牛场沼气工程设计中的关键问题研究

钱靖华，田宁宁

(北京市环境保护科学研究院，北京100037)

　　摘要：大中型沼气工程作为处理规模化牛场粪污的有效途径，受到广泛关注。牛粪具有含长草、固体含量高等特点，因而对沼气发酵工艺的要求较高。目前，我国的牛场大中型沼气工程都逐步或多或少的显现出设计上的不足。本文通过对牛场沼气工程实例的调查与分析，总结工程设计中存在的主要问题，找出合理的解决方案，推进我国规模化牛场沼气工程的健康发展。

　　近年来，在我国畜牧业迅速发展的同时，其废弃物对环境产生了严重的污染。2005年我国牛存栏量达到了11000多万头[1]。根据测算，1000头规模的奶牛场日产牛粪尿50t，1000头规模的肉牛场日产粪尿20t。这些粪尿除少部分用作肥料外，其余相当数量排放在养殖场的周围，已经成了制约牛场发展的限制性因素。厌氧处理畜禽粪便是目前养殖场粪污处理的有效方式，不仅可以减少其对环境的污染，而且可以获得生物能源———沼气。每吨干牛粪、鸡粪和猪粪(中温发酵)分别可产生沼气约300m3，490m3和420m3[2]。沼气的热值为18017～25140kJ・m-3，相当于1kg原煤或0.74kg标准煤所产的热量[3]。因此，利用畜禽粪便生产清洁能源，对于保护环境和发展可再生能源都有着重要的意义。

　　大中型沼气工程作为处理规模化养殖场粪污的有效途径，已经引起了政府的广泛关注，也得到了许多养殖企业的认同，使我国大中型沼气工程建设得到了较快的发展。规模化牛场沼气工程的建设起步比规模化猪场沼气工程晚，工艺设计经验不足，在现有工程中逐渐显现出一些问题，迫切需要解决。本文通过对一些牛场大中型沼气工程进行调查，结合工程设计实例，总结出设计中存在的问题，并提出了一些改进思路。

　　1牛粪的特性及沼气工程存在的主要问题

　　1.1牛粪的特性

　　目前我国规模化牛场大多数采用干清粪工艺，干清粪工艺由人工或机械收集牛粪，尿及冲洗水则从下水道流出。鲜牛粪的TS浓度一般在15%～22%范围，挥发性固体约占80%。牛粪中的杂质和饲养工艺关系很大，我国大多数牛场实行舍饲散养，所以从运动场清理出来的牛粪含有较多细砂、长草，同时牛粪本身的TS含量高，纤维多，对厌氧发酵的工艺要求较高。牛粪的性质和产气潜力见表1[4]。

　　1.2牛场大中型沼气工程基本工艺流程

　　目前以产能为主的牛场大中型沼气工程基本工艺流程见图1。

　　1.3牛场大中型沼气工程存在的主要问题

　　根据工程经验和对现有几个牛场大中型沼气工程的调查结果，笔者认为目前我国牛场沼气工程中存在着如下突出问题：

　　(1)前处理工艺中牛粪调浆、除草、沉砂、排砂难度大，工人劳动强度大，而且工人操作时还存在一定的危险性；

　　(2)沼气池内产生浮渣难以排除，长期运行会造成排气管、排水管堵塞；

　　(3)沼气工程的升温及保温能源消耗大，不能充分利用热能；

　　(4)沼气工程产生的大量沼液无处消纳，易在牛场周边形成二次污染。

　　2强化前处理工艺设计

　　2.1前处理工艺路线的选择

　　牛粪中含粗纤维较多，而且在收集过程中还会混入垫料、牛毛、饲料残渣和砂砾等，必须进行预处理，同时在预处理阶段需要调节进料浓度、进料温度。预处理是整个沼气工程的咽喉，如果不能确保沼气池的进料质量，将导致沼气池运行不稳定，难以发挥最佳的处理能力，所以在工程设计时应全面考虑前处理工艺，保证能做到流程顺畅，操作简便。

　　我国的大、中、小型农村沼气工程一般沿用UASB低浓度废水(TS0.3%～1.0%)处理技术，或由此延伸的低浓度(TS1.0%～3.0%)沼气转化与污水“达标排放”变种工艺改进技术居多。但从实际工程运行状况来看，养殖场粪污水如果做到达标排放，则建设投资和运行处理成本太高，难以实现。所以牛场粪污治理不如走“能环工程”的路线，即利用牛粪制取沼气，回收能源，沼肥综合利用，这样可以做到养殖场粪污水“零排放”，避免了达标排放的高难度和高成本。牛场粪污的治理路线也就决定了前处理工艺的选择。

　　2.2前处理工艺设计

　　从所调查的实际工程情况来看，前处理工艺在实际运行中存在的问题最为突出。一般沼气池进料浓度控制在TS6%～8%比较合适，需要对牛粪进行稀释混合。料液中的长草、秸秆、泥砂等杂物很多，只要开始进料就需要不断地人工清除杂物，耗费人力较大，且存在一定的危险；经常发生的泵堵塞也常常导致无法正常进料；调节沉砂池在沉砂的同时也造成了料液沉淀，使进入沼气池的料液浓度达不到设计要求；同时沉砂池中的泥砂排出也很困难。

　　综合现有工程的调查情况，在进行前处理工程设计时可以考虑如下处理方案：搅拌粪池设计为圆形池，较少死角；搅拌池和调节池之间设置机械格栅代替人工格栅；减少调节池停留时间，防止料液过多地沉淀；加大搅拌粪池容积，同时在搅拌粪池中设置坡底和砂斗，把大部分泥砂沉淀在搅拌池底部，定期清渣。此外利用沼液回流，可以解决冬季沼液不能农业利用、无处消纳的问题，同时也利用了沼液的余热。为冬季保温和夏季防臭，应该把前处理工艺放到室内。在规模较大的养殖场，可考虑采用水解池替代调节池。一方面水解池可降解水中的大分子有机物为小分子有机物，提高粪水的可生物降解性，另一方面水解池具有降低粪水中SS的功能。

　　2.3厌氧堆肥技术解决牛粪冻块

　　规模化养牛场主要分布在我国的中部和北部，北方冬季运动场牛粪结为冻块，如果直接进冻粪池会消耗大量的热，且不易解冻，还会损坏搅拌机的桨叶，成为沼气工程运行中的一个难题。厌氧堆肥过程是产热过程，可以把厌氧堆肥和粪块解冻相结合。通过在牛粪中添加适量锯末、覆盖塑料薄膜进行厌氧发酵，发酵产热会使粪块解冻，同时厌氧发酵预处理后的牛粪投入沼气池更容易产气，即使在东北也能使粪便解冻，可以解决冬季牛粪结冻进料难的问题。

　　3厌氧消化器的选择与优化

　　3.1厌氧消化器的选择

　　沼气池或称消化器是沼气发酵的核心设备，目前我国牛场大中型沼气工程主要有完全混合式、塞流式、上流式厌氧污泥床(UASB)、升流式固体反应器(USR)等等。

　　完全混合式沼气池内设搅拌装置，或进行水力循环搅拌，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，与常规沼气池相比，处理效率提高，但对于容积大的沼气池，搅拌能耗大。完全混合式沼气池沼渣沼液一起排出，一方面不利于沼肥的后续利用，另一方面沼渣停留时间短，消化不完全。

　　塞流式沼气池用于牛粪厌氧消化效果较好，因牛粪质轻、浓度高，长草多，本身含有较多产甲烷菌，不易酸化，所以用塞流式沼气池处理牛粪较为适宜。塞流式沼气池进料粗放，不用去长草，进料浓度TS可达到12%以上。中国农业大学在内蒙红武农牧公司设计的总容积300m3全地下塞流式沼气池用于处理牛粪，即使冬季也能运行良好。由于塞流式沼气池占地大等原因，建设更大型的沼气工程会有一定的难度。

　　UASB沼气池因具有三相分离器故适用于可溶性废水的厌氧处理，要求较低的悬浮固体含量，在猪场粪水处理中有较多应用。从现有的牛场UASB工程看，三相分离器会出现堵塞问题，可见UASB沼气池不太适合牛场沼气工程，而且一般的UASB沼气池高度在5～6m，产生的浮渣不能自然沉降。

　　USR沼气池适用于高固体含量的畜禽废水处理，目前在牛场粪污处理中应用广泛。原料从底部进入USR反应器，沼液溢流，利用水头压力自动排渣，污泥的停留时间大于水力停留时间，从而提高了固体有机物的分解率和消化反应器的效率，所以笔者认为USR工艺比较适合牛粪的处理。

　　3.2沼气池的搅拌

　　USR反应器从理论上讲不需要搅拌、不需要回流，具有出水澄清功能。但从工程运行情况看，适当的搅拌是有利的，可以提高产气率。搅拌可以使反应器内的物料混合均匀，温度、pH、微生物种群等保持均匀一致，还可以大大降低池底沉积及液面浮渣结壳。

　　目前牛场沼气工程常用的是机械搅拌、水力循环搅拌、沼气搅拌。如果工程采用高压干式储气，为了减少能耗采用沼气搅拌较好。搅拌气源来自干式储气柜，经调压箱调整压力后输入沼气池，搅拌气管及出气孔应在同一水平面内布设，以使出气均匀。为了不影响USR反应器的出水澄清功能，搅拌气管宜布设在污泥层的上方。例如北京某牛场采用沼气搅拌，每2h搅拌一次，每次搅拌10s，搅拌的起动和停止自动控制，这样既可以达到搅拌的目的，又不会因为瞬时搅拌气量过大而增加沼气压缩机的负荷。

　　3.3沼气池除浮渣

　　牛粪中浮渣较多，进入沼气池后会形成浮渣层，影响沼气溢出，同时占据沼气池的有效容积，所以沼气池必须考虑除渣。在全封闭的沼气池内，可以在顶部设置高压水冲洗打碎浮渣层，防止结壳影响沼气溢出；同时设置足够粗的溢流管，防止因为浮渣堵塞出料口而引起爆炸；在沼气池的适当位置要设置水封，既可以保证压力，又起到安全阀的作用。

　　北京某牛场采用了共用池壁的方形USR池，顶部采用红泥塑料覆盖，预留了一条650mm宽的清渣沟，清渣沟和出水堰之间设置了挡渣板，挡渣板深入液面以下1m，防止浮渣进入出水管。同时解决了封闭沼气池因出料口堵塞会产生爆炸的问题和沼气池的除渣问题。红泥塑料是一种新型材料[5]，具有吸热性好、保温性好、耐酸碱、可折叠、易修补、寿命长、密封性好、运输方便等特点。由于其吸热性，在冬季可以起到很好的保温作用。红泥塑料已经在东北多个沼气工程中进行了应用，可以适应北方地区冬季气温。

　　4沼气池的加温与保温

　　为节省能耗，同时保持沼气池具有一定的产气率，一般牛场沼气工程设计运行温度为35℃左右。沼气池消耗的热量主要为新鲜料液加热、沼气池体的散热和管道散热，管道散热量一般为料液加热量和沼气池体散热量之和的10%。因此，为减少能耗，在设计中料液管道、沼气池体应设计保温。

　　沼气池可内设加热盘管，但笔者不推荐使用，因为盘管易表面结垢，降低换热效率，维修时需要清空消化池，造成停产。从实际工程来看，外部换热器更易于维护，使用方便，可以使料液在进入沼气池前被加热；也可以用于沼气池内的料液保持恒温，即用泵把料液抽出经过换热器，再回到沼气池，同时对沼气池起到搅拌作用。因为牛粪含纤维多，为防止堵塞，螺旋板式换热器效果较好。同时为防止换热器结垢，内部循环水水温须保持在68℃以下[6]。利用蒸汽直接给料液加温，热效率最高，采用蒸汽加热应把进料温度加热到比设计运行温度高2～3℃。如果沼气发电，可以利用发电余热加温，但是对于装机容量较小(如100kW以下)的工程，余热利用价值不大。此外，沼气池溢流沼液回流到搅拌池，是很好的余热循环利用方式，同时还可以减少沼液产生量。

　　5利用沼肥发展生态农业和绿化种植

　　从所调查的工程来看，沼液的出路问题是困扰大中型沼气工程的因素之一，规模化牛场每天排放的沼液量相当可观，有的甚至已经造成了二次污染。只经过厌氧处理的沼液，尚难达到排放标准。近年来，由于生态农业的发展，增施有机肥料的呼声越来越高。沼气工程的建设应从单纯获取能源转向以治理环境为主，沼气、沼渣和沼液的有效综合利用，逐步形成较为系统、综合的“能环工程”。

　　沼液中含有氮、磷、钾、钙、铜、锌、铁、B族维生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物质，并且经沼气厌氧发酵后，约95%的寄生虫和有害细菌被杀灭[7]。因此，发酵后的沼液是很好的液体有机肥料。用沼液喷施蔬菜、果树和农作物，除具有良好肥效外，还有抗寒、抗病虫害和增产的作用，这是沼液一个很好的利用途径。一般规模化牛场都在郊区，其周边有大量农田，大中型牛场沼气工程的建设与发展必须与农业生产相结合，同时提高农产品价值和促进牛场的可持续发展。北京蟹岛生态度假村严格按照有机农业的标准进行生产，不使用任何化学农药与化肥，大田与日光温室已连续施用沼液、沼渣多年[8]，内蒙某牛场利用沼肥生产牧草，都取得了很好的经济效益。

　　同时，由于城市的发展，城市绿化面积越来越大，城市绿化的需肥量也在不断增高。如果沼肥能够进一步的深加工，生产成易于运输的成本肥，将更加有利于沼肥的销纳，同时减少城市中化肥的使用量，提升城市的生态环境质量。

　　近几年，人们同时注意到由于饲料中添加剂的使用导致沼肥中存在重金属和抗生素，研究者正在进行去除沼肥中重金属、抗生素以生产更安全沼肥的科研攻关，将来的沼肥将成为更安全的有机肥料。

　　6牛场沼气工程设计中值得注意的几个问题

　　(1)前处理工艺在牛场沼气工程中尤为重要。前处理既要功能完善又要降低工人的劳动量，应完成料液的浓度调节、水量调节、去除长草、去除泥砂、升温等功能。调节池不宜停留时间过长，避免造成进料浓度不够。如果有条件，为防臭防冻，前处理工艺宜放进室内。

　　(2)机械格栅代替人工格栅可大大减轻工人的劳动量。宜选用大流量潜污泵，防止堵塞。

　　(3)对于牛场的沼气工程，宜采用USR反应池，沼气池必须考虑排渣。

　　(4)容积较大的USR反应池应采用适当的搅拌，但搅拌强度不宜过大，避免发酵微生物随溢流沼液损失。

　　(5)沼气池的沼气收集管道管径应适当加大，防止被浮渣堵塞，产生危险。对于重力流的管道应尽量增加其坡度。

　　(6)应重视沼气、蒸汽系统管路的保温及防腐，尽可能选择高质量的管材。

　　(7)沼气脱硫十分重要，它将影响后续工艺的运行效果及设备的使用寿命。

　　(8)沼气输气管网应适当设置排水装置，并按一定坡度进行铺设。

　　(9)沼气工程运行复杂，应注意安全。沼气工程厂区内应按规范设置消防栓，压缩机、锅炉房风机、电灯、开关等宜选用防爆设备。

　　7结论

　　目前，沼气工程已经发展为“能源+环保”与“能源+生态”两种模式，但前者运行成本高，后者应用较为广泛且更适合于一些周边有适当的农田、鱼塘或水生植物塘的养殖场，它以生态农业的观点统一筹划、系统安排，使周边的农田、鱼塘或水生植物塘完全消纳处理后的粪污水，经粪便处理和资源化利用系统后，形成一个生态农业园区。牛场沼气工程除了要因地制宜选择合理的处理模式、设计规模和工艺技术外，还要加强养殖场自身的管理，协调好沼气工程与周围种植业的供求关系。随着沼气工程技术和沼肥利用技术的日趋完善，规模化牛场粪污的彻底治理必将指日可待。

　　参考文献：

　　[1]中国畜牧业信息网统计数据.:

　　[2]农村家用沼气发酵工艺规程[P].GB9958—88.

　　[3]刘树民，韩靖玉，岳海军.中国北方寒冷地区沼气的综合开利用[J].内蒙古农牧大学学报，2002，24(4)：83-86.

　　[4]周梦津，张榕林，蔺金印.沼气实用技术[M].化学工业出版社，2004：56，211.

　　[5]张冲，黄志心，陈家钊，等.红泥塑料厌氧工艺处理猪场养殖污水[J].农业环境科学学报，2006，25(增刊)：176-178.

　　[6]华东建筑设计研究院主编.给水排水设计手册第五册[M].中国建筑工业出版社.2002版.

　　[7]Lin Cong，ang Yuxin.An exploration on the technology of waste treatment and comprehensive utilization in stock farm[G]//Proceedings of 2000 International Symposium on Biogas Technology and Sustainable Development Beijing：Chinese Agriculture Ministry，2000：313-316.

　　[8]王小玲，林聪，王宇欣，等.以沼气为纽带的生态度假村有机废弃物资源利用研究[J].中国沼气，2004，22(2)：30-33.