养牛场一体化沼气工程启动运行效果分析

摘要：产气贮气一体化技术是近年来在我国开始使用的新的工艺，具有成本低、建设周期短和占地较省的特点。本论文对北京某奶牛场一体化沼气工程启动阶段的工艺过程进行了阐述及分析，并对其运行过程中沼气发酵原料及其产物特性进行了测试与分析。结果表明，在冬季为期两个月的监测时段内，固体有机物分解率在50％左右，系统运行稳定，效果良好。

关键词：奶牛场；一体化沼气工程；启动运行；运行效果分析

1　前言

近年来。禽畜养殖业迅速发展，然而生产模式集约化、规模化、商品化的同时也导致了禽畜粪污过度集中和冲洗水大量增加，造成的环境污染压力越来越大。我国拥有着相当丰富的禽畜粪便资源，而现阶段我国对禽畜粪便的利用率不到10％，带来严重污染的同时，也是对资源的一种浪费，同时对养殖场的正常运行也会带来影响。沼气工程是有效解决此问题的有效途径之一。

北京通州区某奶牛场现存奶牛2000余头，为使日产30余吨的粪便得到妥善处理，保护生态环境，养殖场于2008年11月建立了以产沼气为主体的牛粪综合处理工程，该沼气工程采用国内先进、国外普遍使用的产气、贮气一体化厌氧装置。

2　工程简介

该沼气工程位于北京通州区，设计处理能力为每天30t牛粪、30t冲洗及稀释废水。合计处理粪污水60t／d，设计停留时间20天，工程采用中温恒温发酵工艺。发电机组功率为160kw，采用热电联产模式。工程于2008年11月始建，2009年9月试运行。该沼气工程处理系统主要包括匀浆池(酸化池)、一体化厌氧反应器、沼气净化装置、发电机组等。其工艺流程见图1。

2.1预处理部分

以牛粪为原料的沼气工程预处理主要包括两部分内容。一是除砂，由于一般奶牛场牛粪都含较多的砂子，如不对其进行去除，长时间沉积在池底部，将占去大量的空间，同时对搅拌装置也容易产生磨损影响。本工程在匀浆池底部设有抽砂泵，定期去除底部沉积的砂砾。二是除长草，一方面人工清除匀浆池部分长草，另一方面在进料前设有切割泵，将其中长草等大块固体物质进行切割至1cm长，使其均匀进入发酵罐。

在一体化装置前设置匀浆池，可通过加水调节使进料浓度控制在合适的范围内，同时使得原料中难降解的纤维素及其它有机物等在匀浆池内先进行部分分解，实现初步的水解酸化，这将有助于提高产气量和提高挥发性固体的分解效率，缩短固体废物发酵周期，有利于改善沼气产气效率、反应速度、稳定性和对操作的控制。

2.2厌氧部分

该工程采用产气、贮气一体化厌氧消化装置，进料浓度为8％～12％。产气贮气一体化装置将厌氧罐与沼气贮气柜合二为一。与传统的产气、贮气分体模式相比，减少了厌氧罐顶盖及贮气柜。一体化装置下方为厌氧罐部分，采用完全混合式，罐体采用钢结构，容积为1200m3，罐体直径16米，高6米。厌氧罐内配置了高效节能的搅拌装置(1斜搅拌器+1破壳搅拌器)，解决了含固率高、物料不均、传质差、死区大、易酸化和易结壳的问题。罐壁安装有增温管。此外厌氧发酵罐还安装了沼气压力保护器，当沼气压力超过设定范围时。压力保护器会自动释放沼气，反之会抽入空气，以维持沼气压力在一定的范围内，确保贮气柜和厌氧罐不受损坏。

一体化装置上方为沼气贮气膜柜部分，采用双模式球冠型贮气柜。贮气膜柜通过支撑鼓风机向其恒定压力，调整内外膜之间夹层的空气压力，以保护外膜并维持贮气柜的形态和结构，并将膜内的沼气送入输气管道。

一体化装置结构紧凑，各部分设备功能结合紧密，与传统分体式沼气工程相比，具有以下优势：

(1)适用于高浓度中温发酵，TS8～10％，可常年稳定运行：

(2)减少了分体式气柜以及厌氧罐硬顶盖，可降低工程投资15％；

(3)减小装置规模，节省增温能耗；

(4)降低消耗，减少沼肥运输量；

(5)缩短工期，建设周期短50％以上。

2.3产物部分

沼气在进入沼气锅炉及发电机组前，主要对沼气中的水分和硫化氢进行了去除。脱硫部分采用了生物脱硫为主。化学脱硫为辅的技术，脱硫剂为高效氧化铁脱硫剂。

发酵罐中溢流而出的沼渣沼液混合液经固液分离机进行分离，固体部分可作为有机肥料，液体部分则进入沼液消纳池。在冬季，沼液亦可直接回流至匀浆池，一方面可为匀浆池增温，另一方面可起到一定的搅拌作用。

3　分析项目及测试方法

3.1监测内容

监测内容主要包括：系统的冬季运行情况；匀浆池、反应器及沼液三个样品的检测；沼气中甲烷含量、H2S含量的测定。监测频率为每周一次，为期两个月(2009年12月1日～2010年1月30日)。

3.2主要测试项目

系统的运行：进料量、匀浆池及发酵罐内温度、pH等；

样品(匀浆池、反应器、沼液)：TS、VS、VFA、碱度、TN、NH4-N、COD；

沼气：产气量、甲烷、硫化氢含量。

3.3分析方法

COD的测定采用重铬酸盐法；TN采用H2SO4～H2O2～HCIO4消化蒸馏滴定法；NH4-N采用蒸馏滴定法；碱度采用电位滴定法；pH值的测定采用精密试纸pH值5.5～9.0(上海三爱思试剂有限公司)和pHS-2C型酸度计(上海伟业器厂)测定；VFA采用蒸馏滴定法；TS、VS采用减重法；甲烷含量采用便携式红外沼气分析仪(武汉四光仪器厂)；硫化氢含量的测定采用硫化氢检测管。

4　分析结果

4.1系统的运行情况

该沼气工程采用中温发酵工艺，在冬季为期2个月的跟踪监测中，采用沼气锅炉加热循环水来维持匀浆池、厌氧罐的恒温。匀浆池中温度基本维持在33～35℃之间，厌氧反应器内温度维持在37～40℃之间，温度维持在合适的范围内。匀浆池、反应器内及沼液的pH均在6.5～7.5之间，均在有利于沼气微生物正常生长、代谢的范围内，反应器中碱度基本在8000mg／L(以CaCO3计)，系统运行稳定、效果良好。

4.2运行参数测定

沼气工程进料浓度的选择主要基于两方面的考虑：能量平衡及氨氮浓度。从能量平衡的角度来看，高的TS浓度有利于减少物料总量，从而减少增温热量，节省能源，一般认为TS浓度大于8％时，发电机组提供的余热可满足发酵系统冬季自身的增温的需要；从氨氮浓度来考虑，物料TS浓度不宜过高，以避免氨氮抑制现象发生，保证发酵过程稳定。综合上述因素，本沼气工程设计物料浓度为10％。

在该工程的启动期，我们对一些运行参数进行了测试，图3所示为该项工程中，匀浆池、厌氧反应器和沼液中总固体TS的变化情况。厌氧反应器中的TS基本维持在5～6％之间，而匀浆池中的TS变化比较大。沼液中的TS也有一 定的波动，但是基本保持在3～4％之间。

挥发性脂肪酸VFA(乙酸为主)是厌氧消化过程的重要中间产物，甲烷菌主要利用乙酸形成甲烷，只有少部分甲烷由CO2和H2生成。该沼气工程在冬季两个月内，匀浆池中的VFA最大，而沼液中VFA最小。这说明粪料在匀浆池中已经先经过初步的酸化水解作用，生成了大量的挥发性脂肪酸，进而在反应器中VFA被分解反应生成沼气。

4.3沼气产气量及其成分的监测

由图5可以看出，该沼气工程自运行后，在1 1月、12月产气逐渐上升、并处于平稳状态，产气率在0.40m3／(m3d)左右，而12月底以后，由于气温较低，其产气量产生波动和下降，可能是受到进料温度较低的影响，而1月中旬后，其产气量又开始慢慢回升。沼气中的甲烷含量在56～62％之间，大部分维持在60％以上，处在较为理想的水平上。

传统采用牛粪作为原料的沼气工程，其沼气中硫化氢含量基本在2000～4000ppm之间，本沼气工程所产生的硫化氢含量在200～1000ppm(0.02％～0.1％)之间，远低于传统工程。主要是一体化反应器的生物脱硫作用。沼气中的硫化氢对管道、燃烧器以及其它金属设备、仪器仪表等有很强的腐蚀性，因此必须对其进行去除。此外，沼气中的水分会降低进入发电机中气体的热值，降低发电效率。因此也需对其进行去除。

本一体化沼气工程采用重力汽水分离器及冷干机去除沼气中的水蒸气。硫化氢的去除主要分为两部分。一方面，生物脱硫，通过向反应器顶部充入一定量的空气(充氧量：大约0.7m3／d)，使硫化氢在反应器内进行初步的生物氧化去除(2H2S+O22H2O+2S)。另一方面，沼气在进行脱水之后。进入化学脱硫工艺，化学剂采用高效氧化铁脱硫剂，经过化学脱硫后，在其出气中检测不到硫化氢的存在，去除率几乎达到100％。由图6可明显的看出，自2009年12月21日后，向反应器顶部充氧，沼气中硫化氢的含量大大降低，含量降至400ppm，远低于传统沼气工程沼气中硫化氢含量。因此，通过向反应器顶部通入一定量的氧气，可减少出气沼气中H2S的含量，进而减少后续化学脱硫的处理量，降低其脱硫剂的使用量，降低了运行成本。

5　结语

沼气工程作为生态农业建设的中心环节，使不完整的传统农业循环转变为完整的良性生产循环体系，使资源的利用更加充分合理，极大地改善了农业生产环境[9，17]。

产气、贮气一体化沼气装置与传统的装置相比，具有很大的优势，符合我国规模化沼气工程建设的要求。在冬季为期两个月的监测期间，该一体化沼气工程基本运行稳定，该技术在我国的推广利用具有广阔前景。