肖莉凡，孫穎杰，孫永明，呂鵬梅，楊立貴，TONG Boitin，何捍東 ?

（1. 成都德通環(huán)境工程有限公司，成都 610041；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

0 引 言

我國(guó)西南丘陵地區(qū)主要農(nóng)作物為稻谷、玉米、小麥、大豆和甘蔗，養(yǎng)殖業(yè)以養(yǎng)豬和養(yǎng)牛為主。西南地區(qū)大量的農(nóng)作物秸稈沒(méi)有合適的處理路徑，絕大多數(shù)以焚燒處理為主[1-2]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，西南地區(qū)家庭式分散養(yǎng)殖豬、牛的狀況發(fā)生了很大變化，小規(guī)模和中等規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)發(fā)展很快，但這些中小養(yǎng)殖場(chǎng)沒(méi)有能力處置糞污，造成了水、土和空氣的污染。農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便中均含有豐富的有機(jī)物，適合用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

現(xiàn)有的沼氣工程絕大多數(shù)原料單一，存在產(chǎn)氣率低、穩(wěn)定性差、原料利用不足等問(wèn)題[3-4]?；旌蠀捬醢l(fā)酵以及優(yōu)化混合原料組合成了現(xiàn)在沼氣工程研究的主要方向[5-6]，研究主要集中于秸稈和畜禽糞便為原料進(jìn)行連續(xù)混合發(fā)酵，畜禽糞便以豬糞、牛糞和雞糞為主[7-8]。牛糞的添加改善了秸稈發(fā)酵系統(tǒng)厭氧微生物的生存環(huán)境，提高了系統(tǒng)的緩沖能力，改善了秸稈發(fā)酵過(guò)程的酸化現(xiàn)象[9]?；旌习l(fā)酵促進(jìn)了微生物對(duì)秸稈中易分解有機(jī)物的利用，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)氣有促進(jìn)作用，產(chǎn)氣高峰較單獨(dú)發(fā)酵提前，累積產(chǎn)氣量提高[10-11]。畜禽糞便的添加對(duì)秸稈發(fā)酵的產(chǎn)氣量具有促進(jìn)作用[12-13]，同時(shí)可縮短秸稈的發(fā)酵周期[14-15]。

但由于秸稈特殊的分子結(jié)構(gòu)，其表面覆蓋一層硅氧蠟層，纖維素多以結(jié)晶態(tài)存在[16]。纖維素結(jié)晶度較高時(shí)，微生物無(wú)法有效對(duì)纖維素進(jìn)行降解，使秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及瘤胃消化率降低[17]。因此，在秸稈利用前需進(jìn)行預(yù)處理，以降低纖維素結(jié)晶度，提高酶對(duì)秸稈中纖維素的可及度，從而提高秸稈利用率[18]。沼液是沼氣工程的主要剩余物，沼液中含有大量的微生物、水解酶及豐富的微量元素，對(duì)秸稈具有水解作用[19]。對(duì)秸稈進(jìn)行生物預(yù)處理，降低了秸稈C/N比，提高了秸稈中纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的降解率[20]，使得產(chǎn)氣速率顯著增大，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間提前，并促進(jìn)厭氧消化累積產(chǎn)甲烷量[21]。沼液作為預(yù)處理劑不僅能達(dá)到預(yù)處理的效果，亦能減少沼液排放造成的環(huán)境污染，提高厭氧消化效率[22]。

根據(jù)西南地區(qū)的資源利用現(xiàn)狀，在該地區(qū)建立了以畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈為發(fā)酵原料的沼氣示范工程，為小城鎮(zhèn)提供集中供給生活燃?xì)猓娲涫褂玫囊淮文茉?。本工程通過(guò)分散原料收儲(chǔ)運(yùn)、預(yù)處理、發(fā)酵制氣、集中供應(yīng)和發(fā)酵剩余物生態(tài)化資源利用全產(chǎn)業(yè)鏈過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)的研究和集成，通過(guò)工程示范，形成城鎮(zhèn)化分散原料集中供氣產(chǎn)業(yè)模式。

1 工程基本情況

工程位于四川省峨眉山市符溪鎮(zhèn)黑橋村，建有秸稈堆儲(chǔ)場(chǎng)150 m3，集水池200 m3，調(diào)節(jié)池50 m3，全混式厭氧發(fā)酵罐（continuous stirred tank reactor,CSTR）600 m3，濕式氣柜360 m3，站內(nèi)沼渣沼液儲(chǔ)存池500 m3，田間沼液儲(chǔ)存池14個(gè)共3 500 m3，沼液灌溉管道2 000 m，固液分離房20 m2。

發(fā)酵原料主要為樂(lè)山正源畜牧科技有限公司生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便，并在工程周邊地區(qū)購(gòu)買(mǎi)農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便。養(yǎng)殖場(chǎng)現(xiàn)有存欄母豬620頭，存欄育肥豬4 500頭。本工程日處理5 120頭存欄豬的干清糞7.9 t，濃污水8.2 t及農(nóng)作物秸稈0.2 t，并用7.7 t回流沼液調(diào)節(jié)發(fā)酵總固體濃度。全年生產(chǎn)按照333 d計(jì)算，年產(chǎn)沼氣29.97萬(wàn)m3，其中17.649萬(wàn)m3供給附近350戶(hù)農(nóng)戶(hù)做燃料，發(fā)電用氣3.996萬(wàn)m3，年發(fā)電7.992萬(wàn)kW·h，沼氣熱水鍋爐用氣8.325萬(wàn)m3，所產(chǎn)沼液可供附近3 000畝農(nóng)田灌溉用。

2 工藝流程及技術(shù)參數(shù)

利用畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈制取沼氣的全套工程設(shè)施，包括原料的儲(chǔ)存、預(yù)處理、厭氧消化、沼氣凈化及輸配、發(fā)酵殘留物后處理以及工藝流程的監(jiān)控5個(gè)部分。本工程采用CSTR工藝，采用中溫發(fā)酵（35±2℃），總固體（total solid, TS）濃度為7%～8%。工程工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 沼氣工程流程圖Fig. 1 Flow chart of the biogas project

2.1 原料收儲(chǔ)運(yùn)

沼氣工程建設(shè)依托養(yǎng)殖場(chǎng)，畜糞可就地收集或者從周邊農(nóng)戶(hù)家中購(gòu)買(mǎi)。購(gòu)買(mǎi)畜禽糞便成本較低，而且不需要過(guò)多的預(yù)處理。豬糞由農(nóng)戶(hù)自行運(yùn)至指定禽畜糞便收集點(diǎn)，由項(xiàng)目公司組織運(yùn)輸車(chē)收運(yùn)，收集形式主要以干糞為主，可節(jié)省運(yùn)費(fèi)，也可防止運(yùn)輸途中的流失。畜禽糞便收購(gòu)成本約為180元/t。在本項(xiàng)目中，采取集約化模式收儲(chǔ)秸稈，以沼氣工程業(yè)主為主體。為了確保沼氣工程的原料供應(yīng)，在沼氣工程所在地周?chē)?0 km內(nèi)的建立秸稈收儲(chǔ)點(diǎn)，與每個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)簽訂秸稈收儲(chǔ)供貨合同，秸稈收購(gòu)成本約為160元/t。集約化收儲(chǔ)模式下，收儲(chǔ)規(guī)模大，機(jī)械化程度高，收儲(chǔ)半徑大，成本低，秸稈加工和儲(chǔ)存也比較規(guī)范。

根據(jù)西南地區(qū)丘陵坡地的地理?xiàng)l件，采用小型農(nóng)業(yè)機(jī)械（切削粉碎式機(jī)械、小型秸稈打捆機(jī)），在田間打捆或粉碎至10～15 mm，并收集到工程專(zhuān)用運(yùn)秸車(chē)中，再由秸稈運(yùn)輸車(chē)運(yùn)送到沼氣工程的堆儲(chǔ)場(chǎng)地上。將粉碎后的秸稈壓成或擠成塊狀，并儲(chǔ)存在沼氣工程的堆儲(chǔ)場(chǎng)中。切碎后的秸稈可提高秸稈儲(chǔ)存的密度，減小秸稈儲(chǔ)存空間，并方便進(jìn)行其他方面的處理。

2.2 原料預(yù)處理

在豬糞秸稈混合發(fā)酵之前需要對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)破壞秸稈的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，將其中難被微生物所利用的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解成簡(jiǎn)單化合物，從而提高秸稈的產(chǎn)氣量。以秸稈作為發(fā)酵底物形成的沼液中，可能含有豐富的特異性木質(zhì)纖維素降解微生物，這些微生物在厭氧消化器中不斷積累，具有分解木質(zhì)素和纖維素的能力。沼液是沼氣工程的主要剩余物，用沼液預(yù)處理秸稈，可降低秸稈的碳氮比，提高其纖維素、木質(zhì)素的降解率，使得產(chǎn)氣速率顯著增加，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間提前，并促進(jìn)厭氧消化累積產(chǎn)甲烷量。本工程將沼液儲(chǔ)存池中的沼液回流至秸稈預(yù)處理槽中，與秸稈混勻，并進(jìn)行7 d的堆漚處理，預(yù)處理后秸稈總固體含量為40%。

畜禽糞便沖洗廢水經(jīng)過(guò)格柵渠中的粗格柵攔截后進(jìn)入集水池，干清糞、集水池下部污水和經(jīng)預(yù)處理的秸稈一起送入調(diào)配池進(jìn)行調(diào)糞，然后由無(wú)堵塞潛水泵泵入CSTR厭氧發(fā)酵罐，原料在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)厭氧菌的作用下厭氧發(fā)酵。

2.3 發(fā)酵制氣

CSTR厭氧發(fā)酵罐采用半地上式圓柱型鋼結(jié)構(gòu)，有效容積600 m3，采用35±2℃中溫發(fā)酵。厭氧發(fā)酵罐裝滿(mǎn)后，發(fā)酵罐進(jìn)料為混勻的糞污水和秸稈。原料在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)厭氧菌的作用下厭氧發(fā)酵，發(fā)酵后的沼渣、沼液流入站內(nèi)沼渣沼液儲(chǔ)存池。經(jīng)過(guò)2周的啟動(dòng)，沼氣產(chǎn)量比較穩(wěn)定地達(dá)到900 m3/d左右。發(fā)酵罐帶有機(jī)械攪拌裝置，連續(xù)攪拌使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，使原料在發(fā)酵罐內(nèi)均勻分布，可有效避免結(jié)殼現(xiàn)象。采用沼氣熱水鍋爐供熱和發(fā)電機(jī)余熱對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行保溫，大大提高了產(chǎn)氣率和投資利用率，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。每日CSTR厭氧發(fā)酵罐溫度下降0.5℃，換熱效率為80%，每天保溫需要熱量為1 575 MJ。新進(jìn)發(fā)酵原料按冬季料溫計(jì)算，需加溫原料24 m3/d，進(jìn)料料溫5℃，加溫到35℃，換熱效率為80%，需熱量為3 780 MJ。因此，冬季每天加溫和保溫需要熱量為5 355 MJ。120 m3/d沼氣用于發(fā)電，沼氣低位熱值為21 MJ/m3，發(fā)電機(jī)輸出熱效率為42%，每日發(fā)電機(jī)余熱量為1 058.4 MJ；250 m3/d沼氣用于沼氣鍋爐加熱，沼氣（甲烷含量60%）熱值為23.84 MJ/m3，鍋爐熱效率為80%，每日沼氣鍋爐余熱量為4 786 MJ。沼氣工程總共可提供熱量為5 826.4 MJ，大于沼氣工程熱量需求。發(fā)電機(jī)余熱熱量和沼氣鍋爐余熱熱量能滿(mǎn)足沼氣工程正常運(yùn)行熱量的需求。

2.4 集中供氣

設(shè)計(jì)安裝脫水器2臺(tái)，用于沼氣脫水。對(duì)沼氣中水的去除率達(dá)到80%以上，可以達(dá)到沼氣輸入燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)中較低水分含量的要求。未脫硫沼氣中硫化氫濃度為3 730～3 490 mg/m3，采用原位脫硫、空氣脫硫和活性炭脫硫三級(jí)脫硫技術(shù)，設(shè)計(jì)安裝脫硫器2座，脫硫后沼氣內(nèi)硫化氫濃度低于 76 mg/m3，符合《農(nóng)村沼氣集中供氣工程技術(shù)規(guī)范》（NY/T 2371-2013）和《沼氣電站技術(shù)規(guī)范》（NY/T1704-2009）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)沼氣發(fā)電和集中供氣的硫化氫含量的相關(guān)要求。

發(fā)酵罐中產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過(guò)脫水脫硫，沼氣流量計(jì)計(jì)量后，儲(chǔ)存于濕式儲(chǔ)氣柜中，一部分供給養(yǎng)殖場(chǎng)發(fā)電機(jī)和鍋爐使用，一部分沼氣增壓后再經(jīng)5座沼氣中轉(zhuǎn)儲(chǔ)氣站輸送供往農(nóng)戶(hù)。項(xiàng)目供氣戶(hù)數(shù)為350戶(hù)，供氣管網(wǎng)15 800 m，輸送管網(wǎng)均采用燃?xì)鈱?zhuān)業(yè)的PE管，入戶(hù)管道為DN20鍍鋅鋼管，每戶(hù)配卡式流量計(jì)、灶具及入戶(hù)管件?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，在各個(gè)供氣分站設(shè)置測(cè)控設(shè)備，采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)并完成實(shí)時(shí)調(diào)控，同時(shí)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)供氣分站監(jiān)控，根據(jù)沼氣生產(chǎn)狀況及實(shí)際用氣需求采用分段控制運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)安全高效運(yùn)行。

2.5 發(fā)酵剩余物生態(tài)化資源利用

CSTR發(fā)酵罐剩余物進(jìn)入沼渣沼液暫存池進(jìn)行儲(chǔ)存，再經(jīng)固液分離成沼渣和沼液。分離后沼渣添加腐殖酸、生物菌劑、氮磷鉀肥等進(jìn)行好氧處理生產(chǎn)生物有機(jī)肥，添加物分配比一般根據(jù)各地土壤和作物需求進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)平衡配套施肥。生物有機(jī)肥作為商品出售，平均每畝農(nóng)田施用有機(jī)肥約500 kg。生物有機(jī)肥可減少農(nóng)業(yè)化肥及農(nóng)藥施用量，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，農(nóng)產(chǎn)品單價(jià)能夠提升10%～20%左右，項(xiàng)目覆蓋區(qū)域農(nóng)民每年可增加收入200～300元/畝。沼液通過(guò)砂濾、人工處理，由沼液輸送管輸送至田間沼液儲(chǔ)存池，并通過(guò)管網(wǎng)灌溉樹(shù)林和農(nóng)田，距離較遠(yuǎn)的地方通過(guò)沼肥輸送車(chē)運(yùn)輸?shù)教镩g沼液儲(chǔ)存池還田。沼液直接作為糧食作物、蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物等的肥料，同時(shí)兼具農(nóng)藥作用。沼液灌溉工程采用管灌或滴灌技術(shù)，沼液施用于作物根部，為作物提供多種營(yíng)養(yǎng)與微量元素，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育；作為葉面噴肥，提高葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用，提高產(chǎn)量。沼渣和沼液的資源化利用，解決了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染問(wèn)題，促使沼氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步提升和本地生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 工程運(yùn)行狀況

該沼氣工程于2015年12月試運(yùn)行，以發(fā)酵過(guò)的豬糞、秸稈和糞污水在調(diào)節(jié)池中混合發(fā)酵，測(cè)定所產(chǎn)沼氣中CH4含量達(dá)50%以上，可達(dá)到發(fā)酵所需菌種要求。將培養(yǎng)后的發(fā)酵用菌種泵入CSTR厭氧發(fā)酵罐，再將在調(diào)節(jié)池中混合的糞污水和秸稈泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐，每2 d為1個(gè)周期統(tǒng)計(jì)沼氣含量和容積產(chǎn)氣率，結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，啟動(dòng)初期產(chǎn)氣量很少，沼氣中CH4含量很低，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，CH4含量逐漸升高。在第24 d時(shí)，沼氣中的甲烷含量升至58%，后趨于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，甲烷含量在58.5%左右。如圖3所示，混和發(fā)酵的容積產(chǎn)氣率在工程運(yùn)行初期較低，并保持相對(duì)穩(wěn)定。后隨著工程的不斷運(yùn)行，容積產(chǎn)氣率不斷升高，兩周后容積產(chǎn)氣率升至1.5 m3/(m3·d)。后隨著工程的不斷運(yùn)行，容積產(chǎn)氣率保持相對(duì)穩(wěn)定。畜禽糞便與秸稈混合發(fā)酵沼氣工程的容積產(chǎn)氣率較單一原料發(fā)酵的沼氣工程高[23]。

圖2 啟動(dòng)后發(fā)酵罐內(nèi)甲烷含量變化Fig. 2 Variations of CH4 concentration in the fermentation tank over time

圖3 啟動(dòng)后發(fā)酵罐內(nèi)容積產(chǎn)氣率變化Fig. 3 Variations of tank volume gas production rate in the fermentation tank over time

4 商業(yè)模式及效益分析

本沼氣工程采用“能源–生態(tài)”型建設(shè)模式，以沼氣生產(chǎn)為紐帶，實(shí)現(xiàn)“沼氣、沼電、沼肥”聯(lián)產(chǎn)。沼氣用于供給符溪鎮(zhèn)居民提供生活用能；沼電用于供給工程廠(chǎng)區(qū)用電和符溪鎮(zhèn)居民生活用電；沼渣生產(chǎn)有機(jī)肥，對(duì)外銷(xiāo)售；沼液通過(guò)沼液輸送管儲(chǔ)存到田間沼液儲(chǔ)存池，并通過(guò)管網(wǎng)灌溉樹(shù)林和農(nóng)田，較遠(yuǎn)的地方通過(guò)沼肥輸送車(chē)運(yùn)輸?shù)教镩g沼液儲(chǔ)存池還田。沼氣發(fā)電機(jī)余熱熱量和沼氣鍋爐余熱熱量可滿(mǎn)足沼氣工程正常運(yùn)行熱量的需求。

本沼氣工程的投資費(fèi)用主要是建筑工程、設(shè)備和安裝費(fèi)用以及土地費(fèi)用。600 m3豬糞和秸稈混合發(fā)酵沼氣工程總投資409.33萬(wàn)元（按2016年的造價(jià)）。該工程年運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表1和表2。

表1 沼氣工程的年運(yùn)行成本（2016年價(jià)格）Table 1 Annual operating cost of the biogas project

表2 沼氣工程產(chǎn)品及效益（2016年價(jià)格）Table 2 Biogas project products and benefits

本工程順利實(shí)施后，日均產(chǎn)氣 900 m3，其中250 m3用于沼氣熱水鍋爐為罐體進(jìn)行熱能補(bǔ)充，維持發(fā)酵罐內(nèi)溫度。530 m3用于集中供氣，供給350戶(hù)人家使用，供戶(hù)燃?xì)鈨r(jià)格為1.0元/m3，收益為17.65萬(wàn)元/年。120 m3用于沼氣發(fā)電，滿(mǎn)足了沼氣站主要設(shè)備的用電需求，1 m3發(fā)電1.5 kW·h，年發(fā)電約6萬(wàn)kW·h，沼氣發(fā)電價(jià)格為0.56元/kW·h，發(fā)電收益為 3.36萬(wàn)元/年。沼渣制成有機(jī)肥價(jià)格為500元/ t，年產(chǎn)沼渣有機(jī)肥700 t，收益35萬(wàn)元/年。

本工程建成后，每年可減少秸稈焚燒799.2 t，減少向天然水體排放污水29 970 m3，減少化學(xué)需氧量排放總量約421 t。每年29.97萬(wàn)m3沼氣的回收利用，可減少當(dāng)?shù)亟?02 t煤炭的燃燒，避免由此所產(chǎn)生的污染。沼液和有機(jī)肥施加農(nóng)作物后，其含有的大量有機(jī)質(zhì)得以還田，可保持土地的較高有機(jī)質(zhì)含量，從而維持耕地的可持續(xù)生產(chǎn)力。將畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為清潔的可再生能源，改善農(nóng)村人居環(huán)境，減少化石能源的消耗，有利于減少碳排放，緩解溫室效應(yīng)。

5 結(jié) 論

本工程采用就地處理養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便和購(gòu)買(mǎi)畜禽糞便相結(jié)合的方式，由工程業(yè)主集中收集農(nóng)作物秸稈作為發(fā)酵原料，將畜禽糞便和秸稈粉碎后壓制成塊儲(chǔ)存，通過(guò)接種沼液預(yù)處理秸稈，對(duì)混合原料采用連續(xù)減半全混發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、快速和高效的沼氣發(fā)酵。豬糞和秸稈混合發(fā)酵可解決畜禽糞便的排放和秸稈的焚燒的問(wèn)題，同時(shí)容積產(chǎn)氣率可達(dá)到1.5 m3/(m3·d)，為混合原料共同發(fā)酵產(chǎn)沼氣提供可借鑒的收儲(chǔ)運(yùn)、預(yù)處理、發(fā)酵制氣及發(fā)酵剩余物資源化利用模式。