濃稀分流-重點增溫模式在豬糞沼氣工程中的應用

譚婧 宋波

摘要 以河北裕豐京安養殖有限公司2 MW沼氣發電項目為例，介紹了濃稀分流-重點增溫厭氧發酵工藝在低濃度豬糞污沼氣工程中的應用，并對運行數據進行連續3個月的監測和分析。運行數據表明，采用濃稀分流-重點增溫厭氧發酵工藝，豬糞原料（TS濃度1.8%）的產氣率可達10.8 m.3/t;與傳統發酵模式相比，容積產氣率提升了50%，同時節省了41%的增溫能耗。項目運行情況表明，濃稀分流-重點增溫厭氧發酵工藝可以有效改善低濃度豬糞污水厭氧發酵項目的運行效率和經濟效益。

關鍵詞 濃稀分流;重點增溫;豬糞;沼氣工程

中圖分類號 S216.4 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）05-0211-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.059

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Taking Hebei Yufeng Jingan 2 MW power generation biogas project as an example， this paper introduced the application of gravitational settlingselective heating （GSSH） anaerobic digestion （AD） process in biogas engineering. The operating parameters were detected and analyzed， including COD concentration， total solid （TS） content， biogas production rate， etc. The analysis showed that the biogas production rate of the swine slurry （TS concentration 1.8%） could reach 10.8 m.3/t. Compared with the traditional digestion process， the GSSH mode herein could increase 50% of the digester volume biogas yield， and save 41% heat demanding of anaerobic digestion. It was demonstrated that the GSSH AD process could effectively improve the operation efficiency and economic benefit of large scale swine slurry treatment biogas projects.

Key words Gravitational settling;Selective heating;Swine manure;Biogas project

目前，我國規模化養豬場主要清糞工藝有干清糞、水沖糞和水泡糞3種[1-2]。其中，水沖糞是每天數次用水沖洗糞溝，糞水順著糞溝流入儲糞池;水泡糞則是在糞溝內注入一定量的水，糞尿污水進入糞溝并在其中儲存一定時間（1—2月）[3]。我國南方地區大多采用水沖糞清糞方式，北方地區多采用水泡糞方式，這2種清糞方式用水量大，糞尿與污水混在一起，糞便中的大部分可溶性有機物進入水體，使得廢水COD濃度偏高，增加了后續污水處理難度，導致污水處理工程投資大、處理成本高（表1）。

目前國內規模化養豬場污水處理大多采用厭氧發酵的方式[4]，但由于水泡糞和水沖糞水量多、TS濃度低，厭氧發酵存在增溫能耗大、容積產氣率低、工程投資大、冬季運行困難等問題，沼氣工程無法實現常年穩定運行，厭氧出水也很難達標排放，從而給養殖企業造成一定的經濟、環保壓力[5]。筆者以河北裕豐京安養殖有限公司2 MW沼氣發電項目為案例，介紹了濃稀分流-重點增溫厭氧發酵工藝在處理養豬場水泡糞和水沖糞沼氣工程中的應用，并對項目穩定運行的數據進行監測和分析，以期對同類養豬場沼氣工程提供借鑒和參考。

1 項目簡介

河北裕豐京安養殖有限公司年出欄20萬頭豬，存欄量約9.5萬頭，采用水泡糞及水沖糞清糞工藝，日產豬糞污約2 500 m.3/d，TS 1.8%，COD約21 328 mg/L。公司于2013年投資建成2 MW沼氣發電項目（圖1），采用杭州能源環境工程有限公司的基于濃稀分流-重點增溫的高效厭氧發酵技術處理養殖所產糞污，項目達產后每年處理約90萬t豬糞污。

2 濃稀分流-重點增溫厭氧發酵模式工藝

項目采用濃稀分流-重點增溫厭氧發酵模式，即在厭氧發酵前對糞污先進行濃稀分離，濃液和稀液分別發酵，發電機余熱重點用于濃液發酵罐增溫，剩余的熱量用于稀液發酵罐增溫。具體工藝流程圖如圖2所示。

豬場污水首先經過機械格柵去除雜質，然后進入初沉池物理沉淀1 h。初沉池下層濃液進入2座單體有效容積5 000 m.3的中溫厭氧罐進行中溫發酵，厭氧停留時間16 d;中溫發酵后的沼續進入2座單體有效容積5 000 m.3的常溫發酵罐與初沉池的上層稀液一起發酵，從而使得中溫發酵沼液所帶熱量得到進一步利用，常溫厭氧罐內停留時間為4 d。常溫厭氧發酵出料進入二沉池，沉淀污泥回流至中溫發酵罐前的進料池以保證中溫厭氧罐內的污泥濃度，二沉池的上清液進入沼肥生產線用于制造有機肥。厭氧罐發酵產生的沼氣經脫硫凈化后進入沼氣發電機組進行熱電聯產，所產電能并網，發電機組所產生的余熱優先用于濃液中溫發酵增溫，剩余熱量用于常溫罐增溫。

3 項目運行數據監測分析

3.1 測定項目及方法

3.1.1 COD。進料COD每天在調節池采集2次水樣，出料COD每天在常溫罐沼液出口處采集2次水樣，采用標準重鉻酸鉀法測定。

3.1.2 TS。進料TS每天在調節池、中間水池、進料池采集2次水樣，出料TS每天在常溫罐沼液出口處采集2次水樣。水樣在105 ℃條件下烘干至恒重，根據烘干前后的質量計算TS濃度。

3.1.3 原料產氣率。采用在線安裝的恩德斯·豪斯流量儀表技術（中國）有限公司（簡稱E+H）生產的B200型沼氣流量計監測沼氣產量。

3.2 濃稀分流數據監測

糞污在進入厭氧之前先在初沉池進行初步沉淀，設計沉淀時間2～3 h。由于養殖場清糞用水量變化較大，監測期內進水水質波動較大。調節池、中間水池及進料池的TS濃度分別如圖3所示。沉淀池的上層清液進入中間水池，平均TS濃度為1.24%，沉淀池下層濃液進入進料池，平均TS濃度為3.52%。楊迪[6]研究表明，隨著濃液所占比例的增加，污染物在濃液中的比例可能增加，在稀液中的比例相應減少。

3.3 厭氧階段TS和COD的去除效果

由于未對發酵罐內的TS濃度及COD濃度進行連續監測，僅以厭氧進出料的TS濃度及COD濃度分析厭氧階段的降解效率，如圖4、5所示。

由于養殖場清糞用水量變化較大，監測期內進水水質波動較大。厭氧進料平均TS濃度為1.8%，出料TS濃度為0.8%，TS總體降解率約54%（圖4）。

同時，厭氧發酵進料平均COD濃度為21.328 g/L，出料COD濃度6.345 g/L，平均COD去除率約70%（圖5），這與丁福貴等[7]報道實驗室測得的豬糞污連續厭氧發酵COD去除效率基本一致。

3.4 原料產氣情況

由于進料水質的波動，原料產氣率存在一定程度的波動，平均每噸豬糞污（TS濃度1.8%）的產氣量約10.8 m.3（圖6），遠高于傳統厭氧工藝4.84 m.3/t[8]。根據報道，原料單位COD的理論產氣率為0.35 m.3（CH4）/kg COD[9]。該項目所產沼氣中甲烷平均濃度約60%，即每降解1 kg COD理論上可產生0.58 m.3沼氣。由圖5可以看出，每噸原料厭氧過程中降解的COD量約為15.0 kg，即理論COD產氣量約為8.7 m.3/t，而實際原料產氣率（10.8 m.3/t）高于理論值，可能來自未溶解的VS的產氣貢獻。

4 濃稀分流-重點增溫厭氧發酵模式的優勢

4.1 濃稀分流，節省厭氧罐容積，提高容積產氣率

該項目采用濃稀分流-重點增溫厭氧發酵模式，設計處理豬糞污量2 500 t/d，TS濃度1.8%，厭氧總有效罐容20 000 m.3，通過濃稀分流，濃液中溫發酵停留時間16 d，中溫發酵出料繼續在常溫罐內停留4 d，即濃液的實際總停留時間為20 d，確保濃液充分發酵，提高產氣效率。稀液停留時間4 d。厭氧系統平均容積產氣率可達1.35 m.3/（m.3·d）。

由杭州能源環境工程有限公司設計建設的同類項目中糧集團江蘇金東臺大型豬糞沼氣工程，采用傳統厭氧發酵工藝，設計進料為1 284 t/d豬糞污，TS濃度為5.5%，厭氧罐有效容積20 000 m.3，停留時間16 d[10]。實際運行過程中，由于養豬場用水量不穩定，水量及水質隨季節變化較大，年均日產氣量約17 000 m.3，容積產氣率僅0.85 m.3/（m.3·d）。

綜上所述，與傳統厭氧模式相比，通過濃稀分流-重點增溫厭氧發酵模式可顯著提升容積產氣率，減少厭氧罐容積，從而使得項目運行成本降低，運行效率得到提高。

4.2 重點增溫，保證濃液發酵溫度，降低增溫能耗

該項目冬季物料原始平均溫度按1 ℃計算，年均物料原始溫度按12 ℃計算，增溫換熱效率按70%估算，物料比熱容按水的比熱容4.2 kJ/（kg·℃）估算，厭氧罐體年均散熱系數按0.16 ℃/（m.3·d）估算。增溫熱源來自發電機余熱及當地地熱。

4.2.1 傳統厭氧方式增溫所需能耗。

若采用傳統的厭氧方式，即全部物料2 500 t/d增溫至35 ℃進行中溫發酵，需利用發電機余熱及地熱對中溫發酵罐進行增溫，增溫需要熱量3.45×10.8 kJ/d，保溫需要熱量3.9×10.7 kJ/d，增溫保溫所需能耗合計3.84×10.8 kJ/d。

4.2.2 濃稀分流-重點增溫厭氧方式增溫所需能耗。

采用濃稀分流-重點增溫厭氧模式，將625 t/d的濃液增溫至35 ℃進行中溫發酵，剩余糞污維持25 ℃常溫發酵。中溫發酵物料增溫需要熱量8.6×10.7 kJ/d，保溫需要熱量9.8×10.6 kJ/d，增溫保溫所需能耗共計9.6×10.7 kJ/d，僅發電機余熱即可滿足于要求。中溫發酵出料（35 ℃）進入常溫罐繼續發酵，可同時與稀液進行熱量傳遞，實現熱量梯級利用，濃稀液混合后物料年均溫度17.6 ℃，冬季僅9.3 ℃。為了進行常溫發酵，除了夏季外，需利用發電機余熱和當地地熱熱源對常溫發酵罐進行增溫，增溫至常溫25 ℃發酵所需熱量為1.10×10.8 kJ/d，保溫需要熱量9.8×10.6 kJ/d，增溫保溫所需能耗共計1.20×10.8 kJ/d。采用濃稀分流-重點增溫厭氧模式，增溫保溫所需能耗合計2.16×10.8 kJ/d。

由表2可知，相較于傳統厭氧模式，采用濃稀分流-重點增溫厭氧模式可以節省約40%以上的能耗，能有效改善整個項目的運行效率及經濟效益。

5 結論

（1）采用濃稀分流-重點增溫厭氧模式處理TS濃度為1.8%左右的豬糞污水，可節省罐容，原料平均產氣率達10.8 m.3/t，COD去除率達70%以上，TS降解率達54%，容積產氣率可達1.35 m.3/（m.3·d）。

（2）相較于傳統厭氧發酵工藝，濃稀分流-重點增溫厭氧模式的CSTR工藝在提升容積產氣率的同時，還可節省約41%的增溫保溫能耗;

（3）濃稀分流-重點增溫厭氧模式的CSTR工藝適用于處理水泡糞或水沖糞清糞工藝所產低濃度豬糞污水，可以在降低工程投資的同時，有效地改善整個項目的運行效率和經濟效益。

參考文獻

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