頂返式厭氧反應沼氣池容產氣率的測定試驗①

原瑞芬 李斌 陳勇紅 張如松 陳志浪

（1莆田市農業環保能源站福建莆田351100；2福建省農業生態環境與能源技術推廣總站福建福州350003；3仙游縣農業農村局能源站福建莆田351200）

我國水污染源46%來自農村，而養殖業排放的高濃度有機廢水是其中重要污染源。目前，我國處理養豬場污水普遍采用推流式或全混合式沼氣池厭氧處理，這類沼氣池主要存在3大問題：一是厭氧消化效率低，容積有機負荷低；COD去除率低（50%～60%）；二是沼氣池容積大、施工周期長；三是厭氧出水沼液中含有大量厭氧污泥，出水COD高（3 000～4 000 mg/L）。因此，有必要自主研發了一種處理效率高、厭氧出水水質好的頂返式厭氧反應器沼氣池。

頂返式厭氧反應器是CSTR反應器的改進版，適用于消化高濃度有機養殖污水的高效反應器。應用薄殼結構和CSTR反應器基本結構和工藝原理，進行了兩大方面的技術改進：一是在反應器的頂部增設了發酵液回流循環槽，用于替代儲氣柜儲存沼氣，當產氣時，沼液被壓入頂返槽內，形成了池內外的水位差，即產生了供氣壓力；二是在反應器正上方的中間位置，增設水封式懸空吊管，用作攪拌、增溫等設備安裝、維護和維修的通道。

以福建規模養豬場推廣應用該頂返式厭氧反應器為試驗依據，通過測定COD去除率，系統研究頂返式厭氧反應器池容產氣率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點為福建省億生農業開發有限公司養豬場，以豬場養殖污水為研究對象，新建1 800 m3頂返式沼氣池（4×450 m3）。

1.2 試驗設計

經統計，養豬場存欄生豬約6 000頭（平均毛重50 kg/頭）；試驗采用水沖糞（水泡糞）和干清糞工藝及固液分離設施2種進料方式，每2個月測定1次沼氣池進水COD、出水COD，通過COD去除率計算池容產氣率，每種進料方式連續測定6次。

2 結果與分析

2.1 水沖糞（水泡糞）方式

以養豬場常年存欄約6 000頭的全部豬糞尿進入沼氣發酵系統，日鮮糞量約12 t、日尿量21 t；按豬糞、尿干物質（TS）含量分別為18%、0.4%計，日豬糞、尿（TS）總量約2.244 t（其中豬糞和豬尿TS分別為2.16、0.084t）；考慮2%干物質損耗率，每天若投TS 2199.12 kg，產沼率為0.28～0.32 m3/kg TS，取值0.30 m3/kg TS，理論上可產沼氣659.74 m3，頂返式厭氧反應器的池容產氣率為0.37 m3/m3·d。

表1 水沖糞方式的頂返式厭氧反應器COD去除率

根據《規模化畜禽養殖場沼氣工程設計規范》《沼氣生產利用技術》，沼氣的產氣率與滯留期、TS等因素有關，為較準確測算沼氣產量，采用CODCr去除對應沼氣產氣量的指標。CODCr產氣率一般為0.4 m3/kg CODCr，結合厭氧消化池設計參數，每天沼氣產量不小于428.56 m3，頂返式厭氧反應器的池容產氣率大于0.24 m3/m3·d。

2.2 采用干清糞工藝及固液分離設施

考慮60%干物質損耗率（采用干清糞工藝及固液分離），每天若投TS 897.6 kg，產沼率0.28～0.32 m3/kg TS，取0.30m3/kg TS，理論上可產沼氣269.28 m3，頂返式厭氧反應器的池容產氣率為0.15 m3/m3·d。

表2 干清糞工藝頂返式厭氧反應器的COD去除率

與2.1同理，采用干清糞工藝及固液分離設施每天沼氣產量≥213.88 m3，頂返式厭氧反應器的池容產氣率＞0.12m3/m3·d。

3 結論

沖欄污水CODCr濃度高達13 437～15 215 mg/L，經干清糞工藝及固液分離后，濃度降為6 521～7 628 mg/L，經頂返式厭氧反應器厭氧消化后，水沖糞（水泡糞）方式的出水平均濃度為2 824.67 mg/L，CODCr去除率達80.24%；采用干清糞工藝及固液分離設施的出水平均濃度為1 522.33 mg/L，CODCr去除率達79.12%。由此可見，頂返式厭氧反應器比傳統推流式或全混合式的沼氣池CODCr去除率（50%～60%）均高出20%～30%。

采用水沖糞（水泡糞）方式測得頂返式厭氧反應器的池容產氣率為0.37 m3/m3·d，比傳統沼氣池容產氣率高54.17%；采用干清糞工藝及固液分離設施測得頂返式厭氧反應器的池容產氣率為0.15m3/m3·d，比傳統沼氣池容產氣率高4.76%。