大型沼气示范工程湿法发酵系统运行技术模式研究

陈冠英 刘凡 杨瑞涵 梁雪 张廷军1 刘磊

摘要 以河北省承德市丰宁满族自治县某大型沼气示范工程湿法发酵系统为例，对原料选择、工艺设计、设备单体调试和系统运行调试方案进行研究。结果表明：完成原料实验检测和设备单体调试后方可启动系统调试运行模式，调试分为启动调试阶段、负荷提升阶段以及稳定运行阶段3个阶段，确保每个阶段的运行技术指标都在合理范围内。

关键词 湿法发酵；运行技术模式；沼气工程

中图分类号 S 216.4  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）12-0176-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.12.040

Research on the Operation Technology Mode of Wet Fermentation System in Large-scale Biogas Demonstration Project

CHEN Guan-ying1，2，LIU Fan1，2，YANG Rui-han1，2 et al

（1.China Huadian Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100160；2. National Energy Research and Development Center for Production and Utilization of Biomass Gas， Tianjin 301700）

Abstract Taking wet fermentation system of a large biogas demonstration project in Fengning Manchu Autonomous County in Chengde City， Hebei Province as an example，raw material selection， process design， equipment testing and debugging scheme of the  system were studied. The results showed that the operation mode can be started after the completion of raw material experimental testing and equipment testing. The operation mode was divided into three stages， namely debugging start-up stage， load-lifting stage and stable operation stage， so as to ensure that the operation technical indicators in each stage are within a reasonable range.

Key words Wet fermentation;Operating technical mode;Biogas engineering

基金项目 中国华电科工集团有限公司重点科技项目（CHECKJ22-01-19）。

作者简介 陈冠英（1987—），男，北京人，工程师，从事生物質沼气工艺设计、研发工作。

收稿日期 2022-06-13

随着全国畜牧业的发展，集约化、规模化养殖场的污染已经成为造成农业环境污染的主要因素［1-2］，而利用牛粪等畜禽粪便作原料生产生物燃气是解决这一问题的有效方法之一［3-6］。随着碳达峰碳中和时代的到来以及各种政策文件的出台，给生物燃气行业带来新的机遇和发展机会。2020年9月，习近平总书记在联合国一般性辩论大会上郑重宣布：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2019年，国家发展和改革委员会下发《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》（发改能源规〔2019〕1895号），提出要加快生物质天然气产业化发展［7］。2021年初，中央一号文件明确提出将全面推进乡村振兴战略，加快农业农村现代化［8］。

沼气工程在发酵过程中以畜禽粪污为主要原料（湿法发酵浓度一般在10%以下［9］），能有效解决畜禽粪污的污染问题，可生产可再生的清洁能源，创造出更多的效益，促进能源的节约，是一种集节能和环保于一体的综合利用技术［10-11］。目前，我国湿法发酵技术应用较为成熟，但仍存在一定的弊端，在运行效率上存在稳定性不高的现象，导致生物燃气生产效率低、发酵稳定性不高等问题［12］。笔者以河北省承德市丰宁满族自治县某大型沼气示范工程湿法发酵系统为例，对原料选择、工艺设计和具体的运行调试方案进行研究，旨在为大型沼气湿法工程调试和稳定运行提供理论依据和技术支撑。

1 案例分析

1.1 工程设计

1.1.1 项目情况。

项目位于河北省承德市丰宁满族自治县五道营乡，项目周边养殖场的畜禽粪污采用湿法厌氧发酵工艺进行处理，设计日产沼气量6 000 m3。

1.1.2 工艺流程。

原料通过沉砂池收集，经过除砂后自流至匀浆池，再通过进料螺杆泵送至一体化厌氧发酵罐。物料经过发酵后，通过出料螺杆泵送至缓冲池，随后泵入固液分离机，分离后的沼液部分回流至沉砂池和匀浆池，剩余部分可作叶面肥或灌溉还田等，沼渣可作为原料生产生物有机肥。一体化厌氧发酵罐产生的沼气经罐内生物脱硫后，再进入增压系统，最后进行发电，发电产生的余热可为发酵系统提供热量。湿法发酵工艺流程如图1所示。

工艺设计共涉及牛粪量、回流沼液/工艺稀释水量、设计产气量、有机负荷率（OLR）、反应器总有效容积、水力停留时间（HRT）、反应器数量、容积产气率8项参数。工艺设计参数如表1所示。

1.2 原料分析

1.2.1 原料技术要求。

该项目湿法发酵系统处理的原料主要是奶牛场的牛粪，目前已与4家奶牛场签订原料供应合同，供应总量为175 t/d，满足工艺需求。项目原料湿法工艺参数如下：TS含量≥25%，含砂率≤1%，堆放时间≤3 d。该项目使用养殖场有机废水作为发酵原料接种物。

1.2.2 原料性能分析。

将采集的4个奶牛场牛粪样品混合均匀后，进行样品制备。采用105 ℃干燥重量法检测项目原料的总固体（total solids，TS）含量。采用550 ℃灰化法检测项目原料的挥发性固体（volatile solids，VS）含量。采用电位法以1 mol/L氯化钾溶液为浸提剂，在25 ℃下使用PE28型pH计检测原料pH。物料产甲烷潜力试验按照接种物与物料的VS含量比为2∶1进行，使用全自动甲烷潜力测试系统在40 ℃恒温水浴条件下测定。牛粪TS含量为（28.60±0.33）%，VS含量为（21.59±0.15）%，VS含量/TS含量为（75.48±0.35）%，pH为6.8。

按試验原料的水力停留时间（HRT）为30 d进行试验。牛粪的沼气日产气量和累计产气量变化如图2所示。

2 案例运行技术模式分析

2.1 调试运行方案

调试分为启动调试阶段、负荷提升阶段和稳定运行阶段3个阶段，其中启动调试阶段又分为接种驯化增殖期和物料增温期。调试周期表如表2所示。

2.2 调试运行步骤

2.2.1 启动调试阶段。

2.2.1.1 工作步骤。

（1）牛场粪污通过运输车倒入沉砂池内，使用沼液（最佳方案）或清水冲洗粪污，粪污稀释至TS含量3%，开启沉砂池除砂机，除砂后的粪污在匀浆池内搅拌混匀，通过进料螺杆泵打入1#发酵罐内。发酵罐需打入稀释后的粪污约3 000 m3，预计需要26 d，每天进料115 t，可连续进料。

（2）接种物投加过程中，伴随着厌氧发酵过程，发酵罐搅拌器可以进行低频、间隔运行（粪污没过搅拌器后，才能开启搅拌器），粪污没过发酵罐加热盘管，可使用热源给发酵罐物料加温，加温幅度每天不超过1.5 ℃，预计加温时间20 d左右，每天检测发酵罐物料pH，如果现场实验室具备条件，采用最佳方案测试FOS/TAC比值，即挥发性有机酸和碱度的比值。

（3）菌种富集过程中，每天在发酵罐正负压保护器排放口处观察产气情况，罐内如有产气，可使用便携式气体分析仪测定气体成分，当沼气中甲烷含量在50%以上时正负压保护器就可以加水，水位加至指定刻度线即可，收集沼气储存至一体化储气膜内。

2.2.1.2 监测数据。

在启动调试阶段共监测温度、pH、甲烷含量、粪污TS含量及FOS/TAC 5项指标。监测数据如表3所示。

项目在北方启动调试宜选择在春季或夏季，此时气温偏高，适合进料产气调试，发酵温度确保逐步增加，每天增温1.5 ℃左右，直至达到设计值38 ℃。温度监测数据如图3所示。

物料发酵pH的最佳范围为6.8～7.4［13］，第6～8天pH在6.3左右，第9天恢复到正常值（6.8）。究其原因，这是因为发酵初期经历水解-酸化阶段，导致物料的pH下降，然后有机酸被分解进入产甲烷阶段，pH又恢复至正常水平。pH监测数据如图4所示。

物料发酵的第一阶段、第二阶段属于水解-酸化阶段，因此前8 d甲烷含量较低；随后进入甲烷生成阶段，甲烷含量迅速增加，第16天甲烷含量达到最高值（65.08%），20 d内甲烷含量平均值大于58.00%；在26～30 d内，随着原料成分不断被消耗，甲烷含量逐渐降低。甲烷含量监测数据如图5所示。

粪污的TS含量每3 d检测1次，确保接种驯化增殖期TS含量在3%左右。粪污TS含量监测数据如图6所示。

相较于pH监测，FOS/TAC可以预警沼气反应器中是否发生酸化（FOS/TAC过高）或氨化（FOS/TAC过低）现象。FOS/TAC监测数据如图7所示。

2.2.1.3 流程结束。

当所产沼气甲烷含量超过50.00%，试验发酵罐内物料pH为7～8，FOS/TAC在0.4以下时该流程结束，进入下一流程。

2.2.2 负荷提升阶段。

（1）提升计划。

一体化厌氧发酵罐首次进料有机负荷控制在0.8 kg/（m3·d）以下。当试验测得物料的pH为7～8，或FOS/TAC在0.4以下，且至少连续3 d稳定无增长时，可提升一体化厌氧发酵罐进料负荷。每次提升进料负荷不超过现有进料负荷的30%。有机负荷提升计划如表4所示。

（2）监测数据。

负荷提升期间需要添加物料，牛粪、清水支撑发酵罐稳定运行，物料添加量如图8所示。试验期间，对温度、FOS/TAC进行实时监测。温度监测数据如图9所示，FOS/TAC监测数据如图10所示。

（3）流程结束。

经过启动调试阶段和负荷提升阶段2个阶段的调试，物料发酵的各项工艺指标均已经达到设计值：发酵温度为（38±2）℃；1#发酵罐牛粪进料量44 t、清水进料量66 t，发酵浓度10%；pH为6.4～7.5；FOS/TAC为0.2～0.4；甲烷含量平均值在58%左右。启动2#发酵罐可以按照启动1#发酵罐的进料步骤重新操作一遍即可。至此，项目正式进入稳定生产阶段。

2.2.3 稳定运行阶段。

（1）工艺目标。

维持系统的稳定运行，缓慢微调操作，及时整理稳定运行参数，供以后正常操作运行参考。

（2）工艺指标。

所有发酵罐装满原料，罐内温度稳定在（38±2）℃，各工艺系统生产性能逐渐达到设计能力，即单罐沼气产量3 000 m3/d。

（3）运行要求。

整理总结各单元进料、厌氧发酵、沼气净化利用、固液分离等系统的操作规程。

（4）监测数据。

在项目运行过程中需要做好以下数据的日常检查，以确保罐内厌氧过程正常进行。检测数据如表5所示。

3 问题与建议

3.1 充足的准备工作是调试运行成功的重要保障

3.1.1 设备检查［14］。

包括工程主线完工且已完成分项验收工作；池体、罐体及管道完成水压试验且合格；单体设备完成调试，比如泵、搅拌器阀门仪表等。

开展此项工作时，建议做好以下方面：

（1）发酵罐与正负压保护器之间沼气管道阀打开，正负压保护器放水阀打开，确保进料时压缩罐内空气、空气能及时排出，当沼气中甲烷含量符合要求时可将水注入正负压保护器指定刻线位置。

（2）有的项目此阶段处于临时电源转换为正式送电的阶段。为避免接入正式电后可能发生设备反转的现象，一定要事先检查设备电机转向，如发生设备反转应重新接线，杜绝发生安全事故。

3.1.2 一体化厌氧发酵罐水密性检测［15］。

沼气发酵罐在主体结构达到设计强度后，应进行满水试验。充水时宜分4次进行，每次充水量为设计水深的1/4；充水时的水位上升速度不宜超过2 m/d；相邻2次充水的间隔时间不应小于24 h；每次充水宜测量24 h的水位下降值，计算渗水量，在充水过程中和充水以后应对发酵罐做外观检查，当发现渗水量过大时应停止充水。待查明原因并做出处理后，方可继续充水。

满水试验建议要在罐体保温施工前，如有渗水漏水情况，避免保温二次施工；如在冬季进行满水试验，应有加热保温措施，避免冻结对罐体造成损坏；同时，如有多个发酵罐，在设计时宜考虑罐体之间可以相互循环运行，便于导水导料。

3.1.3 一体化厌氧发酵罐气密性检测［15］。

满水试验合格后，进行气密性試验。气密性试验压力应为沼气发酵罐设计工作气压的1.5倍，24 h气压降应小于试验压力的3%。气密性检测建议在罐体及附件全部安装完之后进行，包括搅拌器、传感器、保护器等。有的项目搅拌器等关键设备大多采用进口设备，供货周期长，而发酵罐多为国内供货，供货及安装周期短，建议待搅拌器安装后统一进行气密性检测。

3.1.4 其他准备。

①调试运行前需要管理人员、操作人员、维修工及电工就位工作，并完成安全三级教育和沼气厌氧发酵知识及工程的上岗培训；

②保证热源、水源、电源的稳定供应；

③劳保用品、检修工具配备齐全。

3.2 低浓度进料有利于调试运行的快速启动

3.2.1 启动调试阶段。

该项目在此阶段一直以TS 3%的进料浓度进行进料，进料量为115 t/d，经过26 d后发酵罐液面高度达到设计标高。此阶段以低浓度物料进料且快速注满发酵罐，该调试方式有以下优点：①低浓度可避免发生物料酸化现象，从而避免项目启动失败；②物料快速注满发酵罐可有效将罐内空气排出，从而为提高甲烷含量创造有利条件。

3.2.2 负荷提升阶段。

该项目在此阶段以TS 10%的进料浓度逐步增加进料量，相同进料量以3 d为1个周期，共分为7个周期，每个周期进料量负荷不超过上个周期的进料量负荷的30%，直至达到设计进料量。逐步提升进料量负荷，避免突然增加进料量对发酵系统的冲击，可以平稳地过渡到设计进料量和进料浓度，从而使项目成功启动运行，顺利进入稳定运行阶段。

3.3 建立科学、合理的组织措施

为积极稳妥、有条不紊地完成湿法发酵系统的调试工作，建议现场组建调试工作组，具体工作分为原料收储组、技术支持组、实验组、工程组以及安全组，并由专人负责。

3.3.1 原料收储组。

①负责联系各养殖场以及运输车辆，完成原料的收储运工作；

②负责对外协调的其他事宜。

3.3.2 技术支持组。

①负责编制湿法发酵系统的调试方案，提供技术指导；

②负责研究、解决调试运行过程中出现的技术问题；

③监测、记录并分析调试过程中的技术数据，如温度、pH、TS含量、甲烷含量、氨氮含量等；

④定期组织召开调试运行工作现场会议，研讨调试运行中出现的问题，制定解决方案。

3.3.3 实验组。

①现场取样；

②实验室检测；

③出具检测报告，为调试工作组的生产计划提供技术支撑。

3.3.4 工程组。

①负责各单位统筹管理；

②负责整个项目的建设把控和项目推进工作，做好各施工单位作业面衔接，协调解决在建设、调试过程中的各类问题；

③负责整个厂区内人员、车辆、机械的安全管理。

3.3.5 安全组。

①全面负责项目调试运行的安全监督管理工作；

②负责所有风险作业的管理审批；

③负责做好调试、生产运行人员的健康保障和应急救护安排；

④负责调试运行期间现场的安全保卫、环境保护工作；

⑤负责在事故状态下现场的组织与协调工作；

⑥负责指挥调试运行期间紧急事件的处理，并将处理情况向调试指挥部汇报。

3.4 制定详细的应急预案

3.4.1 参数监测。

当监测到发酵罐的参数中有一项或几项有异常波动时应立即停止进料，报告调试人员和负责人，经商讨后找出问题所在并予以解決，方能继续进料。

解决方案如下：

（1）pH。

沼气厌氧发酵pH的最佳范围为6.8～7.4，当发酵罐内物料酸化时应采取紧急措施，停止进料，加强搅拌，加碱（生石灰）调节pH，并迅速从相同或相近工程项目调运所需菌种，直至发酵罐内各项指标恢复正常。

（2）氨氮含量。该项目厌氧菌氨氮含量极限值为5 000 mg/L。氨氮中毒，说明原料浓度过高，需要用清水稀释，降低进料浓度，逐步降低罐内氨氮含量，直至产气正常，方可重新按照各阶段投料表规定的进料浓度继续进料。稀释进料期间，应记录进料浓度和罐内氨氮含量，采取微调形式将厌氧发酵部分发挥到最大限度。

（3）发酵罐内温度。

应控制发酵罐增温每天0.5～1.0 ℃，当天发酵罐内温度变化幅度不超过2.0 ℃。

当发酵罐温度波动较大时采取稳定措施，如停止进料或者加大增温力度；

若不能维持温度稳定，或当天无热源供应无法维持稳定时，需要暂停进料、保持密切观察和监测，只有当该参数在标准值范围内时方能继续进料。

3.4.2 设备。

调试期间如有设备出现故障，应停止投料，待维修人员检修后才可继续操作。

3.4.3 安全措施。

①调试现场严禁烟火，严禁动火操作，现场需要配备消防器材设备。

②场内操作人员取样或进行巡视时，需要随身携带便携式可燃报警仪，以确保在第一时间检查有无沼气泄露现象。

4 结论

此项目湿法发酵系统调试运行技术模式有良好的效果，通过实验室研究与实际工程的有机结合，工作进展顺利，运行稳定。影响沼气工程稳定运行的因素较多，比如支持政策、原料品质、气候、设备性能以及产品渠道等，但是只要从业人员积极准备，考虑周到，总结经验教训并分享成功经验，从原料收储、工艺技术、装备以及商业模式等方面进行交流和创新，使我国每个沼气工程都能稳定运行，从而进一步提高环境效益和经济效益，改善有机废弃物的治理与农村的人居环境，为“双碳”目标作出应有的贡献。

参考文献

［1］ 管志云，邵敏，刘玉坤.畜禽粪便厌氧发酵技术分析［J］.今日畜牧兽医，2018，34（11）：60，59.

［2］ 袁艳文，刘昭，赵立欣，等.生物质沼气工程发展现状分析［J］.江苏农业科学，2021，49（6）：28-33.

［3］ 吕淼，王一君.生物天然气产业发展浅析［J］.能源，2018（2）：68-70.

［4］ 韩兴燕，孔伟.牛粪生产沼气的影响因素［J］.中国畜禽种业，2019，15（6）：44-45.

［5］ 廉凤丽.畜禽粪便好氧堆肥处理技术研究［J］.畜禽业，2022，33（2）：36-37.

［6］ 董泰丽，陈莉.畜禽粪便资源化循环利用关键技术与模式探讨：以山东民和为例［J］.安徽农业科学，2020，48（17）：216-220.

［7］ 王丽丽.沼气产业化基本理论与大中型沼气工程资源配置优化研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［8］ 2022年中央一号文件发布［J］.中国种业，2022（3）：132.

［9］ 金赵明.浅析湿式厌氧与干式厌氧发酵技术及相关案例［J］.环境保护与循环经济，2018，38（5）：29-31.

［10］ 王全.论沼气发电对建设新农村的重大意义［J］.农民致富之友，2018（19）：248.

［11］ 杨开宇.畜禽粪污湿式厌氧发酵产甲烷反应器选型［J］.能源与节能，2021（12）：170-172.

［12］ 肖生苓，荆勇，冯晶，等.木质生物炭对厌氧发酵产甲烷性能的影响［J］.中国农业科技导报，2021，23（1）：128-135.

［13］ 何光设，蒋恩臣.厌氧发酵过程中PH值的影响因素探讨［C］//农业工程科技创新与建设现代农业：2005年中国农业工程学会学术年会论文集：第四分册.［出版地不详］：［出版者不详］，2005：303-306.

［14］ 陈智远，蔡昌达.大型沼气工程运行分析［J］.可再生能源，2009，27（6）：102-104.

［15］ 邓良伟.沼气工程［M］.北京：科学出版社，2015：126.