探讨鸡场沼气工程设计问题
养鸡业是我国畜牧产业的重要组成部分，在各种养殖业中一直处于领先发展的地位。随着养殖集约化的迅速发展，在生产大量鸡肉、鸡蛋的同时，产生大量鸡粪、废水、死亡鸡等废弃物，如对其处理不当，任意倾倒、排放或堆积，将对环境造成严重的污染。畜禽养殖所产生的污染物主要来源于畜禽排泄物，主要污染物质有粪便和冲洗水。鸡粪既是排泄废物，又是一种特殊形态的可再生资源，经无害化处理后在农业上具有很大开发潜力。厌氧处理畜禽粪便是目前养殖场粪污处理的有效方式，不仅可以减少其对环境的污染，而且可以获得生物能源沼气。应用鸡粪生产沼气，开发利用生物能源，对节约自然资源，防止环境污染，实现生态环境良性循环具有重要意义［1－2］。文章通过工程实例分析，阐述鸡粪厌氧发酵制沼气工程特点，工艺流程和关键技术设计，分析工程设计存在的主要问题，并提出改进措施建议。 1.工程实例分析 以安徽省庐江县恒福禽业养殖专业合作社大型沼气工程实践为例，阐述鸡场厌氧发酵制沼气工程特点，工艺流程和关键技术设计及运行概况。 1．1工程概况 庐江县恒福禽业专业合作社位于庐江县柯坦镇，拥有肉鸡养殖大棚15600m2，种鸡场5800m2，孵化场1000m2。年饲养肉鸡27万只，存栏种鸡5万套，年孵化苗鸡840万羽，形成种鸡养殖、苗鸡孵化、商品鸡饲养一条龙生产。该场沼气工程建有600m3厌氧罐一座，300m3沼气贮气柜一座和700m3沼液贮存池等附属设施，50KW沼气发电机组、钢制网格、污水提升泵、进料泵、脱硫塔等配套设备计25台(套)，工程于2010年12月竣工。竣工后即投料，发酵原料使用鸡粪及冲洗水(污水)，所产沼气供场区生产生活用能，沼渣、沼液直接用于所属的1800亩有机茶叶生产基地和500亩苗木基地的施肥灌溉以及500亩水面养鱼等。 1．2工艺技术方案 根据该场拥有的1800亩茶园，500亩苗木和500亩鱼塘，完全可以消纳沼气工程所产生的沼渣、沼液，选择能源生态模式，装置采用USＲ工艺，即升流式固体反应器，它适用于高悬浮固体原料的厌氧消化。鸡粪原料从底部进入消化器内，与消化器内的活性污泥充分接触，使原料得到快速消化。未消化的生物固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SＲT)和微生物滞留期(MＲT)，从而提高固体有机物的分解率和消化器的效率。工艺流程:1)原料收集。养殖场鸡粪是干清粪，沼气发酵需要的稀释水采用鸡场冲洗水及生活污水。冲洗污水通过水沟自流进入集水池，集水池前设置格栅，去除污水中较大的杂体，经沉砂井沉砂去除砂粒，以便于后续工艺的处理，防止管道堵塞，集水池内设提升泵。2)原料预处理。沉砂:预处理池内设有沉砂功能，能去除鸡粪中含有的砂粒和鸡毛等较大固体物，以免影响后续处理设备的运行。水解酸化:水解酸化的主要作用在于降解部分悬浮物质，将复杂的有机物转化为简单的有机物质，提高其生化性能，有利于厌氧消化;由于鲜鸡粪直接进入发酵罐容易酸化积累，产气不稳定，设水解酸化池，使鸡粪污水充分接触水解酸化有利于厌氧消化和产气。调节计量:为了使管道和构筑物正常工作，不受废水高峰流量或浓度变化的影响，设置有调节计量池，并且将锅炉蒸汽的通入点设在调节池内，使进料温度保持在30℃左右，热源由烧锅炉来保证。3)厌氧消化。根据鸡粪物料特征，启动时进行碳氮比调节。启动料搭配1/3左右的经粉碎和堆沤处理的秸秆，并加10%以上的沼气接种物。原料经调节计量池用泵输送到发酵罐，滞留期为15d。发酵罐设计容积按照常年存栏种鸡5万套，每只鸡每天排粪按照0．1kg，日排粪量5吨估算。鸡粪干物质浓度按30%计，设计选用600m3钢结构发酵罐和300m3贮气柜。4)沼气的净化和利用。沼气经气水分离器、脱硫塔、计量后进入贮气柜。产品方案:1)沼气。工程日产沼气480m3左右，其中:360m3用于发电，采用50kW沼气直燃式发电机组，主要供应本场生产用电和职工生活用电。其余120m3用于烧锅炉和安装管道输送到该场所属茶叶加工厂用于茶叶加工。2)沼液。该厌氧罐日处理鸡粪污水约40t，沼液内含多种氨基酸和活性酶以及丰富微量元素，直接用于该场所属1800亩有机茶叶生产基地，800亩苗木基地的施肥灌溉和500亩水面养鱼等。3)沼渣。每天可产沼渣3．87t，年产量1413t。鸡粪有机质含量高，经厌氧消化后不含粪大肠杆菌和寄生虫卵，是一种优质肥料，用于该场所属有机茶园和水产养殖。 1.3工程运行情况 该鸡场于2011年1月～2014年9月间鸡存栏量47万只，粪污减排量即鸡粪和冲洗水的实际数量合计27302吨，其中含水30%的干清粪13651t。在沼气工程运行操作中，对设计的进料浓度TS和滞留期，在合理区间作调整，使所有鸡粪和冲洗污水都进入厌氧罐进行消化处理，共生产沼气78．26万m3，增收节支277万元。该场粪污经过治理后，有效消除了养殖对环境的污染，给种植业提供了优质的有机肥料，同时提供了清洁能源，减少了大气污染，保护了生态环境。 2.关键技术讨论 2．1原料预处理 通过预处理提高原料的可生物消化性能、消化效率和产气率，同时在预处理阶段需要调节进料浓度、进料温度。如果不能通过预处理确保沼气工程的进料质量，将导致沼气工程运行不稳定，难以发挥最佳的处理能力。鸡场粪污含有较多的砂粒和鸡毛等较大固体物，在集水池、预处理池和水解酸化池需要设置格栅和沉砂功能，定期清理。并选用具有剪切功能的进料泵防止鸡毛堵塞，以减少鸡毛的不利影响。启动时进行碳氮比调节和堆沤处理。该工程采用上述措施取得了较好效果，工程多年运行稳定。 2．2厌氧消化器 厌氧消化器是沼气发酵的核心设备，目前我国大中型沼气工程主要有完全混合式(CSTＲ)，塞流式(PFＲ)，升流式厌氧污泥床(UASB)，升流式固体反应器(USＲ)等［3］。CSTＲ内设搅拌装置，或进行水力循环搅拌使发酵原料和微生物处于完全混合状态，与常规沼气池相比处理效率提高，在鸡场粪污沼气工程中也有成功应用［2］。但CSTＲ搅拌能耗大，沼渣沼液一起排出，一方面不利于沼肥的后续利用，另一方面沼渣停留时间短，消化不完全。PFＲ多用于牛粪厌氧消化，效果较好。PFＲ因积砂和厌氧微生物流失，以及占地大等原因，较少用于鸡场粪污沼气工程。UASB因具有三相分离器故适用于可溶性废水的厌氧处理，要求较低的悬浮固体含量，在猪场粪污水处理中有较多应用，主要问题是三相分离器易出现堵塞，因此不适合鸡场粪污沼气工程。USＲ适用于高固体含量的畜禽废水处理，在养殖粪污处理中应用广泛。原料从底部进入USＲ反应器，沼液溢流，利用水头压力自动排渣，污泥的停留时间大于水力停留时间从而提高了固体有机物的分解率和消化反应器的效率。而且，USＲ的运行管理要求也较粗放，运行稳定性较好，比较适合鸡场粪污的处理。 2．3搅拌 USR反应器从理论上讲不需要搅拌、不需要回流，具有出水澄清功能。但搅拌可以使反应器内的物料混合均匀，温度和pH值微生物种群等保持均匀一致，还可以大大降低池底沉积及液面浮渣结壳。从大量沼气工程运行情况看，适当的搅拌是有利的，可以提高产气率。然而搅拌过度，则可能会影响微生物的活性。常用的有机械搅拌、水力循环搅拌、沼气搅拌。为了减少能耗，采用沼气搅拌或沼液回流(水力循环)搅拌较好。该工程装置较小，同时因设计的物料TS较低，在无搅拌和回流状态下，运行稳定，主要问题是池容产气率较低。 2．4保温与增温 采用中温发酵既能保持沼气池具有一定的产气率，又节省能耗。一般大中型沼气工程运行温度均设计为中温。消耗的热量主要为新鲜料液加热、反应器散热和管道散热。因此，为减少能耗，料液管道、池体应设计良好的保温。反应器内设加热盘管因为盘管易表面结垢，降低换热效率，维修时需要清空反应器，造成停产。从实际工程来看，外部换热器更易于维护，使用方便，可以使料液在进入反应器前被加热;也可以用于反应器内的料液保持恒温，即用泵把料液抽出经过换热器，再回到沼气池，同时起到搅拌作用。对于以发电为主的大型装置，可以利用发电余热加温，但是对于装机容量较小的工程，余热利用价值不大。将溢流沼液回流到预处理池，也是很好的余热循环利用方式，同时还可以减少沼液产生量。该工程冬季采用沼气锅炉增温，锅炉蒸汽的通入点设在调节池内，使进料温度保持在30℃左右的设计温度。 2．5启动和进料调节 虽然研究表明，鸡粪含有5%～6%的氮，以尿酸的形式存在，鸡粪由于含有氨氮和尿酸，在厌氧生物处理时易导致发酵异常［4］。物料配比、初始发酵浓度和发酵温度是影响产气量的重要因子，适当调整发酵温度以及初始发酵浓度将会有效提高沼气发酵利用效率。混合原料发酵是提高沼气发酵效果的有效方法，而且牛粪、鸡粪、稻秆3种原料在一定比例下混合后发酵效果显著好于牛粪与稻秆、鸡粪与稻秆2种原料混合的发酵效果［5－7］。但工程实践中，启动后正常运行的鸡粪沼气工程并不需要调节C/N。主要问题是启动，采用较大量的沼液接种可实现快速启动［4－8］。该工程启动料搭配1/3左右的经粉碎堆沤处理的秸秆，并以沼液调节物料浓度(兼作接种物)。该工程的设计进料浓度TS为4.3%，滞留期为15d。因USＲ反应器有较强的抗冲击负荷能力，实际进料浓度可在3%～12%较宽范围变动。工程运行中，按鸡的实际存栏量、气温和用气需求，对设计的进料浓度TS和滞留期，在合理区间作相应调整，使所有鸡粪和冲洗污水都进入厌氧罐进行消化处理和所产沼气均有效利用。 2．6沼液控制 大型沼气工程产生的沼液在储存和使用过程中会对周围环境构成污染，其主要表现为沼液储存过程中有害气体释放、沼液直排造成水体污染、农田长期大量施用造成土壤重金属沉积和沼液渗滤造成地下水恶化。由于单位土地面积对沼液的容纳能力有限，沼液的长距离运输成本又较高，加上气候变化及农作物复种情况影响，大型沼气工程所产的沼液无法完全利用，而现阶段对多余沼液的净化处理或者对沼液的浓缩减容处理成本很高［9－11］。随着环保要求的日益提高［12］，现代沼气工程设计中避免沼液外排已是基本要求。沼液回流循环利用是沼液减外排的有效措施。鸡粪干物质浓度30%，因此在预处理池要大量加水。虽然该场有一定规模的土地可以消纳所产沼液，实现了养殖场废弃物的零排放。但该工程未考虑沼液回用显然不适应现代沼气工程发展要求。沼液回流循环利用不仅可以解决冬季沼液不能农业利用、无处消纳的问题，同时也利用了沼液的余热。鸡粪为富N原料，沼液回流循环利用时要注意控制系统氨氮浓度，防止因氨氮浓度过高影响厌氧系统的运行效率。 3.结语 畜禽养殖主要污染源是粪便和冲洗水。随着集约化程度越来越高，沼气工程规模的扩大，所产生的大量沼液无处消纳，易在场区周边形成二次污染。由于畜禽养殖业污染物排放标准要求的提高［12］，仅依靠沼气工程已经不可能做到达标排放，畜禽养殖场沼气工程仅仅是污染治理的一个重要环节。因此，要求现代畜禽养殖场沼气工程设计要以清洁生产理念为指导，从源头和过程控制整体考虑，尤其沼液控制是降低工程运行成本的关键。鸡场沼气工程设计要充分利用其高固含量的特点，优先选择高浓度厌氧发酵工艺，并设计合理的沼液回流循环利用措施，最大限度减少系统沼液排放量，降低工程运行成本提高效益。
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