厭氧干發(fā)酵裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行研究

錢蕾 林斌 官雪芳

摘 要：為促進(jìn)厭氧干發(fā)酵裝置產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種10 m3的玻璃鋼厭氧干發(fā)酵裝置。介紹厭氧干發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作材料，確定了該裝置的運(yùn)行工作參數(shù)，通過(guò)在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種豬場(chǎng)生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明：該裝置運(yùn)行狀況良好，原料產(chǎn)氣率0.032 m3·kg-1·TS-1，平均每天產(chǎn)沼氣3.1 m3，經(jīng)濟(jì)效益較高，沼肥年收益達(dá)2920元。該玻璃鋼厭氧干發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)合理、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)輸安裝方便，經(jīng)濟(jì)效益較高，市場(chǎng)前景廣闊。

關(guān)鍵詞：豬糞；厭氧干發(fā)酵；裝置；設(shè)計(jì)

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.07.012

Abstract： In order to promote the industrialization of anaerobic dry fermentation equipment， a 10 m3 FRP anaerobic dry fermentation device was designed. This paper introduced the structural design and fabrication materials of the anaerobic dry fermentation device， and determined the operating parameters of the device. The results of the application in the pig breeding farm of Fujian Academy of Agricultural Sciences showed that the device was in good working condition and the gas production rate of raw materials was0.032m3·kg-1·TS-1， and the average daily biogas production was 3.1 m3 and with high economic benefits and annual income of 2，920 RMB Yuan. The FRP anaerobic dry fermentation device has been reasonable designed with long service life， convenient for transportation and installation， high economic benefit and broad market prospect.

Key words： Pig manure； anaerobic dry fermentation； device； design

規(guī)模化豬場(chǎng)治理糞污的方式、方法以及其資源化利用是限制豬場(chǎng)發(fā)展的重要因素[1-3]。一個(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)每年可產(chǎn)生豬糞3萬(wàn)t，其中的養(yǎng)分相當(dāng)于N 100 t、P2O5 30 t和K2O 9 t，資源化利用對(duì)種植業(yè)施用有機(jī)肥及減少化肥的用量有很大的促進(jìn)作用。堆肥技術(shù)種類繁多，按照有無(wú)發(fā)酵裝置可分為開放式堆肥系統(tǒng)和發(fā)酵倉(cāng)堆肥系統(tǒng)；按照堆肥技術(shù)操作過(guò)程的特點(diǎn)可分為干預(yù)過(guò)程和非干預(yù)過(guò)程[4]。在國(guó)外，堆肥技術(shù)正在向著機(jī)械化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，而且趨向于采取密閉的發(fā)酵倉(cāng)方式以防止對(duì)環(huán)境的二次污染[5-6]。在國(guó)內(nèi)，由于高度機(jī)械化、自動(dòng)化的堆肥設(shè)備成本太高，同時(shí)堆肥技術(shù)水平較低

[7-9]，考慮到規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)的行業(yè)特點(diǎn)，需要的堆肥工藝技術(shù)必須成本低廉、操作方便以及容易維護(hù)。

厭氧干發(fā)酵裝置一次性投資較少，運(yùn)行費(fèi)用低，并且循環(huán)利用沼氣，有效杜絕了甲烷氣體對(duì)大氣臭氧層的破壞。同時(shí)，有助于解決集約化養(yǎng)豬場(chǎng)豬糞便帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡，杜絕病原微生物和寄生蟲的傳播，有利于養(yǎng)豬場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展，并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用有機(jī)肥有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，減少化肥施用量。干發(fā)酵裝置對(duì)于糞便處理，特別針對(duì)中小型豬場(chǎng)的糞便資源化、無(wú)害化和肥料化有很好的應(yīng)用前景。發(fā)展厭氧干發(fā)酵裝置的關(guān)鍵是防止高濃度發(fā)酵酸化以及發(fā)酵完成后的固液分離。為了促進(jìn)厭氧干發(fā)酵裝置產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，項(xiàng)目組根據(jù)福建省豬場(chǎng)特點(diǎn)及氣候條件，對(duì)厭氧干發(fā)酵裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究開發(fā)了10 m3玻璃鋼厭氧干發(fā)酵裝置。該厭氧干發(fā)酵裝置解決了傳統(tǒng)堆肥發(fā)酵中占地面積大、有惡臭和甲烷氣體向大氣排放的問(wèn)題，提高了堆肥發(fā)酵的工藝和技術(shù)水平。

1 厭氧干發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)

1.1 厭氧干發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的厭氧干發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，除必須保證發(fā)酵基本條件要求外，還要考慮到裝置制作的難易程度、成本的高低以及力學(xué)性能、運(yùn)行管理等綜合因素。厭氧干發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①厭氧干發(fā)酵裝置采取上半部分球筒冠體和下半部分筒體鑲嵌粘合，容積10 m3，上池高1.765 m，下池高0.3 m，筒直徑2.48 m，設(shè)計(jì)壓力600 mm水柱。②上半部分球筒冠體和下半部分筒體鑲嵌粘合采用橡膠圈和鐵件密閉，橡膠圈寬10 cm，安裝于凹凸槽內(nèi)，鐵件通過(guò)工廠定制，密閉采用活動(dòng)螺絲件旋緊。③厭氧干發(fā)酵裝置底層設(shè)置固液過(guò)濾層和沼液儲(chǔ)存層，過(guò)濾板采用玻璃鋼木板結(jié)構(gòu)，厚20 mm，孔隙采用倒梯形結(jié)構(gòu)，上孔隙直徑5 mm，下孔隙直徑8 mm。沼液儲(chǔ)存層高30 mm。④厭氧干發(fā)酵裝置外部設(shè)置沼液回流池，沼液回流池采用正方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高為1 m×1 m×2 m。沼液通過(guò)污水泵和淋浴頭噴灌回流。

1.2 厭氧干發(fā)酵裝置制作材料與性能分析

厭氧干發(fā)酵裝置由有機(jī)玻璃鋼材料制作而成。有機(jī)玻璃鋼是用玻璃纖維、樹脂、固化劑、促進(jìn)劑和添加劑等制作而成。有機(jī)玻璃鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)小，密封性能好，保證了最佳產(chǎn)氣條件。由于玻璃纖維的增強(qiáng)作用，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)塑料。有機(jī)玻璃鋼重量輕、強(qiáng)度高，雖然有機(jī)玻璃鋼的比重只有碳鋼的1/5～1/4，但其拉伸強(qiáng)度超過(guò)碳鋼，可以和高級(jí)合金鋼相比。有機(jī)玻璃鋼耐腐蝕性能好，對(duì)一般濃度的酸、堿、鹽、多種油類和溶劑都有較好的抵抗力，有機(jī)玻璃鋼正在逐步取代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬材料，應(yīng)用到化工防腐的各個(gè)方面。

制作有機(jī)玻璃鋼厭氧干發(fā)酵裝置所選用的不飽和聚酯樹脂為HR191通用型（表1），HR191通用型不飽和酯樹脂是一種粘度適中的通用型樹脂，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和延伸度，適宜制作手糊成型的各種有機(jī)玻璃鋼制品（表2）。

以HR191樹脂、玻璃纖維布、滑石粉等原料，厭氧干發(fā)酵裝置預(yù)制件采用自制模具，應(yīng)用噴槍與手糊相結(jié)合制作，一次建成使用，不用維修，具有強(qiáng)度好、耐腐蝕、抗老化、軟化系數(shù)大、沖擊韌性與防水性強(qiáng)等性能優(yōu)點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)。

2 厭氧干發(fā)酵裝置工藝參數(shù)與運(yùn)行

2.1 發(fā)酵工藝參數(shù)

厭氧干發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)工藝參數(shù)：①發(fā)酵原料為豬糞便；②投料量占總投料量的70%，為5.6 m3；③接種量占總投料量的30%，為2.4 m3；④發(fā)酵濃度TS為16%～18%；⑤發(fā)酵溫度：常溫發(fā)酵；⑥有機(jī)負(fù)荷率為4.0～4.5 kg COD·m-3·d-1；⑦原料產(chǎn)氣率為0.05 m3·kg-1TS-1；⑧設(shè)計(jì)氣壓為6000 Pa（600 mm水柱）；⑨新池啟動(dòng)時(shí)間72 h；⑩發(fā)酵工藝為批量發(fā)酵工藝。

2.2 發(fā)酵接種物與原料

裝置啟動(dòng)需要沼氣池中下層沼液接種，約占總投料量的30%。接種物為正常發(fā)酵1年以上沼氣池中的沼液。發(fā)酵啟動(dòng)采用豬糞原料，接種物沼液通過(guò)泵循環(huán)和淋浴裝置和豬糞原料混合。

2.3 厭氧干發(fā)酵裝置日常管理

為防止原料酸化，每天用污水泵和淋浴裝置循環(huán)沼液1 h，循環(huán)完畢應(yīng)關(guān)閉沼液循環(huán)池和厭氧干發(fā)酵裝置之間的連接開關(guān)。沼氣測(cè)量使用濕式氣體流量計(jì)，每天早晨8：00點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)。厭氧干發(fā)酵裝置運(yùn)行15 d左右換料，換料時(shí)先打開沼液循環(huán)池和厭氧干發(fā)酵裝置之間的連接開關(guān)，放干沼液儲(chǔ)存層的沼液，1 d后打開裝置上蓋，將發(fā)酵完成的豬糞清理出來(lái)。

2.4 厭氧干發(fā)酵裝置運(yùn)行效果

厭氧干發(fā)酵裝置于2009年11月1日至11月15日在福州市閩侯縣荊溪鎮(zhèn)福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種豬場(chǎng)基地運(yùn)行。測(cè)定項(xiàng)目與方法：沼氣總產(chǎn)量采用排水法測(cè)定，甲烷含量用ZS2型沼氣成分分析儀測(cè)定，pH值用pH225型 pH計(jì)測(cè)定，總固體含量用灼燒法測(cè)定。

接種物為福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種豬場(chǎng)內(nèi)沼氣池中下層沼液2.4 m3；投料為種豬場(chǎng)新鮮豬糞5.6 m3、C/N為13；發(fā)酵溫度15～25℃；發(fā)酵周期15 d；設(shè)計(jì)氣壓：6000 Pa（600 mm水柱）；發(fā)酵工藝：批量發(fā)酵工藝；起始發(fā)酵料液pH值6.86，總固體含量（TS）18.04%，可揮發(fā)性固體含量（VS）68.78%，粗灰分含量31.22%。

2.4.1 pH值變化 原料發(fā)酵前pH值6.86，發(fā)酵后前期下降較快，6 d后降到最低，為6.5。第9 d pH值接近中性并保持相對(duì)穩(wěn)定。觀測(cè)結(jié)果顯示：pH值在15 d的干發(fā)酵周期處于正常的變化范圍內(nèi)。

2.4.2 總固體含量變化 發(fā)酵前料液總固體（TS）含量為18.04%，發(fā)酵后總固體含量降低，為15.94%。由于發(fā)酵過(guò)程中原料不斷分解利用，有機(jī)物被微生物液化或變成氣體，導(dǎo)致發(fā)酵原料濃度降低；另外接種物的總固體含量比發(fā)酵原料稍低，也有一定的稀釋作用。雖然總固體含量降低，但物料含水量與濕發(fā)酵（10%以下）相比，仍然處于較低水平，對(duì)后期脫水處理有利。

2.4.3 沼氣產(chǎn)量及甲烷含量變化 2009年11月1日至11月15日進(jìn)行產(chǎn)氣量測(cè)量，氣溫變化為19.5～26.3℃，共產(chǎn)沼氣46.2 m3，則原料產(chǎn)氣率為0.032 m3·kg-1·TS-1，容積產(chǎn)氣率為0.31m3·m-3·d-1，平均每天產(chǎn)沼氣3.1 m3。對(duì)厭氧干發(fā)酵裝置所產(chǎn)的沼氣每5 d進(jìn)行1次甲烷含量測(cè)定，甲烷含量都在53%以上。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 成本分析

成本主要為制作、建設(shè)成本以及運(yùn)行成本。其制作與建設(shè)成本10800元，其中混凝土構(gòu)筑物3500元，有機(jī)玻璃鋼組件5000元，橡膠墊圈800元，旋緊鐵件1200元，水泵200元，水管、氣管100元。年運(yùn)行成本2652.3元，其中人工費(fèi)用100元，電費(fèi) 9元·d-1。

3.2 收益分析

收益主要包括沼氣和沼肥收入，年收益4051.5元：①平均每天產(chǎn)沼氣3.1 m3，沼氣按1元·m3計(jì)算，則沼氣年收益1131.5元；②1年可產(chǎn)沼肥73 t，售價(jià)40元·t-1計(jì)算，則沼肥年收益2920元。

3.3 財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)

采用成本效益分析方法對(duì)厭氧干發(fā)酵裝置進(jìn)行財(cái)務(wù)分析，計(jì)算出財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值和財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率。具體的計(jì)算公式如下。

其中：NPV為厭氧干發(fā)酵裝置的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值，T為厭氧干發(fā)酵裝置的使用年限，Bt為厭氧干發(fā)酵裝置第t年的收入內(nèi)容，Ct為厭氧干發(fā)酵裝置第t年的成本內(nèi)容，r為折現(xiàn)率；內(nèi)部收益率指標(biāo)（IRR）等于上述凈現(xiàn)值方程式為零時(shí)的折現(xiàn)率。

以10 m3厭氧干發(fā)酵裝置為例進(jìn)行財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)。根據(jù)該池型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選用的材料，其壽命按20年計(jì)算，社會(huì)折現(xiàn)率為10%。從表3可以看出：凈現(xiàn)值（NPV）1111.39元>0，內(nèi)部收益率（IRR）13.6%>社會(huì)折現(xiàn)率。說(shuō)明厭氧干發(fā)酵裝置具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和較大的市場(chǎng)潛力。

4 結(jié)論

玻璃鋼厭氧干發(fā)酵裝置采用水泵循環(huán)沼液，使接種物與豬糞充分混合，反應(yīng)更為徹底；同時(shí)，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，受力和耐壓合理，使用壽命長(zhǎng)，符合厭氧消化的工藝要求。制作材料采用有機(jī)玻璃鋼，其重量輕、強(qiáng)度高，拉伸強(qiáng)度超過(guò)碳鋼，具有抗拉、抗壓、抗彎曲、抗曝曬、耐腐蝕、密封性能好、不透水、不透氣等優(yōu)點(diǎn)，性能可靠。厭氧干發(fā)酵裝置采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，由標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件設(shè)計(jì)組成，質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠，運(yùn)輸、安裝方便，建設(shè)速度快。從性能、市場(chǎng)化等方面考慮，該厭氧干發(fā)酵裝置適合工廠化生產(chǎn)，具有潛在市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]高云超，潘木水，田興山，等.豬場(chǎng)糞污發(fā)酵微生物肥及其肥效試驗(yàn)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005（2）：52-54.

[2]高云超，鄺哲師， 田興山，等.豬場(chǎng)污水活性污泥-氧化塘處理效果及環(huán)境問(wèn)題探討[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003（3）：46-49.

[3]高云超，陳俊秋，張孝祺.廣東省微生物肥料的發(fā)展現(xiàn)狀和質(zhì)量控制對(duì)策[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000（3）：29-31.

[4]余群，董紅敏，張肇鯤.國(guó)內(nèi)外堆肥技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（1）：109-112.

[5]龔建英，代學(xué)民，高云霞，等.蔬菜廢物的堆肥處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，32（1）：65-67.

[6]LIN CHITSAN.A negativepressure aeration system for composting food wastes[J].Bioresource Technology， 2008，99（16）：7651-7656.

[7]李亞紅，曹林奎.育禽糞便好氧堆肥研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2003（5）：23-24.

[8]楊柏松，熊文江，朱巧銀.好氧堆肥技術(shù)研究[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2016，44（7）：57-59.

[9]王浩，田晉躍，禹宙，等.城市固體廢物堆肥技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（11）：201-204.

（責(zé)任編輯：劉新永）