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畜牧業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí),產(chǎn)生了大量的畜禽糞  污。據測算,全國規?；笄蒺B殖場(chǎng)每年產(chǎn)生畜禽  糞污20.5億噸,仍有56%未得到有效利用。畜  禽養殖廢棄物具有高含固率、高有機物、高氮磷以及  含有大量的病原微生物和寄生蟲(chóng)卵等特點(diǎn),遠超過(guò)  了自然界的自?xún)舴纸饽芰?若不科學(xué)處理,將嚴重污染大氣、水體及土壤等環(huán)境,并會(huì )傳播疾病,同時(shí)也  會(huì )影響畜牧業(yè)自身的可持續發(fā)展。因此,將畜禽廢  棄物進(jìn)行無(wú)害化和資源化處理利用對降低環(huán)境污染有著(zhù)重要的意義2-3)。  黑膜沼氣池厭氧消化技術(shù)是處理畜禽糞便的有效途徑之  不僅能實(shí)現畜禽養殖廢棄物的無(wú)害化處理與多層次資源化的利用+5,也能產(chǎn)生沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)或生產(chǎn)生物質(zhì)天然氣維持畜禽養殖行業(yè)的可持續  發(fā)展。雞糞作為占據重要比例的畜禽廢棄物,其黑膜沼氣池厭氧處理技術(shù)與其他畜禽廢棄物有著(zhù)顯著(zhù)不同。雞的消化道僅為體長(cháng)的7倍,飼料在消化道內的停留時(shí)間較短(4h),因此對攝入的飼料消化吸收率很低,約70%的營(yíng)養物被直接排出體外,是所有禽畜糞便當中養分是最高的,其含粗蛋白28.7%,粗纖維2.8%,粗脂肪12.5%,粗灰分21.4%,有機質(zhì)68.2%(7。雞糞C/N較低,高濃度黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中易造成氨氮富集從而導致消化過(guò)程的抑制作用出現8l。Cali1等曾報道,pH值為7.4,總氨氮超過(guò)3000mg·L時(shí)就會(huì )對發(fā)酵微生物產(chǎn)生毒抑制作用。

Adderley等研究表明總固體含量為2.5%的  發(fā)酵時(shí)其揮發(fā)酸量最大化且產(chǎn)甲烷細菌活性最準  氨抑制是影響黑膜沼氣池厭氧消化穩定性的重要因素  游離氨起主要抑制作用,抑制濃度受pH值、溫  底物、微生物等多方面因素影響。目前關(guān)于  解除方法的研究主要集中在調節工藝參數控制游離  氨濃度和通過(guò)馴化提高微生物對氨的耐受能力  通過(guò)調節工藝參數來(lái)控制氨濃度,必然會(huì )引起其因素的變化,例如通過(guò)降低溫度降低氨抑制時(shí)會(huì )低污泥活性,降低P值時(shí)會(huì )增加VFA濃度引  ⅤFA積累抑制等問(wèn)題;因而通過(guò)馴化耐高氨氮的生物是解決黑膜沼氣池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馴化,接討高濃度高氨氮雞糞的黑膜沼氣池厭氧消化技術(shù),以期對我國規?；u糞沼氣工程的設計與運行提供參考。

1高濃度黑膜沼氣池厭氧的工藝流程

高濃度純雞糞工程需要有適應超高氨氮濃度的甲烷菌進(jìn)行黑膜沼氣池厭氧消化協(xié)同作用,需要采用特定化的方式進(jìn)行培養以應對高濃度雞糞的黑膜沼氣池厭氧消化  大型雞糞沼氣工程的工藝圖如1所示。沿  程一般分為4大階段:

1)雞糞運輸與廢水輸送  段;2)預處理階段;3)黑膜沼氣池厭氧產(chǎn)沼與沼氣凈化貯存  階段;4)產(chǎn)品高效利用階段;產(chǎn)品利用主要分為氣與沼液兩方面。

養殖場(chǎng)產(chǎn)生的雞糞和污水通過(guò)車(chē)輛或管道輸送有  至水解除砂池和集水池,雞糞經(jīng)污水稀釋調配Ts  濃度為8%-12%后,在水解停留時(shí)間2d,經(jīng)水解  除砂后雞糞物料TS濃度為7%~10%,通過(guò)螺桿泵  泵入兩級黑膜沼氣池厭氧消化系統。黑膜沼氣池厭氧消化采用CsTR黑膜沼氣池厭氧  反應器兩級發(fā)酵,設置停留時(shí)間20-25d。同時(shí),在  級發(fā)酵罐之間設置回流泵,將二級黑膜沼氣池厭氧罐的污  泥部分回流至一級罐,提升一級罐內污泥含量,緩沖  一級罐內高負荷,提高沼氣產(chǎn)生效率,同時(shí),減少了污泥流失。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入脫硫系統脫硫后  發(fā)電上網(wǎng)或脫碳提純制備生物天燃氣,沼液沼渣則用于周邊果園及農業(yè)種植使用。

在黑膜沼氣池厭氧調試運行初期時(shí),通過(guò)調控水解溫度、物料pH值及TS濃度、進(jìn)料負荷、罐內溫度等逐步馴化培養耐高氨氮黑膜沼氣池厭氧污泥,其培養馴化周期需要半年左右。

2工程案例

2.1山東民和牧業(yè)3MW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,2008年10月調試運行的大型沼氣發(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(chǎng),每天產(chǎn)生的雞糞(TS20%)500噸和污水500方作為原料進(jìn)行黑膜沼氣池厭氧消化,產(chǎn)生的沼氣用于沼氣發(fā)電并網(wǎng),發(fā)電機組余熱用于發(fā)酵系統自身增溫。該項目日產(chǎn)沼氣3000m,日發(fā)電600k0h,并人電網(wǎng),年發(fā)電量200萬(wàn)kWh,每年可獲發(fā)電收益1300萬(wàn)元,發(fā)酵后的沼  液部分直接施用于周?chē)咸?、蘋(píng)果和玉米等農田,另

有3001·d-的沼液用于沼液資源化利用項目生產(chǎn)高端葉面肥,既減少了化肥的使用量,又實(shí)現了資源的循環(huán)利用和污染物的零排放。該項目實(shí)現年減排  溫室氣體6.7萬(wàn)噸CO2當量,是國內首個(gè)在聯(lián)合國完成清潔發(fā)展機制( Clean Development Mechanism,  CDM)碳交易的農業(yè)領(lǐng)域沼氣項目3。

該項目于2008年10月開(kāi)始投料調試運行,至今已穩定運行9年以上,其工藝運行可靠、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)行監測,數據見(jiàn)圖2~圖5。在此期間項目平均每日進(jìn)料210噸雞糞,黑膜沼氣池厭氧進(jìn)料濃度TS6.1%~8.1%,一級發(fā)酵罐平均濃度TS39%,二級發(fā)酵罐平均濃度TS4.1%,沼液罐出水平均濃度TS3.4%;各級發(fā)酵物料pH值8.0~8.2;級發(fā)酵罐揮發(fā)酸平均4760mg·L',二級發(fā)酵罐揮發(fā)酸平均3823mg·L-1,沼液罐出水揮發(fā)酸平均2912mg·L;各級發(fā)酵罐總堿度(以CaCO3計)在9500mgL-1-110g·L之間,氨氮濃度均達到5000mg·L-以上,平均日產(chǎn)沼氣22594m3,平均日發(fā)電46550kWh,項目沼氣產(chǎn)量未受氨氮影響,通過(guò)核算該項目實(shí)際運行中雞糞TS產(chǎn)氣率大于500m3t-'。沼氣經(jīng)過(guò)生物脫硫塔脫硫處理后,其甲烷濃度60%~70%,沼氣脫硫前5000pm~6000ppm,脫硫后200pm以下,硫化氫去除率超過(guò)96%。

根據監測結果,雞糞原料中揮發(fā)性固體( volatilesolid,vS)占TS比例為67%,總氮占VS比例為8.3%。黑膜沼氣池厭氧消化所能承受的最大游離氨為0.5gm231). McCarty和 McKinney報道,150mg·L非離子化氨具有抑制作用;根據 Koster和 Lettings

的研究,當NH4-N為2323mg·L時(shí),觀(guān)察不到任何影響,當NH4N為4050~5730mg·L范圍內,甲烷菌喪失56%的活性; Soubes等研究NH4N毒性,發(fā)現pH值為中性時(shí)1C為4000mg·L。蔣彬1的研究則表明在氨氮抑制甲烷化過(guò)程中離子態(tài)NH4N是主要的抑制劑,而非大多數學(xué)者所認同的游離氨氮,其與細胞內其它陽(yáng)離子的交換是導致產(chǎn)甲烷菌代謝失調的主因。何仕均1等研究發(fā)現當氨氮濃度小于0.4g·L時(shí),對體系表現為促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用:當氨氮濃度大于0.8gL時(shí),開(kāi)始表現為抑制產(chǎn)甲烷作用,并且隨著(zhù)氨氮濃度的繼續提

高,黑膜沼氣池厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性顯著(zhù)下降。同時(shí)  究表明氨氮對黑膜沼氣池厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性的影響與反應  系的堿度及污泥濃度等有關(guān),在一定范圍內提贏(yíng)  應體系的堿度或污泥濃度可以提高反應器對氨氮產(chǎn)  烷毒性的忍耐能力。于芳芳8等,研究表明,當Cm  為6O0ng,L時(shí),氨氮對產(chǎn)甲烷茵產(chǎn)生毒害作用流  度為1500L-1,C0為400mg:L1,毒性周期的最  大產(chǎn)甲烷速率為92mLh,氨氮的平均去除率為1  17%;去除高濃度氨氮廢水后,黑膜沼氣池厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲  性有不同程度的恢復在毒性實(shí)驗中受到的抑制作用  越小,產(chǎn)甲烷活性恢復得就越快、越完全。  實(shí)際表明經(jīng)一定周期的工程馴化調試,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目

江蘇省大豐市畜禽糞污集中處理綜合利用項日  為通過(guò)處理大豐市大豐港及周邊區鎮220t·d的  雞糞并生產(chǎn)生物質(zhì)燃氣。雞糞通過(guò)黑膜沼氣池厭氧消化每天可  生產(chǎn)沼氣約20000m3,其中平均每天約18%的沼氣  用于發(fā)酵系統自身增溫,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  m3,年產(chǎn)生物天然氣約350萬(wàn)m3;發(fā)酵后的沼液渣分別進(jìn)入有機肥廠(chǎng)進(jìn)行深度加工。

該項目綜合利用周邊養殖糞污,既開(kāi)發(fā)了生物質(zhì)能源,有效利用了資源,又減少了周邊養殖生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境污染,改善了當地的生態(tài)環(huán)境,實(shí)現現代養殖業(yè)的綠色可持續發(fā)展。項目建成后,實(shí)現年減排

溫室氣體4.5萬(wàn)噸CO2當量。該項目于2014年開(kāi)工建設,2015年6月開(kāi)始投料調試運行,至今已穩定運行近2年,表1是項目調試完成后從2015年9月至2016年12月期間各工藝段運行監測的數據。

從表1可以看出,該項目雞糞水解除砂后原料  7S濃度平均8.35%,最高到10.2%;發(fā)酵物料pH  值78=82,MA平均400mg:1,總堿減度(以  CaCO3計)平均10100mg·L1,氨氮維持在5200  5700mg·L1,其Ts產(chǎn)氣率維持在460~510  m3d-2,其波動(dòng)受周邊各養殖場(chǎng)原料影響。  

2.3臺灣石安牧場(chǎng)日處理80t雞糞沼氣發(fā)電項目  

臺灣石安牧場(chǎng)日處理80t雞糞沼氣發(fā)電項目  采用CSTR發(fā)酵工藝,設計處理雞糞80t·d-1,生產(chǎn)  沼氣8,00md2。沿氣全部用來(lái)發(fā)電,每天可產(chǎn)  16.00kW:h電,所發(fā)電量除少量用于養殖場(chǎng)雞舍  自用外,剩余全部上網(wǎng)供市電使用,發(fā)電機余熱為發(fā)  酵系統本身供熱。發(fā)酵后的沼液全部被用作臺灣高  雄市阿蓮鄉周邊果園及蔬菜等種植過(guò)程中的有機肥施用于農田中。

該項目于2014年年初動(dòng)工建設,2014年10月  開(kāi)始投料調試運行,現已穩定運行接近3年時(shí)間。  2016年8月對工程進(jìn)行監測,數據見(jiàn)圖7~圖10。項目黑膜沼氣池厭氧消化系統每日雞糞投加量在50-60t,經(jīng)稀釋調配及除砂后黑膜沼氣池厭氧罐進(jìn)料TS濃度維持在78%,發(fā)酵物料pH值7.9~8.1,揮發(fā)酸濃度平均5720mg·L,總堿度(以CaCO3計)平均29860mgL,氨氮濃度維持在5100~5600mgL1,其特有的發(fā)酵環(huán)境使得該系統可在高揮發(fā)酸和高氨氮下穩定運行,每日沼氣產(chǎn)量6000~7000m3,其原料產(chǎn)氣率達到110m3+t-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65%~70%,硫化氫含量小于50pm,去除率高達到9%以上。

小結

雞糞高濃度高氨氮黑膜沼氣池厭氧消化可以大大減少雞糞調配水的使用量,從而減少了沼氣工程中原料增溫

對熱量的需求以及后續沼液的處理消納的數量,對  沼氣工程可持續、經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng )造了技術(shù)基礎。采用  高濃度高氨氮雞糞的黑膜沼氣池厭氧消化技術(shù),其黑膜沼氣池厭氧進(jìn)料TS

濃度可達8%~12%,大型沼氣工程運行中氨氮耐受濃度高至550mg·L1,黑膜沼氣池厭氧產(chǎn)沼氣過(guò)程不受影響。通過(guò)工程實(shí)例分析,雞糞高氨氮濃度黑膜沼氣池厭氧消化技術(shù)穩定可靠,值得推廣應用,該技術(shù)將對規?；B殖場(chǎng)處理雞糞糞污提供技術(shù)借鑒。

摘自《中國沼氣》2018第三期 陳智遠 宮亞斌 詹偶如 姚建剛

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