生豬養殖廢水厭氧處理最適運行溫度估算

馬玉新， 趙文軍， 賈學斌， 馬維超， 陶 冉

（1.黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱150080；2.黑龍江大學 黑龍江省村鎮飲水安全工程技術研究中心，哈爾濱150080）

0 引 言

近年來，在國家政策引導下，黑龍江省禽畜養殖業發展迅速［1-3］。畜禽養殖會產生大量的糞污，成為主要的污染源之一，如處理不當會引發環境污染［4-6］。厭氧發酵是禽畜養殖廢水處理的一個重要工藝單元［7-9］。厭氧處理受多種環境因素的影響，其中溫度是影響沼氣發酵的重要因素［10-12］。溫度波動同樣會影響厭氧發酵過程中微生物菌群的活性，從而對產氣效率產生影響［13］。而黑龍江省冬季漫長寒冷，氣溫較低，反應體系內外溫差大，在無增溫措施時其溫度會降低或溫度波動過大，造成沼氣產量低，甚至無法維持發酵系統本身的運行［14-15］。沼氣工程多采用熱源來提供系統維持溫度穩定需要的能量［16-17］。根據能量平衡估算，當發酵溫度為35℃時，物料加熱的耗能占總能耗的90%以上，發酵溫度每提高1℃，則用于物料加熱的能耗和反應器通過熱輻射損失的能量就要增加4%左右［18-19］。為了降低系統冬季運行的費用，同時保證其在冬季運行的穩定性，可適當地降低發酵溫度。目前，該方面計算和研究較少。因此，本文以運行溫度為出發點，兼顧能量獲取和環境保護兩個方面，以生豬養殖廢水作為處理物質，利用黑龍江省近5年的日平均氣溫數據來計算沼氣工程的產能和耗能情況，從而得到黑龍江省沼氣工程在最大原料產氣率和最大容積產氣率兩種運行模式下的最適運行溫度，為已建的禽畜養殖廢水厭氧反應器運行的節能增效提供技術和計算方法支持。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文分析采用的生豬養殖糞水的厭氧處理運行工藝參數如表1所示［20］。以黑龍江省哈爾濱市雙城區某沼氣工程的一次厭氧反應器為例進行能量平衡估算，厭氧反應器的材質為6 mm的不銹鋼板，尺寸如圖1所示。每日進水量和濃度根據最大容積產氣率和最大原料產氣率所對應的工藝條件進行計算。

表1 生豬養殖廢水厭氧發酵運行數據[20]Table 1 Anaerobic experimental data of swine slurry[20]

1.2 最適運行溫度計算

1.2.1 產能計算

厭氧反應每年總產能E為［19，21］：

式中：E為年總產能，kJ·a-1；TS為料液總固體含量，%；Win為每日進料量，t·d-1；q為原料產氣率，m3·（kg·TS）-1；e為沼氣熱值，kJ·m-3，本文取21 000 kJ·m-3。

1.2.2 耗能計算

在沼氣工程實際運行過程中，其耗能主要為反應器主體散熱、管道散熱、出料帶走的熱量、氣體帶走的能量、物料加熱的耗能以及攪拌等的能耗，其中沼氣帶走的能量及攪拌等的能耗可以忽略不計［15，22］。

（1）每天加熱物料所需的熱量為：

式中：Q1為用于加熱物料的能量，kJ·a-1；Win為每日進料量，t·d-1；C為厭氧發酵液的比熱容，kJ·（kg·K）-1，本文取4.2 kJ·（kg·K）-1；T為厭氧發酵溫度，℃；Ts為環境溫度，℃，如Ts≤0℃時，令Ts=0［21］。

（2）散熱

厭氧反應器的散熱損失為［18，20］：

圖1 厭氧反應器示意圖Fig.1 Diagram of anaerobic reactor

式中：Q2為厭氧反應器的散熱量，kJ·a-1；S為厭氧反應器頂、壁和底的散熱面積，m2；T為厭氧反應器運行溫度，℃；Ts為環境溫度，℃；K為厭氧反應器頂、壁和底部的傳熱系數，kJ·（m2·h·℃）-1，其計算公式為：

式中：K為厭氧反應器頂、壁和底的傳熱系數，kJ·（m2·h·℃）-1；α1為厭氧反應器內表面傳熱系數，kJ·（m2·h·℃）-1，污泥和沼氣傳到不銹鋼罐壁導熱系數分別為1 256和31.4 kJ·（m2·h·℃）-1；α2為厭氧反應器外表面傳熱系數，kJ·（m2·h·℃）-1，罐外壁到空氣和土壤的導熱系數分別為23和4.2 kJ·（m2·h·℃）-1；σ為厭氧反應器各部分結構層和保溫層厚度，m；λ為厭氧反應器各部分結構層和保溫層導熱系數，kJ·（m2·h·℃）-1，本計算設定保溫層厚度為0，反應器材質為不銹鋼，厚度為6 mm，導熱系數為58 W·（m·K）-1。

將E/Q值最大對應的溫度定義為最適運行溫度。

2 結果與討論

2.1 以原料產氣率計算

2.1.1 基于最大原料產氣率的產能和耗能計算

在原料產氣率較高時，COD的去除率也相應較高，廢水處理程度提高。因此，從環境保護角度出發，以最大原料產氣率及相應的有機負荷計算最適經濟溫度，此條件下的COD去除率較高。根據表1中的最大原料產氣率的實驗結果［20］擬合得到產能E、加熱所需要能量Q1和散熱Q2與發酵溫度T的關系分別符合公式：E=1.07×107T2-2.132×108T+9.52×108（R2=0.97）、Q1=2.32×107T2-5.85×108T+3.84×109（R2=0.997）和Q2=1×106T2+3×107T+4×108（R2=0.999），如圖2所示。這三個公式均經過ANOVA檢驗，其Prob＞F分別為0.004 33、0.000 09和0.000 004。因此，其可以表示產能E、加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與發酵溫度T之間的變化關系。

2.1.2 最適溫度的計算

E/Q～T的關系如圖3所示，可以看出，E/Q的變化可以分為3個階段：在10℃～20℃，E/Q隨厭氧發酵溫度的增加呈線性增加的趨勢，且增長速度緩慢；當溫度從20℃升高到25℃，E/Q迅速升高；在25℃～35℃，E/Q呈先降低后增加的趨勢。因此，以最大原料產氣率計算，在10、15、20、25、30和35℃這6個發酵溫度中，25℃是最適宜的發酵溫度。當厭氧發酵溫度為25℃時，有機負荷為4.0 g TS·（L·d）-1時，生豬養殖廢水的COD的去除率可達到87.0%，兼顧了產能和污水處理效果［20］。

圖2 E～T、Q1～T和Q2～T曲線Fig.2 Curves of E～T，Q1～T and Q2～T

圖3 E/Q～T曲線Fig.3 Curve of E/Q～T

2.2 基于最大容積產氣率的最適經濟溫度計算

2.2.1 基于最大容積產氣率的產能和耗能計算

如果利用沼氣工程處理生豬養殖廢水主要是為了最大化的獲取能量，那么最適經濟運行溫度應采用最大容積產氣率進行計算。根據表1中的最大容積產氣率的實驗結果［20］擬合得到產能E、加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與溫度T的關系分別符合公式：E=4×107T2-6×108T+2×109（R2=0.990）、Q1=4×107T2-8×108T+4×109（R2=0.999）和Q2=1×106T2+3×107T+4×108（R2=0.999），如圖4所示。這三個公式均經過ANOVA檢驗，其Prob＞F分別為0.000 96、0.000 038 3和0.000 004。因此，其可以表示產能E、加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與溫度之間的變化關系。

Q1/Q隨溫度的變化如圖5所示。由圖可知，當沼氣工程無論是按照最大容積產氣率還是原料最大產氣率運行時，加熱物料所需的熱能均隨著發酵溫度的升高而增加，按最大容積產氣率運行時的Q1/Q比按原料最大產氣率運行時的Q1/Q約高30%。例如在25℃時，沼氣工程以最大容積產氣率和最大原料產氣率運行時，Q1/Q的值分別為85.7%和67.0%，增加了27.9%。究其原因是由于最大原料產氣率和最大容積產氣率兩種模式下沼氣工程運行的有機負荷不同，最大容積產氣率模式沼氣工程的有機負荷相對較高。文獻［20］采用進料VS不變、改變進料體積（不同停留時間）來改變有機負荷。最大原料產氣率模式對應的有機負荷為4.0 g TS·（L·d）-1，水力停留時間（HRT）為2.5 d，而最大容積產氣率模式對應的有機負荷為6.0 g TS·（L·d）-1，水力停留時間為1.7 d。因此，最大容積產氣率模式，由于料液停留時間短，加入的料液量較最大原料產氣率模式多了1/3，故所需要的加熱能量也相應增加了約30%。

圖4 E～T、Q1～T和Q2～T曲線Fig.4 Curves of E～T，Q1～T and Q2～T

圖5 Q1/Q隨溫度的變化Fig.5 Curves of Q1/Q～T

2.2.2 最適溫度的計算

圖6 E/Q～T曲線Fig.6 Curve of E/Q～T

以最大容積產氣率為沼氣工程的運行條件時，其E/Q～T的關系如圖6所示。可以看出，E/Q呈隨厭氧發酵溫度先增高后降低，然后再升高的趨勢。當溫度從10℃升高到25℃，E/Q迅速升高；在25～30℃，E/Q呈降低趨勢；30℃之后，E/Q又開始升高。因此，以最大容積產氣率計算，在10、15、20、25、30和35℃這6個發酵溫度中，25℃最為適宜。當厭氧發酵溫度為25℃，有機負荷為6.0 g TS·L-1，水力停留時間1.7 d時，生豬養殖廢水的COD的去除率可達50.9%以上，但產能是最大原料產氣率的4倍。

當有機負荷和水力停留時間相同時，沼氣工程運行溫度為25℃和30℃的能量值如表4所示。由表可知，當其他操作條件相同時，發酵溫度越高，產能與耗能之間的差值越大。兩種運行模式下，沼氣工程運行溫度由25℃升高到30℃，其產能增加約6.0%，但能量需求增加30%左右。因此，提高發酵溫度意味著需要投入更多的資金來維持沼氣工程的穩定運行。目前，黑龍江省已經建設的沼氣工程有10多萬處，大部分發酵溫度在30℃左右。如果現有的沼氣工程按照最適經濟溫度運行，那么耗能可下降20%，而產能僅下降6%左右。因此，冬季可節省大量的運行成本。

表4 產能、耗能計算表Table 4 Value of E and Q under 30℃and 25℃

3 結 論

利用生豬養殖廢水半連續厭氧發酵實驗數據，根據黑龍江省近五年的逐日平均氣溫數據，計算了黑龍江省沼氣工程的最適經濟運行溫度，結果如下：

（1）在10℃～35℃，黑龍江省的沼氣工程的最適經濟運行溫度為25℃。

（2）在按最大容積產氣率計算得到的最適經濟溫度及相應的工藝條件下，生豬養殖廢水COD的去除率可達到50.9%以上，但產能是最大原料產氣率的4倍；在按最大原料產氣率計算得到的最適經濟溫度及相應的工藝條件下，生豬養殖廢水COD的去除率可達到87%以上，兼顧了產能和污水處理效果。

（3）沼氣工程運行溫度由30℃下降到25℃，耗能可下降約20%，而產能僅下降6%左右，達到了節能增效的目的。