大型沼气工程建管优化分析

新能源产业湖北专刊HubeiSpecialIssue17大型沼气工程建管优化分析陈可金湖北省农村能源办公室监督处我国沼气工程近几年发展非常迅速，我省大中小型各类沼气工程发展了几千处，工程类型还扩展到秸秆沼气、秸秆气化工程，为循环农业，节能减排作出了贡献。就工程建设而言，沼气工程是一个涉及面非常宽的环境和能源工程，一个沼气工程就相当于一个污水处理厂和一个小型供气工程的综合。其中厌氧消化技术和工艺是核心，这方面的优化分析和工艺的合理选择是保证沼气工程建设质量、运行稳定和可持续发展的关键。国内外对厌氧技术都有较多的研究。中国重视厌氧消化工艺本身的研究开发，几乎所有常规的、高效的厌氧消化工艺在我国都有应用。但相对于一些欧洲国家特别是丹麦和德国，无论是沼气工程技术、相关政策还是工程运行经济效益、环境效益和能源效益，我国都存在不足之处。相比来讲，我国沼气工程单个工程规模小、数目多，存在建设与管理都相对粗放，多数沼气工程运行成本高、不稳定、综合效益无法充分显现等问题。其主要原因是工程运行管理不到位，调控不完善，工艺技术不尽合理。因此沼气工程技术研究开发，探索适合我国沼气工程发展的建设模式、管理模式都具有很大现实意义。近年来，各地加大了对工程管理方面上的研究，取得不少成果。如山西、上海、北京等地尝试市场化集中托管模式，在管理上进行了多方面的创新，取得不错的效果。我省天门健康村和应城市曹大村2处沼气工程在工程建设、运行管理也有自己独特的经验，天门健康村大型沼气工程项目从2008年10月建成投产以来，一直运行稳定，带动了村级经济发展；应城市曹大村中型沼气工程于2012年9月摘　要：本文从我省最常见大中型沼气工程建设与运行管理的实际情况出发，重点对健康村和应城市曹　　　　大村两处典型畜禽养殖场沼气工程的厌氧消化工艺、运行管理、经济效益等进行深入分析，探　　　　讨养殖场沼气工程建设经验、安全运营管理模式，以及存在的问题，为畜禽养殖场沼气工程的　　　　可持续发展提供参考。关键词：沼气工程；发酵工艺；运行管理；模式建成投产，通过精心管理，在不到9个月的时间内盈利24万元。两处沼气工程建设与管理的模式、经验值得研究探讨。1　典型沼气工程概况（1）健康村大型沼气工程概况该工程总投资718.9万元（包括一生物有机肥厂），采用了二次发酵工艺。一次发酵采用CSTR工艺，中温发酵，池容1000m3，二次发酵工艺为UASB，常温发酵，池容1500m3。设计日处理污水350吨，产沼气1200m3。该工程投产5年多来，连续稳定运行，实际年产沼气55万立方米。供气农户1236户（实现全村920户用气和周边塘拐村316户供气）。相当于年节标煤400多吨，生物有机肥、沼渣及湿地措施等相当于节约氮、磷、钾复合肥330吨，全村每年节省农民近50～60万元的肥料开支，同时增加土壤有机质。经济、环境、社会效益非常明显。（2）曹大村中型沼气工程概况该工程于2012年6月开工建造，占地面积1500m2，厌氧反应器采用USR工艺，容积800m3，湿式储气柜400m3，两罐均采用搪瓷钢板建造，当年9月底完成并投产。设计日产沼气640m3，供应附近村民398户和幼儿园、福利院各一处。日产沼渣液40m3，定点销售供应附近茶园、蔬菜基地1500亩。1.1　建设条件与目标1.1.1健康村沼气工程建设条件与目标（1）建设条件健康村有13个村民小组，920户，3682人，耕地面积1846亩，人均耕地仅0.5亩。村办企业湖北健康（集团）股份有限公司1999年以来被农业部评为“农业产业化国家重点龙头企业”。健康村养猪场年出栏良种种猪3000头，出栏活大猪3万头，常年生猪存栏数为1.6万头。所生产的大量废弃物造成的环境污染问题非常突出。在环保部门督促下，建设沼气工程刻不容缓。工程建设条件有：周边村民和群众对开展养猪场大型沼气工程建设十分支持；健康村1800多亩耕地和猪场附近160亩鱼池水面能足够消纳沼液和沼渣；养殖场本身或村委会均有雄厚的经济实力。（2）工程建设目标处理猪场污水近350m3/d，要求按照《畜禽养殖业污染物排放标准》排放；通过工程建设解决全村近1000户村民的炊用用能；人工清出的大部分粪便经好氧堆肥发酵生产有机肥。1.1.2曹大村沼气工程建设条件与目标（1）建设条件曹大村有六个村民小组，450户，1560人，耕地面积154亩。因为人均耕地少，居民普遍经营养殖业、种植精品蔬菜。全村成立了养殖合作社，有社员14户，共计养猪14000头，其中有3户比较大，共养猪10000头。村面污染非常厉害，附近养鱼、种水稻受害极大。村委会、养殖合作社一致同意建设沼气，处理污水，造福村民。有利条件：村里有一定经济支撑，可以保证工程运转；本村和附近村共有精品蔬菜地1500多亩、茶园120亩，急需大量有机肥，可以消纳沼液；村民普遍富裕，素质高，很愿意接受使用沼气。（2）工程建设目标收集处理村周边几处小型养殖场粪污，净化环境，就近给村民、幼儿园、福利院供应清洁能源，向附近茶园、蔬菜基地提供沼肥。1.2　健康村沼气工程项目建设主体选择与村级规划1.2.1确定项目建设建设主体项目建设主体的选择涉及到该项目能否把为村民供气和服务作为首选的问题。养猪场同意自己建设，但所产生的沼气主要用于养猪场，如果有多余才供应给附近约200户居民。要给全村近1000户居民供气只有村委会作为项目建设主体来承担各项任务。于是村委会召开全村居民大会，村民一致同意村办沼气站。村委会迅速为沼气工程建设完成几项事务：1、提供建设用地5亩，并包办了所需的建设手续；2、与猪场达成协议，将猪场污水与猪粪全部承包给村处理。村付与一定原料费；3、村负责沼气站的建设和管理，给全村居民供气。新能源产业湖北专刊HubeiSpecialIssue191.2.2村级清洁能源规划村委会结合村级经济发展，做了详细的村级新能源规划，以备分步实施。规划内容主要包括：分析健康村可资源化利用的养殖场废弃物、农作物废弃物可资源化利用量，包括太阳能开发利用计划。在5～10年内，建设以沼气工程为纽带，集沼气站、有机肥厂、优质蔬菜基地、农作物秸秆燃料厂、太阳能开发利用为一体的农畜废弃物资源化利用和新能源开发利用产业链。2　健康村沼气工程厌氧技术优化分析厌氧消化器工艺是沼气工程建设的关键。健康村沼气工程厌氧消化工艺经过多次技术方案比较和论证，充分保证了项目技术方案的科学性、可行性。2.1　两种工艺模式比较国内外猪场沼液深度处理途径主要有两条，一是自然处理，常见的有生物塘法和人工湿地法；二是生化处理，常见的有A/O工艺，SBR工艺，SBBR工艺，组合工艺等。这两种处理途径可以称为：生态模式和环保模式。2.1.1“生态模式”处理工艺要求周围有足够农田消纳沼液、沼渣。（1）工艺流程（2）工艺特点：1）畜禽粪便污水可全部进入处理系统，进水TS浓度可高达10%〔4〕。2）厌氧消化器可采用全混合厌氧池、上流式固体床等。3）沼气利用方式：炊用或发电。（2）工艺特点1）养殖场必须实行严格清洁生产，干湿分离，畜禽粪便直接用于生产有机肥料，冲洗污水和尿液进入处理系统，污水CODcr在5000mg／L图1-1“生态模式”工艺流程图图1-2“环保模式”工艺流程图4）沼液、沼渣进行综合利用，建立以沼气为纽带的良性循环的生态系统，提高沼气工程综合效益。2.1.2“环保模式”处理工艺该技术适用于周边没有足够土地面积和污水必须达标排放的各种规模化养殖场。（1）工艺流程左右，氨氮在400mg／L～1500mg／L。2）污水必须先进行预处理，强化固液分离、沉淀，严格控制SS浓度。3）厌氧消化器可采用上流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器、厌氧滤器等。厌氧出水COD在1000mg／L左右。4）好氧处理可采用序批式好氧活性污泥法（SBR）反应器，接触氧化法、氧化沟、稳定塘等。5）厌氧、好氧产生的污泥经干化场浓缩脱水后可用于制作有机肥或作为菌种出售。6）有机肥的生产应优先采用好氧连续式生物堆肥工艺。2.2　工艺模式优化2.2.1厌氧消化工艺选择根据我国中南地区常用工艺进行比对。我们选择完全混合式厌氧消化器工艺（ContinuousStirredTankReactor简称CSTR）；塞流式反应器（PlugFlowReactor简称PFR），其改进型HCF是在PFR基础上增加搅拌装置后改进而成的新工艺，同视为塞流式厌氧消化工艺；上流式厌氧污泥床（Up-flowAnaerobicSludgeBed简称UASB），以及升流式固体反应器（UpflowSolidReactor简称USR），结合建设工程地点条件进行对比选择。对比原则：选择合适的工艺，因地制宜，以防止环境污染为前提，以沼液高效利用为目标，探索适当的厌氧消化处理办法。根据分析，常用的四种消化器工艺有其自身的原料适应性，适合于不同的工程类型。但每种方法都存在一定局限性，尤其对氮磷的去除效果差异较大。对于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料，选择CSTR、USR和PFR，此三种工艺适用于“能源生态型”沼气工程；对于“能源环保型”沼气工程中处理低悬浮固体浓度的溶解性废水选择UASB。在悬浮物含量较高的情况下，从经济效益和技术最合适上考虑用CSTR和USR。因此按照健康村所处环境和实际需求情况，可选择采用完全混合式厌氧消化器工艺CSTR和上流式厌氧污泥床UASB。2.2.2发酵工艺选择由于健康村项目点周围有大量的农田和水塘消纳沼液，项目的目标是沼气生产和综合利用，故以生态模式为主，即利用厌氧发酵生产沼气给农户炊用，沼液、沼渣作有机肥主要用于周边农田。但是由于猪场每天排污水量过大，考虑到猪主要厌氧消化工艺对比分析工艺类型HCFUSRCSTRUASB原料类型高悬浮固体废水，尤其适用于牛、猪粪高浓度畜禽粪污尤其适用于猪、牛、鸡粪所有类型有机物低悬浮固体溶解性废水一般进料浓度%7～103～56～9＜1容积有机负荷率kg/m3.d2～55～103～85～10水力滞留期d15～208～1515～251～5池容产气率m3/m3.d1～1.50.4～1.20.8～1.20.3～0.6有机物去除率%50～7060～8060～7570～85注：表中数据参考《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》并结合湖北中温或常温条件下实际情况总结得出场排放环保方面的压力，结合环保模式优点，对技术模式方案进行优化。采用一次主发酵和二次发酵相结合工艺，既保证产气又兼顾污水处理。第一次发酵工艺主要是为了获得稳定气源，保证给全村居民供气，考虑到项目规模、运行的稳定性、节省投资和运行费用等，选用中温发酵、完全混合式厌氧消化器工艺比较合适。经过计算，主发酵罐容积为1000m3。第二次发酵罐主要承接集污池内大量污水和主发酵罐排出的沼液一起净化，兼顾获取宝贵的清洁能源。考虑新能源产业湖北专刊HubeiSpecialIssue21到当地气温较高，生化处理效果较好和尽量节省工程运行费用，第二次发酵工艺采用UASB沼气池，通过计算，容积为1500m3。理论上测算，健康村养猪场污水350m3/d污水经过厌氧处理后可产沼气约385m3/d(理论上每去除1kgCODcr可产0.35m3甲烷或0.636m3沼气，实际产气量以当时产气条件有关。健康村沼气工程进水CODcr浓度3000～5000mg／L，厌氧罐去除率55%～70%，当地实际每吨污水可产沼气1.1m3/t左右），该量不够供应全村居民户用气，因此每天要向主发酵罐投入鲜粪15t/d以上才能保证厌氧罐产气1000m3以上。猪场多余猪粪和沼渣可用于生产有机肥。2.2.3工艺主要参数第一次发酵罐为CSTR沼气池，容积1000m3，设计中温发酵温度为32～35℃，TS约6～9%，负荷去除率55%～70%。滞留期20天以上。产气率0.8m3/m3·d。产气量1000×0.8=800m3/d。工程备有一台0.5吨锅炉，用于给