规模化养猪场沼气工程应用技术

规模化养猪场沼气工程应用技术中国农业大学林聪2006年8月20日内容一.沼气技术的发展二.养殖场沼气工程的应用模式三.沼气工程的内容四.沼气发酵装置五.综合利用一、沼气技术的发展1866年，勃加姆波（Bechamp）首先指出甲烷的形成是一种微生物学的过程。1896年在英国埃克塞特市，用马粪发酵制取沼气点燃街灯。1936年，英国首先在泰晤士河畔的废水工厂中应用厌氧消化技术，并将回收的沼气作为补充能源。1950年洪格特创造了厌氧技术。1958年全国不少省市曾推广过沼气。20世纪70年代，又一次重视并大力推进沼气建设，再次掀起了沼气建设高潮。20世纪八十年代以后，开展了大量有关沼气发酵的理论和应用技术的研究，并取得了可喜的研究成果，我国的沼气建设开始稳步发展。90年代以来，经过多年的研究、开发、试点示范沼气建设技术获得重大突破。一.沼气技术的发展农村沼气发展生态模式南方“猪-沼-果”、北方“四位一体”西北“五配套”养殖场沼气工程建设模式能源环保模式能源生态模式。形成了“种植业（饲料）—养殖业（粪便）—沼气池—种植业（优质农产品、饲料）—养殖业”循环发展的农业循环经济基本模式。三沼的应用沼气——已经开始注重集中供气系统的建设，利用增压和减压调节装置，通过输送管道将沼气配送到农户，形成了供气管网，并向农民供应沼气，解决生活燃料问题，。发电——我国自产单燃料沼气发电机技术越来越成熟，能源短缺的现实和可再生能源利用技术的完善，使沼气发电已经成为沼气工程中很重要的一部分。沼渣液——沼肥是很好的有机肥料，已被广泛用作基肥和无土育苗基质，果园和蔬菜大棚有机肥灌溉施用，并作为固体有机肥进入了市场销售。沼气的性质沼气是有机物质在厌氧条件下经过多种细菌的发酵作用而最终生成的一种混合气体。它的主要成分是甲烷（CH4），通常占总体积的50％～70％；其次是二氧化碳，约占总体积的30％～40％；其余硫化氢、氮、氢和一氧化碳等气体约占总体积的5％左右。沼气是一种良好的气体燃料，燃烧时火焰呈蓝色，最高温度可达1200℃左右。沼气中因含有二氧化碳等不可燃气体，其抗爆性能好，辛烷值较高，又是一种良好的动力燃料。甲烷与沼气的主要理化性质理化性质甲烷（CH4）标准沼气（CH460%，CO240%）体积百分百（%）热值（千焦／米３）密度（克/生标准状态）比重（与空气相比）临界温度（０Ｃ）临界压力（ｘ105帕）爆炸范围（与空气混合的体积百分比）气味54～80358200.720.55-82.546.45～15无100215201.220.94-25.7～-48.4259.35～53.938.80～24.4微臭沼气发酵原料及厌氧微生物各种有机的生物质，如秸秆、杂草、人畜粪便、垃圾、污水、工业有机废物等都可以作为生产沼气的原料。沼气微生物（产甲烷菌群）广泛存在于自然界里，诸如湖泊和沼泽的底层污泥中，有机物质经沼气微生物的发酵作用而产生出可燃气体，自水中冒出来。所以，人们称它为“沼气”。有些反刍动物的胃里（如牛胃），有时也能有沼气发生。人们有意识地建造的沼气发生器，就叫“沼气池”。沼气池中为保证细菌的厌氧消化过程，就要使厌氧细菌能够旺盛地生长、发育、繁殖和代谢，这些细菌的生命越旺盛，产生的沼气就越多。因此造成良好的厌氧分解条件，为厌氧细菌的生命活动创造适宜的环境是多产沼气的关键。二、养殖场沼气工程的应用模式不同规模、不同特点、不同生产工艺的规模养殖场粪污水处理工艺是将厌氧生物技术、好氧生物技术、水肥耦合灌溉和喷施技术和有机肥料生产技术等单项技术的最优化组合，通过工程手段将等技术有机地结合在一起，建立了能源生产和利用模式，厌氧发酵与污水处理结合的粪污水达标排放模式，实现了各种资源的最大利用度和最佳转换生态链，实现了种植——养殖结合一体化生态循环平衡系统，从根本上解决养殖场环境污染与资源利用的问题。综合利用农村生物质资源，发展循环经济.沼气发酵的基本工艺流程有机废物剩余污泥(可用作肥料)储存沼气净化调节池预处理厌氧消化器后处理用户排放养殖场沼气工程的应用模式各种适宜模式根据现场条件和对发酵残留物处理利用方式和要求的不同，沼气工程可以有两大类，即生态类型和环保类型。在实际工程设计中，根据现场条件、沼气利用和排放等方面的要求，可以选择模式。能源－环保型畜禽舍贮水池厌氧消化固液分离沉淀池好氧处理贮气柜净化装置沼气发电集中供气干清粪废水液体沼气固体废弃物拌辅料固体包装、出售烘干、造粒好氧发酵达标水排放粪便污泥养分调配主要应用于周边既无一定规模的农田，又无闲暇空地可供建造鱼塘和水生植物塘的畜禽场。该模式特点是，畜禽废水在经厌氧消化处理后，必须再经过适当的好氧处理，如曝气、物化处理等，使其达到国家规定的相关环保排放标准。能源－环保模式能源－生态型畜禽舍贮水池厌氧消化固液分离沼液储存肥水调配贮气柜净化装置沼气发电集中供气鱼塘干清粪废水液体沼气固体废弃物拌辅料固体包装、出售烘干、造粒好氧发酵水生植物塘、无土栽培无公害、有机农田粪便污泥养分调配主要适用于周边有适当规模的农田、鱼塘或水生植物塘的畜禽场。该模式特点是，畜禽废水在经厌氧消化处理后，排灌到农田、鱼塘或水生植物塘，经过多层次的资源化利用，既为无公害农产品生产提供充足的肥源，又实现了粪污的“零排放”。能源－生态模式沼气工程规模分类指标工程规模单体容积(m3)总体容积(m3)沼气产量(m3/d)配套系统的配置大型≥300≥1000≥300完整的原料预处理系统；沼渣、沼液综合利用系统；沼气贮存、输配和利用系统；中型300＞V≥501000＞V≥100≥50原料预处理系统；沼渣、沼液综合利用系统；沼气贮存、输配和利用系统；小型50＞V≥20100＞V≥50≥20原料计量、进出料系统；沼渣、沼液综合利用系统；沼气贮存、输配和利用系统；备注沼气产量是指在发酵温度大于25℃总体装置的沼气产量沼气工程适用于高浓度有机粪污水厌氧发酵能量转化率高，有机物去除率高达80－90％发酵过程无需能耗，运行费用低发酵过程产出沼气－清洁能源产生污泥量少具有降解某些难降解物质和有毒的有机物的能力三、大中型沼气工程建设的内容1、粪污水的收集、饲养种类、饲养工艺、清粪工艺、养殖规模、粪污排污量等；2、所选厌氧发酵工艺、发酵池型；3、储气系统；4、沼气利用系统，输配气系统、发电系统；5、沼气净化系统、监测系统；6、沼渣、沼液综合利用系统，周围土地承受和消纳能力，周围种植结构、品种、对水肥的需求；7、固体肥料生产。粪污水的处理原则根据饲养工艺、排污量的大小和排污浓度的特点，按照清洁化生产的原则，在饲养工艺方面进行可操作的调整，结合废弃物处理、环境保护、资源综合利用和生态农业生产的要求选择最适宜的处理工艺与综合利用模式，粪污水的处理原则要满足：1、减量化：2、无害化:3、资源化：4、生态化：1、减量化：要治理好畜粪污染，必须从污染的源头抓起，必须有效的削减污染总量。实行干清粪工艺，并将冲圈水减少到最低限度，从而减少治理经费，达到将污染源控制在最低限度的目的。2、无害化:选用先进工艺技术，结合猪场周围的环境、粪污消纳能力和能流物流生态平衡的特征，因地制宜，消除污染，消除蚊蝇孳生，杀灭病菌，实现污水达标排放和能源生态综合利用的“零排放”。3、资源化：有害粪污经过治理，达到变废为宝的目的。粪便治理后可作为花卉、蔬菜、大田作物的有机肥或深加工成有机复合肥。厌氧发酵残余物沼渣沼液除含有Ｎ、Ｐ、Ｋ外,还含有钙、铜、锌、铁等多种微量元素、氨基酸、维生素、生长素和有益微生物，是一种速、迟效兼备的有机肥料。利用沼肥对果树、蔬菜及作物进行灌溉或喷施，节省大量农药和化肥，节约生产成本，改善土壤理化结构，提高土壤肥力，调节作物生长，抑制病虫害，能够增产增质增值。污水处理后的灌溉和回用可使水资源得到进一步的利用，是粪污处理工程可持续发展的基础。4、生态化：建成“畜→污→沼→饲→菜→畜”和“畜→污→水→菜→果→田→畜”的生态平衡系统，通过污染防治为有机农业的发展提供重要依托。利用现代科学技术，通过人工设计生态工程，以协调发展与环境之间、资源开发利用与生态保护之间的关系。粪污资源化的关键干清粪，固液前分离，减少处理难度与处理量消灭虫卵、致病菌，处理后的污水回用与灌溉大力推进有机肥产业化进程加强工程技术手段的研发和支持力度与其它农业生产技术结合四、沼气发酵装置按储气方式，可分为水压式、浮罩式和气袋式；按几何形状，可分为圆筒形、球形、椭球形、拱形、长方形、坛形等；按发酵机制，可分为常规型、污泥滞留型和附着膜型三大类；按埋设位置，可分为地下式、半埋式和地上式三大类；按建池材料，可分为砖结构、混凝土结构、钢筋混凝土结构、玻璃钢、塑料和钢丝网水泥、Lipp罐和搪瓷钢板罐等；按发酵温度，可分为常温发酵、中温发酵和高温发酵。按阶段划分可为两阶段发酵，一级发酵和两级或多级发酵等。1．水力滞留期(HRT)厌氧消化器的HRT是指一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要的时间．通常以天(d)或小时(h)为单位。当消化器在一定容积负荷条件下运行时，其HRT与发酵原料有机物含量呈正比，有机物含量越高，HRT则越长，这有利于提高有机物的分解率。HRT（d）=消化器的有效体积÷每天的进料量处理牛粪时HRT与甲烷产气率的关系牛粪不同滞留期的产气率与原料利用率(高温发酵)甲烷产率/L/（L·d）HRT/dHRT与甲烷产气率的关系曲线滞留期（d）产气率(m3/m3·d)原料利用率%46.2939.864.9646.1122.8952.82．固体滞留期(SRT)SRT是指悬浮固体物质从消化器里被置换的时间。在一个混合均匀的完全混合式消化器里，SRT与HRT相等。SRT在非完全混合消化器里与HRT无直接关系试验表明，固体有机物的分解率与SRT呈正相关。因此，延长SRT是提高固体有机物消化率的有效措施。3.微生物滞留期(MRT)微生物滞留期指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的时间。在一定条件下，微生物繁殖一代的时间基本稳定，如果MRT小于微生物增代时同，微生物将会从消化器里被冲洗干净，厌氧消化将被终止。如果微生物的增代时间与MRT相等，微生物的繁殖与被冲出处于平衡状态，则消化器的消化能力难以增长，消化器则难以启动。如果MRT大于微生物增代时间，则消化器内微生物的数量会不断增长。延长MRT不仅可以提高消化器的处理有机物的效率，厌氧消化器分类类型滞留期特征消化器举例常规型MRT=SRT=HRT常规消化器塞流式完全混合式污泥滞留型（MRT和SRT）（HRT）厌氧接触工艺升流式固体反应器生流式厌氧污泥床附着膜型MRT（STR和HRT）折流式厌氧滤器流化床和膨化床常规型消化器常规消化器模式图连续搅拌罐反应器塞流式消化器污泥滞留型消化器厌氧接触工艺升流式厌氧污泥床(UASB)污泥滞留型消化器内循环反应器(IC)升流式固体反应器(USR)出水渠集气室进水配水系统固体床出水沼气排泥挡渣板污泥滞留型消化器折流式反应器附着膜型消化器厌氧滤器流化床和膨胀床升流式固体反应器沼气工程沼气工程沼气工程推流式厌氧消化器储气柜沼气发酵液不能直接排放，否则会导致二次污染，必须后处理加以资源化利用。沼气发酵液作为有机肥应根据当地土壤状况和种植施肥情况应用于果树、养鱼、种花和蔬菜、大田种植业。五、综合利用厌氧发酵残留物的利用沼液中含有氮、磷、钾、钙、铜、锌、铁、B族维生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物质。沼气厌氧发酵后约95%的寄生虫和有害细菌被杀灭。发酵后的沼液无机元素络合，进行沼渣、沼液深加工，生产多元复合营养有机复合有机肥，有利于植物的优质生产和某些病虫害防治。以沼气为纽带的物质资源利用模式图生态系统能流与物流动态平衡转化系统厌氧发酵综合利用系统工艺流程2006年8月20日