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錢(qián)靖華，田寧寧
(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京100037)
摘要：大中型沼氣工程作為處理規(guī)模化牛場(chǎng)糞污的有效途徑，受到廣泛關(guān)注。牛糞具有含長(zhǎng)草、固體含量高等特點(diǎn)，因而對(duì)沼氣發(fā)酵工藝的要求較高。目前，我國(guó)的牛場(chǎng)大中型沼氣工程都逐步或多或少的顯現(xiàn)出設(shè)計(jì)上的不足。本文通過(guò)對(duì)牛場(chǎng)沼氣工程實(shí)例的調(diào)查與分析，總結(jié)工程設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題，找出合理的解決方案，推進(jìn)我國(guó)規(guī)模化牛場(chǎng)沼氣工程的健康發(fā)展。
近年來(lái)，在我國(guó)畜牧業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，其廢棄物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。2005年我國(guó)牛存欄量達(dá)到了11000多萬(wàn)頭[1]。根據(jù)測(cè)算，1000頭規(guī)模的奶牛場(chǎng)日產(chǎn)牛糞尿50t，1000頭規(guī)模的肉牛場(chǎng)日產(chǎn)糞尿20t。這些糞尿除少部分用作肥料外，其余相當(dāng)數(shù)量排放在養(yǎng)殖場(chǎng)的周?chē)呀?jīng)成了制約牛場(chǎng)發(fā)展的限制性因素。厭氧處理畜禽糞便是目前養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理的有效方式，不僅可以減少其對(duì)環(huán)境的污染，而且可以獲得生物能源———沼氣。每噸干牛糞、雞糞和豬糞(中溫發(fā)酵)分別可產(chǎn)生沼氣約300m3，490m3和420m3[2]。沼氣的熱值為18017～25140kJ?m-3，相當(dāng)于1kg原煤或0.74kg標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)的熱量[3]。因此，利用畜禽糞便生產(chǎn)清潔能源，對(duì)于保護(hù)環(huán)境和發(fā)展可再生能源都有著重要的意義。
大中型沼氣工程作為處理規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的有效途徑，已經(jīng)引起了政府的廣泛關(guān)注，也得到了許多養(yǎng)殖企業(yè)的認(rèn)同，使我國(guó)大中型沼氣工程建設(shè)得到了較快的發(fā)展。規(guī)模化牛場(chǎng)沼氣工程的建設(shè)起步比規(guī)模化豬場(chǎng)沼氣工程晚，工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在現(xiàn)有工程中逐漸顯現(xiàn)出一些問(wèn)題，迫切需要解決。本文通過(guò)對(duì)一些牛場(chǎng)大中型沼氣工程進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例，總結(jié)出設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并提出了一些改進(jìn)思路。
1牛糞的特性及沼氣工程存在的主要問(wèn)題
1.1牛糞的特性
目前我國(guó)規(guī)模化牛場(chǎng)大多數(shù)采用干清糞工藝，干清糞工藝由人工或機(jī)械收集牛糞，尿及沖洗水則從下水道流出。鮮牛糞的TS濃度一般在15%～22%范圍，揮發(fā)性固體約占80%。牛糞中的雜質(zhì)和飼養(yǎng)工藝關(guān)系很大，我國(guó)大多數(shù)牛場(chǎng)實(shí)行舍飼散養(yǎng)，所以從運(yùn)動(dòng)場(chǎng)清理出來(lái)的牛糞含有較多細(xì)砂、長(zhǎng)草，同時(shí)牛糞本身的TS含量高，纖維多，對(duì)厭氧發(fā)酵的工藝要求較高。牛糞的性質(zhì)和產(chǎn)氣潛力見(jiàn)表1[4]。
1.2牛場(chǎng)大中型沼氣工程基本工藝流程
目前以產(chǎn)能為主的牛場(chǎng)大中型沼氣工程基本工藝流程見(jiàn)圖1。
1.3牛場(chǎng)大中型沼氣工程存在的主要問(wèn)題
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和對(duì)現(xiàn)有幾個(gè)牛場(chǎng)大中型沼氣工程的調(diào)查結(jié)果，筆者認(rèn)為目前我國(guó)牛場(chǎng)沼氣工程中存在著如下突出問(wèn)題：
(1)前處理工藝中牛糞調(diào)漿、除草、沉砂、排砂難度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且工人操作時(shí)還存在一定的危險(xiǎn)性；
(2)沼氣池內(nèi)產(chǎn)生浮渣難以排除，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成排氣管、排水管堵塞；
(3)沼氣工程的升溫及保溫能源消耗大，不能充分利用熱能；
(4)沼氣工程產(chǎn)生的大量沼液無(wú)處消納，易在牛場(chǎng)周邊形成二次污染。
2強(qiáng)化前處理工藝設(shè)計(jì)
2.1前處理工藝路線(xiàn)的選擇
牛糞中含粗纖維較多，而且在收集過(guò)程中還會(huì)混入墊料、牛毛、飼料殘?jiān)蜕暗[等，必須進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)在預(yù)處理階段需要調(diào)節(jié)進(jìn)料濃度、進(jìn)料溫度。預(yù)處理是整個(gè)沼氣工程的咽喉，如果不能確保沼氣池的進(jìn)料質(zhì)量，將導(dǎo)致沼氣池運(yùn)行不穩(wěn)定，難以發(fā)揮最佳的處理能力，所以在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮前處理工藝，保證能做到流程順暢，操作簡(jiǎn)便。
我國(guó)的大、中、小型農(nóng)村沼氣工程一般沿用UASB低濃度廢水(TS0.3%～1.0%)處理技術(shù)，或由此延伸的低濃度(TS1.0%～3.0%)沼氣轉(zhuǎn)化與污水“達(dá)標(biāo)排放”變種工藝改進(jìn)技術(shù)居多。但從實(shí)際工程運(yùn)行狀況來(lái)看，養(yǎng)殖場(chǎng)糞污水如果做到達(dá)標(biāo)排放，則建設(shè)投資和運(yùn)行處理成本太高，難以實(shí)現(xiàn)。所以牛場(chǎng)糞污治理不如走“能環(huán)工程”的路線(xiàn)，即利用牛糞制取沼氣，回收能源，沼肥綜合利用，這樣可以做到養(yǎng)殖場(chǎng)糞污水“零排放”，避免了達(dá)標(biāo)排放的高難度和高成本。牛場(chǎng)糞污的治理路線(xiàn)也就決定了前處理工藝的選擇。
2.2前處理工藝設(shè)計(jì)
從所調(diào)查的實(shí)際工程情況來(lái)看，前處理工藝在實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題最為突出。一般沼氣池進(jìn)料濃度控制在TS6%～8%比較合適，需要對(duì)牛糞進(jìn)行稀釋混合。料液中的長(zhǎng)草、秸稈、泥砂等雜物很多，只要開(kāi)始進(jìn)料就需要不斷地人工清除雜物，耗費(fèi)人力較大，且存在一定的危險(xiǎn)；經(jīng)常發(fā)生的泵堵塞也常常導(dǎo)致無(wú)法正常進(jìn)料；調(diào)節(jié)沉砂池在沉砂的同時(shí)也造成了料液沉淀，使進(jìn)入沼氣池的料液濃度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；同時(shí)沉砂池中的泥砂排出也很困難。
綜合現(xiàn)有工程的調(diào)查情況，在進(jìn)行前處理工程設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮如下處理方案：攪拌糞池設(shè)計(jì)為圓形池，較少死角；攪拌池和調(diào)節(jié)池之間設(shè)置機(jī)械格柵代替人工格柵；減少調(diào)節(jié)池停留時(shí)間，防止料液過(guò)多地沉淀；加大攪拌糞池容積，同時(shí)在攪拌糞池中設(shè)置坡底和砂斗，把大部分泥砂沉淀在攪拌池底部，定期清渣。此外利用沼液回流，可以解決冬季沼液不能農(nóng)業(yè)利用、無(wú)處消納的問(wèn)題，同時(shí)也利用了沼液的余熱。為冬季保溫和夏季防臭，應(yīng)該把前處理工藝放到室內(nèi)。在規(guī)模較大的養(yǎng)殖場(chǎng)，可考慮采用水解池替代調(diào)節(jié)池。一方面水解池可降解水中的大分子有機(jī)物為小分子有機(jī)物，提高糞水的可生物降解性，另一方面水解池具有降低糞水中SS的功能。
2.3厭氧堆肥技術(shù)解決牛糞凍塊
規(guī)模化養(yǎng)牛場(chǎng)主要分布在我國(guó)的中部和北部，北方冬季運(yùn)動(dòng)場(chǎng)牛糞結(jié)為凍塊，如果直接進(jìn)凍糞池會(huì)消耗大量的熱，且不易解凍，還會(huì)損壞攪拌機(jī)的槳葉，成為沼氣工程運(yùn)行中的一個(gè)難題。厭氧堆肥過(guò)程是產(chǎn)熱過(guò)程，可以把厭氧堆肥和糞塊解凍相結(jié)合。通過(guò)在牛糞中添加適量鋸末、覆蓋塑料薄膜進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)熱會(huì)使糞塊解凍，同時(shí)厭氧發(fā)酵預(yù)處理后的牛糞投入沼氣池更容易產(chǎn)氣，即使在東北也能使糞便解凍，可以解決冬季牛糞結(jié)凍進(jìn)料難的問(wèn)題。
3厭氧消化器的選擇與優(yōu)化
3.1厭氧消化器的選擇
沼氣池或稱(chēng)消化器是沼氣發(fā)酵的核心設(shè)備，目前我國(guó)牛場(chǎng)大中型沼氣工程主要有完全混合式、塞流式、上流式厭氧污泥床(UASB)、升流式固體反應(yīng)器(USR)等等。
完全混合式沼氣池內(nèi)設(shè)攪拌裝置，或進(jìn)行水力循環(huán)攪拌，使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，與常規(guī)沼氣池相比，處理效率提高，但對(duì)于容積大的沼氣池，攪拌能耗大。完全混合式沼氣池沼渣沼液一起排出，一方面不利于沼肥的后續(xù)利用，另一方面沼渣停留時(shí)間短，消化不完全。
塞流式沼氣池用于牛糞厭氧消化效果較好，因牛糞質(zhì)輕、濃度高，長(zhǎng)草多，本身含有較多產(chǎn)甲烷菌，不易酸化，所以用塞流式沼氣池處理牛糞較為適宜。塞流式沼氣池進(jìn)料粗放，不用去長(zhǎng)草，進(jìn)料濃度TS可達(dá)到12%以上。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在內(nèi)蒙紅武農(nóng)牧公司設(shè)計(jì)的總?cè)莘e300m3全地下塞流式沼氣池用于處理牛糞，即使冬季也能運(yùn)行良好。由于塞流式沼氣池占地大等原因，建設(shè)更大型的沼氣工程會(huì)有一定的難度。
UASB沼氣池因具有三相分離器故適用于可溶性廢水的厭氧處理，要求較低的懸浮固體含量，在豬場(chǎng)糞水處理中有較多應(yīng)用。從現(xiàn)有的牛場(chǎng)UASB工程看，三相分離器會(huì)出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，可見(jiàn)UASB沼氣池不太適合牛場(chǎng)沼氣工程，而且一般的UASB沼氣池高度在5～6m，產(chǎn)生的浮渣不能自然沉降。
USR沼氣池適用于高固體含量的畜禽廢水處理，目前在牛場(chǎng)糞污處理中應(yīng)用廣泛。原料從底部進(jìn)入U(xiǎn)SR反應(yīng)器，沼液溢流，利用水頭壓力自動(dòng)排渣，污泥的停留時(shí)間大于水力停留時(shí)間，從而提高了固體有機(jī)物的分解率和消化反應(yīng)器的效率，所以筆者認(rèn)為USR工藝比較適合牛糞的處理。
3.2沼氣池的攪拌
USR反應(yīng)器從理論上講不需要攪拌、不需要回流，具有出水澄清功能。但從工程運(yùn)行情況看，適當(dāng)?shù)臄嚢枋怯欣模梢蕴岣弋a(chǎn)氣率。攪拌可以使反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，溫度、pH、微生物種群等保持均勻一致，還可以大大降低池底沉積及液面浮渣結(jié)殼。
目前牛場(chǎng)沼氣工程常用的是機(jī)械攪拌、水力循環(huán)攪拌、沼氣攪拌。如果工程采用高壓干式儲(chǔ)氣，為了減少能耗采用沼氣攪拌較好。攪拌氣源來(lái)自干式儲(chǔ)氣柜，經(jīng)調(diào)壓箱調(diào)整壓力后輸入沼氣池，攪拌氣管及出氣孔應(yīng)在同一水平面內(nèi)布設(shè)，以使出氣均勻。為了不影響USR反應(yīng)器的出水澄清功能，攪拌氣管宜布設(shè)在污泥層的上方。例如北京某牛場(chǎng)采用沼氣攪拌，每2h攪拌一次，每次攪拌10s，攪拌的起動(dòng)和停止自動(dòng)控制，這樣既可以達(dá)到攪拌的目的，又不會(huì)因?yàn)樗矔r(shí)攪拌氣量過(guò)大而增加沼氣壓縮機(jī)的負(fù)荷。
3.3沼氣池除浮渣
牛糞中浮渣較多，進(jìn)入沼氣池后會(huì)形成浮渣層，影響沼氣溢出，同時(shí)占據(jù)沼氣池的有效容積，所以沼氣池必須考慮除渣。在全封閉的沼氣池內(nèi)，可以在頂部設(shè)置高壓水沖洗打碎浮渣層，防止結(jié)殼影響沼氣溢出；同時(shí)設(shè)置足夠粗的溢流管，防止因?yàn)楦≡氯隽峡诙?**炸；在沼氣池的適當(dāng)位置要設(shè)置水封，既可以保證壓力，又起到安全閥的作用。
北京某牛場(chǎng)采用了共用池壁的方形USR池，頂部采用紅泥塑料覆蓋，預(yù)留了一條650mm寬的清渣溝，清渣溝和出水堰之間設(shè)置了擋渣板，擋渣板深入液面以下1m，防止浮渣進(jìn)入出水管。同時(shí)解決了封閉沼氣池因出料口堵塞會(huì)產(chǎn)生爆炸的問(wèn)題和沼氣池的除渣問(wèn)題。紅泥塑料是一種新型材料[5]，具有吸熱性好、保溫性好、耐酸堿、可折疊、易修補(bǔ)、壽命長(zhǎng)、密封性好、運(yùn)輸方便等特點(diǎn)。由于其吸熱性，在冬季可以起到很好的保溫作用。紅泥塑料已經(jīng)在東北多個(gè)沼氣工程中進(jìn)行了應(yīng)用，可以適應(yīng)北方地區(qū)冬季氣溫。
4沼氣池的加溫與保溫
為節(jié)省能耗，同時(shí)保持沼氣池具有一定的產(chǎn)氣率，一般牛場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為35℃左右。沼氣池消耗的熱量主要為新鮮料液加熱、沼氣池體的散熱和管道散熱，管道散熱量一般為料液加熱量和沼氣池體散熱量之和的10%。因此，為減少能耗，在設(shè)計(jì)中料液管道、沼氣池體應(yīng)設(shè)計(jì)保溫。
沼氣池可內(nèi)設(shè)加熱盤(pán)管，但筆者不推薦使用，因?yàn)楸P(pán)管易表面結(jié)垢，降低換熱效率，維修時(shí)需要清空消化池，造成停產(chǎn)。從實(shí)際工程來(lái)看，外部換熱器更易于維護(hù)，使用方便，可以使料液在進(jìn)入沼氣池前被加熱；也可以用于沼氣池內(nèi)的料液保持恒溫，即用泵把料液抽出經(jīng)過(guò)換熱器，再回到沼氣池，同時(shí)對(duì)沼氣池起到攪拌作用。因?yàn)榕＜S含纖維多，為防止堵塞，螺旋板式換熱器效果較好。同時(shí)為防止換熱器結(jié)垢，內(nèi)部循環(huán)水水溫須保持在68℃以下[6]。利用蒸汽直接給料液加溫，熱效率最高，采用蒸汽加熱應(yīng)把進(jìn)料溫度加熱到比設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度高2～3℃。如果沼氣發(fā)電，可以利用發(fā)電余熱加溫，但是對(duì)于裝機(jī)容量較小(如100kW以下)的工程，余熱利用價(jià)值不大。此外，沼氣池溢流沼液回流到攪拌池，是很好的余熱循環(huán)利用方式，同時(shí)還可以減少沼液產(chǎn)生量。
5利用沼肥發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠化種植
從所調(diào)查的工程來(lái)看，沼液的出路問(wèn)題是困擾大中型沼氣工程的因素之一，規(guī)模化牛場(chǎng)每天排放的沼液量相當(dāng)可觀，有的甚至已經(jīng)造成了二次污染。只經(jīng)過(guò)厭氧處理的沼液，尚難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，由于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，增施有機(jī)肥料的呼聲越來(lái)越高。沼氣工程的建設(shè)應(yīng)從單純獲取能源轉(zhuǎn)向以治理環(huán)境為主，沼氣、沼渣和沼液的有效綜合利用，逐步形成較為系統(tǒng)、綜合的“能環(huán)工程”。
沼液中含有氮、磷、鉀、鈣、銅、鋅、鐵、B族維生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物質(zhì)，并且經(jīng)沼氣厭氧發(fā)酵后，約95%的寄生蟲(chóng)和有害細(xì)菌被殺滅[7]。因此，發(fā)酵后的沼液是很好的液體有機(jī)肥料。用沼液噴施蔬菜、果樹(shù)和農(nóng)作物，除具有良好肥效外，還有抗寒、抗病蟲(chóng)害和增產(chǎn)的作用，這是沼液一個(gè)很好的利用途徑。一般規(guī)模化牛場(chǎng)都在郊區(qū)，其周邊有大量農(nóng)田，大中型牛場(chǎng)沼氣工程的建設(shè)與發(fā)展必須與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，同時(shí)提高農(nóng)產(chǎn)品價(jià)值和促進(jìn)牛場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。北京蟹島生態(tài)度假村嚴(yán)格按照有機(jī)農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，不使用任何化學(xué)農(nóng)藥與化肥，大田與日光溫室已連續(xù)施用沼液、沼渣多年[8]，內(nèi)蒙某牛場(chǎng)利用沼肥生產(chǎn)牧草，都取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
同時(shí)，由于城市的發(fā)展，城市綠化面積越來(lái)越大，城市綠化的需肥量也在不斷增高。如果沼肥能夠進(jìn)一步的深加工，生產(chǎn)成易于運(yùn)輸?shù)某杀痉剩瑢⒏佑欣谡臃实匿N(xiāo)納，同時(shí)減少城市中化肥的使用量，提升城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。
近幾年，人們同時(shí)注意到由于飼料中添加劑的使用導(dǎo)致沼肥中存在重金屬和抗生素，研究者正在進(jìn)行去除沼肥中重金屬、抗生素以生產(chǎn)更安全沼肥的科研攻關(guān)，將來(lái)的沼肥將成為更安全的有機(jī)肥料。
6牛場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題
(1)前處理工藝在牛場(chǎng)沼氣工程中尤為重要。前處理既要功能完善又要降低工人的勞動(dòng)量，應(yīng)完成料液的濃度調(diào)節(jié)、水量調(diào)節(jié)、去除長(zhǎng)草、去除泥砂、升溫等功能。調(diào)節(jié)池不宜停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，避免造成進(jìn)料濃度不夠。如果有條件，為防臭防凍，前處理工藝宜放進(jìn)室內(nèi)。
(2)機(jī)械格柵代替人工格柵可大大減輕工人的勞動(dòng)量。宜選用大流量潛污泵，防止堵塞。
(3)對(duì)于牛場(chǎng)的沼氣工程，宜采用USR反應(yīng)池，沼氣池必須考慮排渣。
(4)容積較大的USR反應(yīng)池應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臄嚢瑁珨嚢鑿?qiáng)度不宜過(guò)大，避免發(fā)酵微生物隨溢流沼液損失。
(5)沼氣池的沼氣收集管道管徑應(yīng)適當(dāng)加大，防止被浮渣堵塞，產(chǎn)生危險(xiǎn)。對(duì)于重力流的管道應(yīng)盡量增加其坡度。
(6)應(yīng)重視沼氣、蒸汽系統(tǒng)管路的保溫及防腐，盡可能選擇高質(zhì)量的管材。
(7)沼氣脫硫十分重要，它將影響后續(xù)工藝的運(yùn)行效果及設(shè)備的使用壽命。
(8)沼氣輸氣管網(wǎng)應(yīng)適當(dāng)設(shè)置排水裝置，并按一定坡度進(jìn)行鋪設(shè)。
(9)沼氣工程運(yùn)行復(fù)雜，應(yīng)注意安全。沼氣工程廠(chǎng)區(qū)內(nèi)應(yīng)按規(guī)范設(shè)置消防栓，壓縮機(jī)、鍋爐房風(fēng)機(jī)、電燈、開(kāi)關(guān)等宜選用防爆設(shè)備。
7結(jié)論
目前，沼氣工程已經(jīng)發(fā)展為“能源+環(huán)保”與“能源+生態(tài)”兩種模式，但前者運(yùn)行成本高，后者應(yīng)用較為廣泛且更適合于一些周邊有適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田、魚(yú)塘或水生植物塘的養(yǎng)殖場(chǎng)，它以生態(tài)農(nóng)業(yè)的觀點(diǎn)統(tǒng)一籌劃、系統(tǒng)安排，使周邊的農(nóng)田、魚(yú)塘或水生植物塘完全消納處理后的糞污水，經(jīng)糞便處理和資源化利用系統(tǒng)后，形成一個(gè)生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)。牛場(chǎng)沼氣工程除了要因地制宜選擇合理的處理模式、設(shè)計(jì)規(guī)模和工藝技術(shù)外，還要加強(qiáng)養(yǎng)殖場(chǎng)自身的管理，協(xié)調(diào)好沼氣工程與周?chē)N植業(yè)的供求關(guān)系。隨著沼氣工程技術(shù)和沼肥利用技術(shù)的日趨完善，規(guī)模化牛場(chǎng)糞污的徹底治理必將指日可待。
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