肖艷春 黃婧 李潔 陳彪

摘要：研發(fā)一種新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置，解決以往沼氣池建池成本高以及冬季產(chǎn)氣速率低的問(wèn)題。在福建莆田某規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：該HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置施工方便，適應(yīng)性強(qiáng)，厭氧消化能力強(qiáng)，工程造價(jià)為同類型沼氣池1/10左右，對(duì)養(yǎng)殖污水消化降解效果顯著，具備良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：HDPE防滲膜；規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)；養(yǎng)殖污水；產(chǎn)氣量；產(chǎn)氣速率

DOI： 1013651/jcnkifjnykj201802012

Application of a New Anaerobic Fermentation Device with HDPE Antiseepage Membrane in

the Treatment of High Concentration Wastewater in a Largescale Piggery

XIAO Yanchun， HUANG Jin， LI Jie， CHEN Biao*

（Institute of Agricultural Engineering and Technology， Fujian Academy of

Agricultural Sciences， Fuzhou， Fujian 350003）

Abstract： A new type of anaerobic fermentation device with HDPE antiseepage membrane was developed to solve the problems in high cost of biogas tank construction and low gas producing rate in the winter. The application results received from a largescale piggery in Putian City of Fujian Province showed that the anaerobic fermentation device with HDPE antiseepage membrane was convenient in construction， had strong adaptability and strong anaerobic digestion capability. The cost of project was about 1/10 of the same level of biogas digester， and it had a remarkable effect on the digestion and degradation of breeding wastewater and possessed good economic and environmental benefits.

Key words： HDPE impervious membrane； largescale piggery； breeding wastewater； gas production； gas producing rate

在厭氧條件下厭氧發(fā)酵裝置通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)消化降解大部分有機(jī)物并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣體，在養(yǎng)殖污水處理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)在厭氧消化工藝技術(shù)、型體結(jié)構(gòu)及主體材料、應(yīng)用效應(yīng)等方面做了大量的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新性研究[1-3]，推動(dòng)了厭氧消化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，特別是在我國(guó)農(nóng)村能源建設(shè)和規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)大中型沼氣工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，為提供清潔能源和養(yǎng)殖污染物處理做出巨大貢獻(xiàn)。但是，厭氧消化環(huán)境條件要求高密封性、技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)性以及工藝運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新性應(yīng)用，針對(duì)厭氧發(fā)酵裝置建造基材及其相應(yīng)配套技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，已成為諸多專家學(xué)者和政府職能部門共同關(guān)注的熱點(diǎn)，以期突破厭氧消化技術(shù)應(yīng)用的高成本、低效應(yīng)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)短板。

但目前應(yīng)用的沼氣池、罐等厭氧裝置還有諸多缺點(diǎn)，如沼氣池建池成本高、浮渣易結(jié)殼導(dǎo)致原料利用率和產(chǎn)氣率低。為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵裝置高效產(chǎn)氣，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在攪拌系統(tǒng)和增溫系統(tǒng)方面開(kāi)展了大量的研究工作[4-5]。呂建強(qiáng)等[6]設(shè)計(jì)了一種PJ-240型液殼破碎攪拌器，與沼氣池綜合服務(wù)車配套使用，對(duì)沼氣池日常使用中出現(xiàn)的浮渣結(jié)殼進(jìn)行破碎，提高了沼氣池產(chǎn)氣量。李金平等[7]研究了環(huán)境溫度在-198～-100℃時(shí)，采用296 m2 的全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器加熱3 m3軟體沼氣池的產(chǎn)氣性能，平均日產(chǎn)沼氣1380 m3，池容產(chǎn)氣率為046 m3·m-3·d-1，甲烷平均體積分?jǐn)?shù)582%，系統(tǒng)可保證4～5 口農(nóng)戶的生活燃?xì)庑枨?。然而，大部分的研究都是在小型試?yàn)裝置上進(jìn)行，個(gè)別中試研究造價(jià)不菲。為此，在課題組前期研究的基礎(chǔ)上[8]，研發(fā)一種新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置，并在福建莆田某規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)開(kāi)展示范應(yīng)用，并跟蹤監(jiān)測(cè)其應(yīng)用效果。

1規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)及糞污水質(zhì)概況

福建莆田某規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)是一家國(guó)家生豬儲(chǔ)備基地，母豬存欄5000頭，生豬存欄50000頭。豬場(chǎng)實(shí)行雨污分流，采用干清糞+刮糞板的清糞工藝，糞污日排放量894 t，總固體502 t。

2新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置構(gòu)造

肖艷春等：新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置在規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)處理高濃度養(yǎng)殖污水中的應(yīng)用2018年第2期2018年第2期肖艷春等：新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置在規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)處理高濃度養(yǎng)殖污水中的應(yīng)用新型HDPE厭氧發(fā)酵裝置為本課題組的前期研究成果[9]（專利號(hào)：ZL 2016210744262）。該裝置以高密度聚乙烯膜（HDPE膜）為厭氧發(fā)酵裝置建造材料，充分保障了厭氧發(fā)酵裝置材料力學(xué)性能及密封性；在型體設(shè)計(jì)上采用橢球體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（a=Kb和c=b/K，所以V=4πb/3，參數(shù)K值的選擇結(jié)合建設(shè)場(chǎng)地條件按c≤5 m條件確定，橢球體長(zhǎng)軸半徑a、短軸半徑b、Z軸軸向半徑c）；在進(jìn)料管處設(shè)計(jì)90°叉形管形成雙向射流，實(shí)現(xiàn)厭氧裝置內(nèi)新舊料液的無(wú)動(dòng)力均衡攪拌；在覆膜厭氧裝置內(nèi)設(shè)計(jì)螺旋式導(dǎo)熱管[10]，熱能來(lái)源于沼氣發(fā)電余熱[11]，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖污水處理厭氧消化附產(chǎn)物的高值化循環(huán)利用。HDPE裝置構(gòu)造示意圖如圖1所示。

1：半橢球形凹坑；2：下覆膜；3：上覆膜；4：進(jìn)料管；5：導(dǎo)氣管；6：覆土；7：導(dǎo)熱管；8：出料管；9：進(jìn)料過(guò)渡井；10：出料過(guò)渡井

3新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用

31新型HDPE裝置設(shè)計(jì)規(guī)模

福建莆田某規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)豬場(chǎng)糞污日排放量894 t，以HRT=35 d計(jì)，依據(jù)厭氧消化反應(yīng)裝置的總有效容積計(jì)算公式：V=QT，式中V-厭氧反應(yīng)裝置的總有效容積（m3）、Q-設(shè)計(jì)處理量（m3·d-1）、T-設(shè)計(jì)水力停留期（d），設(shè)計(jì)新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置總有效容積為894 t·d-1×35 d=31290 m3，取K=40計(jì)算求得b=195、c=49、a=78。

32新型HDPE裝置選材

綜合建設(shè)要求、建設(shè)條件和建設(shè)所在地特點(diǎn)，選用由975%高密度聚乙烯及25%的炭黑組成的HDPE防滲膜，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較高的剛性和韌性，機(jī)械強(qiáng)度好，耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂與耐撕裂強(qiáng)度性能好，具有優(yōu)秀的抗老化、抗紫外線、抗分解能力，可裸露使用，材料使用壽命達(dá)30～50年，為環(huán)境滲透提供很好的材料保證。

為穩(wěn)定養(yǎng)殖有機(jī)廢水的處理規(guī)模與水質(zhì)，并綜合考慮HDPE膜成本，下覆膜選用15 mm的HDPE防滲膜。上覆膜即在HDPE裝置頂面覆蓋一層HDPE膜漂浮在污水水面上，由于常年被太陽(yáng)暴曬，必須含紫外線吸收劑等，因此，選擇20 mm HDPE防滲膜保證其使用壽命。

33新型HDPE裝置建設(shè)方案

HDPE裝置施工過(guò)程簡(jiǎn)單，包括土方開(kāi)挖、基礎(chǔ)夯實(shí)、集氣管鋪設(shè)、底膜及邊坡鋪設(shè)、頂膜鋪設(shè)和沼氣利用設(shè)施安裝等過(guò)程。

331土方開(kāi)挖挖設(shè)78 m×20 m×5 m（取整數(shù)）的半橢球形凹坑，在離凹坑邊緣10 m挖設(shè)錨固溝，溝的深度和寬度分別為10 m，清理坑內(nèi)及溝內(nèi)硬物并均勻碾壓夯實(shí)，碾壓密度達(dá)到《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T231-98）的要求。

332管道鋪設(shè)沼氣池開(kāi)挖后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，開(kāi)挖盲溝，鋪設(shè)進(jìn)水管、出水管、排渣管等，排渣管底部緊貼底膜，進(jìn)料管位于離底部2/3高度之橢圓長(zhǎng)軸頂端處，出料管高出進(jìn)料管20～30 mm。進(jìn)料管端口安裝90°叉形管，叉形管的交叉點(diǎn)位于橢圓形長(zhǎng)軸位置的1/16，叉形管的兩出料點(diǎn)連線中點(diǎn)位于橢圓形長(zhǎng)軸的1/8位置。底膜內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)環(huán)形導(dǎo)熱管，呈倒錐形彈簧布置，其進(jìn)端位于下部，導(dǎo)熱管的出端位于上部，導(dǎo)熱管的進(jìn)、出端錯(cuò)位180°。

333HDPE膜鋪設(shè)采用15 mm厚度的HDPE防滲膜進(jìn)行底部防滲，膜與膜之間接縫的搭接寬度不小于100 mm，使接縫排列方向平行于最大跛腳線，即沿坡度方向排列。HDPE膜焊接多使用楔焊機(jī)和擠壓熔焊機(jī)。接縫寬度范圍內(nèi)有兩道焊縫（雙保險(xiǎn)），每道焊縫寬度不小于10 mm，焊縫處HDPE防滲膜熔接為一個(gè)整體，不得出現(xiàn)虛焊、漏焊或過(guò)焊。避免邊坡膜面“起鼓”或“懸空”。沼氣池基礎(chǔ)設(shè)施、管道鋪設(shè)、底膜鋪設(shè)都完成后，采用20 mm厚度的HDPE膜進(jìn)行整體焊接覆蓋頂部。HDPE底膜鋪設(shè)后，素土填20 cm厚，待鋪?lái)斈ず螅^固溝用素土填平夯實(shí)。

34新型HDPE裝置建設(shè)成本概算

豬場(chǎng)常年存欄規(guī)模為母豬5000頭、生豬50000頭。經(jīng)核算，建設(shè)31290 m3 HDPE厭氧發(fā)酵裝置的總投資為190萬(wàn)元。其中，挖土方、焊接及工人工資等建筑工程費(fèi)為135萬(wàn)元；根據(jù)橢球體表面積公式S=4/3π（ab+bc+ac） 及10%余量（錨固、搭接及漏補(bǔ)焊部分），HDPE裝置所需的15 mm HDPE膜為35元·m-2、20 mm HDPE膜為40元·m-2，加上PE管、PVC管的少量費(fèi)用，建筑材料費(fèi)為55萬(wàn)元。HDPE厭氧發(fā)酵裝置整體工程造價(jià)約為60元·m-3，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土沼氣池的建造成本1200元·m-3相比，節(jié)約建造成本3650萬(wàn)元；與陳賀亮等[12]計(jì)算的沼氣池整體工程造價(jià)149元·m-3相比，節(jié)約建造成本2785萬(wàn)元。

4運(yùn)行效果與經(jīng)濟(jì)效益分析

41水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置運(yùn)行效果較穩(wěn)定，在2017 年1月至12 月期間對(duì)該HDPE發(fā)酵裝置進(jìn)出口多次采樣檢測(cè)，主要污水指標(biāo)參數(shù)CODCr 、BOD5 、SS、大腸桿菌和蛔蟲(chóng)卵見(jiàn)表1所示。糞便污水經(jīng)過(guò)HDPE裝置后，CODCr 、BOD5去除率分別達(dá)到839%、852%，懸浮物指標(biāo)SS 去除率達(dá)到856%，大腸桿菌和蛔蟲(chóng)卵去除率分別達(dá)到923%和947%。說(shuō)明在厭氧發(fā)酵中HDPE裝置運(yùn)行效果較好，也說(shuō)明厭氧發(fā)酵是污水處理中的重要環(huán)節(jié)。

2017 年1月至12 月期間，HDPE裝置發(fā)酵溫度、CODcr和容積產(chǎn)氣率隨時(shí)間變化情況運(yùn)行效果如圖2、3所示。全年沼氣池平均進(jìn)料CODcr 67992 mg·L-1，全年沼氣池平均出料CODcr 10992 mg·L-1，CODcr去除率839 %；全年沼氣發(fā)酵溫度平均35℃，沼氣容積產(chǎn)氣率為079 m3·m-3·d-1，比官雪芳等[13]設(shè)計(jì)的聯(lián)動(dòng)沼氣池發(fā)酵工藝沼氣容積產(chǎn)氣率（075 m3·m-3·d-1）提高了53%，這與新型HDPE厭氧裝置的設(shè)計(jì)與HDPE防滲膜材料緊密相關(guān)，HDPE厭氧裝置的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在中溫動(dòng)態(tài)發(fā)酵，由此提高了容積產(chǎn)氣率。

43全年產(chǎn)氣能力及經(jīng)濟(jì)效益分析

該HDPE裝置恒溫產(chǎn)氣系統(tǒng)可全年穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，容積產(chǎn)氣率為079 m3·m-3·d-1，31290 m3HDPE厭氧發(fā)酵裝置全年累計(jì)產(chǎn)氣9022萬(wàn)m3；以1 m3發(fā)15度電，及每度電上網(wǎng)電價(jià)07元計(jì)，則年發(fā)電收益為812萬(wàn)元，扣除建設(shè)成本190萬(wàn)元，年盈利622萬(wàn)元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5討論與結(jié)論

在莆田市氣候條件下，新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)設(shè)置熱交換系統(tǒng)，利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱對(duì)HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置進(jìn)行加熱，并在進(jìn)料管處設(shè)計(jì)90°叉形管，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了35℃恒溫動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵，提高了HDPE裝置冬季的產(chǎn)氣效果。通過(guò)對(duì)HDPE厭氧裝置實(shí)際運(yùn)行12個(gè)月情況的測(cè)試，結(jié)果表明：HDPE厭氧發(fā)酵裝置全年沼氣發(fā)酵溫度平均35℃，平均池容產(chǎn)氣率為079 m3·m-3·d-1，比常規(guī)傳統(tǒng)沼氣池最高的03 m3·m-3·d-1提高了163%，CODCr 、BOD5去除率、懸浮物指標(biāo)SS去除率分別達(dá)到839%、852%、856%，大腸桿菌和蛔蟲(chóng)卵去除率分別達(dá)到923%和947%。這是由于厭氧裝置內(nèi)設(shè)計(jì)了新舊料液無(wú)動(dòng)力均衡攪拌和恒溫裝置，在恒溫狀態(tài)下保證充分?jǐn)噭?dòng)了該裝置中的厭氧菌，增加了甲烷菌和發(fā)酵原料的分布均勻度及接觸概率，保證沼氣池內(nèi)發(fā)酵溫度的均一穩(wěn)定，提高甲烷菌活動(dòng)能力和繁殖能力，加快發(fā)酵原料中有機(jī)質(zhì)的分解速度以及甲烷氣體從液體中分離的速度，從而提高沼氣池產(chǎn)氣率；同時(shí)也有利于進(jìn)一步提高厭氧產(chǎn)氣效率和出水水質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖污水處理厭氧消化附產(chǎn)物的高值化循環(huán)利用。

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