尤濱乾

(海寧市新能源技術(shù)服務(wù)站，浙江 海寧 314400)

浙江嘉興于2008年啟動開展了以沼氣為主要技術(shù)手段的養(yǎng)殖污染集中整治行動。目前，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場已普遍建造了沼氣綜合利用工程和剩余污水納管工程，實現(xiàn)了養(yǎng)殖糞污的無害化處理和資源化利用。但是，受當時技術(shù)資金等條件制約，沼氣工程大多采用常溫發(fā)酵技術(shù)，沼氣利用主要局限于對場內(nèi)及周邊農(nóng)戶進行集中供氣[1]，加上后期養(yǎng)殖規(guī)模和生產(chǎn)工藝調(diào)整及后續(xù)維護等原因，普遍存在工程運行效率偏低的狀況[2]。

以沼氣生物天然氣為主要處理方向，以就地就近用于農(nóng)村能源和農(nóng)業(yè)有機肥為主要使用方向，加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物的處理和資源化利用，關(guān)系農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境，關(guān)系農(nóng)村能源革命。為此，有必要對現(xiàn)有沼氣工程進行技術(shù)改造，提升養(yǎng)殖糞污處理和資源化利用效率[3]。以某養(yǎng)殖場沼氣站為實例，對中溫發(fā)酵技術(shù)[4]在沼氣工程提升改造中的應(yīng)用進行探討，以期為進一步提升沼氣工程運行效率提供參考。

1 沼氣站基本情況

沼氣站廢水處理量約為30 t·d-1，干物質(zhì)含量(TS)約為5.5%。

站內(nèi)安裝螺旋擠壓式固液分離機1臺，糞污處理量15 t·h-1，固態(tài)物去除率30%。擠壓分離后產(chǎn)生的固態(tài)物1.65 t·d-1，含水率約70%，免費供周邊農(nóng)戶作有機肥使用，產(chǎn)生的液態(tài)物28.35 t·d-1，含固率4.07%，自流入?yún)捬醭剡M行沼氣發(fā)酵。

站內(nèi)建有地埋式厭氧池600 m3，水力負荷約0.05 m3·m-3·d-1，水力停留時間約20 d。采用常溫發(fā)酵：冬季1—2月池溫最低，約10 ℃，容積產(chǎn)氣率0.1 m3·m-3·d-1，產(chǎn)氣量60 m3·d-1；夏季8月份池溫最高，約25 ℃，容積產(chǎn)氣率0.6 m3·m-3·d-1，產(chǎn)氣量360 m3·d-1。

沼氣集中供氣農(nóng)戶150戶，用氣量約200 m3·d-1。因此，養(yǎng)殖場在夏季除保持沼氣正常供應(yīng)外還有富余，冬季為避免用氣糾紛只能對農(nóng)戶停止供氣。

2 初步設(shè)計思想

沼氣池進料量28.35 t·d-1，TS 4.07%，如果完全發(fā)酵，產(chǎn)氣量為0.42 m3·kg-1，可產(chǎn)沼氣約485 m3·d-1。因此，通過對工程進行提升改造，進一步提高生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化率，完全可以保證沼氣的常年正常供應(yīng)。

溫度是厭氧發(fā)酵的重要外因條件，是決定沼氣產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，溫度過高、過低或者不穩(wěn)定都會影響沼氣發(fā)酵。在選擇沼氣發(fā)酵溫度時，不僅要考慮產(chǎn)氣率，還要考慮保持溫度所需能耗。對于高濃度豬糞污水，采用26～30 ℃的操作溫度進行中溫發(fā)酵，可以在保證處理效率的同時，顯著提高凈能產(chǎn)量。

基于上述分析，技術(shù)目標初步定為：在保持沼氣池規(guī)模、水力負荷、進料濃度等參數(shù)基本不變的前提下，采用中溫發(fā)酵技術(shù)對現(xiàn)有沼氣工程進行提升改造。設(shè)計發(fā)酵溫度30 ℃，水力停留時間保持在20 d，相對產(chǎn)氣率為86.5%，容積產(chǎn)氣率0.7 m3·m-3·d-1，產(chǎn)沼氣量約420 m3·d-1。

3 能量需求側(cè)分析

要使厭氧發(fā)酵系統(tǒng)溫度保持恒定，必須使每天的能量輸入Q與輸出Q′相等。系統(tǒng)能量損耗Q′主要由3部分組成：料液“冷進熱出”過程中出現(xiàn)的熱量轉(zhuǎn)移損耗Qa，厭氧系統(tǒng)與外界介質(zhì)之間的熱傳遞損耗Qb，增溫管道向外界散發(fā)熱量損耗Qc。

Q=Q′=Qa+Qb+Qc；

Qa=Cm(Tin-Tout)；

Qb=t(Tin-Tout)/[(α1S)-1+b1(λ1S)-1+b2(λ2S)-1+(α2S)-1]；

式中：C為料液比熱，kJ·kg-1·℃-1；m為日進料量，kg；Tin為厭氧池內(nèi)料液溫度，℃；Tout為進料料液溫度，℃；t為日散熱時長，24 h；α1為池內(nèi)壁對料液的傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；S為池頂部散熱面積，m2；b1為池頂部鋼砼層厚度，m；λ1為池頂部鋼砼層導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1；b2為池頂部覆土層厚度，m；λ2為池頂部覆土層導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1；α2為池頂土表層對空氣的傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；Tj為增溫管進水溫度，℃；Tk為外界空氣溫度，℃；Lj為增溫管進水段長度，m；Tc為增溫管出水溫度，℃；Lc為增溫管回水段長度，m；α3為增溫管內(nèi)壁對水的傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；r1為增溫管內(nèi)半徑，m；r2為增溫管外半徑，m；λ3為增溫管導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1；r3為增溫管保溫層外半徑，m；λ4為增溫管保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1；α4為增溫管保溫層對空氣的傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1。

由于沼氣池為地埋式，池壁和池底的熱阻遠大于池頂部，且與池頂部熱阻并聯(lián)，因此Qb計算式中忽略池壁和池底的熱量損耗。此外，土壤成分、太陽輻射、空氣流動等都會對相關(guān)系數(shù)造成影響。

初步計算表明：對于保溫性能良好的沼氣池，中溫發(fā)酵用于加熱新投放料液的能量Qa占系統(tǒng)熱耗Q′的90%以上。在浙北地區(qū)，對新進料液加溫至35 ℃，基本可以保證系統(tǒng)在30 ℃以上運行。據(jù)此，按新進料液比熱近似取水的比熱4.2 kJ·kg-1·℃-1，冬季進料溫度取5 ℃做簡單估算，系統(tǒng)冬季每天所需熱量為3 572 MJ。

4 能量供給側(cè)分析

可供選擇的熱量供給方式主要有電熱增溫、熱泵增溫、太陽能增溫、沼氣熱水爐增溫、沼氣發(fā)電回熱增溫。系統(tǒng)運行時，對水加熱，使熱水在增溫管道內(nèi)循環(huán)，熱水熱量透過管道傳遞給料液。此外，還有高溫煙氣增溫法，但設(shè)備和技術(shù)要求較高，不適用于中溫發(fā)酵。

4.1 電熱增溫

熱效率約為80%，冬季耗電量約為3 572 MJ·d-1÷80%=4 465 MJ·d-1=1 250 kW·h·d-1。全天候運行，功率約為50 kW。

4.2 熱泵增溫

耗電量約為電熱膜的35%，即1 240 kWh·d-1×35%=437.5 kW·h·d-1。全天候運行，功率約為18 kW。

4.3 太陽能增溫

集熱面積A=Q/(Iη1)，式中：I為集熱面日照輻射強度，取13.5 MJ·m-2·d-1；η1為太陽能利用率，取65%。經(jīng)測算，太陽能集熱器面積約為400 m2。

4.4 沼氣熱水爐增溫

所需沼氣量V=Qq-1η-1，式中：q為沼氣熱值，取23 MJ·m-3；η為沼氣熱水爐的熱效率，取80%。則，沼氣用量約為195 m3·d-1。

4.5 沼氣發(fā)電回熱增溫

沼氣發(fā)電效率取30%，可回收冷卻水和排氣中的熱量約占沼氣提供總熱量的50%，其余20%未利用。因此，沼氣用量為310 m3·d-1，此時沼氣發(fā)電量為300 kW·h·d-1。假設(shè)沼氣發(fā)電機組滿負荷運行6 h·d-1，則功率為50 kW，具體可結(jié)合養(yǎng)殖場用電實際進行機組配置。

5 技術(shù)實用性分析

目前，沼氣集中供氣在用氣收費問題上，養(yǎng)殖場和農(nóng)戶間往往難以達成一致：農(nóng)戶認為生豬養(yǎng)殖影響環(huán)境，免費供氣理所當然；養(yǎng)殖場認為自己貼錢給農(nóng)戶進行冬季供氣是賠本賺吆喝，還不如繼續(xù)維持原狀。因此，如果采用電熱增溫或熱泵增溫方式雖然可以保障冬季供氣，但后續(xù)運行的電費來源是個問題，模式運行缺乏可持續(xù)性。

太陽能增溫受氣候影響較大，初始投入較高，優(yōu)點是運行維護成本較低。因此，建議不單獨采用，可以與其他增溫方案配合使用。

采用沼氣熱水爐增溫，以氣養(yǎng)氣，工藝簡單，投資少，后續(xù)維護方便，運行成本較低，缺點是相對于養(yǎng)殖場來說，缺乏經(jīng)濟上的吸引力。冬季總產(chǎn)氣量為420 m3·d-1，增溫設(shè)備耗氣量為195 m3·d-1，結(jié)余225 m3·d-1，能基本滿足現(xiàn)有沼氣集中供氣農(nóng)戶使用。

目前，純沼氣發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，購置一套50 kW沼氣發(fā)電機組，發(fā)電300 kW·h·d-1，按0.62元·kW·h-1計，可節(jié)約電費開支6.8萬元·a-1，運行3 a可基本收回投資和運行成本，具有一定的經(jīng)濟效益(表1)。采用沼氣發(fā)電回熱增溫，冬季總產(chǎn)氣量為420 m3·d-1，耗氣量為310 m3·d-1，結(jié)余110 m3·d-1，不能滿足現(xiàn)有沼氣集中供氣農(nóng)戶用氣需求。要保證系統(tǒng)運行的可持續(xù)性，必須進一步解決產(chǎn)氣少的問題。

表1 5種增溫模式的成本與效益對比

6 工藝優(yōu)化

為進一步提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，對原有工藝進行調(diào)整優(yōu)化，將固液分離環(huán)節(jié)后置為對沼渣進行固液分離，從而提高進料濃度，進而提高產(chǎn)氣量。具體實施上：廢水30 t·d-1，TS 5.5%，直接進入沼氣池進行中溫發(fā)酵，從而在水力負荷基本不變的條件下，有機負荷增加43%，產(chǎn)氣量相應(yīng)增加約40%，約為590 m3·d-1，若發(fā)電用氣量不變，則結(jié)余280 m3·d-1，在滿足現(xiàn)有沼氣集中供氣農(nóng)戶用氣需求的情況下還提供了進一步提升項目效益的空間，有利于縮短投資回收期。對沼液沼渣進行固液分離，擠壓分離后產(chǎn)生的固態(tài)物作有機肥使用，產(chǎn)生的液態(tài)物除部分用于沼氣池回沖攪拌外，其余流入沼液池和氧化塘。沼液經(jīng)沉淀和氧化后，除部分用于沖洗豬舍外，其余用于農(nóng)田灌溉施肥。

該技術(shù)工藝除保障農(nóng)戶用氣和提高發(fā)電效益外，還具有以下特點：1)沼渣不具備豬糞的黏性，對沼渣進行固液分離，可以減少固液分離機組故障發(fā)生率；2)固液分離產(chǎn)生的固態(tài)物質(zhì)已經(jīng)過厭氧發(fā)酵，肥效更好；3)中溫發(fā)酵可以提高污水處理效果，同時，沼液回沖攪拌能進一步提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率及沼氣產(chǎn)氣率；4)沼液具備一定的殺菌抗病能力，回用于沖洗豬舍，可實現(xiàn)循環(huán)利用和源頭減量；5)農(nóng)戶用氣通常集中在早上和晚上，以及節(jié)假日等，結(jié)合沼氣發(fā)電，可以平衡用氣，防止沼氣空排；6)夏季產(chǎn)氣較多，農(nóng)戶用氣偏少，又時值用電高峰，可進一步增加發(fā)電量，保障電力穩(wěn)定供應(yīng)，避免拉閘限電對生豬生產(chǎn)帶來的不利影響；7)沼氣發(fā)電產(chǎn)生的多余熱能和電能可直接用于沼液深度凈化處理，從而降低污水處理成本。

7 小結(jié)

以中溫發(fā)酵技術(shù)為核心，通過“沼氣發(fā)電、回熱增溫、沼渣固液分離、沼液回沖”等技術(shù)手段對沼氣工程進行提升改造，可使沼氣系統(tǒng)長年保持在高效快速運行狀態(tài)，促進物質(zhì)能量的多級循環(huán)利用，切實保障生產(chǎn)生活用能，有效改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境[5]，實現(xiàn)養(yǎng)殖場與周邊農(nóng)戶的雙贏，具有很好的推廣價值。