季立仁， 李布青， 葛 昕

(1.廬江縣生態(tài)能源局， 安徽 廬江 231500；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所， 安徽 合肥 230031)

?

雞場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的探討

季立仁1， 李布青2， 葛 昕2

(1.廬江縣生態(tài)能源局， 安徽 廬江 231500；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所， 安徽 合肥 230031)

沼氣工程作為處理雞場(chǎng)糞污的有效途徑，受到廣泛關(guān)注。目前，我國(guó)的雞場(chǎng)沼氣工程都或多或少的顯現(xiàn)出設(shè)計(jì)上的不足。文章通過(guò)工程實(shí)例分析，闡述雞糞厭氧發(fā)酵制沼氣工程特點(diǎn)，工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，分析工程設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題，并提出改進(jìn)措施建議。

雞糞；沼氣；工程設(shè)計(jì)；厭氧消化

養(yǎng)雞業(yè)是我國(guó)畜牧產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，在各種養(yǎng)殖業(yè)中一直處于領(lǐng)先發(fā)展的地位。隨著養(yǎng)殖集約化的迅速發(fā)展，在生產(chǎn)大量雞肉、雞蛋的同時(shí)，產(chǎn)生大量雞糞、廢水、死亡雞等廢棄物，如對(duì)其處理不當(dāng)，任意傾倒、排放或堆積，將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染物主要來(lái)源于畜禽排泄物，主要污染物質(zhì)有糞便和沖洗水。雞糞既是排泄廢物, 又是一種特殊形態(tài)的可再生資源, 經(jīng)無(wú)害化處理后在農(nóng)業(yè)上具有很大開(kāi)發(fā)潛力。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。應(yīng)用雞糞生產(chǎn)沼氣，開(kāi)發(fā)利用生物能源，對(duì)節(jié)約自然資源，防止環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)具有重要意義[1-2]。文章通過(guò)工程實(shí)例分析，闡述雞糞厭氧發(fā)酵制沼氣工程特點(diǎn)，工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，分析工程設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題，并提出改進(jìn)措施建議。

1 工程實(shí)例分析

以安徽省廬江縣恒福禽業(yè)養(yǎng)殖專業(yè)合作社大型沼氣工程實(shí)踐為例，闡述雞場(chǎng)厭氧發(fā)酵制沼氣工程特點(diǎn)，工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行概況。

1.1 工程概況

廬江縣恒福禽業(yè)專業(yè)合作社位于廬江縣柯坦鎮(zhèn)，擁有肉雞養(yǎng)殖大棚15600 m2，種雞場(chǎng)5800 m2，孵化場(chǎng)1000 m2。年飼養(yǎng)肉雞27萬(wàn)只，存欄種雞5萬(wàn)套，年孵化苗雞840萬(wàn)羽，形成種雞養(yǎng)殖、苗雞孵化、商品雞飼養(yǎng)一條龍生產(chǎn)。該場(chǎng)沼氣工程建有600 m3厭氧罐一座，300 m3沼氣貯氣柜一座和700 m3沼液貯存池等附屬設(shè)施，50 KW沼氣發(fā)電機(jī)組、鋼制網(wǎng)格、污水提升泵、進(jìn)料泵、脫硫塔等配套設(shè)備計(jì)25臺(tái)(套)，工程于2010年12月竣工。竣工后即投料，發(fā)酵原料使用雞糞及沖洗水(污水)，所產(chǎn)沼氣供場(chǎng)區(qū)生產(chǎn)生活用能，沼渣、沼液直接用于所屬的1800畝有機(jī)茶葉生產(chǎn)基地和500畝苗木基地的施肥灌溉以及500畝水面養(yǎng)魚等。

1.2 工藝技術(shù)方案

根據(jù)該場(chǎng)擁有的1800畝茶園，500畝苗木和500畝魚塘，完全可以消納沼氣工程所產(chǎn)生的沼渣、沼液，選擇能源生態(tài)模式，裝置采用USR工藝，即升流式固體反應(yīng)器，它適用于高懸浮固體原料的厭氧消化。雞糞原料從底部進(jìn)入消化器內(nèi)，與消化器內(nèi)的活性污泥充分接觸，使原料得到快速消化。未消化的生物固體顆粒和沼氣發(fā)酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內(nèi)，上清液從消化器上部溢出，這樣可以得到比水力滯留期高得多的固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)，從而提高固體有機(jī)物的分解率和消化器的效率。

工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)料濃度TS為4.3%，發(fā)酵溫度近中溫，滯留期為15 d，池容產(chǎn)氣率約0.8 m3·m-3d-1，COD去除率70%～85%。

工藝流程：1)原料收集。養(yǎng)殖場(chǎng)雞糞是干清糞，沼氣發(fā)酵需要的稀釋水采用雞場(chǎng)沖洗水及生活污水。沖洗污水通過(guò)水溝自流進(jìn)入集水池，集水池前設(shè)置格柵，去除污水中較大的雜體，經(jīng)沉砂井沉砂去除砂粒，以便于后續(xù)工藝的處理，防止管道堵塞，集水池內(nèi)設(shè)提升泵。2)原料預(yù)處理。沉砂：預(yù)處理池內(nèi)設(shè)有沉砂功能，能去除雞糞中含有的砂粒和雞毛等較大固體物，以免影響后續(xù)處理設(shè)備的運(yùn)行。水解酸化：水解酸化的主要作用在于降解部分懸浮物質(zhì)，將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的有機(jī)物質(zhì)，提高其生化性能，有利于厭氧消化；由于鮮雞糞直接進(jìn)入發(fā)酵罐容易酸化積累，產(chǎn)氣不穩(wěn)定，設(shè)水解酸化池，使雞糞污水充分接觸水解酸化有利于厭氧消化和產(chǎn)氣。調(diào)節(jié)計(jì)量：為了使管道和構(gòu)筑物正常工作，不受廢水高峰流量或濃度變化的影響，設(shè)置有調(diào)節(jié)計(jì)量池，并且將鍋爐蒸汽的通入點(diǎn)設(shè)在調(diào)節(jié)池內(nèi)，使進(jìn)料溫度保持在30℃左右，熱源由燒鍋爐來(lái)保證。3)厭氧消化。根據(jù)雞糞物料特征，啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行碳氮比調(diào)節(jié)。啟動(dòng)料搭配1/3左右的經(jīng)粉碎和堆漚處理的秸稈，并加10%以上的沼氣接種物。原料經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)量池用泵輸送到發(fā)酵罐，滯留期為15 d。發(fā)酵罐設(shè)計(jì)容積按照常年存欄種雞5萬(wàn)套，每只雞每天排糞按照0.1 kg，日排糞量5噸估算。雞糞干物質(zhì)濃度按30%計(jì)，設(shè)計(jì)選用600 m3鋼結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐和300 m3貯氣柜。4)沼氣的凈化和利用。沼氣經(jīng)氣水分離器、脫硫塔、計(jì)量后進(jìn)入貯氣柜。

產(chǎn)品方案： 1)沼氣。工程日產(chǎn)沼氣480 m3左右，其中：360 m3用于發(fā)電，采用50 kW沼氣直燃式發(fā)電機(jī)組，主要供應(yīng)本場(chǎng)生產(chǎn)用電和職工生活用電。其余120 m3用于燒鍋爐和安裝管道輸送到該場(chǎng)所屬茶葉加工廠用于茶葉加工。2)沼液。該厭氧罐日處理雞糞污水約40 t，沼液內(nèi)含多種氨基酸和活性酶以及豐富微量元素，直接用于該場(chǎng)所屬1800畝有機(jī)茶葉生產(chǎn)基地，800畝苗木基地的施肥灌溉和500畝水面養(yǎng)魚等。3)沼渣。每天可產(chǎn)沼渣3.87 t，年產(chǎn)量1413 t。雞糞有機(jī)質(zhì)含量高，經(jīng)厭氧消化后不含糞大腸桿菌和寄生蟲卵，是一種優(yōu)質(zhì)肥料，用于該場(chǎng)所屬有機(jī)茶園和水產(chǎn)養(yǎng)殖。

1.3 工程運(yùn)行情況

該雞場(chǎng)沼氣工程投運(yùn)后，運(yùn)行比較穩(wěn)定，沼氣產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 2011年～2014年9月間沼氣產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

該雞場(chǎng)于2011年1月～2014年9月間雞存欄量47萬(wàn)只，糞污減排量即雞糞和沖洗水的實(shí)際數(shù)量合計(jì)27302噸，其中含水30%的干清糞13651 t。在沼氣工程運(yùn)行操作中，對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)料濃度TS和滯留期，在合理區(qū)間作調(diào)整，使所有雞糞和沖洗污水都進(jìn)入?yún)捬豕捱M(jìn)行消化處理，共生產(chǎn)沼氣78.26萬(wàn)m3，增收節(jié)支277萬(wàn)元。該場(chǎng)糞污經(jīng)過(guò)治理后，有效消除了養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的污染，給種植業(yè)提供了優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，同時(shí)提供了清潔能源，減少了大氣污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

2 關(guān)鍵技術(shù)討論

2.1 原料預(yù)處理

通過(guò)預(yù)處理提高原料的可生物消化性能、消化效率和產(chǎn)氣率，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。如果不能通過(guò)預(yù)處理確保沼氣工程的進(jìn)料質(zhì)量，將導(dǎo)致沼氣工程運(yùn)行不穩(wěn)定，難以發(fā)揮最佳的處理能力。雞場(chǎng)糞污含有較多的砂粒和雞毛等較大固體物，在集水池、預(yù)處理池和水解酸化池需要設(shè)置格柵和沉砂功能，定期清理。并選用具有剪切功能的進(jìn)料泵防止雞毛堵塞，以減少雞毛的不利影響。啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行碳氮比調(diào)節(jié)和堆漚處理。該工程采用上述措施取得了較好效果，工程多年運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 厭氧消化器

厭氧消化器是沼氣發(fā)酵的核心設(shè)備，目前我國(guó)大中型沼氣工程主要有完全混合式(CSTR)，塞流式(PFR)，升流式厭氧污泥床( UASB)，升流式固體反應(yīng)器(USR)等[3]。CSTR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，在雞場(chǎng)糞污沼氣工程中也有成功應(yīng)用[2]。但CSTR攪拌能耗大，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。PFR多用于牛糞厭氧消化，效果較好。PFR因積砂和厭氧微生物流失，以及占地大等原因，較少用于雞場(chǎng)糞污沼氣工程。UASB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)糞污水處理中有較多應(yīng)用，主要問(wèn)題是三相分離器易出現(xiàn)堵塞，因此不適合雞場(chǎng)糞污沼氣工程。USR適用于高固體含量的畜禽廢水處理，在養(yǎng)殖糞污處理中應(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。而且，USR的運(yùn)行管理要求也較粗放，運(yùn)行穩(wěn)定性較好，比較適合雞場(chǎng)糞污的處理。

2.3 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。但攪拌可以使反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，溫度和pH值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。從大量沼氣工程運(yùn)行情況看，適當(dāng)?shù)臄嚢枋怯欣模梢蕴岣弋a(chǎn)氣率。然而攪拌過(guò)度，則可能會(huì)影響微生物的活性。常用的有機(jī)械攪拌、水力循環(huán)攪拌、沼氣攪拌。為了減少能耗，采用沼氣攪拌或沼液回流(水力循環(huán))攪拌較好。該工程裝置較小，同時(shí)因設(shè)計(jì)的物料TS較低，在無(wú)攪拌和回流狀態(tài)下，運(yùn)行穩(wěn)定，主要問(wèn)題是池容產(chǎn)氣率較低。

2.4 保溫與增溫

采用中溫發(fā)酵既能保持沼氣池具有一定的產(chǎn)氣率，又節(jié)省能耗。一般大中型沼氣工程運(yùn)行溫度均設(shè)計(jì)為中溫。消耗的熱量主要為新鮮料液加熱、反應(yīng)器散熱和管道散熱。因此，為減少能耗，料液管道、池體應(yīng)設(shè)計(jì)良好的保溫。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)加熱盤管因?yàn)楸P管易表面結(jié)垢，降低換熱效率，維修時(shí)需要清空反應(yīng)器，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)入反應(yīng)器前被加熱；也可以用于反應(yīng)器內(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)起到攪拌作用。對(duì)于以發(fā)電為主的大型裝置，可以利用發(fā)電余熱加溫，但是對(duì)于裝機(jī)容量較小的工程，余熱利用價(jià)值不大。將溢流沼液回流到預(yù)處理池，也是很好的余熱循環(huán)利用方式，同時(shí)還可以減少沼液產(chǎn)生量。該工程冬季采用沼氣鍋爐增溫，鍋爐蒸汽的通入點(diǎn)設(shè)在調(diào)節(jié)池內(nèi)，使進(jìn)料溫度保持在30℃左右的設(shè)計(jì)溫度。

2.5 啟動(dòng)和進(jìn)料調(diào)節(jié)

雖然研究表明，雞糞含有5%～6%的氮，以尿酸的形式存在，雞糞由于含有氨氮和尿酸，在厭氧生物處理時(shí)易導(dǎo)致發(fā)酵異常[4]。物料配比、初始發(fā)酵濃度和發(fā)酵溫度是影響產(chǎn)氣量的重要因子，適當(dāng)調(diào)整發(fā)酵溫度以及初始發(fā)酵濃度將會(huì)有效提高沼氣發(fā)酵利用效率。混合原料發(fā)酵是提高沼氣發(fā)酵效果的有效方法，而且牛糞、雞糞、稻稈3種原料在一定比例下混合后發(fā)酵效果顯著好于牛糞與稻稈、雞糞與稻稈2種原料混合的發(fā)酵效果[5-7]。但工程實(shí)踐中，啟動(dòng)后正常運(yùn)行的雞糞沼氣工程并不需要調(diào)節(jié)C/N。主要問(wèn)題是啟動(dòng)，采用較大量的沼液接種可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)[4-8]。該工程啟動(dòng)料搭配1/3左右的經(jīng)粉碎堆漚處理的秸稈，并以沼液調(diào)節(jié)物料濃度(兼作接種物)。該工程的設(shè)計(jì)進(jìn)料濃度TS為4.3%，滯留期為15 d。因USR反應(yīng)器有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，實(shí)際進(jìn)料濃度可在3%～12%較寬范圍變動(dòng)。工程運(yùn)行中，按雞的實(shí)際存欄量、氣溫和用氣需求，對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)料濃度TS和滯留期，在合理區(qū)間作相應(yīng)調(diào)整，使所有雞糞和沖洗污水都進(jìn)入?yún)捬豕捱M(jìn)行消化處理和所產(chǎn)沼氣均有效利用。

2.6 沼液控制

大型沼氣工程產(chǎn)生的沼液在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成污染，其主要表現(xiàn)為沼液儲(chǔ)存過(guò)程中有害氣體釋放、沼液直排造成水體污染、農(nóng)田長(zhǎng)期大量施用造成土壤重金屬沉積和沼液滲濾造成地下水惡化。由于單位土地面積對(duì)沼液的容納能力有限，沼液的長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本又較高，加上氣候變化及農(nóng)作物復(fù)種情況影響，大型沼氣工程所產(chǎn)的沼液無(wú)法完全利用，而現(xiàn)階段對(duì)多余沼液的凈化處理或者對(duì)沼液的濃縮減容處理成本很高[9-11]。隨著環(huán)保要求的日益提高[12]，現(xiàn)代沼氣工程設(shè)計(jì)中避免沼液外排已是基本要求。沼液回流循環(huán)利用是沼液減外排的有效措施。雞糞干物質(zhì)濃度30%，因此在預(yù)處理池要大量加水。雖然該場(chǎng)有一定規(guī)模的土地可以消納所產(chǎn)沼液，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物的零排放。但該工程未考慮沼液回用顯然不適應(yīng)現(xiàn)代沼氣工程發(fā)展要求。沼液回流循環(huán)利用不僅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。雞糞為富N原料，沼液回流循環(huán)利用時(shí)要注意控制系統(tǒng)氨氮濃度，防止因氨氮濃度過(guò)高影響厭氧系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 結(jié)語(yǔ)

畜禽養(yǎng)殖主要污染源是糞便和沖洗水。隨著集約化程度越來(lái)越高，沼氣工程規(guī)模的擴(kuò)大，所產(chǎn)生的大量沼液無(wú)處消納，易在場(chǎng)區(qū)周邊形成二次污染。由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高[12]，僅依靠沼氣工程已經(jīng)不可能做到達(dá)標(biāo)排放，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程僅僅是污染治理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，要求現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)要以清潔生產(chǎn)理念為指導(dǎo)，從源頭和過(guò)程控制整體考慮，尤其沼液控制是降低工程運(yùn)行成本的關(guān)鍵。雞場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)要充分利用其高固含量的特點(diǎn)，優(yōu)先選擇高濃度厭氧發(fā)酵工藝，并設(shè)計(jì)合理的沼液回流循環(huán)利用措施，最大限度減少系統(tǒng)沼液排放量，降低工程運(yùn)行成本提高效益。

[1] 周 貴，龔 倩，姜懷志，張紹卿，段 銳.養(yǎng)雞生產(chǎn)廢棄物的無(wú)害化處理和利用[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,22:136-139.

[2] 藍(lán) 天, 蔡 磊, 蔡昌達(dá).大型蛋雞場(chǎng)2MW沼氣發(fā)電工程[J].中國(guó)沼氣, 2009, 27 (3): 31-33.

[3] HJ 497-2009,畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 王永成，李 杰，許宏偉.豬雞糞便及其不同混合比例厭氧處理性能的研究[J].東北業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39(7)：79-83.

[5] 王曉嬌，李軼冰，楊改河，李 敏，任廣鑫，馮永忠.牛糞、雞糞和稻稈混合的沼氣發(fā)酵特性與工藝優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(3):104-108.

[6] 宋籽霖，郭 燕，楊改河，任廣鑫，馮永忠，周小武.雞糞與玉米秸稈混合發(fā)酵沼氣產(chǎn)量影響因子研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012,31(8):1624-1629.

[7] 李 東，葉景清，甄 峰，王 瑤，孫永明，李連華，袁振宏.稻草與雞糞配比對(duì)混合厭氧消化產(chǎn)氣率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(2):232-238.

[8] 白曉鳳，李子富，尹福斌，程世昆.雞糞與玉米秸稈混合“干一濕兩相”厭氧發(fā)酵啟動(dòng)研究[J].中國(guó)沼氣,2014，32(2):22-25,32.

[9] 齊 琳，王 飛，潘夏遠(yuǎn)，張曉雷，毛躍進(jìn)，江 偉. 中小型沼氣工程沼液污染因子監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)分析[J]. 中國(guó)沼氣,2013，31(6): 25-28.

[10] 唐李琪，朱洪光，陳 杰，等. 混凝工藝去除雞糞厭氧消化液有機(jī)物及條件優(yōu)化研究[J]．中國(guó)沼氣，2010，28(6)：7-12.

[11] 李布青，葛 昕. 秸稈沼氣工程設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的探討[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015，43(5)：354 -357.

Some Issues on Design of Chicken Manure Biogas Project

JI li-ren1， LI Bu-qing2， GE Xin2

(1.Lujiang County Eco Energy Board，Lujiang 231500，China；2.Agricultural Engineering Research Institute of Anhui Academy of Agricultural Sciences，Hefei 230031，China)

At present, China's chicken manure biogas projects are more or less showing deficient design. Through engineering case study, the characteristics of chicken manure biogas projects, the process flow and key technologies, were stated in this paper. The main problems in engineering design were analyzed, and suggestions for improvement were put forward.

chicken manure; biogas; engineering design; anaerobic digestion

2015-02-28

季立仁(1963-)，男，安徽廬江人，能源工程師，主要從事農(nóng)村能源建設(shè)和管理工作,E-mail:jiliren@163.com 通信作者： 李布青，E-mail: 13966718237@163.com

S216.4; X70

B

1000-1166(2016)01-0068-04