联动沼气池发酵工艺及应用效果

官雪芳，徐庆贤，黄菊青，钱 蕾，林 斌

(福建省农业科学院农业工程技术研究所，福建 福州 350003)



联动沼气池发酵工艺及应用效果

官雪芳，徐庆贤*，黄菊青，钱 蕾，林 斌

(福建省农业科学院农业工程技术研究所，福建 福州 350003)

根据可持续发展的理念，以实现资源化利用最大化为原则，针对规模化养猪场，通过设备创新和技术集成，提出了“固液分离池-联动沼气池-玻璃钢沼气储气柜”沼气发酵工艺流程，结合沼气发酵智能化控制技术，形成联动高效沼气池发酵工艺技术。通过在福建省新星种猪育种有限公司应用结果表明，该工艺技术能够显著提高沼气产量和沼气利用效率，是一种实用型生态处理技术，对发展农业循环经济有重要意义。

规模化养猪场；联动沼气池；玻璃钢储气柜；应用效果

近年来养猪场的环境污染问题引起了越来越多的关注，目前沼气工程是南方养猪企业废弃物污染治理的主要解决办法，而且对于发展农业循环经济具有重要意义[1]。南方规模化养猪场粪污处理工程通常采用的污水处理工艺是污水通过固液分离后进行厌氧发酵和深度处理，而固液分离通常采用安装固液分离机进行处理[2]，固液分离技术已成为发展规模化猪场粪污处理和综合利用的重要环节[3-4]。由于固液分离机价格一般在4、5万元左右[5]，而且需要运行费用，对于中小规模养猪企业是一笔较大开支。如果可以开发出可替代固液分离机的无动力固液分离池，成本只需4 000～5 000元，而且不需要运行费用，可以有效减轻中小规模养猪企业的经济和环保压力。在有些养猪企业，同时建设有上流式沼气池和推流式沼气池，如果能够把上流式沼气池和推流式沼气池组合起来，一方面可以有效利用推流式沼气池20%左右的储气空间，另一方面通过沼气回流还可以对沼气发酵液进行搅拌。现有养猪企业沼气工程如果建有沼气储气柜，通常采用钢制柜，这种储气柜很重不利于运输和安装，而且纯钢结构较易生锈腐烂，寿命较短，防腐和检护工作量大，更重要的是现有的沼气柜压力配重在沼气储气柜应用前先设计配好，压力调整改变困难。根据养猪企业沼气工程应用情况以及存在的一些问题，课题组通过在福建省新星种猪育种有限公司的实践应用：建设固液分离池代替固液分离机进行前处理，并把上流式沼气池和推流式沼气池联合应用形成联动沼气池，建设玻璃钢沼气储气柜代替钢制沼气储气柜，形成联动高效沼气池发酵技术工艺。通过对该企业沼气工程关键技术分析总结，以便为规模化猪场建立实用生态型技术模式提供参考。

1 规模化养猪场及粪污水质概况

2 联动沼气池发酵工艺技术

2.1 联动沼气池发酵工艺技术流程

本工艺技术最大特点是以联动沼气池为技术核心，粪污预处理采用固液分离池技术，沼气应用采用玻璃钢沼气贮气柜技术，通过智能化自动控制，形成了联动沼气池发酵工艺技术。主要包括以下3个方面： 预处理采用固液分离池技术，代替固液分离机，减少了建设和运行费用； 主发酵采用联动沼气池发酵技术，通过推流式沼气池和上流式沼气池组合应用，对沼气池发酵压力进行调节，并增加了沼气池储气空间； 应用玻璃钢沼气储气柜，实现沼气供气压力可调，在不增加动力情况下，实现远距离供气。

综上所述，依据物质流、能量流循环原理，根据规模化养猪场粪污特性，本工艺采用“沉砂池-固液分离池-酸化池-联动沼气池-玻璃钢沼气储气柜”技术流程，实现粪污沼气发酵和沼气综合利用，其主要工艺流程见图1。

2.2 主要单元结构设计

2.2.1 固液分离池 固液分离池，包括2个池体，池体通过一横向滤膜将池体划分为上下2层，上层为固液混合层，下层为液体分离层，滤膜下方设有通过若干个用于支撑滤膜的纵向支撑体，固液混合层连通有进料管，液体分离层连通有用于排除污水的出水管。液体分离层内还设有贯穿固液分离池纵向设置的L形调节管，调节管上端部开口与固液分离池外部空气相连通，调节管拐口一端开口与出液管置于液体分离层内的端口相对应，当调节管开口套住出液管时，可以阻止该出水管出水。固液分离池由塑料膜和竹片、塑料管道、木桩以及混凝土浇筑构成，所用材料都是在农村极易取得可直接使用的材料且不需要运行费用，大大降低了在畜禽养殖污水处理中固液分离的成本，有效减轻中小规模畜禽养殖企业的经济和环保压力。上述固液分离池的支撑体为木桩，滤膜包括塑料膜和贴附在塑料膜上表面的竹片，进料管与出水管材料为PVC塑料。具体如图2所示。

2.2.2 联动沼气池设计 厌氧发酵技术是整个粪污处理工艺的关键技术[8]，污水中大部分CODCr和BOD5在此过程中被消化去除，直接影响整个沼气工程的运行，而且也直接影响后处理各单元的工程投入。本文厌氧发酵技术采用联动高效沼气池，由上流式沼气池和推流式沼气池组合构建而成，在实际应用中，2种类型沼气池组合采取的是进料并联。其特征在于，上流式沼气池顶部设有沼气输出管路，与推流式沼气池储气室上腔相连通，储气室两旁侧设有水压间，与储气室底部相连通，通过水压间控制上流式沼气池和推流式沼气池储气室内沼气气压。具体如图3所示。

上流式沼气池主体采用混凝土钢筋浇筑，体积700 m3，有效容积670 m3，池体为圆柱体，池半径4.6 m，池内高度12 m，池体内外均涂刷有机玻璃钢材料进行密封和保温，并在池内设置气水分离器和排渣装置，在距池底2.45 m高处设置聚乙烯填料层，填料层高2 m，填料间隔0.1 m。距离厌氧发酵池底部2 m处预埋热交换盘管，安装太阳能集热站300 m2，对发酵池底部循环管内水进行加热，通过热交换对厌氧发酵池内的污水进行温度调节。推流式沼气池采用混凝土钢筋整体浇筑，为地埋式长方形结构，有效容积500 m3，大池分割成5个单池并联而成，发酵液折流通过，单池有效容积100 m3，长×宽×高为11 m×3.6 m×2.7 m，池体内外均涂刷玻璃钢材料进行密封和保温，并在池内设置破壳装置和排渣装置，池内装有聚乙烯填料，填料间隔0.2 m，占整个池体容积的1/3。推流式沼气池中沼气应用空压机等加压设备回流至上流式沼气池底部进料口，对上流式沼气池发酵液进行搅拌，相辅相成，不但有效利用了沼气池的储气空间，而且提升了沼气池沼气发酵液搅拌效果，提高了沼气容积产气效率，非常适合于畜禽粪便污水处理。整个沼气池水力停留时间(HRT)为10 d。

2.2.3 玻璃钢沼气储气柜 玻璃钢沼气储气柜由2部分组成，半地下式的圆柱形水池和玻璃钢圆柱形浮罩。基础池底用混凝土浇制，两侧为进、出料管，池体呈圆柱状。浮罩由内外双层有机玻璃钢罩和夹于内外层玻璃钢罩之间的环状金属框架构成，储气罩外周部连接有滑轮，金属网架内环面布有与滑轮轮相对应的导轨，保证了储气罩的定位和上下运行；储气罩的顶部设有控制调节储气柜配重的储水槽，通过对储水槽内水量的控制即可方便实现储气柜配重的调节，使后续沼气集中供气终端压力更稳定，可以实现沼气远距离集中供气，有利于沼气利用商业化。沼气贮气柜容积150 m3，可调节压力范围为800～1 500 mm水柱。具体如图4所示。

沼气综合利用包括沼气集中供气和沼气发电。目前，建设单位已经向建瓯市徐墩镇山边村民150户村民提供沼气。输配沼气管采用架空敷设，管道采用UPVC管，管道管径不小于DN30，供气距离达到3 km以上。在每天的早上6：30～7：30，中午11：00～12：30和下午17：30～19：00这3个时间段以外的时间段，通过压力传感器检测，当沼气压力达到80 kPa时，PLC通过modbus总线向沼气发电机发送启动命令，使得沼气发电机启动运行。沼气利用工艺流程如图5所示。

3 取样和测定方法

3.1 取样方法

2014年1月1日至2014年12月31日期间，每天早上12：00记录沼气池发酵温度以及产气量，每月检测沼气池进出口发酵液COD浓度，每次平行取3个样品。采用塑料瓶保存，加硫酸酸化至pH<2，2～5℃冷藏保存(测定BOD5样品不加酸)。

3.2 测定方法

池温测量采用西安仪器厂防爆型PT100温度计深入沼气池出口液面下每隔1 m测量1次，沼气池发酵温度为8个不同发酵层平均温度，沼气产量采用上海华强浮罗仪表有限公司管道式涡街流量计进行测量。

4 运行效果与分析

4.1 水质检测结果及分析

4.2 联动高效沼气池发酵温度、COD和容积产气率

2014年1月1日至2014年12月31日期间，联动高效沼气池发酵温度、COD和容积产气率随时间变化情况运行效果如图6、7所示。全年沼气池平均进料COD 7 901.6 mg·L-1，全年沼气池平均出料COD 1 791.3 mg·L-1，COD去除率77.3%；全年平均沼气发酵温度24.8℃，沼气容积产气率为0.75 m3·m-3·d-1。

表1 污水处理水质的检测结果

注： 表中数据为2014年1月～2014年12月12次测量平均值； 每次测量平行取3个点。

5 讨论与结论

联动高效沼气池发酵工艺技术，是在福建省新星种猪育种有限公司现有沼气发酵技术基础上进行的改进和提升。依据物质流和能源流的循环利用进行规划设计，通过合理的技术改进、工艺流程的优化以及沼气综合利用设施和途径的完善，实现粪污能够得到较充分的发酵，有效资源能够得到较充分利用。预处理系统采用有机材料固液分离池代替了固液分离机，该分离池，结构简单，建造方便，所用材料都是在农村极易取得可直接使用的材料，不但能有效降低后续处理设施投资，并且能大量去除粗纤维等有机物，运行费用低且不易堵塞，提高了整个工艺系统的稳定性，大大降低了在畜禽养殖污水处理中固液分离的成本，有效减轻中小规模畜禽养殖企业的经济和环保压力。联动高效沼气池通过将上流式沼气池的沼气出气口与推流式沼气池储气空间相连接，从而使上流式沼气池内气压与推流式沼气池内沼气气压相同，需要用气时，通过推流式沼气池储气空间输出。玻璃钢储气柜，采用有机玻璃钢材料制作储气罩，材质较轻，便于运输且不易腐烂，使用寿命长，有利于沼气储气柜的推广。

联动高效沼气池发酵工艺技术对发展农业循环经济有重要意义，通过在福建省新星种猪育种有限公司的应用表明，既显著提高沼气产量，又有助于提升沼气利用效率，是一种实用型生态处理技术。

[1]徐庆贤,官雪芳,钱蕾,等.智能化沼气池粗纤维含量、微生物多样性及产气率相关性分析[J].福建农业学报,2014,29(8):784-788.

[2]吴军伟,常志州,周立祥,等.XY型固液分离机的畜禽粪便脱水效果分析[J].江苏农业科学,2009(2):286-288.

[3]沈瑾,路旭,孙瑜.规模化猪场粪污水处理固液分离工艺及设备[J].中国沼气,1999,17(4):18-20.

[4]杨迪,邓良伟,郑丹,等.猪场废水固液分离及其影响因素研究[J].中国沼气,2014,32(6):21-25.

[5]林代炎,翁伯琦,钱午巧.FZ-12固液分离机在规模化猪场污水中的应用效果[J].农业工程学报,2005,21(10):184-186.

[6]陈彪,陈敏,钱午巧,等.规模化养猪场粪污处理工程设计[J].农业工程学报,2005,21(2):126-130.

(责任编辑：柯文辉)

An Integrated Biogas Generation System for Swine Farms

GUAN Xue-fang, XU Qing-xian*,HUANG Ju-qing，QIAN Lei，LIN Bin

(InstituteofAgriculturalEngineeringTechnology,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou，Fujian350003,China)

For sustainable agriculture to maximize resource utilization, a biogas generation technology by integrating the solids-liquid separation, methane gas generation, and fiberglass-reinforced plastic biogas storage into a system for waste treatment at swine farms was designed and evaluated. The combined system with automatic controls could be scaled up for large biogas production applications. The experimental model was implemented for observation and testing at Xinxing Pigs Breeding Co., Ltd. in Fujian. The results showed significantly improved yield and utilization efficiency of biogas as compared to the conventional devices. The technology was expected to become a model for practical ecological sewage treatment for effective agricultural recycling at swine farms.

Large swine farm; integrated biogas generation system; fiberglass-reinforced plastic biogas storage tank; application effect

2016-03-20初稿；2016-07-10修改稿

官雪芳(1979-)，女，助理研究员，主要从事环境微生物方面研究工作(E-mail: guan-619@163.com)

*通讯作者：徐庆贤(1979-)，男，副研究员，主要从事环境微生物方面研究工作

福建省科技计划项目——省属公益类科研院所基本科研专项(2014R1015-12)；福建省农科院青年人才创新基金(2014CX-21)

S 216.4

A

1008-0384(2016)09-

官雪芳，徐庆贤，黄菊青，等.联动沼气池发酵工艺及应用效果[J].福建农业学报，2016，31(9)：1000-1004.

GUAN X-F，XU Q-X，HUANG J-Q，et al.An Integrated Biogas Generation System for Swine Farms[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(9)：1000-1004.