侯如梁，潘曉亮，王新峰，陳廿臺(tái)，姚 蕾，杜 軍

(1.石河子大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.石河子大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，新疆 石河子 832003；3.石河子軍民共建農(nóng)業(yè)新技術(shù)基地，新疆 石河子 832003)

2003年起，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)村沼氣建設(shè)開(kāi)始快速發(fā)展。至2005年，兵團(tuán)獲國(guó)家批復(fù)的大中型沼氣工程項(xiàng)目達(dá)到18個(gè)，厭氧發(fā)酵裝置總規(guī)模達(dá)到12 500 m3，日均產(chǎn)氣量達(dá)16 000 m3，新疆規(guī)模沼氣工程從試點(diǎn)進(jìn)入全面推廣階段。到2009年，全兵團(tuán)大中型沼氣工程建設(shè)區(qū)域已經(jīng)涉及9個(gè)農(nóng)業(yè)師[1]。2011年，新疆將農(nóng)村沼氣列入“重點(diǎn)民生實(shí)事工程”，中央也加大了沼氣建設(shè)項(xiàng)目的投入力度。新疆沼氣項(xiàng)目的大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用，對(duì)新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本文以新疆石河子軍民共建農(nóng)業(yè)新技術(shù)基地養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程為例，從沼氣池保溫增溫設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果、糞污處理情況、沼氣站直接經(jīng)濟(jì)效益及綜合社會(huì)效益等方面進(jìn)行全面分析。

1 養(yǎng)殖場(chǎng)基本情況

新疆石河子軍民共建農(nóng)業(yè)新技術(shù)基地養(yǎng)殖場(chǎng)存欄母豬300余頭，年出欄商品豬近4000頭，蛋雞7萬(wàn)只，全部采用機(jī)械清糞。沼氣工程采用能源-生態(tài)模式，應(yīng)用全混合厭氧消化反應(yīng)(CSTR)工藝，根據(jù)新疆當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)進(jìn)行了保溫、增溫處理，糞便和污水在中溫條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣。所產(chǎn)生沼氣用于基地生活生產(chǎn)，處理后沼渣、沼液是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，用于基地大棚蔬菜及周邊農(nóng)田，基本實(shí)現(xiàn)糞污處理零排放。

2 項(xiàng)目工藝流程及主要處理單元

2.1 沼氣工程工藝流程圖

規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)以沼氣工程為核心的技術(shù)處理禽畜糞污主要分為能源生態(tài)模式與能源環(huán)保模式。該養(yǎng)殖場(chǎng)根據(jù)自身及周邊環(huán)境特點(diǎn)，選擇能源生態(tài)型沼氣工程模式處理養(yǎng)殖場(chǎng)糞污，其工藝流程見(jiàn)圖1。

2.2 主要處理單元

2.2.1 調(diào)節(jié)池 調(diào)節(jié)池有助于合理調(diào)整物料的溫度、濃度、酸堿度(pH)，保證攪拌充分，使污水能比較均勻進(jìn)入后續(xù)處理單元，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊性能并減少處理單元的設(shè)計(jì)規(guī)模。在調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置潛水?dāng)嚢璞?，防止發(fā)生沉淀現(xiàn)象。特別是在冬季溫度下降，不利于糞污厭氧發(fā)酵，通過(guò)在調(diào)節(jié)池中對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行預(yù)加熱，充分保證厭氧發(fā)酵裝置在寒區(qū)冬季低溫條件下的正常運(yùn)行。

2.2.2 中溫完全混合式厭氧消化器(CSTR) 厭氧發(fā)酵罐是沼氣工程的關(guān)鍵設(shè)備，主體采用高猛鈦合金搪瓷鋼板，高7.2 m，直徑9.93 m，容積556 m3。采用下進(jìn)上出溢流式進(jìn)出料方式，沼氣從頂部沿管道進(jìn)入膜式儲(chǔ)氣柜，沼渣、沼液從上部排料管排至固液分離車(chē)間。設(shè)計(jì)每天定時(shí)投料20 m3，濃度為8 %，可容納糞污400 t。

圖1 能源生態(tài)工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of energy ecological process

2.2.3 固液分離 固液分離車(chē)間進(jìn)行發(fā)酵后的沼渣液的處理，可有效降低發(fā)酵后沼液的COD、BOD的含量，從而達(dá)到污水排放減量化。分離后的沼渣、沼液都用于農(nóng)田施肥。

2.2.4 脫硫 厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中含有一定濃度H2S氣體，一般豬場(chǎng)廢水沼氣中H2S含量為4000 mg·m-3左右，由于H2S氣體對(duì)輸送管道和終端設(shè)備有較大腐蝕性，同時(shí)污染大氣，故沼氣進(jìn)入用戶終端前需進(jìn)行脫硫凈化處理，特別是沼氣用于發(fā)電，為保護(hù)發(fā)電機(jī)，延長(zhǎng)使用壽命，應(yīng)使脫硫后沼氣的含硫量小于20 mg·m-3。本工程沼氣脫硫采用干法氧化鐵脫硫，并按一備一用配置[2]。

2.2.5 儲(chǔ)氣 采用模式儲(chǔ)氣柜進(jìn)行沼氣存儲(chǔ)。膜式儲(chǔ)氣柜為常壓設(shè)備，是安全管理的關(guān)鍵部位。柜體為雙層膜結(jié)構(gòu)，采用德國(guó)進(jìn)口米勒(MEHLER)高分子膜材料，柜體高6.61 m，直徑7.63 m，總?cè)萘?00 m3。正常情況下儲(chǔ)氣柜壓力500 pa(對(duì)應(yīng)正負(fù)壓保護(hù)器內(nèi)水柱5 cm)，最大壓力可達(dá)2 kpa。

3 保溫增溫設(shè)計(jì)及效果分析

3.1 保溫增溫設(shè)計(jì)

為保證冬季正常運(yùn)轉(zhuǎn)，糞污收集池及調(diào)節(jié)池底部加裝換熱導(dǎo)管對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行加熱，厭氧發(fā)酵罐外部用100 mm聚氨酯保溫材料進(jìn)行外保溫，內(nèi)部加裝DN40換熱盤(pán)管，換熱用熱水均由煤氣兩用鍋爐提供。罐內(nèi)換熱裝置見(jiàn)圖2。

3.2 效果分析

本研究于2012年1月5日至2012年4月15日期間對(duì)新疆石河子軍民共建農(nóng)業(yè)新技術(shù)基地養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣站沼氣池上下部發(fā)酵溫度及調(diào)節(jié)池溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3知，從1月5日至4月15日三個(gè)多月的時(shí)間中，石河子氣溫經(jīng)歷了從最高零上10 ℃到最低零下32 ℃的大幅度變化，特別在1月25日前后，氣溫連續(xù)幾天處于零下30 ℃左右；發(fā)酵池溫度一直保持在30 ℃以上，發(fā)酵池下部溫度略高于上部溫度；調(diào)節(jié)池溫度趨于穩(wěn)定，保持在12.6 ℃～13.4 ℃之間。

圖2 發(fā)酵罐內(nèi)增溫盤(pán)管圖Fig.2 Heating coil figure in fermentation tank

圖3 罐內(nèi)上下部池溫、調(diào)節(jié)池溫度及同期氣溫走勢(shì)Fig.3 Top and bottom temperature in fermentation tank and the temperature trend over the same period

在此期間，沼氣站通過(guò)采取前述措施為調(diào)節(jié)池、沼氣池進(jìn)行保溫增溫后效果明顯，冬季即使氣溫大幅變化，3月5日之前發(fā)酵池溫度仍一直維持在38.6 ℃～39.2 ℃之間，良好的溫度條件保證了沼氣池中溫發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行；3月5日之后隨著外界氣溫上升，供熱站停止為沼氣池供熱，發(fā)酵池溫度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，下部溫度從供熱前的38.6 ℃緩慢下降到30.8 ℃，3月25日以后發(fā)酵池下部溫度整體趨于穩(wěn)定，維持在31 ℃左右。

對(duì)沼氣站該時(shí)間段產(chǎn)氣情況監(jiān)測(cè)表明，該沼氣站日均產(chǎn)沼氣約350 m3，容積產(chǎn)氣率達(dá)到0.63 m3· m-3d-1，即使在1月25日前后氣溫近零下30 ℃情況下，產(chǎn)氣量沒(méi)有發(fā)生明顯變化，基本保持穩(wěn)定，充分說(shuō)明該沼氣工程在低溫條件下的保溫增溫措施可行，并取得了良好的效果。

4 糞污處理情況分析

4.1 糞污處理監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法

本試驗(yàn)糞污處理監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有SS、CODcr、BOD5、NH3-N等。具體監(jiān)測(cè)方法如下：分別用重量法(GB/T11901-1989)測(cè)SS濃度、密封消解-分光光度法(HJ/T 399-2007)測(cè)CODcr濃度、稀釋倍數(shù)法(GB/T7488-1987)測(cè)BOD5濃度及密封消解-分光光度法(GB/T7479-1987)測(cè)NH3-N濃度。

4.2 糞污處理監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由表1知，對(duì)沼氣池進(jìn)行增溫期間，CODcr、BOD5、SS和NH3-N濃度分別為28600、8760、21205、81040 mg·L-1的豬場(chǎng)糞污經(jīng)過(guò)根據(jù)圖1所示工藝流程圖建造的處理設(shè)施處理后，CODcr、BOD5和SS的去除率分別達(dá)到了88.2%、93.3%、95.2%的較好水平，而NH3-N的去除率也達(dá)到了24.1%，相對(duì)有些處理設(shè)施處理后NH3-N濃度不降反升的情況，該工程的處理措施還是取得了不錯(cuò)的處理效果；即使在后期增溫措施停止后，CODcr、BOD5、SS和NH3-N各指標(biāo)的去除率仍然達(dá)到87.2%、90.5%、94.4%和21.2%，處理水與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)還有一定差距，沼液只能用作農(nóng)肥或者進(jìn)一步加工為有機(jī)肥，如需回流沖圈或者達(dá)標(biāo)排放還需進(jìn)一步好氧處理。

表1 糞污處理監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1 The monitoring results of waste treatment

5 效益分析

5.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

新疆石河子軍民共建農(nóng)業(yè)新技術(shù)基地沼氣站建設(shè)的556 m3中溫CSTR工藝沼氣工程，實(shí)現(xiàn)日處理300余頭母豬及70000余蛋雞產(chǎn)生的約10噸糞便及污水。年平均日產(chǎn)沼氣量351 m3，全年產(chǎn)沼氣128 115 m3，完全滿足基地食堂及官兵日常生活用氣需求，按1 m3沼氣折合0.8 kg 標(biāo)煤算[3]，沼氣站年節(jié)約標(biāo)煤102.5 t。按一噸標(biāo)煤折合兩噸原煤及原煤每噸1000元計(jì)算，沼氣工程全年所產(chǎn)沼氣相當(dāng)于節(jié)約20.5萬(wàn)元燃料費(fèi)。

5.2 沼肥增收節(jié)支效益

沼液中含有豐富的氮、磷、鉀、各類(lèi)氨基酸、維生素、蛋白質(zhì)、赤霉素、生長(zhǎng)素、糖類(lèi)、核酸以及抗生素等，以及丁酸、吲哚乙酸、維生素B12等活性抗性物質(zhì)。沼渣沼液可廣泛用于作物浸種、葉面噴肥、基肥或用于防治作物病蟲(chóng)害，節(jié)約化肥的同時(shí)提高了農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)，畜牧養(yǎng)殖方面，也可作為家畜添加劑和魚(yú)餌料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前，該養(yǎng)殖場(chǎng)的沼液及沼渣全部用于基地約30余畝溫室大棚及周邊農(nóng)田。每畝年節(jié)約化肥和農(nóng)藥開(kāi)支200元，年增產(chǎn)增收約400元，合計(jì)增收節(jié)支約2萬(wàn)元。

5.3 生態(tài)效益及綜合社會(huì)效益

規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的豬糞尿COD值高達(dá)81 g/L，蛋雞場(chǎng)沖洗污水的COD也達(dá)到43～77 g/L，畜禽糞便污染物的肆意排放對(duì)地表水及地下水安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅[4]。養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的含有大量氨、硫化物等有毒有害成分的惡臭氣體嚴(yán)重污染周邊空氣。相關(guān)研究表明，養(yǎng)殖場(chǎng)糞污經(jīng)沼工程處理后，可使周?chē)h(huán)境蚊蠅密度減少63.5%，氨濃度減輕58%左右，并可以殺滅糞便中絕大部分病菌和寄生蟲(chóng)卵，為阻斷病原的傳播起到了積極作用。與燃燒秸稈和薪柴相比，沼氣大量使用會(huì)減少溫室氣氣體的排放，產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益。

隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活質(zhì)量及周邊環(huán)境要求也有了很大的變化，沼氣工程變廢為寶，助于農(nóng)村城鎮(zhèn)美好環(huán)境建設(shè)。大力發(fā)展沼氣工程，可大范圍消納有機(jī)廢棄物，大幅度替代常規(guī)能源，必將為全國(guó)節(jié)能減排和能源安全作出巨大貢獻(xiàn)。

6 小 結(jié)

石河子軍民共建農(nóng)業(yè)新技術(shù)基地采用能源生態(tài)模式建造的養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程，兩年來(lái)總體運(yùn)行良好，特別是在新疆寒區(qū)冬季低溫環(huán)境下，通過(guò)對(duì)工程進(jìn)行保溫增溫措施，仍能保持中溫發(fā)酵并穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)沼氣工程處理設(shè)施進(jìn)出口CODcr、BOD5、SS和NH3-N等指標(biāo)監(jiān)測(cè)可知，CODcr、BOD5、SS總體去除率良好，特別是SS去除率高達(dá)95%，但是NH3-N去除率不盡人意，需采取進(jìn)一步措施如好氧發(fā)酵或者添加生物制劑去除等。效益分析中，由于養(yǎng)殖規(guī)模有限，556 m3的厭氧發(fā)酵設(shè)備并沒(méi)有達(dá)到充分利用。沼氣利用模式較為單一，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益有限；沼渣沼液也只是普通的用作農(nóng)業(yè)施肥，未完全被土地消納，沼肥效益仍有很大的提升空間。建議適當(dāng)擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模，使其與沼氣工程規(guī)模相匹配；增加沼氣發(fā)電項(xiàng)目，利用發(fā)電余熱對(duì)沼氣池進(jìn)行增溫；沼渣沼液加工生產(chǎn)生物有機(jī)肥，培育有機(jī)蔬菜，大力發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)，每個(gè)環(huán)節(jié)都做到物盡其用，必會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)綜合效益。

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