高浓度高氨氮鸡粪沼气工程运行分析

陈智远, 宫亚斌, 詹偶如, 姚建刚

(杭州能源环境工程有限公司， 浙江 杭州 310020)

畜牧业迅速发展的同时，产生了大量的畜禽粪污。据测算，全国规模化畜禽养殖场每年产生畜禽粪污20.5亿吨，仍有56%未得到有效利用[1]。畜禽养殖废弃物具有高含固率、高有机物、高氮磷以及含有大量的病原微生物和寄生虫卵等特点，远超过了自然界的自净分解能力，若不科学处理，将严重污染大气、水体及土壤等环境，并会传播疾病，同时也会影响畜牧业自身的可持续发展。因此，将畜禽废弃物进行无害化和资源化处理利用对降低环境污染有着重要的意义[2-3]。

厌氧消化技术是处理畜禽粪便的有效途径之一，不仅能实现畜禽养殖废弃物的无害化处理与多层次资源化的利用[4-5]，也能产生沼气用于热电联产或生产生物质天然气维持畜禽养殖行业的可持续发展。鸡粪作为占据重要比例的畜禽废弃物，其厌氧处理技术与其他畜禽废弃物有着显著不同。鸡的消化道仅为体长的7倍，饲料在消化道内的停留时间较短(4 h)，因此对摄入的饲料消化吸收率很低，约70%的营养物被直接排出体外，是所有禽畜粪便当中养分是最高的[6]，其含粗蛋白28.7%，粗纤维2.8%，粗脂肪12.5%，粗灰分21.4%，有机质68.2%[7]。鸡粪C/N较低，高浓度厌氧消化过程中易造成氨氮富集从而导致消化过程的抑制作用出现[8]。Calli[9]等曾报道，pH值为7.4，总氨氮超过3000 mg·L-1时就会对发酵微生物产生毒抑制作用。Adderley[10]等研究表明总固体含量为2.5%的鸡粪发酵时其挥发酸量最大化且产甲烷细菌活性最强。

氨抑制是影响厌氧消化稳定性的重要因素，而游离氨起主要抑制作用，抑制浓度受pH值、温度、底物、微生物等多方面因素影响。目前关于氨抑制解除方法的研究主要集中在调节工艺参数控制游离氨浓度和通过驯化提高微生物对氨的耐受能力[11]。通过调节工艺参数来控制氨浓度，必然会引起其他因素的变化，例如通过降低温度降低氨抑制时会降低污泥活性，降低pH值时会增加VFA浓度引起VFA积累抑制等问题；因而通过驯化耐高氨氮的微生物是解决厌氧消化氨抑制的重要措施。本文采用工程案例的方式分析高氨氮甲烷菌的培养驯化, 探讨高浓度高氨氮鸡粪的厌氧消化技术，以期对我国规模化鸡粪沼气工程的设计与运行提供参考。

1 高浓度厌氧的工艺流程

高浓度纯鸡粪工程需要有适应超高氨氮浓度的甲烷菌进行厌氧消化协同作用，需要采用特定驯化的方式进行培养以应对高浓度鸡粪的厌氧消化。

大型鸡粪沼气工程的工艺图如1所示。沼气工程一般分为4大阶段：1)鸡粪运输与废水输送阶段； 2)预处理阶段； 3)厌氧产沼与沼气净化贮存气阶段； 4)产品高效利用阶段；产品利用主要分为沼气与沼液两方面。

图1 工艺流程图

养殖场产生的鸡粪和污水通过车辆或管道输送至水解除砂池和集水池，鸡粪经污水稀释调配TS浓度为8%～12%后，在水解停留时间2 d，经水解除砂后鸡粪物料TS浓度为7%～10%，通过螺杆泵泵入两级厌氧消化系统。厌氧消化采用CSTR厌氧反应器两级发酵，设置停留时间20～25 d。同时，在一二级发酵罐之间设置回流泵，将二级厌氧罐的污泥部分回流至一级罐，提升一级罐内污泥含量，缓冲一级罐内高负荷，提高沼气产生效率[12]，同时，减少了污泥流失。发酵产生的沼气进入脱硫系统脱硫后发电上网或脱碳提纯制备生物天燃气，沼液沼渣则用于周边果园及农业种植使用。

在厌氧调试运行初期时，通过调控水解温度、物料pH值及TS浓度、进料负荷、罐内温度等逐步驯化培养耐高氨氮厌氧污泥，其培养驯化周期需要半年左右。

2 工程案例

2.1 山东民和牧业3 MW热电肥联产沼气工程

山东民和牧业大型热电肥联产沼气工程是于2007年12月投资建设，2008年10月调试运行的大型沼气发电工程，2009年2月并网发电，位于山东省蓬莱市北沟镇曲家沟村。工程将山东民和牧业股份有限公司下属的23处肉鸡场，每天产生的鸡粪(TS 20%)500吨和污水500方作为原料进行厌氧消化，产生的沼气用于沼气发电并网，发电机组余热用于发酵系统自身增温。该项目日产沼气30000 m3，日发电60000 kW·h，并入电网，年发电量2000万kW·h，每年可获发电收益1300万元，发酵后的沼液部分直接施用于周围葡萄、苹果和玉米等农田，另有300 t·d-1的沼液用于沼液资源化利用项目生产高端叶面肥，既减少了化肥的使用量，又实现了资源的循环利用和污染物的零排放。该项目实现年减排温室气体6.7万吨CO2当量,是国内首个在联合国完成清洁发展机制(Clean Development Mechanism，CDM)碳交易的农业领域沼气项目[13-14]。

该项目于2008年10月开始投料调试运行，至今已稳定运行9年以上，其工艺运行可靠、管理方便、发酵正常，沼气脱硫净化效果良好。2009年6月底至7月底对工程进行监测，数据见图2～图5。在此期间项目平均每日进料210吨鸡粪，厌氧进料浓度TS 6.1%～8.1%，一级发酵罐平均浓度TS 3.9%，二级发酵罐平均浓度TS 4.1%，沼液罐出水平均浓度TS 3.4%；各级发酵物料pH值8.0～8.2；一级发酵罐挥发酸平均4760 mg·L-1，二级发酵罐挥发酸平均3823 mg·L-1，沼液罐出水挥发酸平均2912 mg·L-1；各级发酵罐总碱度(以CaCO3计)在9500 mg·L-1～1100 mg·L-1之间，氨氮浓度均达到5000 mg·L-1以上，平均日产沼气22594 m3，平均日发电46550 kW·h，项目沼气产量未受氨氮影响，通过核算该项目实际运行中鸡粪TS产气率大于500 m3·t-1。沼气经过生物脱硫塔脱硫处理后，其甲烷浓度60%～70%，沼气脱硫前5000 ppm～6000 ppm，脱硫后200 ppm以下，硫化氢去除率超过96%。 根据监测结果，鸡粪原料中挥发性固体(volatile solid， VS)占TS比例为67%，总氮占VS比例为8.3%。厌氧消化所能承受的最大游离氨为0.5 kg·m-3[15]。McCarty和McKinney报道，150 mg·L-1非离子化氨具有抑制作用；根据Koster和Lettings

图2 山东民和沼气工程厌氧发酵TS浓度

图3 山东民和沼气工程挥发酸VFA浓度

图4 山东民和沼气工程总碱度

图5 山东民和沼气工程氨氮浓度

图6 山东民和沼气工程日产气量和日发电量

实际表明经一定周期的工程驯化调试，可以缓慢提高菌种的氨氮耐受能力。

2.2 江苏省大丰市畜禽粪污集中处理综合利用项目

江苏省大丰市畜禽粪污集中处理综合利用项目为通过处理大丰市大丰港及周边区镇220 t·d-1的鸡粪并生产生物质燃气。鸡粪通过厌氧消化每天可生产沼气约20 000 m3，其中平均每天约18%的沼气用于发酵系统自身增温，剩余沼气经提纯后生产生物天然气，平均每天生物天然气的产量约为10000 m3，年产生物天然气约350万m3；发酵后的沼液、沼渣分别进入有机肥厂进行深度加工。

该项目综合利用周边养殖粪污，既开发了生物质能源，有效利用了资源，又减少了周边养殖生产带来的环境污染，改善了当地的生态环境，实现现代养殖业的绿色可持续发展。项目建成后，实现年减排温室气体4.5万吨CO2当量。该项目于2014年开工建设，2015年6月开始投料调试运行，至今已稳定运行近2年，表1是项目调试完成后从2015年9月至2016年12月期间各工艺段运行监测的数据。

表1 江苏和顺项目各工艺段监测数据

从表1可以看出，该项目鸡粪水解除砂后原料TS浓度平均8.35%，最高到10.2%；发酵物料pH值7.8～8.2，VFA平均4100 mg·L-1，总碱度(以CaCO3计)平均10100 mg·L-1，氨氮维持在5200～5700 mg·L-1，其TS产气率维持在460～510 m3·d-1,其波动受周边各养殖场原料影响。

2.3 台湾石安牧场日处理80 t鸡粪沼气发电项目

台湾石安牧场日处理80 t鸡粪沼气发电项目采用CSTR发酵工艺,设计处理鸡粪80 t·d-1，生产沼气8,000 m3·d-1。沼气全部用来发电，每天可产16,800 kW·h电，所发电量除少量用于养殖场鸡舍自用外，剩余全部上网供市电使用，发电机余热为发酵系统本身供热。发酵后的沼液全部被用作台湾高雄市阿莲乡周边果园及蔬菜等种植过程中的有机肥施用于农田中。

该项目于2014年年初动工建设，2014年10月开始投料调试运行，现已稳定运行接近3年时间。2016年8月对工程进行监测，数据见图7～图10。项目厌氧消化系统每日鸡粪投加量在50 ～60 t，经稀释调配及除砂后厌氧罐进料TS浓度维持在7%～8%，发酵物料pH值7.9～8.1，挥发酸浓度平均5720 mg·L-1，总碱度(以CaCO3计)平均29860 mg·L-1，氨氮浓度维持在5100～5600 mg·L-1,其特有的发酵环境使得该系统可在高挥发酸和高氨氮下稳定运行，每日沼气产量6000～7000 m3，其原料产气率达到110 m3·t-1以上。所产沼气经生物脱硫塔脱硫处理后，甲烷含量高达65%～70%，硫化氢含量小于50 ppm，去除率高达到99%以上。

3 小结

鸡粪高浓度高氨氮厌氧消化可以大大减少鸡粪调配水的使用量，从而减少了沼气工程中原料增温对热量的需求以及后续沼液的处理消纳的数量，对沼气工程可持续、经济发展创造了技术基础。采用高浓度高氨氮鸡粪的厌氧消化技术，其厌氧进料TS浓度可达8%～12%，大型沼气工程运行中氨氮耐受浓度高至5500 mg·L-1，厌氧产沼气过程不受影响。通过工程实例分析，鸡粪高氨氮浓度厌氧消化技术稳定可靠，值得推广应用，该技术将对规模化养殖场处理鸡粪粪污提供技术借鉴。

图7 台湾石安牧场沼气工程厌氧发酵TS浓度

图8 台湾石安牧场沼气工程氨氮浓度

图9 台湾石安牧场沼气工程碱度

图10 台湾石安牧场沼气工程挥发酸VFA浓度