烷含量、糞污TS含量及FOS/TAC 5項指標。監測數據如表3所示。

項目在北方啟動調試宜選擇在春季或夏季，此時氣溫偏高，適合進料產氣調試，發酵溫度確保逐步增加，每天增溫1.5 ℃左右，直至達到設計值38 ℃。溫度監測數據如圖3所示。

物料發酵pH的最佳范圍為6.8～7.4［13］，第6～8天pH在6.3左右，第9天恢復到正常值（6.8）。究其原因，這是因為發酵初期經歷水解-酸化階段，導致物料的pH下降，然后有機酸被分解進入產甲烷階段，pH又恢復至正常水平。pH監測數據如圖4所示。

物料發酵的第一階段、第二階段屬于水解-酸化階段，因此前8 d甲烷含量較低；隨后進入甲烷生成階段，甲烷含量迅速增加，第16天甲烷含量達到最高值（65.08%），20 d內甲烷含量平均值大于58.00%；在26～30 d內，隨著原料成分不斷被消耗，甲烷含量逐漸降低。甲烷含量監測數據如圖5所示。

糞污的TS含量每3 d檢測1次，確保接種馴化增殖期TS含量在3%左右。糞污TS含量監測數據如圖6所示。

相較于pH監測，FOS/TAC可以預警沼氣反應器中是否發生酸化（FOS/TAC過高）或氨化（FOS/TAC過低）現象。FOS/TAC監測數據如圖7所示。

2.2.1.3 流程結束。

當所產沼氣甲烷含量超過50.00%，試驗發酵罐內物料pH為7～8，FOS/TAC在0.4以下時該流程結束，進入下一流程。

2.2.2 負荷提升階段。

（1）提升計劃。

一體化厭氧發酵罐首次進料有機負荷控制在0.8 kg/（m3·d）以下。當試驗測得物料的pH為7～8，或FOS/TAC在0.4以下，且至少連續3 d穩定無增長時，可提升一體化厭氧發酵罐進料負荷。每次提升進料負荷不超過現有進料負荷的30%。有機負荷提升計劃如表4所示。

（2）監測數據。

負荷提升期間需要添加物料，牛糞、清水支撐發酵罐穩定運行，物料添加量如圖8所示。試驗期間，對溫度、FOS/TAC進行實時監測。溫度監測數據如圖9所示，FOS/TAC監測數據如圖10所示。

（3）流程結束。

經過啟動調試階段和負荷提升階段2個階段的調試，物料發酵的各項工藝指標均已經達到設計值：發酵溫度為（38±2）℃；1#發酵罐牛糞進料量44 t、清水進料量66 t，發酵濃度10%；pH為6.4～7.5；FOS/TAC為0.2～0.4；甲烷含量平均值在58%左右。啟動2#發酵罐可以按照啟動1#發酵罐的進料步驟重新操作一遍即可。至此，項目正式進入穩定生產階段。

2.2.3 穩定運行階段。

（1）工藝目標。

維持系統的穩定運行，緩慢微調操作，及時整理穩定運行參數，供以后正常操作運行參考。

（2）工藝指標。

所有發酵罐裝滿原料，罐內溫度穩定在（38±2）℃，各工藝系統生產性能逐漸達到設計能力，即單罐沼氣產量3 000 m3/d。

（3）運行要求。

整理總結各單元進料、厭氧發酵、沼氣凈化利用、固液分離等系統的操作規程。

（4）監測數據。

在項目運行過程中需要做好以下數據的日常檢查，以確保罐內厭氧過程正常進行。檢測數據如表5所示。

3 問題與建議

3.1 充足的準備工作是調試運行成功的重要保障

3.1.1 設備檢查［14］。

包括工程主線完工且已完成分項驗收工作；池體、罐體及管道完成水壓試驗且合格；單體設備完成調試，比如泵、攪拌器閥門儀表等。

開展此項工作時，建議做好以下方面：

（1）發酵罐與正負壓保護器之間沼氣管道閥打開，正負壓保護器放水閥打開，確保進料時壓縮罐內空氣、空氣能及時排出，當沼氣中甲烷含量符合要求時可將水注入正負壓保護器指定刻線位置。

（2）有的項目此階段處于臨時電源轉換為正式送電的階段。為避免接入正式電后可能發生設備反轉的現象，一定要事先檢查設備電機轉向，如發生設備反轉應重新接線，杜絕發生安全事故。

3.1.2 一體化厭氧發酵罐水密性檢測［15］。

沼氣發酵罐在主體結構達到設計強度后，應進行滿水試驗。充水時宜分4次進行，每次充水量為設計水深的1/4；充水時的水位上升速度不宜超過2 m/d；相鄰2次充水的間隔時間不應小于24 h；每次充水宜測量24 h的水位下降值，計算滲水量，在充水過程中和充水以后應對發酵罐做外觀檢查，當發現滲水量過大時應停止充水。待查明原因并做出處理后，方可繼續充水。

滿水試驗建議要在罐體保溫施工前，如有滲水漏水情況，避免保溫二次施工；如在冬季進行滿水試驗，應有加熱保溫措施，避免凍結對罐體造成損壞；同時，如有多個發酵罐，在設計時宜考慮罐體之間可以相互循環運行，便于導水導料。

3.1.3 一體化厭氧發酵罐氣密性檢測［15］。

滿水試驗合格后，進行氣密性試驗。氣密性試驗壓力應為沼氣發酵罐設計工作氣壓的1.5倍，24 h氣壓降應小于試驗壓力的3%。氣密性檢測建議在罐體及附件全部安裝完之后進行，包括攪拌器、傳感器、保護器等。有的項目攪拌器等關鍵設備大多采用進口設備，供貨周期長，而發酵罐多為國內供貨，供貨及安裝周期短，建議待攪拌器安裝后統一進行氣密性檢測。

3.1.4 其他準備。

①調試運行前需要管理人員、操作人員、維修工及電工就位工作，并完成安全三級教育和沼氣厭氧發酵知識及工程的上崗培訓；

②保證熱源、水源、電源的穩定供應；

③勞保用品、檢修工具配備齊全。

3.2 低濃度進料有利于調試運行的快速啟動

3.2.1 啟動調試階段。

該項目在此階段一直以TS 3%的進料濃度進行進料，進料量為115 t/d，經過26 d后發酵罐液面高度達到設計標高。此階段以低濃度物料進料且快速注滿發酵罐，該調試方式有以下優點：①低濃度可避免發生物料酸化現象，從而避免項目啟動失敗；②物料快速注滿發酵罐可有效將罐內空氣排出，從而為提高甲烷含量創造有利條件。

3.2.2 負荷提升階段。

該項目在此階段以TS 10%的進料濃度逐步增加進料量，相同進料量以3 d為1個周期，共分為7個周期，每個周期進料量負荷不超過上個周期的進料量負荷的30%，直至達到設計進料量。逐步提升進料量負荷，避免突然增加進料量對發酵系統的沖擊，可以平穩地過渡到設計進料量和進料濃度，從而使項目成功啟動運行，順利進入穩定運行階段。

3.3 建立科學、合理的組織措施

為積極穩妥、有條不紊地完成濕法發酵系統的調試工作，建議現場組建調試工作組，具體工作分為原料收儲組、技術支持組、實驗組、工程組以及安全組，并由專人負責。

3.3.1 原料收儲組。

①負責聯系各養殖場以及運輸車輛，完成原料的收儲運工作；

②負責對外協調的其他事宜。

3.3.2 技術支持組。

①負責編制濕法發酵系統的調試方案，提供技術指導；

②負責研究、解決調試運行過程中出現的技術問題；

③監測、記錄并分析調試過程中的技術數據，如溫度、pH、TS含量、甲烷含量、氨氮含量等；

④定期組織召開調試運行工作現場會議，研討調試運行中出現的問題，制定解決方案。

3.3.3 實驗組。

①現場取樣；

②實驗室檢測；

③出具檢測報告，為調試工作組的生產計劃提供技術支撐。

3.3.4 工程組。

①負責各單位統籌管理；

②負責整個項目的建設把控和項目推進工作，做好各施工單位作業面銜接，協調解決在建設、調試過程中的各類問題；

③負責整個廠區內人員、車輛、機械的安全管理。

3.3.5 安全組。

①全面負責項目調試運行的安全監督管理工作；

②負責所有風險作業的管理審批；

③負責做好調試、生產運行人員的健康保障和應急救護安排；

④負責調試運行期間現場的安全保衛、環境保護工作；

⑤負責在事故狀態下現場的組織與協調工作；

⑥負責指揮調試運行期間緊急事件的處理，并將處理情況向調試指揮部匯報。

3.4 制定詳細的應急預案

3.4.1 參數監測。

當監測到發酵罐的參數中有一項或幾項有異常波動時應立即停止進料，報告調試人員和負責人，經商討后找出問題所在并予以解決，方能繼續進料。

解決方案如下：

（1）pH。

沼氣厭氧發酵pH的最佳范圍為6.8～7.4，當發酵罐內物料酸化時應采取緊急措施，停止進料，加強攪拌，加堿（生石灰）調節pH，并迅速從相同或相近工程項目調運所需菌種，直至發酵罐內各項指標恢復正常。

（2）氨氮含量。該項目厭氧菌氨氮含量極限值為5 000 mg/L。氨氮中毒，說明原料濃度過高，需要用清水稀釋，降低進料濃度，逐步降低罐內氨氮含量，直至產氣正常，方可重新按照各階段投料表規定的進料濃度繼續進料。稀釋進料期間，應記錄進料濃度和罐內氨氮含量，采取微調形式將厭氧發酵部分發揮到最大限度。

（3）發酵罐內溫度。

應控制發酵罐增溫每天0.5～1.0 ℃，當天發酵罐內溫度變化幅度不超過2.0 ℃。

當發酵罐溫度波動較大時采取穩定措施，如停止進料或者加大增溫力度；

若不能維持溫度穩定，或當天無熱源供應無法維持穩定時，需要暫停進料、保持密切觀察和監測，只有當該參數在標準值范圍內時方能繼續進料。

3.4.2 設備。

調試期間如有設備出現故障，應停止投料，待維修人員檢修后才可繼續操作。

3.4.3 安全措施。

①調試現場嚴禁煙火，嚴禁動火操作，現場需要配備消防器材設備。

②場內操作人員取樣或進行巡視時，需要隨身攜帶便攜式可燃報警儀，以確保在第一時間檢查有無沼氣泄露現象。

4 結論

此項目濕法發酵系統調試運行技術模式有良好的效果，通過實驗室研究與實際工程的有機結合，工作進展順利，運行穩定。影響沼氣工程穩定運行的因素較多，比如支持政策、原料品質、氣候、設備性能以及產品渠道等，但是只要從業人員積極準備，考慮周到，總結經驗教訓并分享成功經驗，從原料收儲、工藝技術、裝備以及商業模式等方面進行交流和創新，使我國每個沼氣工程都能穩定運行，從而進一步提高環境效益和經濟效益，改善有機廢棄物的治理與農村的人居環境，為“雙碳”目標作出應有的貢獻。

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