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规模养牛场粪污厌氧发酵制沼气工程设计研究

安徽农业科学,JournalotAnhuing6.Sci.2011,39（18）:

11072—11073责任编辑刘月娟责任校对况玲玲

规模养牛场粪污厌氧发酵制沼气工程设计研究

杨明珍（1.辽宁省环境科学研究院,辽宁沈阳l1003l;2.辽宁省流域污染控制重点实验室,辽宁沈阳l10031）

till对畜禽养殖粪污治理技术进行简要综述,以规模化养牛场粪污治理为实例,并展厌氧发酵制沼气工程设计研究.最后,指出厌氧

发酵制沼气工程设计过程中重点注意的问题.

关键词沼气工程;设计;牛粪

中图分类号X713文献标识码A文章编号0517—6611（2011）18—11072—02

ResearchonBiogasEngineeringDesignforCattleFarm

YANGMing-zhen（LiaoningAcademyofEnvironmentalSciences,Shenyang,Liaoning110031）

AbstractThetechnologyofanimalma

+

nuretreatingwasanalyzed,andthedesignofbiogasengineeringforcattlefarmhadbeenputoutasan

example.Someadvicesforthedesignofbiogasengineeringwereputforwardintheend.

KeywordsBiogasengineering;Design;Cattlemanure

畜禽养殖所产生的污染物主要来源于畜禽排泄物,主要

污染物质有粪便,尿液及冲洗水等.近年来,在畜禽养殖业

的迅猛发展过程中人们忽视了畜禽养殖业的管理问题.大

量的畜禽排泄物没有得到合理处理与综合利用,对环境造成

严重污染.

1畜禽养殖粪污常用治理技术概述

畜禽粪便中有机物,氨氮,磷等污染物浓度高,单纯从污

染治理的角度对其进行处理,投资,运行成本都很高,无法实

现长期稳定的运行.从资源化角度考虑,畜禽粪便中有机

物,氨氮,磷等是宝贵的资源,在处理畜禽粪污的过程中对这

些资源进行回收,从而在实现污染治理的同时可获取一定的

收益.采用资源化技术处理畜禽养殖粪污已经成为主

流.目前畜禽养殖粪污治理的主导技术主要有:

①饲料

化技术,包括用新鲜粪便直接作为饲料,与青草（切短的青玉

米秸）和麸皮混合青贮后作为饲料,利用优良品种的蝇,蚯蚓

和蜗牛等低等动物分解畜禽粪便后作为饲料等;②肥料化技

术,常采用的方法有厌氧发酵方法,快速烘干法,微波法,充

氧动态发酵法;③能源化技术,主要是以厌氧发酵制沼气为

核心的能源化技术.

2牛场养殖场粪污厌氧发酵制沼气工程设计

2.1养牛场粪污的基本特性一般,奶牛和肉牛每天产生

粪便量分别为25和15kg（含水率为87%）,COD31g/kg,

NH3一N1.7g/kg,TN4.37g/kg,TP1.18g/.尿液,冲洗水

量与养殖场清粪工艺有关,且各养牛场差异较大,设计应尽

可能以实测为依据.

2.2工艺选择采用以厌氧发酵制备沼气为核心的能源化

技术.利用养殖场尿液,冲洗水对新鲜牛粪进行稀释,稀释

成固形物（SS）浓度在4%左右,然后进入厌氧反应器进行厌

氧发酵,发酵产生的沼气经净化后进人沼气储柜.净化后的

沼气一部分进入供气管道供周边居民炊用,剩余部分进入沼

气锅炉燃烧,回收的余热用于厌氧发酵罐增温,进罐前原料

增温以及冬季厂区办公厂房,牛舍采暖.发酵后沼液作为有

基金项目

作者简介

收稿日期

国家科技重大专项（2008zxO72O8—o05）.

杨明珍（1980一）,男,内蒙古赤峰人,工程师,硕士,从事污

水处理技术研究与工程设计,E—mail:

yangmzl00@126.eom.

20l15_03

机肥料施于周边农田.

2.3单元设计.

2.3.1原料预处理.原料中的长草会引起管道堵塞,原料

中的砂粒进入发酵罐会在罐体内堆积,减少发酵罐的有效容

积.设计采用粉碎格栅去除牛粪中的长草,可以收到较好的

效果;同时,配用切割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草,

可有效地防止管路堵塞.对粪污中的砂粒,采用沉砂进行

沉砂,沉砂井底部安装输送螺旋,将沉砂输送至预处理池外.

2.3.2厌氧消化器选择与设计.对于畜禽养殖粪污治理大

中型沼气工程,目前最常见的厌氧反应器类型有全混式厌氧

反应器,塞流式反应器,升流式厌氧污泥床反应器,升流式固

体反应器以及内循环反应器.各种反应器各具特点.在丁

程设计中,应针对不同类型的发酵原料合理地选择反应器

类型.

（1）塞流式反应器（PlugFlowReactor,简称PFR）.亦称

推流式反应器,径高比很小（1/50）,非完全混合,高浓度悬浮

固体原料从一端进入,从另一端流出,原料在消化器内的流

动呈活塞式推移状态.优点有:

①不需搅拌,结构简单,能耗

低;②适用ss浓度高的物料处理;③运转方便,故障少,稳定

性高.缺点有:

①固体物质可能沉于底部,影响消化器的有

效体积,使水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）降

低;②需要固体和微生物的回流作为接种物;③径高比较小,

难以保持温度恒定;④易产生结壳.

（2）升流式固体反应器（UpflowSolidsReactor,简称

USR）.结构简单,适用于高悬浮固体原料的反应器原料

从底部进入消化器内,与消化器里的活性污泥接触,使原料

快速消化.未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠

自然沉降滞留于消化器内,上清液从消化器上部溢出,从

得到比HRT高得多的SRT,提高了固体有机物的分解率和消

化器的效率.USR反应器用于鸡粪废水的中温厌氧消化,负

荷达10.5kgCOD/（m?

d）,产气率高达4.9kg/（m?

d）.该

反应器非常适用于鸡粪,猪粪的消化处理.

（3）全混式反应器（ContinuousStirredTankReactor,简称

CSTR）.在常规厌氧反应器内安装搅拌装置,使发酵原料和

微生物处于完全混合状态,活性区遍布整个消化器,效率比

常规消化器明显提高.在运行方式上,常采用恒温连续投料

39卷18期杨明珍规模养牛场粪污厌氧发酵制沼气工程设计研究11073

或半连续投料,适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处

理.HRT,SRT均为10～20d,中温发酵负荷3～4kgCOD/

（ITI?

d）,高温发酵负荷5—6kgCOD/（m?

d）.优点有:

①

可进入高悬浮固体原料;②消化器内物料混合均匀,增加了

底物和微生物的接触机会;③消化器内温度分布均匀;④进

入消化器的物料能够迅速分散,保持较低的浓度水平;⑤避

免浮渣,结壳,堵塞,气体逸出不畅和短流现象.缺点有:

①

消化器体积较大;②要有足够的搅拌,因此能耗较高.

（4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB）.目前国内广泛

应用于酒醪滤液,啤酒废水,豆制品加工废水等.特点为:

自

下而上流动的污水通过膨胀的颗粒状污泥床被消化分解,消

化器分为污泥床,污泥层和三相分离器3个区.优点有:

①

除三相分离器外,消化器结构简单,无搅拌装置及填料;②有

机负荷大大提高;③颗粒污泥的形成使厌氧微生物天然固定

化,增加了工艺的稳定性;④出水ss含量低.缺点有:

①需

要安装三相分离器;②需要安装布水装置;③要求进水sS含

量低④当水力负荷较高或ss负荷较高时,易流失活性污泥

和微生物,运行技术要求较高.

（5）内循环厌氧反应器（InternalCirculation,简称Ic反

应器）.如同把2个UASB反应器叠加在一起,高度可达l6

～

25m,高径比可达4～8.优点有:

容积负荷率高,占地面积

小,不需外加动力,抗冲击负荷,启动时间短,缓冲pH能力

强,出水稳定性好;缺点有:

不适用于悬浮物较多的物料

处理.

该设计发酵原料为牛粪.在厌氧发酵过程中,在反应器

内液面上易发生结壳现象,阻碍沼气释放.通过对上述5种

反应器的结构,特点进行分析,最终选择厌氧反应器类型

CSTR.反应器主体罐体材料为复合钢板,钢板内侧为0.5

mm不锈钢板,外层基材为碳钢.罐内设顶搅拌,搅拌器间歇

开启（转10h停6h）,搅拌机转数为150r/min.

2.3.3沼渣沼液的处置.畜禽粪污厌氧发酵之后的沼渣,

沼液需得到妥善处置,否则将会造成二次污染.目前,沼渣,

沼液的处理有3种模式.①农用.沼气工程周边配套有较

大面积的农业作物,鱼塘等,能够就地消纳沼气发酵的残留

物（沼液）.该方式的优势是投资和运行成本均较低,是一种

最为经济的工程模式目前世界上养殖场沼气发电最发达

的德国基本采用该方式.②自然处理.对沼液采用部分还

田或分季节还田,多余的沼液进行低能耗或无动力的自然处

理（氧化沟,氧化塘,人工湿地等）,达到控制污染物总量减排

的目的.该方式成本也较低,但对周围环境可能造成影响,

需要结合项目实际情况来考虑是否适用.③处理达标.将

沼液进行固液分离,分离出来的沼渣制成商品固体有机肥

料,分离后的清液经过好氧或物化等深度处理达到排放标准

后直接排放.该方式的工程投资和运行费用都较高”.

该设计沼液处置采用农用方式.建设沼液储池1座,建

设配套滴灌系统’1套,沼液在沼液池内进行自然沉淀,上清

液通过污水泵,管道进入滴灌系统,池底沼渣经脱水后直接

作为固态肥料还田.为保障在冬季沼液得到及时利用,建设

温室大棚.

2.3.4沼气储存及净化.沼气是一种混合气体.它的主要

成分是甲烷,还含有二氧化碳,硫化氢,饱和水蒸气,高碳烃

等（从乙烷C:

H到庚烷C,fi.）,有时还含有一氧化碳,氮气,

氦气,氢气,硅氧烷,卤代烃及固体颗粒物等杂质.由于沼气

含有以上杂质且沼气的流量,压力,温度,浓度等都很不稳

定,直接用于沼气锅炉燃气或进入发电机组燃烧势必造成设

备腐蚀,研磨等问题,从而严重缩短设备的寿命,并可能造成

安全隐患.所以,在利用之前,必须建设沼气净化系统.该

设计沼气净化包括脱水和脱硫.脱水采用气水分离器;脱

硫采用化学法.

沼气存储采用单独的囊式气柜.气柜容积与产气情况,

用气情况有关.目前,养殖场沼气工程设计存储气量大多按

12h产气量设计,即昼夜产气量的50%.采用沼气集中供

气,气柜容积放大50%,沼气用于发电时气柜容积可适当减

小.该设计沼气除集中供气外,还有燃气锅炉回收热能,气

柜容积按昼夜产气量的50%设计.

2.3.5沼气利用.目前沼气利用途径主要有4种:

①用作

炊用燃气.该方式适用于小沼气以及周边有一定居民的大

中型沼气工程.②沼气供热.利用沼气锅炉将沼气燃烧产

生的热量用于采暖,工艺用热等.③沼气发电.利用沼气发

电机组将沼气转化为电能,电能可以用于工程内部供电,附

近居民供电等,同时可以回收发电机组的余热,用于沼气工

程保温增温.沼气发电已经成为大型沼气工程沼气利用的

主流技术,但发电上网程序复杂,在一定程度上制约其推广.

④并人天然气管网.随着沼气深度净化技术的提高,沼气深

度脱碳已经成为可能,沼气脱碳后并人天然气管网在国内已

经有了少量的应用.该设计沼气利用采用炊用燃气和热能

回收2种模式.

3应注意的问题

3.1原料预处理原料预处理问题是以牛粪为原料的沼气

工程稳定运行的最关键因素之一.对原料中长纤维的去除

及粉碎效果不佳,易造成工艺管道的堵塞,无法进料;原料中

沉砂效果差,会造成原料中砂含量增加,加剧工艺管道的磨

损,并造成沉砂在反应罐内的沉积,降低反应罐的有效容积.

3.2沼液利用沼液中富含有机质,氮,磷等营养成分.若

采用深度处理达标排放的思路对其进行处理,成本