陳智遠(yuǎn), 宮亞斌, 詹偶如, 姚建剛

(杭州能源環(huán)境工程有限公司， 浙江 杭州 310020)

畜牧業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的畜禽糞污。據(jù)測算，全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場每年產(chǎn)生畜禽糞污20.5億噸，仍有56%未得到有效利用[1]。畜禽養(yǎng)殖廢棄物具有高含固率、高有機(jī)物、高氮磷以及含有大量的病原微生物和寄生蟲卵等特點(diǎn)，遠(yuǎn)超過了自然界的自凈分解能力，若不科學(xué)處理，將嚴(yán)重污染大氣、水體及土壤等環(huán)境，并會傳播疾病，同時(shí)也會影響畜牧業(yè)自身的可持續(xù)發(fā)展。因此，將畜禽廢棄物進(jìn)行無害化和資源化處理利用對降低環(huán)境污染有著重要的意義[2-3]。

厭氧消化技術(shù)是處理畜禽糞便的有效途徑之一，不僅能實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理與多層次資源化的利用[4-5]，也能產(chǎn)生沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)或生產(chǎn)生物質(zhì)天然氣維持畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。雞糞作為占據(jù)重要比例的畜禽廢棄物，其厭氧處理技術(shù)與其他畜禽廢棄物有著顯著不同。雞的消化道僅為體長的7倍，飼料在消化道內(nèi)的停留時(shí)間較短(4 h)，因此對攝入的飼料消化吸收率很低，約70%的營養(yǎng)物被直接排出體外，是所有禽畜糞便當(dāng)中養(yǎng)分是最高的[6]，其含粗蛋白28.7%，粗纖維2.8%，粗脂肪12.5%，粗灰分21.4%，有機(jī)質(zhì)68.2%[7]。雞糞C/N較低，高濃度厭氧消化過程中易造成氨氮富集從而導(dǎo)致消化過程的抑制作用出現(xiàn)[8]。Calli[9]等曾報(bào)道，pH值為7.4，總氨氮超過3000 mg·L-1時(shí)就會對發(fā)酵微生物產(chǎn)生毒抑制作用。Adderley[10]等研究表明總固體含量為2.5%的雞糞發(fā)酵時(shí)其揮發(fā)酸量最大化且產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性最強(qiáng)。

氨抑制是影響厭氧消化穩(wěn)定性的重要因素，而游離氨起主要抑制作用，抑制濃度受pH值、溫度、底物、微生物等多方面因素影響。目前關(guān)于氨抑制解除方法的研究主要集中在調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制游離氨濃度和通過馴化提高微生物對氨的耐受能力[11]。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來控制氨濃度，必然會引起其他因素的變化，例如通過降低溫度降低氨抑制時(shí)會降低污泥活性，降低pH值時(shí)會增加VFA濃度引起VFA積累抑制等問題；因而通過馴化耐高氨氮的微生物是解決厭氧消化氨抑制的重要措施。本文采用工程案例的方式分析高氨氮甲烷菌的培養(yǎng)馴化, 探討高濃度高氨氮雞糞的厭氧消化技術(shù)，以期對我國規(guī)?；u糞沼氣工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考。

1 高濃度厭氧的工藝流程

高濃度純雞糞工程需要有適應(yīng)超高氨氮濃度的甲烷菌進(jìn)行厭氧消化協(xié)同作用，需要采用特定馴化的方式進(jìn)行培養(yǎng)以應(yīng)對高濃度雞糞的厭氧消化。

大型雞糞沼氣工程的工藝圖如1所示。沼氣工程一般分為4大階段：1)雞糞運(yùn)輸與廢水輸送階段； 2)預(yù)處理階段； 3)厭氧產(chǎn)沼與沼氣凈化貯存氣階段； 4)產(chǎn)品高效利用階段；產(chǎn)品利用主要分為沼氣與沼液兩方面。

圖1 工藝流程圖

養(yǎng)殖場產(chǎn)生的雞糞和污水通過車輛或管道輸送至水解除砂池和集水池，雞糞經(jīng)污水稀釋調(diào)配TS濃度為8%～12%后，在水解停留時(shí)間2 d，經(jīng)水解除砂后雞糞物料TS濃度為7%～10%，通過螺桿泵泵入兩級厭氧消化系統(tǒng)。厭氧消化采用CSTR厭氧反應(yīng)器兩級發(fā)酵，設(shè)置停留時(shí)間20～25 d。同時(shí)，在一二級發(fā)酵罐之間設(shè)置回流泵，將二級厭氧罐的污泥部分回流至一級罐，提升一級罐內(nèi)污泥含量，緩沖一級罐內(nèi)高負(fù)荷，提高沼氣產(chǎn)生效率[12]，同時(shí)，減少了污泥流失。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)脫硫后發(fā)電上網(wǎng)或脫碳提純制備生物天燃?xì)?，沼液沼渣則用于周邊果園及農(nóng)業(yè)種植使用。

在厭氧調(diào)試運(yùn)行初期時(shí)，通過調(diào)控水解溫度、物料pH值及TS濃度、進(jìn)料負(fù)荷、罐內(nèi)溫度等逐步馴化培養(yǎng)耐高氨氮厭氧污泥，其培養(yǎng)馴化周期需要半年左右。

2 工程案例

2.1 山東民和牧業(yè)3 MW熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程

山東民和牧業(yè)大型熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程是于2007年12月投資建設(shè)，2008年10月調(diào)試運(yùn)行的大型沼氣發(fā)電工程，2009年2月并網(wǎng)發(fā)電，位于山東省蓬萊市北溝鎮(zhèn)曲家溝村。工程將山東民和牧業(yè)股份有限公司下屬的23處肉雞場，每天產(chǎn)生的雞糞(TS 20%)500噸和污水500方作為原料進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生的沼氣用于沼氣發(fā)電并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)組余熱用于發(fā)酵系統(tǒng)自身增溫。該項(xiàng)目日產(chǎn)沼氣30000 m3，日發(fā)電60000 kW·h，并入電網(wǎng)，年發(fā)電量2000萬kW·h，每年可獲發(fā)電收益1300萬元，發(fā)酵后的沼液部分直接施用于周圍葡萄、蘋果和玉米等農(nóng)田，另有300 t·d-1的沼液用于沼液資源化利用項(xiàng)目生產(chǎn)高端葉面肥，既減少了化肥的使用量，又實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用和污染物的零排放。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)年減排溫室氣體6.7萬噸CO2當(dāng)量,是國內(nèi)首個(gè)在聯(lián)合國完成清潔發(fā)展機(jī)制(Clean Development Mechanism，CDM)碳交易的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域沼氣項(xiàng)目[13-14]。

該項(xiàng)目于2008年10月開始投料調(diào)試運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行9年以上，其工藝運(yùn)行可靠、管理方便、發(fā)酵正常，沼氣脫硫凈化效果良好。2009年6月底至7月底對工程進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)見圖2～圖5。在此期間項(xiàng)目平均每日進(jìn)料210噸雞糞，厭氧進(jìn)料濃度TS 6.1%～8.1%，一級發(fā)酵罐平均濃度TS 3.9%，二級發(fā)酵罐平均濃度TS 4.1%，沼液罐出水平均濃度TS 3.4%；各級發(fā)酵物料pH值8.0～8.2；一級發(fā)酵罐揮發(fā)酸平均4760 mg·L-1，二級發(fā)酵罐揮發(fā)酸平均3823 mg·L-1，沼液罐出水揮發(fā)酸平均2912 mg·L-1；各級發(fā)酵罐總堿度(以CaCO3計(jì))在9500 mg·L-1～1100 mg·L-1之間，氨氮濃度均達(dá)到5000 mg·L-1以上，平均日產(chǎn)沼氣22594 m3，平均日發(fā)電46550 kW·h，項(xiàng)目沼氣產(chǎn)量未受氨氮影響，通過核算該項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行中雞糞TS產(chǎn)氣率大于500 m3·t-1。沼氣經(jīng)過生物脫硫塔脫硫處理后，其甲烷濃度60%～70%，沼氣脫硫前5000 ppm～6000 ppm，脫硫后200 ppm以下，硫化氫去除率超過96%。 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，雞糞原料中揮發(fā)性固體(volatile solid， VS)占TS比例為67%，總氮占VS比例為8.3%。厭氧消化所能承受的最大游離氨為0.5 kg·m-3[15]。McCarty和McKinney報(bào)道，150 mg·L-1非離子化氨具有抑制作用；根據(jù)Koster和Lettings

圖2 山東民和沼氣工程厭氧發(fā)酵TS濃度

圖3 山東民和沼氣工程揮發(fā)酸VFA濃度

圖4 山東民和沼氣工程總堿度

圖5 山東民和沼氣工程氨氮濃度

圖6 山東民和沼氣工程日產(chǎn)氣量和日發(fā)電量

實(shí)際表明經(jīng)一定周期的工程馴化調(diào)試，可以緩慢提高菌種的氨氮耐受能力。

2.2 江蘇省大豐市畜禽糞污集中處理綜合利用項(xiàng)目

江蘇省大豐市畜禽糞污集中處理綜合利用項(xiàng)目為通過處理大豐市大豐港及周邊區(qū)鎮(zhèn)220 t·d-1的雞糞并生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)?。雞糞通過厭氧消化每天可生產(chǎn)沼氣約20 000 m3，其中平均每天約18%的沼氣用于發(fā)酵系統(tǒng)自身增溫，剩余沼氣經(jīng)提純后生產(chǎn)生物天然氣，平均每天生物天然氣的產(chǎn)量約為10000 m3，年產(chǎn)生物天然氣約350萬m3；發(fā)酵后的沼液、沼渣分別進(jìn)入有機(jī)肥廠進(jìn)行深度加工。

該項(xiàng)目綜合利用周邊養(yǎng)殖糞污，既開發(fā)了生物質(zhì)能源，有效利用了資源，又減少了周邊養(yǎng)殖生產(chǎn)帶來的環(huán)境污染，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。項(xiàng)目建成后，實(shí)現(xiàn)年減排溫室氣體4.5萬噸CO2當(dāng)量。該項(xiàng)目于2014年開工建設(shè)，2015年6月開始投料調(diào)試運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行近2年，表1是項(xiàng)目調(diào)試完成后從2015年9月至2016年12月期間各工藝段運(yùn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

表1 江蘇和順項(xiàng)目各工藝段監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表1可以看出，該項(xiàng)目雞糞水解除砂后原料TS濃度平均8.35%，最高到10.2%；發(fā)酵物料pH值7.8～8.2，VFA平均4100 mg·L-1，總堿度(以CaCO3計(jì))平均10100 mg·L-1，氨氮維持在5200～5700 mg·L-1，其TS產(chǎn)氣率維持在460～510 m3·d-1,其波動受周邊各養(yǎng)殖場原料影響。

2.3 臺灣石安牧場日處理80 t雞糞沼氣發(fā)電項(xiàng)目

臺灣石安牧場日處理80 t雞糞沼氣發(fā)電項(xiàng)目采用CSTR發(fā)酵工藝,設(shè)計(jì)處理雞糞80 t·d-1，生產(chǎn)沼氣8,000 m3·d-1。沼氣全部用來發(fā)電，每天可產(chǎn)16,800 kW·h電，所發(fā)電量除少量用于養(yǎng)殖場雞舍自用外，剩余全部上網(wǎng)供市電使用，發(fā)電機(jī)余熱為發(fā)酵系統(tǒng)本身供熱。發(fā)酵后的沼液全部被用作臺灣高雄市阿蓮鄉(xiāng)周邊果園及蔬菜等種植過程中的有機(jī)肥施用于農(nóng)田中。

該項(xiàng)目于2014年年初動工建設(shè)，2014年10月開始投料調(diào)試運(yùn)行，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行接近3年時(shí)間。2016年8月對工程進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)見圖7～圖10。項(xiàng)目厭氧消化系統(tǒng)每日雞糞投加量在50 ～60 t，經(jīng)稀釋調(diào)配及除砂后厭氧罐進(jìn)料TS濃度維持在7%～8%，發(fā)酵物料pH值7.9～8.1，揮發(fā)酸濃度平均5720 mg·L-1，總堿度(以CaCO3計(jì))平均29860 mg·L-1，氨氮濃度維持在5100～5600 mg·L-1,其特有的發(fā)酵環(huán)境使得該系統(tǒng)可在高揮發(fā)酸和高氨氮下穩(wěn)定運(yùn)行，每日沼氣產(chǎn)量6000～7000 m3，其原料產(chǎn)氣率達(dá)到110 m3·t-1以上。所產(chǎn)沼氣經(jīng)生物脫硫塔脫硫處理后，甲烷含量高達(dá)65%～70%，硫化氫含量小于50 ppm，去除率高達(dá)到99%以上。

3 小結(jié)

雞糞高濃度高氨氮厭氧消化可以大大減少雞糞調(diào)配水的使用量，從而減少了沼氣工程中原料增溫對熱量的需求以及后續(xù)沼液的處理消納的數(shù)量，對沼氣工程可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。采用高濃度高氨氮雞糞的厭氧消化技術(shù)，其厭氧進(jìn)料TS濃度可達(dá)8%～12%，大型沼氣工程運(yùn)行中氨氮耐受濃度高至5500 mg·L-1，厭氧產(chǎn)沼氣過程不受影響。通過工程實(shí)例分析，雞糞高氨氮濃度厭氧消化技術(shù)穩(wěn)定可靠，值得推廣應(yīng)用，該技術(shù)將對規(guī)模化養(yǎng)殖場處理雞糞糞污提供技術(shù)借鑒。

圖7 臺灣石安牧場沼氣工程厭氧發(fā)酵TS濃度

圖8 臺灣石安牧場沼氣工程氨氮濃度

圖9 臺灣石安牧場沼氣工程堿度

圖10 臺灣石安牧場沼氣工程揮發(fā)酸VFA濃度