新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置在規(guī)模化養(yǎng)豬場處理高濃度養(yǎng)殖污水中的應(yīng)用

肖艷春 黃婧 李潔 陳彪

摘要：研發(fā)一種新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置，解決以往沼氣池建池成本高以及冬季產(chǎn)氣速率低的問題。在福建莆田某規(guī)模化養(yǎng)豬場應(yīng)用結(jié)果表明：該HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置施工方便，適應(yīng)性強，厭氧消化能力強，工程造價為同類型沼氣池1/10左右，對養(yǎng)殖污水消化降解效果顯著，具備良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：HDPE防滲膜；規(guī)模化養(yǎng)豬場；養(yǎng)殖污水；產(chǎn)氣量；產(chǎn)氣速率

DOI： 1013651/jcnkifjnykj201802012

Application of a New Anaerobic Fermentation Device with HDPE Antiseepage Membrane in

the Treatment of High Concentration Wastewater in a Largescale Piggery

XIAO Yanchun， HUANG Jin， LI Jie， CHEN Biao*

（Institute of Agricultural Engineering and Technology， Fujian Academy of

Agricultural Sciences， Fuzhou， Fujian 350003）

Abstract： A new type of anaerobic fermentation device with HDPE antiseepage membrane was developed to solve the problems in high cost of biogas tank construction and low gas producing rate in the winter. The application results received from a largescale piggery in Putian City of Fujian Province showed that the anaerobic fermentation device with HDPE antiseepage membrane was convenient in construction， had strong adaptability and strong anaerobic digestion capability. The cost of project was about 1/10 of the same level of biogas digester， and it had a remarkable effect on the digestion and degradation of breeding wastewater and possessed good economic and environmental benefits.

Key words： HDPE impervious membrane； largescale piggery； breeding wastewater； gas production； gas producing rate

在厭氧條件下厭氧發(fā)酵裝置通過微生物的代謝活動消化降解大部分有機物并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣體，在養(yǎng)殖污水處理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)在厭氧消化工藝技術(shù)、型體結(jié)構(gòu)及主體材料、應(yīng)用效應(yīng)等方面做了大量的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新性研究[1-3]，推動了厭氧消化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，特別是在我國農(nóng)村能源建設(shè)和規(guī)模化養(yǎng)殖場大中型沼氣工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，為提供清潔能源和養(yǎng)殖污染物處理做出巨大貢獻。但是，厭氧消化環(huán)境條件要求高密封性、技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)性以及工藝運行的高效性和穩(wěn)定性，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新性應(yīng)用，針對厭氧發(fā)酵裝置建造基材及其相應(yīng)配套技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，已成為諸多專家學(xué)者和政府職能部門共同關(guān)注的熱點，以期突破厭氧消化技術(shù)應(yīng)用的高成本、低效應(yīng)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)短板。

但目前應(yīng)用的沼氣池、罐等厭氧裝置還有諸多缺點，如沼氣池建池成本高、浮渣易結(jié)殼導(dǎo)致原料利用率和產(chǎn)氣率低。為實現(xiàn)發(fā)酵裝置高效產(chǎn)氣，國內(nèi)外許多學(xué)者在攪拌系統(tǒng)和增溫系統(tǒng)方面開展了大量的研究工作[4-5]。呂建強等[6]設(shè)計了一種PJ-240型液殼破碎攪拌器，與沼氣池綜合服務(wù)車配套使用，對沼氣池日常使用中出現(xiàn)的浮渣結(jié)殼進行破碎，提高了沼氣池產(chǎn)氣量。李金平等[7]研究了環(huán)境溫度在-198～-100℃時，采用296 m2 的全玻璃真空管太陽能熱水器加熱3 m3軟體沼氣池的產(chǎn)氣性能，平均日產(chǎn)沼氣1380 m3，池容產(chǎn)氣率為046 m3·m-3·d-1，甲烷平均體積分數(shù)582%，系統(tǒng)可保證4～5 口農(nóng)戶的生活燃氣需求。然而，大部分的研究都是在小型試驗裝置上進行，個別中試研究造價不菲。為此，在課題組前期研究的基礎(chǔ)上[8]，研發(fā)一種新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置，并在福建莆田某規(guī)模化養(yǎng)豬場開展示范應(yīng)用，并跟蹤監(jiān)測其應(yīng)用效果。

1規(guī)模化養(yǎng)豬場及糞污水質(zhì)概況

福建莆田某規(guī)模化養(yǎng)豬場是一家國家生豬儲備基地，母豬存欄5000頭，生豬存欄50000頭。豬場實行雨污分流，采用干清糞+刮糞板的清糞工藝，糞污日排放量894 t，總固體502 t。

2新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置構(gòu)造

肖艷春等：新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置在規(guī)模化養(yǎng)豬場處理高濃度養(yǎng)殖污水中的應(yīng)用2018年第2期2018年第2期肖艷春等：新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置在規(guī)模化養(yǎng)豬場處理高濃度養(yǎng)殖污水中的應(yīng)用新型HDPE厭氧發(fā)酵裝置為本課題組的前期研究成果[9]（專利號：ZL 2016210744262）。該裝置以高密度聚乙烯膜（HDPE膜）為厭氧發(fā)酵裝置建造材料，充分保障了厭氧發(fā)酵裝置材料力學(xué)性能及密封性；在型體設(shè)計上采用橢球體結(jié)構(gòu)設(shè)計（a=Kb和c=b/K，所以V=4πb/3，參數(shù)K值的選擇結(jié)合建設(shè)場地條件按c≤5 m條件確定，橢球體長軸半徑a、短軸半徑b、Z軸軸向半徑c）；在進料管處設(shè)計90°叉形管形成雙向射流，實現(xiàn)厭氧裝置內(nèi)新舊料液的無動力均衡攪拌；在覆膜厭氧裝置內(nèi)設(shè)計螺旋式導(dǎo)熱管[10]，熱能來源于沼氣發(fā)電余熱[11]，實現(xiàn)養(yǎng)殖污水處理厭氧消化附產(chǎn)物的高值化循環(huán)利用。HDPE裝置構(gòu)造示意圖如圖1所示。

1：半橢球形凹坑；2：下覆膜；3：上覆膜；4：進料管；5：導(dǎo)氣管；6：覆土；7：導(dǎo)熱管；8：出料管；9：進料過渡井；10：出料過渡井

3新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用

31新型HDPE裝置設(shè)計規(guī)模

福建莆田某規(guī)模化養(yǎng)豬場豬場糞污日排放量894 t，以HRT=35 d計，依據(jù)厭氧消化反應(yīng)裝置的總有效容積計算公式：V=QT，式中V-厭氧反應(yīng)裝置的總有效容積（m3）、Q-設(shè)計處理量（m3·d-1）、T-設(shè)計水力停留期（d），設(shè)計新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置總有效容積為894 t·d-1×35 d=31290 m3，取K=40計算求得b=195、c=49、a=78。

32新型HDPE裝置選材

綜合建設(shè)要求、建設(shè)條件和建設(shè)所在地特點，選用由975%高密度聚乙烯及25%的炭黑組成的HDPE防滲膜，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較高的剛性和韌性，機械強度好，耐環(huán)境應(yīng)力開裂與耐撕裂強度性能好，具有優(yōu)秀的抗老化、抗紫外線、抗分解能力，可裸露使用，材料使用壽命達30～50年，為環(huán)境滲透提供很好的材料保證。

為穩(wěn)定養(yǎng)殖有機廢水的處理規(guī)模與水質(zhì)，并綜合考慮HDPE膜成本，下覆膜選用15 mm的HDPE防滲膜。上覆膜即在HDPE裝置頂面覆蓋一層HDPE膜漂浮在污水水面上，由于常年被太陽暴曬，必須含紫外線吸收劑等，因此，選擇20 mm HDPE防滲膜保證其使用壽命。

33新型HDPE裝置建設(shè)方案

HDPE裝置施工過程簡單，包括土方開挖、基礎(chǔ)夯實、集氣管鋪設(shè)、底膜及邊坡鋪設(shè)、頂膜鋪設(shè)和沼氣利用設(shè)施安裝等過程。

331土方開挖挖設(shè)78 m×20 m×5 m（取整數(shù)）的半橢球形凹坑，在離凹坑邊緣10 m挖設(shè)錨固溝，溝的深度和寬度分別為10 m，清理坑內(nèi)及溝內(nèi)硬物并均勻碾壓夯實，碾壓密度達到《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T231-98）的要求。

332管道鋪設(shè)沼氣池開挖后，根據(jù)現(xiàn)場實際狀況，開挖盲溝，鋪設(shè)進水管、出水管、排渣管等，排渣管底部緊貼底膜，進料管位于離底部2/3高度之橢圓長軸頂端處，出料管高出進料管20～30 mm。進料管端口安裝90°叉形管，叉形管的交叉點位于橢圓形長軸位置的1/16，叉形管的兩出料點連線中點位于橢圓形長軸的1/8位置。底膜內(nèi)側(cè)設(shè)計環(huán)形導(dǎo)熱管，呈倒錐形彈簧布置，其進端位于下部，導(dǎo)熱管的出端位于上部，導(dǎo)熱管的進、出端錯位180°。

333HDPE膜鋪設(shè)采用15 mm厚度的HDPE防滲膜進行底部防滲，膜與膜之間接縫的搭接寬度不小于100 mm，使接縫排列方向平行于最大跛腳線，即沿坡度方向排列。HDPE膜焊接多使用楔焊機和擠壓熔焊機。接縫寬度范圍內(nèi)有兩道焊縫（雙保險），每道焊縫寬度不小于10 mm，焊縫處HDPE防滲膜熔接為一個整體，不得出現(xiàn)虛焊、漏焊或過焊。避免邊坡膜面“起鼓”或“懸空”。沼氣池基礎(chǔ)設(shè)施、管道鋪設(shè)、底膜鋪設(shè)都完成后，采用20 mm厚度的HDPE膜進行整體焊接覆蓋頂部。HDPE底膜鋪設(shè)后，素土填20 cm厚，待鋪頂膜后，錨固溝用素土填平夯實。

34新型HDPE裝置建設(shè)成本概算

豬場常年存欄規(guī)模為母豬5000頭、生豬50000頭。經(jīng)核算，建設(shè)31290 m3 HDPE厭氧發(fā)酵裝置的總投資為190萬元。其中，挖土方、焊接及工人工資等建筑工程費為135萬元；根據(jù)橢球體表面積公式S=4/3π（ab+bc+ac） 及10%余量（錨固、搭接及漏補焊部分），HDPE裝置所需的15 mm HDPE膜為35元·m-2、20 mm HDPE膜為40元·m-2，加上PE管、PVC管的少量費用，建筑材料費為55萬元。HDPE厭氧發(fā)酵裝置整體工程造價約為60元·m-3，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土沼氣池的建造成本1200元·m-3相比，節(jié)約建造成本3650萬元；與陳賀亮等[12]計算的沼氣池整體工程造價149元·m-3相比，節(jié)約建造成本2785萬元。

4運行效果與經(jīng)濟效益分析

41水質(zhì)檢測結(jié)果

HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置運行效果較穩(wěn)定，在2017 年1月至12 月期間對該HDPE發(fā)酵裝置進出口多次采樣檢測，主要污水指標參數(shù)CODCr 、BOD5 、SS、大腸桿菌和蛔蟲卵見表1所示。糞便污水經(jīng)過HDPE裝置后，CODCr 、BOD5去除率分別達到839%、852%，懸浮物指標SS 去除率達到856%，大腸桿菌和蛔蟲卵去除率分別達到923%和947%。說明在厭氧發(fā)酵中HDPE裝置運行效果較好，也說明厭氧發(fā)酵是污水處理中的重要環(huán)節(jié)。

2017 年1月至12 月期間，HDPE裝置發(fā)酵溫度、CODcr和容積產(chǎn)氣率隨時間變化情況運行效果如圖2、3所示。全年沼氣池平均進料CODcr 67992 mg·L-1，全年沼氣池平均出料CODcr 10992 mg·L-1，CODcr去除率839 %；全年沼氣發(fā)酵溫度平均35℃，沼氣容積產(chǎn)氣率為079 m3·m-3·d-1，比官雪芳等[13]設(shè)計的聯(lián)動沼氣池發(fā)酵工藝沼氣容積產(chǎn)氣率（075 m3·m-3·d-1）提高了53%，這與新型HDPE厭氧裝置的設(shè)計與HDPE防滲膜材料緊密相關(guān)，HDPE厭氧裝置的優(yōu)點主要體現(xiàn)在中溫動態(tài)發(fā)酵，由此提高了容積產(chǎn)氣率。

43全年產(chǎn)氣能力及經(jīng)濟效益分析

該HDPE裝置恒溫產(chǎn)氣系統(tǒng)可全年穩(wěn)定連續(xù)運行，容積產(chǎn)氣率為079 m3·m-3·d-1，31290 m3HDPE厭氧發(fā)酵裝置全年累計產(chǎn)氣9022萬m3；以1 m3發(fā)15度電，及每度電上網(wǎng)電價07元計，則年發(fā)電收益為812萬元，扣除建設(shè)成本190萬元，年盈利622萬元，具有顯著的經(jīng)濟效益。

5討論與結(jié)論

在莆田市氣候條件下，新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)設(shè)置熱交換系統(tǒng)，利用發(fā)電機產(chǎn)生的余熱對HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置進行加熱，并在進料管處設(shè)計90°叉形管，系統(tǒng)實現(xiàn)了35℃恒溫動態(tài)厭氧發(fā)酵，提高了HDPE裝置冬季的產(chǎn)氣效果。通過對HDPE厭氧裝置實際運行12個月情況的測試，結(jié)果表明：HDPE厭氧發(fā)酵裝置全年沼氣發(fā)酵溫度平均35℃，平均池容產(chǎn)氣率為079 m3·m-3·d-1，比常規(guī)傳統(tǒng)沼氣池最高的03 m3·m-3·d-1提高了163%，CODCr 、BOD5去除率、懸浮物指標SS去除率分別達到839%、852%、856%，大腸桿菌和蛔蟲卵去除率分別達到923%和947%。這是由于厭氧裝置內(nèi)設(shè)計了新舊料液無動力均衡攪拌和恒溫裝置，在恒溫狀態(tài)下保證充分攪動了該裝置中的厭氧菌，增加了甲烷菌和發(fā)酵原料的分布均勻度及接觸概率，保證沼氣池內(nèi)發(fā)酵溫度的均一穩(wěn)定，提高甲烷菌活動能力和繁殖能力，加快發(fā)酵原料中有機質(zhì)的分解速度以及甲烷氣體從液體中分離的速度，從而提高沼氣池產(chǎn)氣率；同時也有利于進一步提高厭氧產(chǎn)氣效率和出水水質(zhì)，并實現(xiàn)了養(yǎng)殖污水處理厭氧消化附產(chǎn)物的高值化循環(huán)利用。

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