養牛場沼氣熱電聯產工程設計及啟動性能研究

摘 要：本研究旨在為規模化養牛場糞污處理選擇最合理的工藝，通過對不同處理技術的比較和篩選，設計了沼氣熱電聯產工程，并深入研究了其啟動過程及運行性能。研究結果顯示，熱電聯產技術不僅確保了沼氣發電的并網供電，還通過發電機缸套水和煙氣余熱的回收利用，取得了顯著的經濟收益和示范效應。基于這些成效，該工程的運行模式顯示出廣闊的推廣潛力，對我國環保產業的發展具有重要的參考價值。

關鍵詞：養牛場；沼氣；熱電聯產；啟動性能

近年來，隨著人們對高品質乳制品和肉類需求量不斷增加，帶動了我國規模化畜禽養殖業的發展，逐步成為農村經濟的重要支柱[1]。規模化養殖集中度高，產生的糞污量也大，帶來的環境壓力隨之增加，畜禽糞污已成為農村地區主要的污染來源[2]。探討和推廣高效的畜禽糞污資源化利用技術成為當前研究的重要課題。

厭氧發酵利用厭氧微生物將糞污中的有機質轉化為沼氣、沼渣和沼液。沼氣通過沼氣發電機組產生電能和熱能，電能通過并網供給企業和居民生產生活使用，余熱可以為厭氧發酵罐提供熱量或烘干沼渣使用；沼渣可以作為生產有機肥的原料或者通過發電機煙氣余熱烘干作為牛床墊料；沼液可以生產沼液肥。在資源利用方面，實現了糞污資源的循環利用。

沼氣熱電聯產始于20世紀70年代初，最早在歐美國家得到推廣和應用，如美國的能源農場、荷蘭的綠色新能源、德國的可再生能源促進法等。生物質能發電并網在歐洲（如德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等一些國家）的能源總量中所占的比例為10%左右，并一直在持續增加。德國沼氣工程的發展在世界上處于領先地位，其中98%的沼氣工程實現了發電并網。

相比之下，我國沼氣發電工程起步較晚，與先進國家相比仍存在差距。在推廣沼氣發電機組實施發電并網方面還存在兩點問題：一是規模化沼氣發電工程投資大而且經濟效益相對較低等特點，造成投資建設困難及投資回收周期長等問題；二是由于工藝技術方面的問題，與火電相比，沼氣發電成本遠高于火力發電。因此，沼氣發電并沒有太大的市場，對沼氣發電工程的投資資本也很少。近年來，我國相繼出臺了一些政策、規范和標準來鼓勵沼氣工程的發展，包括沼氣工程的建設補貼、原料補貼、發電補貼等 。政府要出臺更加合理的政策引導熱電聯產市場步入正軌，還需政府加大財政補貼來支持沼氣工程發展建設。

本文選取河北省某縣的一個規模化奶牛養殖場作為案例，詳細介紹了該項目的設計、啟動及運行性能研究。通過沼氣熱電聯產，該項目將發電機煙氣余熱用于烘干沼渣，后者被用作牛床墊料；沼液則被排放至氧化塘，用于灌溉附近萬畝青貯飼料種植基地，從而實現了種植與養殖相結合、生態循環的經營模式。

1 建設規模

本養殖場存欄奶牛量約13 000頭，其中泌乳牛6 900頭，每年排放糞污約50萬噸。設計規模：3座6 500 m3CSTR厭氧反應罐，年產沼氣800萬m3，年發電量1 500萬kWh，年產沼渣墊料4.38萬噸，年產沼液44.47萬噸。

2 工藝流程及工程設計

2.1 工藝流程選擇

對于特大型沼氣工程的建設，選擇合適的厭氧發酵技術是項目成功運行的關鍵。牧場通過刮糞板將糞便和尿液刮到集糞池，經糞溝溢流到接收池。物料TS濃度為4%～6.5%，故排除USR、UASB工藝；因HCPF（塞流式）工藝具有占地面積大、溫度難以控制、易產生浮渣等問題所以排除；干發酵適合物料TS濃度為20%～35%。因此，本項目最終選擇完全混合式（CSTR）厭氧發酵技術。CSTR反應器在發酵罐頂部安裝攪拌裝置，使物料與微生物充分混合均勻，提高產氣效率。CSTR還具有溫度易控制且分布均勻、進出料方便、產氣效率高等優點。因此，我國大型沼氣工程大多數選擇CSTR工藝。

2.2 工藝流程圖

經過大量研究對比，結合本項目特點，最終采用“預處理+中溫CSTR厭氧發酵+發電并網+沼渣烘干+沼液灌溉”為核心的處理工藝。具體處理工藝流程如圖1所示。

首先，牧場糞污通過刮糞板進入集糞池，經格柵溝溢流到接收池，格柵去除大塊雜質，防止堵塞泵體和管道，接收池物料經過滾篩提濃后的濃液進入勻漿池進行水解酸化，然后通過螺桿泵打入到厭氧罐進行發酵產生沼氣，稀液回流到牧場沖糞溝用。其次，產生的沼氣經脫硫、脫水凈化后，并經氣柜緩存后通過增壓風機增壓輸送到沼氣發電機組發電，所發的電經過增壓并網銷售，發電機缸套水余熱經過換熱后給勻漿池和厭氧罐加熱。最后，厭氧發酵罐發酵后的物料通過一、二次分離機固液分離，沼渣進入烘干滾筒烘干產生牛床墊料，熱源來源于發電機組煙氣余熱，沼液排入氧化塘，最后兌入一定比例的清水灌溉牧場青貯農田基地。

2.3 主要構筑物和工藝參數

集糞池：牛舍糞污通過刮糞板將糞便、尿液一起刮到集糞池，使其混合均勻，然后通過糞溝溢流到接收池，糞溝中設置粗格柵，柵條間距25 mm。設有4座集糞池，總容積1 200 m3，為鋼筋混凝土結構。

接收池：接收池安裝兩臺攪拌器，使物料充分混合均勻，由于接收池中物料TS濃度較低，通過滾篩提濃后TS濃度達到8%以上，稀液回流到牧場回沖池回沖糞溝，濃液進入到勻漿池。總容積1 800 m3，為鋼筋混凝土結構。

勻漿池：勻漿池內設加熱盤管，將物料溫度提升到20 ℃左右，物料進行水解酸化，使難溶難降解的大分子有機物水解為小分子水溶性有機物，保證了后端厭氧發酵快速高效進行。總容積1 000 m3，為鋼筋混凝土結構。

厭氧罐：厭氧發酵罐反應器是整個項目的核心。采用立式焊接罐結構，表面做防腐處理，罐外設置保溫層，罐內設置4組加熱盤管，利用發電機缸套水余熱對罐體進行增溫。罐體頂部設置攪拌，保障原料與產甲烷菌的完全混合，使得罐內產生的氣體及時排到頂部，同時打破罐體上部浮渣層，保障反應器穩定運行。進出料采用自控全自動進出料，上進下出方式。單座容積6 500 m3，尺寸φ×H：21×23 m，數量3座，進料TS濃度4%以上，發酵溫度35 ℃±2 ℃，停留時間20 d，有效容積產氣率0.8～1.1 m3/（m3·d）。

脫硫系統：采用酸法生物脫硫+汽水分離器+化學脫硫方式，脫除沼氣中的水分和硫化氫。硫化氫從3 000 ppm降到10 ppm以下，處理流量為400～1 000 m3/h。凈化后沼氣進入獨立氣柜緩存，氣柜體積5 000 m3。

沼氣發電機組：沼氣發電機組主要由沼氣內燃機、交流發電機和余熱回收利用裝置等組成。沼氣進入發電機前需通過增壓風機增壓，沼氣壓力一般不低于0.2MPa，總裝機容量2.8MW。發電機缸套水余熱用于厭氧罐加溫，出水溫度為63 ℃，回水溫度為35 ℃。煙氣余熱用于沼渣烘干生產牛床墊料。

沼渣烘干：厭氧發酵后的沼渣經過一、二次分離機固液分離后含固率為40%，需要對其進行烘干，當含固率在55%左右才能作為牛床墊料使用。烘干滾筒利用發電機煙氣余熱，溫度在460 ℃～480 ℃。

沼液：固液分離后的沼液，暫存氧化塘，然后經過管道與一定比例的清水混合灌溉青貯農田。

3 調試啟動

工程竣工后，所有設備、管道、儀表等試驗合格，單機試車、聯動試車合格后進行調試。菌種采用臨近項目地的新鮮沼液，用罐裝車拉運，然后倒入勻漿池，物料與菌種比例為2：1，開啟勻漿池攪拌機，使物料與菌種充分混合均勻，混合后的物料TS濃度4%～8%。厭氧罐每日進料采用少量多次的方式。啟動運行分為三個階段：第一階段為啟動階段，物料TS濃度為4%；第二階段為有機負荷提高階段，物料TS濃度為6%；第三階段為穩定運行階段，物料TS濃度為8%。系統運行50 d后，實現穩定產氣。在此期間，也對生物脫硫進行了系統調試。產氣量超過350 m3/h，檢測沼氣中甲烷的純度，當甲烷純度大于55%時，啟動發電機，同時啟動烘干設備。

4 啟動運行性能研究

4.1 啟動過程中SCOD去除率與TS濃度變化

SCOD是指原料中需要被氧化的還原性物質的量，通常作為衡量污水中有機物含量多少的參數。啟動和馴化同時進行，通過控制水力負荷、有機負荷、PH以及溫度等參數，來完成厭氧罐的成功啟動。

啟動分為三個階段：第一階段為啟動初期階段（1～20 d）。經過勻漿池接種的物料分別一次性投入2 000 m3罐內，控制物料TS濃度為4%，平均SCOD濃度為630 mg/L，水力負荷為0.43 m3/（m2·d）。由圖2可知，SCOD去除率先降低后升高的趨勢，說明發酵初期隨著原料內復雜有機質的降解，單位體積內溶解性化學需氧量（SCOD）的含量升高。隨著罐內產氫、產乙酸菌、產甲烷菌等微生物的不斷增長繁殖，有機物質被消耗，SCOD的去除率呈不斷上升趨勢。

當SCOD去除率超過60%時，進入第二階段提高有機負荷和水力負荷期（20～50 d）。物料濃度由4%提高到6%，控制物料平均SCOD濃度為1 036 mg/L。起初SCOD去除率出現一個短暫的下降，然后不斷上升。第32 d時，SCOD的去除率達到66%。此時，提高水力負荷為0.7 m3/（m2·d），為了防止罐內酸化，保持罐內溫度穩定增加達到設計溫度，按照此條件又連續運行了20 d，系統才處于設計的穩定狀態。

第三階段為穩定運行階段（第50 d），此時將物料TS濃度提高至8%，水力負荷提高至1.03 m3/（m2·d），達到滿負荷運行狀態。此時，物料平均SCOD濃度為1 486 mg/L。隨著厭氧罐內微生物數量達到最大值且處于一個平衡穩定狀態，罐內可被分解的有機物質被大量消耗，發酵完成后的平均SCOD濃度為530.4 mg/L，SCOD的去除率平均為64.3%。

4.2 啟動過程中產氣量與產甲烷含量分析

系統啟動運行后，由圖3可知，產氣主要分為三個階段：第一階段（0～12 d），產氣量少，產氣速率緩慢，主要是因為啟動初期，產酸菌處于優勢，產甲烷菌繁殖處于遲緩期，罐內物料中含產甲烷菌數量較少，日平均產氣量為1 356 m3，容積產氣率為0.07 m3/（m3·d），平均甲烷含量僅為20%。第二階段（13～50 d），為產氣速率快速增長階段。隨著溫度及負荷的增加，產甲烷菌快速增長繁殖，產氣速率達到最大。日產氣量由2 004 m3增長到19 654 m3，日平均產氣量為10 242 m3，容積產氣率為0.53 m3/（m3·d），甲烷含量30 d后趨于穩定，為56%～66%。從第51 d開始，厭氧罐產氣趨于穩定，日平均產氣量為21 654 m3，容積產氣率為1.11 m3/（m3·d），甲烷含量為65%～67%，標志著厭氧發酵成功啟動。

4.3 啟動過程中硫化氫含量及去除效果分析

本系統采用酸法生物脫硫技術脫除沼氣中的硫化氫，啟動與厭氧罐同時進行。啟動初期，硫化氫含量較低，隨著產氣量不斷增加，沼氣中硫化氫含量也逐漸增加。第38 d后，硫化氫含量趨于穩定，達到2 786 ppm。啟動初期，硫化氫去除效率較低，僅為45%。隨著脫硫塔內填料上脫硫桿菌不斷地增長繁殖，脫硫效率也迅速提高。第64 d系統穩定后，處理后沼氣中的硫化氫濃度≤100 ppm，去除效率在96.4%～98.5%，脫硫效果較好。生物脫硫后沼氣進入化學脫硫塔進一步脫除剩余的硫化氫，出氣硫化氫含量為零，滿足發電機運行要求。

4.4 啟動過程中發電量及產墊料量分析

系統運行32 d后，產氣量達到9 058 m3/d，啟動1.2MW發電機組，發電機功率控制在80%～95%，每天平均發電量為2.24萬度。同時，啟動煙氣烘干滾筒進行烘干沼渣。沼渣是經過兩次固液分離后含水率在60%左右，每天可生產含水率45%左右墊料45 t。第50 d后，隨著產氣量增加，達到19 654 m3/d，啟動另一臺1.6MW發電機組，發電機功率控制在70%～95%，此時日均發電量為4.78萬kWh，每天平均可生產干墊料98 t。由圖5可知，墊料產量與發電量成正相關系。當發電機功率低于70%時，煙氣溫度相對較低，烘干后的沼渣水分在50%以上，不能滿足生產要求，所以根據產氣量需要調整發電機功率。

結語

CSTR厭氧發酵工藝在規模化養牛場糞污處理方面表現出了優異的性能。該工藝能夠實現物料的均勻混合，容易控制溫度，具有較強的抗沖擊負荷能力，并且容積產氣效率高。與其他傳統工藝相比，CSTR厭氧發酵工藝具有廣泛的推廣應用前景。

經過50 d的啟動調試期，系統未出現酸化現象并逐漸趨于穩定。在穩定運行階段，系統的日均產氣量達到21 654 m3，容積產氣率為1.11 m3/（m3·d），甲烷含量維持在65%～67%。日均發電量達到4.78萬kWh，日產干墊料量為98 t。

采用酸法生物脫硫技術實現了高效的脫硫效果。處理后的沼氣中硫化氫濃度降至100 ppm以下，脫硫效率在96.4%～98.5%。通過化學脫硫方法進一步處理后，硫化氫含量降至零，完全滿足了發電機的運行要求。

熱電聯產技術的應用不僅確保了沼氣發電的并網供電，同時利用發電機組的缸套水為罐體加熱，以及利用煙氣余熱烘干沼渣，實現了有效的余熱利用，帶來了顯著的經濟效益和良好的示范效應。

參考文獻：

[1]劉偉，宋震，張霞等.CSTR工藝在沼氣工程中的應用[J].農業裝備技術，2022，48（06）：38-40.

[2]李金平，石慧博，萬丹丹等.牛糞中溫厭氧干發酵過程中的流變特性及產氣特性研究[J].中國沼氣， 2022，40（06）：20-28.

收稿時間：2025-03-07

作者簡介：邢帆（1984—），男，碩士研究生，高級工程師。研究方向：有機廢棄物處理與資源化利用、能源環保技術開發與投資利用、環境污染防治。

*通訊作者：肖太民（1987—），男，碩士，工程師。研究方向：工農業固廢資源化。