一、國(guó)外沼氣工程技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

自50年代起，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的集約化養(yǎng)殖，在城鎮(zhèn)郊區(qū)建立集約化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)。由于每天有大量糞便及污水產(chǎn)生，難以處理利用，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。與此同時(shí)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家迅速采取措施加以干預(yù)和限制，并通過(guò)立法進(jìn)行規(guī)范化管理。如：規(guī)定每個(gè)生產(chǎn)點(diǎn)允許飼養(yǎng)的畜禽數(shù)；建場(chǎng)時(shí)必須有糞便和污水的儲(chǔ)存、處理和利用設(shè)施；未經(jīng)許可不得將污水排入河流和自己挖的糞池；糞便未經(jīng)無(wú)害化處理不得施入耕地。同時(shí)還制定了相應(yīng)的處罰條例。由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染重、影響范圍廣，而且存在安全衛(wèi)生和流行疫病隱患，因此一直是各國(guó)政府重點(diǎn)管控的領(lǐng)域。從政策法律、技術(shù)手段、預(yù)防管理等多個(gè)層面進(jìn)行了綜合整治，并取得了顯著成效。

美國(guó)在聯(lián)邦水污染法中的規(guī)定側(cè)重于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)建設(shè)管理，超過(guò)一定規(guī)模的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，建場(chǎng)必須通過(guò)環(huán)境許可。美國(guó)現(xiàn)有處理市政污水的土地和穩(wěn)定塘處理系統(tǒng)2萬(wàn)多個(gè)，約為該國(guó)污水處理廠的13倍。該技術(shù)也可以處理一定量畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)排出的糞污，它保證養(yǎng)殖場(chǎng)在獲得利潤(rùn)的同時(shí)，保持良好的環(huán)境。此項(xiàng)技術(shù)是有占地面積少，維護(hù)保養(yǎng)要求少的優(yōu)點(diǎn)，但建造人工濕地所需的一次性投資費(fèi)用較高。美國(guó)已將畜禽糞污的處理利用作為一門(mén)“糞便科學(xué)”開(kāi)展了深入研究，對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的管理和要求都比較嚴(yán)格，尤其對(duì)大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)。從政府、科研單位到生產(chǎn)者都十分重視環(huán)境保護(hù)問(wèn)題建議加強(qiáng)“環(huán)保型”飼料和糞污處理利用技術(shù)方面的研究，為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。其畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)多采用防滲的氧化塘(污水塘)處理和貯放糞污，但應(yīng)防止氧化塘滿(mǎn)溢而造成地表滲流污染(如在雨季)及注重糞污的利用，同時(shí)也運(yùn)用現(xiàn)代微生物技術(shù)和生物發(fā)酵工藝。如：利用發(fā)酵塔和造粒機(jī)等加工設(shè)施，對(duì)畜禽糞便通過(guò)快速發(fā)酵、脫臭和添加復(fù)合微肥等生產(chǎn)工藝進(jìn)行工廠化生產(chǎn)；以及將畜禽糞便加工成系列復(fù)合有機(jī)肥料。

加拿大對(duì)畜禽污染的治理以畜禽糞便的綜合利用為主。加拿大由于禁止將畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污水排放到河流中，而是必須將液體肥料還田使用，無(wú)需花費(fèi)大量的資金投入到污水處理上，故堆肥發(fā)酵處理方法在加拿大廣泛使用。堆肥發(fā)酵處理首先要建堆肥處理場(chǎng)，但堆肥場(chǎng)必須建防滲層，地面正常是水泥結(jié)構(gòu)，也可用粘土層作為防滲層。發(fā)酵的填料可用鋸末、樹(shù)葉、碎木片、秸稈等。定期翻動(dòng)，并不斷通氣和控制水分含量，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程約需2－3個(gè)月。對(duì)畜禽糞便環(huán)境污染的管理主要從畜牧業(yè)與農(nóng)業(yè)的高度結(jié)合，由充足的土地進(jìn)行消化作為解決畜禽污染的出發(fā)點(diǎn)。

日本在70年代發(fā)生嚴(yán)重的“畜場(chǎng)公害”后，政府制定了《廢棄物處理與消除法》、《防止水污染法》和《惡臭防止法》等7部法律，對(duì)畜禽污染管理作了明確的規(guī)定。日本多采用干清糞工藝，大大降低了處理投資和成本。

新加坡政府規(guī)定，養(yǎng)豬場(chǎng)的污水排放必須小于250毫克／升。為此，養(yǎng)豬場(chǎng)需付出相當(dāng)高的代價(jià)，相當(dāng)于每銷(xiāo)售一頭豬分?jǐn)?.45美元。

歐洲在畜禽養(yǎng)殖污染防治和沼氣能源工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究和應(yīng)用實(shí)踐方面，其技術(shù)水平和管理經(jīng)驗(yàn)在世界上位居前列，歐洲也是世界上大中型沼氣廠最普及的地區(qū)。歐洲沼氣技術(shù)發(fā)展開(kāi)始于上世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)人們開(kāi)始重視可再生能源和綠色能源。到1982年，歐洲已經(jīng)建成546處厭氧消化設(shè)施，總沼氣池容為296000m³，這批沼氣裝置普遍存在有管道堵塞、配套設(shè)備質(zhì)量差、沼氣利用方式落后、效率不高等問(wèn)題，從而導(dǎo)致沼氣工程經(jīng)濟(jì)效益差，部分沼氣池停止使用。從1980年代末到1990年代期間，歐洲建造的沼氣工程數(shù)量相對(duì)較少，但消化工藝和裝備質(zhì)量都明顯提高，工程造價(jià)也相對(duì)降低。這些裝置主要采用全混合或推流式厭氧工藝，中溫發(fā)酵，HRT為20~30天，消化處理單一原料，沼氣主要用于室內(nèi)供暖或熱電聯(lián)用。在技術(shù)上，中溫和高溫下的產(chǎn)氣率可達(dá)5m³/m³·d，百千瓦量級(jí)的沼氣發(fā)電機(jī)組每立方米沼氣發(fā)電量可達(dá)1.4－2.6kWh，發(fā)電效率高達(dá)40%左右。

歐洲的沼氣工廠在90年代進(jìn)入快速發(fā)展期，到2000年以后歐洲的沼氣產(chǎn)業(yè)更是得到了迅猛發(fā)展。在1997年，歐洲僅有沼氣工廠767座，2004年發(fā)展到4000多座。以德國(guó)為例，德國(guó)在1997年擁有沼氣廠500座，2000年發(fā)展到1000座，截至2006年，已經(jīng)突破3500座。歐洲的沼氣工程得到迅速發(fā)展的根本原因，在于歐洲各國(guó)對(duì)可再生能源的鼓勵(lì)政策（各國(guó)政府相繼制定了發(fā)電上網(wǎng)優(yōu)惠政策）、嚴(yán)格的環(huán)保法律和政府引導(dǎo)下的經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)。

圖1 丹麥沼氣工廠的發(fā)展歷程

近十年來(lái)在歐洲建造的大多數(shù)農(nóng)場(chǎng)沼氣池都類(lèi)似于集中厭氧消化系統(tǒng)，既處理畜禽養(yǎng)殖糞便，也處理周邊的有機(jī)廢物。區(qū)別在于經(jīng)營(yíng)者為個(gè)體，而不是農(nóng)民合作協(xié)會(huì)或社區(qū)經(jīng)營(yíng)；裝置規(guī)模也較小。新建設(shè)的厭氧消化裝置多采用55~70℃的消化溫度，這樣有利于消毒和滅活雜草種子。

集中厭氧消化系統(tǒng)代表了目前歐洲沼氣工程的發(fā)展趨勢(shì)。即將一定區(qū)域內(nèi)相鄰的農(nóng)場(chǎng)畜禽糞便和其他有機(jī)廢物收集、運(yùn)輸?shù)揭惶幷託庹炯刑幚恚袇捬跸b置的優(yōu)點(diǎn)是有一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，可采用較先進(jìn)的厭氧消化工藝和裝置，從而處理效率更高，裝置由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民合作協(xié)會(huì)或社區(qū)投資和經(jīng)營(yíng)。其他有機(jī)廢物包括市政污泥、農(nóng)業(yè)加工廠廢物等。集中厭氧消化系統(tǒng)是沼氣技術(shù)發(fā)展到今天，是順應(yīng)環(huán)境可持續(xù)行動(dòng)的結(jié)果，將更有利于對(duì)有機(jī)廢物的管理和循環(huán)利用。集中厭氧消化系統(tǒng)發(fā)展較快的歐洲國(guó)家主要是丹麥、德國(guó)、英國(guó)和瑞典。

圖2 德國(guó)典型的沼氣工廠

圖3 丹麥典型的沼氣工廠

集中厭氧消化系統(tǒng)最早于在1980年代末從丹麥開(kāi)始運(yùn)作。消化裝置規(guī)模在2000~4000m³，采取中溫或者高溫厭氧，消化工藝主要是CSTR和推流式消化工藝，停留時(shí)間在12~20天。沼氣一般用于當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)集中供熱，或熱電聯(lián)用。沼渣或者直接撒播還田，或者經(jīng)過(guò)固液分離后，制作肥料。

圖4 歐洲典型的沼渣沼液施肥還田方式

下表是對(duì)歐洲和中國(guó)的沼氣工程技術(shù)進(jìn)行的簡(jiǎn)要分析比較。

表1 歐洲和中國(guó)的沼氣工程技術(shù)

當(dāng)前，歐洲在沼氣能源工程領(lǐng)域幾個(gè)主要的技術(shù)發(fā)展方向如下：

（1）增加單位生物原料的沼氣產(chǎn)量；

（2）提高固體物質(zhì)的減少量；

（3）強(qiáng)化預(yù)處理，在70℃及133℃殺菌消毒；

（4）減少停留時(shí)間（嗜熱細(xì)菌減少4-6天，嗜溫細(xì)菌減少7-10天）；

（5）注重設(shè)計(jì)，減少移動(dòng)設(shè)備和機(jī)電消耗；

（6）全過(guò)程監(jiān)控和無(wú)人值守管理；

（7）降低運(yùn)行成本。

二、我國(guó)沼氣工程技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

我國(guó)于1979年召開(kāi)了全國(guó)沼氣工作會(huì)議，1980年成立了沼氣工程協(xié)會(huì)，大中型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程技術(shù)在近幾年得到快速發(fā)展。到2005年底，全國(guó)已建成養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程3500處。

經(jīng)過(guò)近年來(lái)大中型沼氣工程的實(shí)踐和探索，證明比較成功的技術(shù)有上流式厭氧污泥床（UASB）、全混式厭氧工藝（CSTR）、上流式污泥床（USR）和塞流式反應(yīng)器（HCF）等工藝。

UASB工藝是上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的一種適用于低SS工業(yè)有機(jī)廢水的厭氧處理工藝，并被應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的污水處理，其原理是先對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)污水進(jìn)行固液分離，污水進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)器進(jìn)行厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生沼氣，出水往往需進(jìn)一步好氧處理達(dá)標(biāo)排放，是一種以環(huán)保治理為主，生產(chǎn)能源為輔的能源環(huán)保型沼氣工程工藝；USR工藝采用上流式污泥床原理，無(wú)內(nèi)部機(jī)械攪拌，產(chǎn)氣率在中溫條件下，視原料不同在0.8-1.2m³/m³之間；HCF工藝是一種全混式工藝，80年代從歐洲引進(jìn)，其原理是將糞污按照TS濃度8-12%調(diào)配，直接進(jìn)入帶攪拌器的HCF反應(yīng)器進(jìn)行厭氧反應(yīng)，產(chǎn)氣率在中溫條件下視原料不同在0.8-1.2m³/m³之間，產(chǎn)生的沼渣沼液直接用于農(nóng)田施肥，也是典型的能源生態(tài)型沼氣工程工藝。CSTR工藝的進(jìn)料TS濃度在6-12%范圍內(nèi)，原料泵入帶有機(jī)械攪拌的CSTR反應(yīng)器，其容積產(chǎn)氣率視原料和溫度不同，通常在1.0-5.0m³/m³之間，運(yùn)行穩(wěn)定性好，產(chǎn)氣率較高。

對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品深加工高濃度有機(jī)廢水處理工藝的核心技術(shù)而言，主要有上流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）、厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC）、厭氧過(guò)濾器（AF）和厭氧復(fù)合床（UFB）等工藝，受進(jìn)料中的懸浮物（SS）濃度的限制，這些工藝只適用于單純的廢水處理，不適宜用于養(yǎng)殖糞污的處理和綜合利用。

圖5 國(guó)內(nèi)某萬(wàn)頭奶牛場(chǎng)大型沼氣發(fā)電工程

三、沼氣工程的設(shè)計(jì)原則和工藝選擇

根據(jù)我國(guó)國(guó)情，在沼氣工程的工藝選擇時(shí)，一定要結(jié)合糞污原料量、沼渣沼液消納等情況，因地制宜，選擇最佳的工藝技術(shù)路線。畜禽養(yǎng)殖大中型沼氣工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是以循環(huán)利用為基本立足點(diǎn)，以“減量、廉價(jià)、實(shí)用”為原則，合理規(guī)劃，防止結(jié)合，綜合治理。應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）資源化原則

（2）無(wú)害化原則

（3）經(jīng)濟(jì)性原則

（4）設(shè)備成套化原則

基于此，應(yīng)對(duì)常用的沼氣工程工藝進(jìn)行分析比較，結(jié)合需要選擇合適的工藝技術(shù)。

表3 國(guó)內(nèi)外沼氣工程主要工藝應(yīng)用調(diào)查表

表4 沼氣工程常用工藝分析比較表

類(lèi)別	CSTR	UASB	HCF	USR
原料范圍	所有畜禽原料	高COD污水 畜禽污水	所有畜禽原料	豬糞、雞糞
原料TS濃度	6-12%	<1%	8-12%	3-5%
水力停留時(shí)間	15-30天	1-5天	10-30天	8-15天
單位能耗	高	高	低	中等
單池容積	500-4000m3	200-5000m3	100-300m3	200-2000m3
操作難度	高	高	低	中等
產(chǎn)氣率	1.0-15.0 m3/m3	不定	0.8-2.0 m3/m3	0.4-1.2 m3/m3
經(jīng)濟(jì)效益	較佳	較低或負(fù)效益	中等	偏低

經(jīng)過(guò)以上對(duì)比分析可以看出幾種工藝各有所長(zhǎng)，USR工藝作為國(guó)內(nèi)較成熟的工藝，尤其適用于中部和南部養(yǎng)豬場(chǎng)糞污處理和集中供氣沼氣工程，在北方地區(qū)冬季運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益不佳；HCF工藝適合各類(lèi)小型糞污處理沼氣工程，有較廣闊的應(yīng)用空間；UASB工藝適用于養(yǎng)豬場(chǎng)的污水處理能源環(huán)保型沼氣工程，應(yīng)用范圍較窄；應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，效益高的工藝是CSTR工藝，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

通常，業(yè)主可根據(jù)自身的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模來(lái)初步判斷和選擇沼氣工程的工藝和方案，下表可提供這方面的參考。

表5 利用畜禽養(yǎng)殖規(guī)模選擇沼氣工程工藝的參考方法

目前常規(guī)的流行工藝系統(tǒng)一般由以下部分組成，即：

①預(yù)處理單元。包括預(yù)處理池、調(diào)配池、增溫裝置和固液分離設(shè)備等裝置。這些設(shè)備設(shè)施對(duì)于保證沼氣工程系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

②厭氧消化單元。是工藝的核心組成部分，如CSTR、USR等消化裝置已被廣泛應(yīng)用，決定了系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能和運(yùn)行方式。

③沼氣收集、貯存及輸配單元。它包括氣水分離、凈化脫硫、貯氣輸氣和沼氣燃燒等設(shè)備。

④沼氣利用單元。結(jié)合實(shí)地需要，沼氣可用于發(fā)電、戶(hù)用、大棚增溫以及深加工作為車(chē)用燃?xì)獾取?/p>

⑤沼渣沼液處理單元。包括沼渣沼液儲(chǔ)存、固液分離和深加工作有機(jī)肥等的設(shè)備設(shè)施，有利于改善整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。

典型的沼氣工程工藝流程如下：

圖6 沼氣工程的工藝流程及組成單元

四、沼氣工程的核心設(shè)備

（1）沼氣工程預(yù)處理單元

圖7 沼氣工程的部分原料預(yù)處理裝置

圖8 沼氣工程的部分原料輸送裝置

圖9 沼氣工程的部分增溫保溫設(shè)施

（2）沼氣工程厭氧消化單元

圖10 沼氣工程常用的厭氧消化裝置

（3）沼氣工程儲(chǔ)氣單元

圖11 沼氣工程常用的儲(chǔ)氣柜

（4）沼氣工程沼氣凈化單元

圖12 沼氣工程常用的沼氣凈化裝置

（5）沼氣工程沼氣發(fā)電單元

圖13 沼氣工程常用的沼氣發(fā)電機(jī)組

（6）沼氣工程固液分離單元

圖14 沼氣工程的固液分離裝置

參考文獻(xiàn)：

1、世界沼氣技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展簡(jiǎn)述

2、國(guó)內(nèi)外大中型沼氣工程的調(diào)研現(xiàn)狀報(bào)告

3、中國(guó)沼氣技術(shù)發(fā)展與展望

4、中國(guó)沼氣技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)進(jìn)展情況綜述

5、中國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究

6、畜禽場(chǎng)沼氣工程技術(shù)目前情況及前景分析

7、德國(guó)沼氣技術(shù)考察報(bào)告（沼科所）

8、丹麥沼氣技術(shù)考察報(bào)告（天人公司）

9、德國(guó)沼氣工程技術(shù)考察及思考

10、大中型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程發(fā)展的障礙因素分析

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