沼气处理（精选十篇）
沼气处理 篇1
1 材料与方法
1.1 材料
试验原料:甘蔗叶, 取自湛江市湖光农场, 粉碎成3~5 cm的不规则小段, 其总固体质量分数为87%;猪粪, 取自湛江市麻章区志满镇个体养猪场, 其总固体质量分数为25%。接种物:前期试验室发酵底物, 总固体质量分数为5%。试剂药品:氢氧化钠、碳酸氢铵和纤维素酶 (中温酶) 。
1.2 方法
氢氧化钠预处理:称取甘蔗叶1.72 kg (干物质含量1.5 kg) , 加入3 500 m L氢氧化钠溶液 (浓度2%) , 在常温下浸润7 d, 然后再加入猪粪6 kg (与甘蔗叶干物质比1∶1) , 加入接种物6 kg和适量水, 用碳酸氢铵调节碳氮比, 搅拌后装罐, 发酵温度38℃, 发酵时间40 d, 做两组平行试验。
纤维素酶预处理:称取甘蔗叶1.72 kg (干物质含量1.5 kg) , 加入1%的纤维素酶进行预处理, 预处理温度50℃, 预处理后的物料加入猪粪6 kg (与甘蔗叶干物质比1∶1) , 加入接种物6 kg和适量水, 用碳酸氢铵调节碳氮比, 搅拌后装罐, 发酵温度38℃, 发酵时间40 d, 做2组平行试验。
同时做没有预处理的对照试验。
测试指标及测定方法见表1。
1.3 试验装置
本试验所用试验装置为可控性水浴恒温厌氧发酵装置, 罐内容积44 L, 装料体积30 L。主要由罐体、加热保温系统和沼气计量系统组成, 如图1所示。
1.温度控制仪;2.水;3.加热器;4.保温材料;5.温度传感器;6.排气阀;7.胶管;8.透明橡胶管;9.发酵原料;10.流量计
2 结果与分析
2.1 日产气量
采用不同方式预处理甘蔗叶后, 沼气日产气量如图2所示。从图中可以看出, 各组均可正常启动, 但启动速度氢氧化钠组>纤维素酶组>对照组, 各组总体产气趋势较为一致, 产气高峰均出现在发酵前半段时间。其中, 2%氢氧化钠预处理的甘蔗叶日产沼气最大值出现在发酵第16天, 为59 L;1%纤维素酶预处理的甘蔗叶日产沼气最大值出现在发酵第12 d, 为32 L;未经过预处理的甘蔗叶日产沼气最大值出现在发酵第9 d, 为27.8 L。从日产气量和产气趋势上看, 2%氢氧化钠预处理组明显好于其他两组, 且发酵后期日产气量仍然维持在较高水平。
2.2 总产气量
由图3可以看出, 在40 d的发酵周期内, 2%氢氧化钠预处理组的总产气量最高, 为1 209 L;1%纤维素酶预处理组的总产气量其次, 为637.7 L;对照组的总产气量最低, 为536.3 L。2%氢氧化钠预处理组和1%纤维素酶预处理组分别比对照组高672.7 L和101.4 L。由此可见, 对甘蔗叶进行预处理能提高产沼气量, 且采用氢氧化钠预处理效果最好, 总产气量是对照组的2.25倍。
2.3 容积产气量
容积产气率是沼气发酵系统运行好坏的一个重要指标, 容积产气率越大, 单位体积单位时间内所产沼气就越多。从图4可以看出, 以40 d发酵时间计, 2%氢氧化钠预处理组的容积产气率为0.69 m3/ (m3·d) , 比对照组高0.39 m3/ (m3·d) ;1%纤维素酶预处理组的容积产气率为0.36 m3/ (m3·d) , 比对照组高0.06 m3/ (m3·d) 。可见, 在相同的反应容积内, 经过2%氢氧化钠预处理的甘蔗叶产沼气量最多, 这也说明, 要获得相同的产气量, 采用2%氢氧化钠预处理甘蔗叶, 所需的发酵罐体积最小, 更节省空间。
2.4 阶段产气量
由图2可以看出, 在发酵过程中, 各组产气高峰均出现在发酵前半段时间, 因此, 分阶段对产气量进行对比, 如表2所示。由表2可以看出, 在发酵前20 d, 2%氢氧化钠预处理组, 1%纤维素酶组和对照组产气量占总产气量的比例分别为:67.41%、71.8%和68.17%;在发酵前30 d, 2%氢氧化钠预处理组, 1%纤维素酶组和对照组产气量占总产气量的比例分别为:89.33%、87.93%和88.31%。由此可知, 在30 d的发酵时间内, 各组已经获得85%以上的总沼气产量, 发酵后10 d的产气贡献不大, 因此可以将发酵周期缩短至30 d。
2.5 甲烷含量
从图5可以看出, 各组的甲烷含量分别为60.2%、53.5%和51.3%。其中, 2%氢氧化钠预处理组最高, 对照组最低, 这与产气量结果一致。说明甘蔗叶经氢氧化钠和纤维素酶预处理后, 纤维结构被破坏, 使甘蔗叶能更好地被发酵体系中的微生物利用, 增加了产沼气微生物可利用的底物, 促进了沼气的生成, 且经2%氢氧化钠预处理的甘蔗叶所产沼气质量最好。
2.6 纤维素降解率
对发酵前后原料的纤维素含量进行测定, 结果如图6所示, 2%氢氧化钠组的纤维素降解率为55.87%, 比对照组高35.84%, 1%纤维素酶组的纤维素降解率为24.92%, 比对照组高4.89%。可见厌氧微生物对预处理甘蔗叶的利用率要高于未预处理的甘蔗叶, 预处理可有效促进甘蔗叶纤维素降解, 但经1%纤维素酶预处理的甘蔗叶纤维素降解率相对较低。
3 结论与讨论
预处理是提高秸秆利用率和产气率的一种有效手段, 不同的预处理方式, 对甘蔗叶的作用效果不同。采用2%氢氧化钠溶液对甘蔗叶进行预处理, 发酵启动速度快, 在发酵第2天的日产气量就达到了36 L, 远高于对照组, 发酵40 d总产气量为1 209 L, 是对照组的2.25倍, 纤维素降解率达到55.87%, 预处理效果良好, 这与蒋建国等[6]的研究结果一致, 说明碱液能够充分作用于甘蔗叶, 破坏了甘蔗叶纤维素的结晶结构, 使之变得更容易被消化利用, 从而达到提高甘蔗叶消化率的目的。采用1%纤维素酶预处理甘蔗叶进行沼气发酵, 产气量、甲烷含量等各项指标虽然均高于对照组, 但与2%氢氧化钠预处理相比, 促进效果不明显, 这与白洁瑞等[10]研究结果有差异, 说明针对不同的农作物秸秆, 纤维素酶的处理效果有所不同, 需要针对发酵原料的特性, 选择最佳的预处理方式。
碱预处理效率高, 但如果大量使用会对环境造成二次污染;纤维素酶预处理条件温和、无污染, 但处理效率低。如果要进行规模化沼气生产, 需要进一步集成各预处理方法的优点, 形成联合预处理技术, 以提高甘蔗叶降解转化, 促进甘蔗叶干发酵技术的推广应用。
摘要：甘蔗叶含有大量纤维素, 难于直接被厌氧微生物利用, 降低了干法厌氧发酵技术处理甘蔗叶产沼气的效率。试验采用氢氧化钠和纤维素酶对甘蔗叶进行预处理, 以破坏甘蔗叶纤维素结构, 加快厌氧发酵进程。结果表明:采用2%氢氧化钠溶液对甘蔗叶进行预处理, 发酵启动速度快, 发酵40 d总产气量为1 209 L, 是对照组的2.25倍, 纤维素降解率达到55.87%, 有效促进了甘蔗叶的厌氧消化。采用1%纤维素酶预处理甘蔗叶进行沼气发酵, 产气量、甲烷含量等各项指标虽然均高于对照组, 但与2%氢氧化钠预处理相比, 促进效果不明显。
关键词：甘蔗叶,干法厌氧发酵,预处理,纤维素,沼气
参考文献
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沼气净化技术处理生猪养殖场废水 篇2
沼气净化技术处理生猪养殖场废水
介绍了实际运行的`生猪养殖场沼气工程,根据生猪养殖场废水的特性,选择沼气净化技术处理生猪养殖场废水;采用厌氧好氧工艺,日平均处理COD浓度4 060 mg/L,SS 3 100 mg/L的有机废水80～100 t;COD去除率为99.8%,SS去除率为98%,达到国家规定的排放标准.
作 者：黄龙根 HUANG Long-gen 作者单位：福建省龙海市农业环保能源站,福建,龙海,363100刊 名：可再生能源 ISTIC PKU英文刊名：RENEWABLE ENERGY年，卷(期)：“”(6)分类号：X7关键词：沼气工程 净化 废水
沼气池接种物采集与处理 篇3
为了加快沼气原料发酵的启动速度和提高沼气池产气量,而向沼气池加入富含沼气微生物的物质,统称为沼气池接种物。它的作用就像蒸馒头人们要用老面来发酵一样。目前,由于没有纯产甲烷菌可利用,所以在沼气的制取过程中一般均采用自然界的活性污泥做接种物,如城市污水处理厂的污泥、池塘底部的污泥、粪坑底部的沉渣等,都含有大量的沼气微生物,特别是屠宰场、食品加工厂和酿造厂的下水污泥等,由于有机物含量多,适于沼气微生物的生存,因此,都是良好的沼气池接种物。在农村,来源较广、使用最方便的沼气池接种物是沼渣和沼液。
启动农村户用沼气池,应选择正常产气沼气池的沼渣或沼液做接种物,如果是新的沼气发展地区,没有正常产气沼气池所产的沼渣或沼液可供利用,则可选择粪坑、屠宰场、豆腐加工厂、食品加工厂和酿造厂的下水污泥做沼气池接种物。
二、处理接种物
1. 直接利用。如果采集的沼气池接种物是正常产气沼气池的沼渣或沼液,可不作处理,直接加入沼气池用于沼气原料发酵的启动即可。
2. 科学处理。如果采集的沼气原料发酵接种物是粪坑、屠宰场、豆腐加工厂、食品加工厂和酿造厂的下水污泥,则应将污泥加水搅拌均匀,过滤泥砂、石块和杂质后再加入沼气池中用于沼气原料发酵的启动。
沼气处理 篇4
我国是粮食生产大国,同时成为秸秆生产大国,每年秸秆产量约7亿t,列世界之首[1]。但是,每年有大量秸秆由于得不到合理利用,被抛弃在田边沟渠造成面源污染,甚至直接露天焚烧,造成烟雾污染,带来了一系列社会、经济和生态问题[2]。另一方面,近年来化石燃料日趋减少,人们不得不寻找一些可再生能源来应对化石能源即将枯竭带来的危机。所以,目前秸秆的利用开发对中国农村乃至整个国家来讲具有重大意义。
秸秆等天然纤维素原料是绿色植物通过光合作用形成的一类可再生能源物质。这类能源物质由纤维素、半纤维素和木质素交织在一起,具有复杂的结构。这种复杂的结构对于纤维素原料的降解有很大的限制作用,成为纤维素原料在沼气厌氧发酵中应用的一大瓶颈。
为将纤维素、半纤维素有效地转化为沼气,近些年来研究者已对纤维素原料预处理技术进行了很长时间的研究;但目前尚未明确生物质木质纤维素的哪些特点对应于采取哪种预处理方式是最为有效的。此外,还有一些其他问题,如在发酵过程中产生的一些反作用产物或抑制剂如何解决。许多文献已经阐述过提高生物质木质纤维素消化率的预处理方法。本文的目的是结合生物质木质纤维素的相应特点,找到对应于不同特殊结构的预处理方法,使其得以应用。本文主要解释了生物质木质纤维素的结构成分,总体概括了生物质产生沼气过程,总结了生物质木质纤维素的不同预处理的影响和这些影响在甲烷生产中产生的结果。最后,总结了生物质预处理技术的前景和未来研究的方向。
1 木质纤维素原料的结构特点
木质纤维素原料的主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素,他们排列规则,三者之间相互交织,聚集成束,此外还存在少量的胶质、蛋白质以及矿物质等[3]。这些物质组成了木质纤维素的紧密结构,使其不易被破坏。
1.1 纤维素
纤维素是由D-葡萄糖单元以β-1,4糖苷键连接组成,在常温下不溶于水、稀酸和稀碱。根据植物种类的不同,纤维素的含量一般占木质纤维素原料干重的35%～50%。在一般情况下纤维素是被半纤维素和木质素包裹着[4]。
纤维素由有组织结构的结晶区和无组织结构的无定形区组成,呈链状结构,被绑在一起形成原纤维或纤维束。这些原纤维大多独立存在,通过氢键连接在一起。纤维素的无定形区部分的分子排列不整齐,较疏松且较易降解。因此,纤维素结晶区占纤维素整体的比例,即结晶度是影响纤维素降解产沼气的一个重要因素[5]。
1.2 半纤维素
半纤维素具有复杂的碳氢结构,由不同的聚合体构成,如戊糖(木糖、树胶醛糖)和巳糖(甘露糖、葡萄糖、半乳糖)。在阔叶木和农作物中,如草和稻草,半纤维素中占支配地位的物质是木聚糖,而在软木材中是葡甘露聚糖[6]。
半纤维素较纤维素分子量低,分支侧链短,侧链由不同的糖组成,这些糖为简单的二聚水分子聚合体。半纤维素是木质素和纤维素纤维的连接体,使整个纤维素-半纤维素-木质素网状结构更加坚硬。半纤维素由于聚合度低,结晶结构少,甚至没有,因此在酸性介质中比纤维素易降解。不同半纤维素混合体溶解度呈现递减次序:甘露醇、木糖、葡萄糖、树胶醛糖和半乳糖。其溶解度随温度的升高而升高,但是由于高分子聚合体的熔点未知,所以其溶解度不能被测量。在180℃的中性条件下,半纤维素混合物发生分解;然而,实际的开始溶解温度可能在150℃左右。半纤维素成分的分解率不仅与温度有关,还与其他方面有关,如分子量和pH[5]。
1.3 木质素
木质素是除纤维素半纤维素之外,在自然界和细胞壁中又一大量存在的聚合体。它是芳香族化合物通过不同取代基修饰而形成的三维大分子聚合物,是植物细胞壁的重要组成成分,对植物结构起机械支持和传导水分的作用,并能抵御病虫害以及微生物的入侵[7]。它不溶于水,并且非常不活跃,所有的这些性质都导致了木质素的难降解性。
由于木质素的不溶性、固有的化学特性以及结构细节的不确定性,其降解机制很难深刻研究。木质纤维素材料的这种难降解性是其未得到有效利用的主要原因和阻碍纤维素有效利用的最大障碍[8]。就像半纤维素一样,在180℃中性条件下,木质素也可以分解[5]。木质素在酸性、中性、碱性的溶解性主要取决于木质素的3种组成单元以及他们的连接方式[9]。天然木质素的分子量分布可以从几百到几百万。天然木质素可以通过机械作用、酶作用或化学试剂的作用引起三维空间立体网状结构的破裂,从而使分子量降低,破坏原来的结构,进而使其更容易降解。
2 木质纤维素原料与沼气发酵技术
木质纤维素原料作为可再生能源物质,是厌氧消化产沼气的重要原料。在我国农村推广秸秆厌氧消化技术可以取得以下综合效益:首先,它可以扩大燃料资源;其次,它可以改变农村传统燃料的燃烧方式,提高热量的有效利用;再次,经过沼气池的发酵,可以提高有机肥料的质量和肥效;最后,它有利于环境卫生,改进生态平衡[10]。2003年国家实施沼气国债项目,大大加快了沼气建设的步伐。截止至2009年底,我国农村户用沼气达3 050万户,各类农业废弃物处理沼气工程3.95万处,年产沼气约122亿m3,可代替1 851万t标准煤,生产沼肥约3.85亿t,每年可为农民增收节支150亿元 [11]。
沼气发酵的基本过程是指固态有机物经过发酵变为沼气的过程。发酵过程通常分为水解液化、产酸和产甲烷3个阶段[12],如图1所示[13]。这3个阶段主要是依靠混合发酵细菌的作用,应用混合微生物的优势在于可以将大部分的产物如戊糖、己糖、挥发性产物甚至有时的抑制性混合物(如糠醛和可溶性木质素混合物)在一段时间转变转化为甲烷。所以,发酵过程受到很多因素的影响,如温度、料液的pH、接种物的浓度和物料的浓度等。
木质纤维素原料生产沼气需要3个步骤,即原料预处理,厌氧水解产生沼气和发酵料液的后续处理。生物质的预处理的方式直接影响了木质纤维素原料水解发酵的速率与产气量。生物质预处理主要是通过改变木质纤维素的结构来加快反应速率。
3 纤维素原料用于沼气发酵的限制因素
纤维素原料用于沼气发酵的限制因素主要是限制水解的因素。限制水解的因素中最重要的一个是木质素的难降解性,它像防护罩一样限制了水解的速率与水解的范围,阻碍了底物中可消化物的水解。此外一些研究者已经证明出纤维素的结晶度是其中一个因素,其他因素还包括聚合度、分子的大小、可以用的表面积和木质素含量。在纤维素自身水解的各个因素中,一些学者认为结晶度主要会影响水解酶的作用[14],进而影响纤维素水解速率;但另一些学者曾提到降低颗粒的大小可以增加可利用的表面积,这比降低其结晶度更有效地提高水解率和水解范围[15]。同时,一些研究者的研究又得出这样的结论,增加物料的疏松度即增加底物孔径可以提高微生物酶的产量,从而进一步提高水解速率16]。去除半纤维素可以提高底物孔径的大小,从而提高了纤维素水解范围。
4 纤维素原料的预处理方式
目前存在的秸秆预处理方法很多,总结起来主要有物理预处理、化学预处理和生物预处理[17]。通过物理、化学以及好氧生物等途径对秸秆进行预处理, 都在一定程度上能提高秸秆厌氧消化率和产气量;但这些预处理方法在改善秸秆特性、提高原料消化率和增加产气量的同时也存在一系列问题,各有其不同的局限性[18]。
4.1 纤维素原料的机械预处理
常见的机械预处理方式包括切碎机、双滚压碎机、球磨机等。将生物质木质纤维素进行机械磨损预处理,使纤维素的物理性能发生了明显变化。机械预处理的目的是减小颗粒的大小,增加可接触的表面积,降低纤维素的结晶度,同时也可以使平均结晶度变小。这种机械研磨还可以改变生物质的表皮结构,提高木质纤维素的水解率。木质纤维素水解率的提高程度依赖于生物质的种类、研磨的方法以及研磨时间。此外,机械研磨还缩短了消化时间,即提高了水解速率;但若颗粒大小减小到40目筛以下则对水解率和水解速率都几乎没有影响了[14]。
Zhang试验研究发现对稻草进行厌氧发酵,粉碎的稻草比未经处理的稻草产气率提高17%。但实际应用中发现, 粉碎预处理效果很有限,因此它常常与化学预处理和生物预处理结合使用,作为化学和生物预处理方式的前处理,以提高整体预处理效果。研磨的处理效果比粉碎的要好得多。这是因为研磨在切碎物料的同时, 还通过压榨作用更多地破坏了原料的内部结构。Zhang在对稻草进行厌氧发酵时还发现,在其它因素一样的条件下, 研磨的预处理效果明显好于粉碎。在10mm和25mm两种粒径下,通过研磨可以使产气效果比切碎提高17.5%和12.2%[19]。但研磨处理能耗远远高于粉碎,成本也大大增加,因而研磨法预处理目前还很少有报道称将其用于实际沼气工程中。
研磨在提高水解率和水解速率的同时,也可以提高甲烷的产量。因为机械预处理不同于其他与处理,它不会产生抑制物,如糠醛和羟甲基糠醛[5]。考虑到研磨需要很高的能量需求,所以研磨可以说不是一种经济合理的预处理方式。
4.2 纤维素原料的加酸预处理
在常温下用酸处理木质纤维素原料可以溶解半纤维素,使得纤维素更容易降解,从而增加原料的厌氧消化率,因为半纤维素在常温下就能很好地溶解在稀酸(0.3%～3%)中[4]。上海交通大学覃国栋等采用不同浓度的酸对水稻秸秆进行预处理,比较来看, 酸处理浓度为6%时效果最好, 其甲烷含量最高可达44.3%,单位总固体产气率为150 mL/g[20]。
半纤维素稀酸水解实际上是在溶解状态下进行的,反应主要是在表面进行的,反应相当快。纤维素呈不溶解状态,酸和纤维素接触面积小,反应速度很慢[21]。由于半纤维素溶出,纤维素的酶解率可大大提高。但是另一方面,在酸环境中,半纤维素水解反应可以产生单体分子,如糠醛、羟甲基糠醛和其他一些挥发性产物。挥发性产物可以转化成甲烷,而这些不挥发性物质是不利于纤维素酶解的[22]。对于木质素来说,在酸环境中它会很快的凝结、沉积,这会降低纤维素的消化率。
半纤维素和木质素溶解在使用浓酸预处理时较稀酸处理更为明显,但是浓酸具有腐蚀性,对环境产生污染,处理后的浓酸必须回收。虽然酸性预处理可以有效地提高纤维素的水解特性,但是成本偏高,而且在原料发酵前还需要进行中和处理,所以在大规模生产中不能利用。
4.3 纤维素原料的加碱预处理
纤维素碱性预处理常用的试剂有NaOH、Ca(OH)2,NaHCO3等。碱性预处理可以使木质纤维素产生润胀,使其更容易被细菌和酶降解。清华大学蒋建国等采用NaOH,氨水,H2SO4和尿素4种试剂对玉米秸秆进行预处理, 研究结果表明NaOH的预处理效果最好[23]。北京化工大学的庞云芝等人利用碱预处理对麦秸进行了厌氧消化试验研究,从处理结果和经济性两方面考虑,得出最佳的处理剂为2%的NaOH[24]。
碱性预处理可以引起半纤维素和部分木质素的溶解。半纤维素的去除对于纤维素的降解有积极的影响。然而,与此同时也去除了半纤维素的降解产物,造成木质纤维素消化率的降低。此外,溶解的木质素产生的化合物,如糠醛等,也会对纤维素的水解产生抑制作用[25]。碱性预处理同样可以引起木质素溶解、再分配、沉积,这些变化都将降低木质素的去除和纤维素溶胀的积极影响。碱性预处理虽然有较强的脱木质素和降低结晶度的能力,但同时约有50%的生物质也被其溶解,原料本身耗减严重,造成很大损失[4]。
4.4 纤维素原料的加热预处理
生物质木质纤维素被加热时,如果温度上升到150～180℃,半纤维素会首先随温度的升高开始溶解,然后木质素也会开始慢慢溶解。半纤维素中的两大主要组成物质是木聚糖和葡甘露聚糖,其中木聚糖对于热量很不稳定。在180℃以上时,半纤维素开始热反应。在中性溶液里热反应过程中一部分半纤维素水解,形成酸。热处理温度在160℃或者更高,除半纤维素溶解外,木质素也会溶解[5]。但木质素在溶解时产生的酚类化合物会抑制发酵细菌以及产甲烷细菌作用,使其发生酸中毒。对于此现象,Laster等人提出,当固体物质浓度大于等于3%、热处理时间在2min内及处理温度在200℃或者更高时,这类化合物的形成可以被抑制[26]。但预处理过程中不应采用250℃以上的温度,因为木质纤维素原料在这个温度范围会产生热解反应。
目前,研究比较多的加热预处理的方式有蒸汽爆破预处理和挤压膨化预处理。气爆法是用高温水蒸气将原料加热至200～240℃,维持30s～20min,高温高压造成木质素的软化,并通过迅速减压,造成纤维素晶体纤维束的爆裂是木质素和纤维素分离实现秸秆内部结构的变化,从而进一步提高木质纤维素的降解几率[27]。宋永民与陈洪章利用蒸汽爆破预处理方式对固态发酵在玉米秸秆沼气化中的应用进行研究,秸秆经过蒸汽爆破预处理后,在50℃ 的高温条件下进行固态发酵沼气,甲烷产量达到1 382mL/gTS[28]。挤压膨化预处理的工作原理:在工作时,物料经旋转的螺杆连续输送,在运行的过程中,受到螺杆与套筒之间、物料与物料之的摩擦和剪切作用而产生热量,使物料中的水分在很短的时间内变成过热水蒸气,在挤压腔内形成高压,物料在高温高压的作用下产生糊化,然后由机头喷出,形成膨化物。螺杆对物料除了输送之外还兼有搅拌作用,挤压腔内温度略有上升,压力与物料的理化特性基本不变[29]。同济大学的崔启佳等人利用挤压膨化原理提出了一种双螺杆物化组合处理方法用于秸秆的预处理,经试验证实双螺杆物化组合预处理是秸秆沼气原料预处理有潜力的处理手段,同时原料形态的改变符合工程中全混式沼气池对进出料的要求,也改善了发酵池内搅拌时的流态条件[30]。螺旋挤压膨化与蒸汽爆破预处理的机理相似。但用挤压膨化技术对纤维素原料进行预处理不仅可以达到类似于蒸气爆破的效果,而且不需要消耗蒸气,并且有很好的连续生产性。
4.5 纤维素原料的生物预处理
生物预处理是在人为的控制下,利用一些细菌、真菌、放线菌等微生物发酵来处理秸秆等纤维素原料。目前,在自然界中发现,对木质素降解效果最好就是白腐菌。利用白腐菌良好的木质素降解效果对木质纤维素类生物质进行预处理破坏其结构,可缩短厌氧发酵周期, 提高甲烷转化效率。杨学伟等人用元素分析法得出,白腐菌降解木质素的过程中而碳含量下降,氧气含量的升高,从而得出白腐菌生物降解木质素的过程是一个氧化反应[31]。白腐菌降解木质素的过程可以分为胞内和胞外两个过程。在细胞内,白腐菌自身能够合成木质素降解所需的各种酶类,其中木质素降解酶系包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶。在细胞外,木质素降解酶作为高效催化剂参与反应,借助自身形成的H2O2,启动一系列的自由基链反应,先形成高活性的酶中间体,将木质素等有机物氧化成许多不同的自由基,从而实现对木质素的生物降解[32]。
Ghosh等研究了经白腐真菌Phanerochaete chrysosporium(Pc)和褐腐真菌Polyporus ostreiformis(Po)预处理稻草的产沼气性能,发现Pc处理稻草的总产气量和甲烷产量比对照分别提高了34.73%,46.19%[33]。在复合菌剂预处理方面黑龙江八一农垦大学生命学院王伟东等人利用复合菌系BYND-8的种群对秸秆进行了预处理。为了明确在中温下(30℃) 高效分解木质纤维素的复合菌系的菌群组成,研究复合菌系预处理秸秆对沼气发酵的影响,利用平板分离法和变性梯度凝胶电泳(DGGE法)研究了中温木质纤维素降解复合菌系BYND-8的菌种组成多样性,通过添加该复合系菌液到以牛粪为原料的沼气发酵体系,研究了添加秸秆降解液对沼气产量的影响[34]。
以上试验结果证明:生物预处理可以把木质素分解为小分子化合物,但与此同时半纤维素和纤维素也会被降解成小分子酸类或脂类而被白腐菌直接利用,所以利用生物法进行预处理很对纤维素和半纤维素也有很大程度上的损耗。
5 结语
以上只是目前预处理技术中比较成熟的一些方法,现存的预处理方法还有辐射处理法[35]和臭氧分解预处理法[36]等。近些年来又出现了多种预处理方法相结合的预处理方式;但是这些方法大都在技术、设备、环境的影响和资金耗费上都存在这些不同程度的缺陷,不能完全用于大规模生产实践。木质纤维素预处理技术的发展在一定程度上决定了秸秆在沼气发酵技术中的应用。秸秆沼气技术的发展不但可以解决农村环境问题,也具有一定的经济效益。为秸秆沼气大规模生产以及农村新能源产业的发展,未来木质纤维素原料预处理都应该朝着高效率、低消耗、低污染、低成本的方向发展。
沼气处理 篇5
一、重庆市餐厨垃圾厌氧沼气发电项目
作为国内餐厨垃圾问题最为严重的城市之一，重庆市一直为如何处理大量的高油脂高有机物含量的餐厨垃圾所困扰。在政府领导和相关技术专家的推动下，重庆环卫集团于2009年开始建设第一个餐厨垃圾厌氧发酵热电联产项目。
本项目总投资2.7亿元，位于重庆市黑石子垃圾处理厂，采用先进的“厌氧消化、热电联产”工艺，日处理餐厨垃圾能达到500吨。同时配套建设包括专用运输车和专用收集桶的收运系统。
本项目采用的工艺流程见图1。
本项目投产后，能将餐厨垃圾中的油脂加工成生物燃料，其余部分经厌氧消化后产生沼气用于发电，沼渣沼液加工成有机肥。预计年产生沼气1400万m3，发电3300万kW.h，生产有机肥料1.2万t，减排二氧化碳11万t。
二、餐厨垃圾厌氧沼气处理的必要性
从餐厨垃圾处置工艺流程图可看出，沼气处理是位于厌氧发酵和发电机组之间的一个环节。对整个餐厨垃圾处理项目来说，这只是一个占投资总额不到5%的小环节，但却是必不可少的一环，对厌氧发酵后端的热电联产有着重要意义。
餐厨垃圾厌氧沼气主要成分是甲烷与二氧化碳，但同时也存在H2S、H2O等对燃气发动机组平稳运行有影响的物质。厌氧沼气具体成分和参数见表1。
表1所列的沼气成分中，对后端发电机组影响比较大的有：
（一）水蒸气的危害
厌氧沼气含有大量的水分，而水对发动机的影响主要表现为：发动机点火困难；降低燃烧室温度，降低内燃机的效率；水蒸气将增大内燃机尾气排气量，从而降低了内燃机效率；由于水蒸气等无功气体的存在，增压耗功增大，降低内燃机的效率；降低燃烧室温度，导致了二英等剧毒物质生成的可能性大幅度上升，严重污染环境；水蒸气与其他酸性物质的化合产生中间产物，对机组本身产生腐蚀，缩短设备的使用寿命，降低装置的可靠性；由于发动机内部中冷器的存在，过高的水蒸气含量可能会导致气体露点过高，水蒸气会在发动机内部凝结、积水，造成设备故障，降低设备寿命和可用率。
（二）硫化物的危害
硫化氢是无色、有臭鸡蛋气味的毒性气体。硫化氢及其燃烧生成的产物二氧化硫有毒性，危害人体，同时硫化氢对钢材可引起氢脆和硫化物应力腐蚀，对润滑油的性能也会产生一定的影响。硫化氢的燃烧反应式如下：
2H2S+O2—2S+2H2O
2H2S+3O2—2SO2+2H2O
在厌氧沼气中，硫化氢是一种易燃易爆、并具有强烈恶臭的污染物质，即使被人体少量吸入，也会产生强烈不适；沼气中的硫化物与发电机组的润滑油系统接触，导致润滑油乳化，增加机组磨损，降低设备使用寿命；设备润滑不畅，导致机组震动加大，严重威胁人员及设备的安全；硫化物在氧化作用下，产生二氧化硫，排放后与大气中的水蒸气作用，是形成酸雨的主要来源，将严重污染大气；另一方面，亚硫酸（H2SO3SO2＋H2O）在低温条件下（发动机排气管尾部）对设备具有强烈的腐蚀性，严重影响设备的可靠性和使用寿命。
（三）固体杂质的危害
厌氧发酵罐中的固体颗粒物质也可能随着气流进入燃气管道，这些颗粒物是发动机明确限制的杂质，它主要影响在于：堵塞管路，流通不畅，加大压损，增加运行费用；增大机械磨损，降低设备使用寿命。
本餐厨垃圾处理项目中沼气处理的必要性，在于除了要消除沼气中所含的对发电机组有害的因素外，还需要根据发电机组的进气要求提供匹配的气体参数，如压力、温度等。
同时为了最大化保护环境，在发电机组部分停机维护的时候，沼气处理环节还需要将多余的沼气进行焚烧处理，以减少CO2的排放。
三、面向发电机组的厌氧沼气处理工艺
通过详细比较前端厌氧沼气成分、参数和燃气发电机组的进气要求的差异，本项目对厌氧沼气采取了以下处理工艺，见图2。
（一）脱硫
以硫化氢为主的硫化物的去除主要有物理、化学以及生物三种方式。其中物理方法主要指物理吸附方式脱硫，这种方式操作简便，但往往需要占地较大的设备，而且吸附剂需要再生。化学方式指以化学反应的方式将硫固化下来，目前有干法及湿法，其差别主要是反应物的物理形态是固体还是液体的差别。生物法脱硫是目前比较新兴的一种方式，其主要原理是在反应罐中培养出合适的菌种，这些菌种以硫化物为养料，将其中的硫固定下来。
本项目中需要在厌氧发酵罐工艺投产后，根据实际测量的硫含量选取合适的脱硫方案进行脱硫。目前先在项目现场预留了脱硫工艺的位置，等具体脱硫方案确定后再进行建设。
（二）气柜稳压
为了稳定从厌氧消化罐出来的沼气压力，并在一定程度上平衡罐内沼气产生和发电机组的沼气消耗速率之间的差异，本项目设置了一个双膜气柜，容积1000m3,工作压力2.5kPa,气柜耐压20kPa。采用耐腐蚀的环保专用进口膜，具有防腐、抗老化、抗微生物及紫外线等功能，并且防火级别达到B1级，膜的抗拉强度大于5000N/5cm。
同时气柜还具有容积显示功能，可以随时了解气体容积，掌握使用状况，并设点报警停机信号。
（三）流量/压力调节
由于发动机均对进气压力及温度提出较高的要求，压力的波动会影响发动机的配气系统，过高或者过低的压力都有可能引起发动机跳机，所以必须设置相应的压力平衡机构，以适应发动机的进气要求。
厌氧沼气压力为0～5.0kPa，考虑安全性和经济性，出口压力在满足发电机要求的情况下要尽可能的小，这样可以保证安全、降低电机功率，节省运行成本。本项目中发电机组要求进口压力达到10.0～35kPa。
通过对发电量进行跟踪，利用PLC自动调节变频器控制风机转速，保证始终满足发电机组的运行要求。
（四）冷凝除湿
发电机组要求在10～50℃范围内，进口燃气的相对湿度需小于70%。因为厌氧沼气为饱和湿度，系统必须有除水工艺。
本项目采用成熟的电制冷技术。由制冷机组产生的冷媒水进入冷凝器，将外界进来的沼气温度降低，通过风机加压升温然后沼气温度自然上升，其相对湿度满足要求。
在冷凝器后部，设有汽水分离器，可以将冷凝器产生的大部分液态水去除。
沼气在管道和设备中遇冷后会产生凝结水，因此在整个系统的管路和设备中都有汇集凝结水的可能，需要及时排除。冷凝器和汽水分离器的凝结水排往厂区的排水系统。
（五）过滤除尘
通常采用过滤的方式将颗粒物限制在一定的范围内。为达到较好的去除效果，一般对气体中的颗粒物分级处理，设置不同精度的过滤器，逐级将颗粒物处理到系统最终的要求，这样不仅可以降低精密过滤的成本，也可以增加系统运行的可靠性。
本项目在系统入口采用除湿过滤器，对液态水进行初步的去除，同时除湿过滤器能够将大颗粒的杂质过滤去除，从而达到保护后续设备的目的。
在系统出口采用精密过滤器，能够去除更细小的杂质，从而达到满足发电机组对进气的要求。
过滤器为大面积、微压降设计。过滤器前后设有压差计。当粉尘含量逐渐积累时，过滤器前后的压差将逐步加大。当压差超过设定值时，为了降低运行的电耗，应及时清理过滤器滤芯。
（六）火炬联调焚烧
为了提高环境效益，本项目设置封闭式沼气火炬来焚烧沼气量较大或发动机组检（维）修时多余的沼气。火炬焚烧沼气的原则为：首先满足发电机组的要求，其次是通往火炬，最后才是排往大气。
火炬系统由单独的变频罗茨风机供气，和沼气处理系统联动控制，可以保证项目获得尽可能多的发电收入。火炬同时可以在线监测沼气流量、压力、温度、甲烷浓度、烟气温度等重要参数并记录，满足CDM项目的需求。
综上所述，面向发电机组的厌氧沼气处理工艺的目的，是为了消除厌氧消化产气与燃气发电机组进气要求之间的差异，给燃气发电机组提供符合要求的气体品质，以保障机组的平稳运行。
四、结论
本文就重庆市餐厨垃圾项目中厌氧沼气处理这一环节进行了工艺分析和应用介绍。由于厌氧产生的沼气与燃气发电机组对进气的要求差异比较大，只有对沼气采取合适的工艺进行处理，才能保障机组顺畅运行并提高发电效率。
随着中国城市化进程的发展，对餐厨垃圾进行专门收集与综合处理必将成为更多大中型城市的选择。针对餐厨垃圾处置与利用工程的每一个环节进行精益求精的探索与总结，有利于我们更好地进行餐厨垃圾处理项目建设，以期获得更好的经济效益和环境效益。
参考文献：
[1] 环卫科技网.国内餐厨垃圾处理将有国家标准.http://cn-hw.net/html/china/201002/13638.html.
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[6] 关磊.气体燃料对发电机组影响浅析[C].节能减排与生活垃圾填埋气体利用研讨会, 2007.
（责任编辑：文雪峰）
沼气处理 篇6
我国畜禽养殖集约化、规模化程度越来越高, 大大提高了畜禽产品的产量和质量, 但大量未经处理的畜禽粪便的任意排放造成了环境的污染, 危害着人们的身体健康。对畜禽粪便进行适当处理, 不仅可以控制其对环境的污染, 还可以变废为宝, 节约有机资源。目前, 畜禽粪便处理的技术有物理、化学、生物处理技术。
物理处理技术主要是利用燃料、太阳能、风能对粪便进行干燥、蒸发、浓缩处理。物理处理技术能耗高, 养分损失大, 肥效偏低, 而且只是对粪便的前期处理, 仍需进一步净化。化学处理技术主要指在畜禽粪便中加入一些化学试剂达到杀菌消毒的效果, 例如福尔马林、氢氧化钠、丙酸、醋酸等。化学方法对除臭、消毒有明显效果, 但一次性投资大、处理成本高, 难以取得良好的经济效益。生物处理技术主要有好氧发酵和厌氧发酵, 好氧发酵技术需要场地较大, 堆肥周期长, 并且在堆肥过程中有大量的NH3挥发, 造成了环境污染。根据底物干物质含量的不同, 厌氧发酵技术可分为湿法和干法两种[1]。目前国内普遍采用的畜禽粪便湿法厌氧发酵技术, 需要将畜禽粪便稀释到8%左右的浓度, 消耗大量的清洁水, 发酵后的产物浓度低, 脱水处理相当困难, 以至发酵产物难以有效利用。干发酵又称高固体厌氧消化是指总固体含量大约在20%或更高的情况下进行发酵的一种相对较新的技术, 此技术反应器单位体积的需水量低, 产气量高[2]。干发酵工艺由于其发酵原料的干物质浓度高而导致进出料难、传热传质不均匀、酸中毒等问题[3], 这是干发酵的技术难点, 对此国内外都进行了深入的研究。
2 干发酵技术概况
2.1 干发酵技术国内外研究现状
2.1.1 国内研究现状
我国20世纪70年代, 采用一次性进出料开始了户用沼气池以秸秆为主要发酵原料的干法发酵技术, 80年代取得了一些可喜的成果。吴强[4]在农村推广干湿一体沼气池, 由于这种类型的沼气池提高了产气率, 降低了建池成本, 取得了较好的推广效果。孙国朝[5]对圆柱形活动密封沼气池、圆柱形泥塑料顶罩式沼气池进行了干法厌氧发酵生产性试验研究, 最终认为该工艺具有池型简单等优点, 便于农村推广。叶森[6]成功研制了自动排料装置, 由农业部能源环保局鉴定认为该装置具有先进性和实用性, 在国内有一定的推广价值。
在21世纪初我国开始了对干法发酵沼气工程技术的研发。甘如海[7]对畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器进行了研究, 研制出卧式螺带搅拌发酵罐, 并且通过发酵模式试验得出了操作参数对发酵产气过程的影响情况, 确定了最优操作参数。晏水平[8]对大中型集约化养殖场畜禽粪便高温厌氧干发酵处理工程中的罐体加热保温装置进行了研究, 其具体研究内容是罐体加热保温装置的选型和操作参数设计, 为大型沼气干发酵系统的工程化提供了一定的基础理论。
2.1.2 国外研究现状
国外对于沼气干法发酵技术的工程化研究起步较早, 从20世纪40年代起, 德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式干法厌氧发酵技术。20世纪80年代, 德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对干法厌氧发酵进行了深入的研究。目前, 国外的干发酵技术已经成熟, 工程化沼气干法发酵技术有车库型[9]、气袋型[10]、干湿联合型[11]、渗滤液储存桶型[12]、储罐型[13]等多种技术类型, 已经投入生产使用, 可以进行规模化的沼气生产。
2.2 干发酵技术工艺条件
2.2.1 碳氮比
发酵原料的C/N, 是指原料中有机碳素和氮素含量的比例关系。一般厌氧发酵中需要适宜的碳氮比, Walter[4]指出当N的含量很高时, 高浓度的氨态氮抑制了厌氧发酵产甲烷, 在发酵过程中当氨增加到2000mg/L以上时, 甲烷产量降低。C/N比值较低时, 生物在转化有机氮素时, 有一部分氮素合成菌体维持生长, 多余的氮素则会被分解成无机氮素而放出氨, 这样就增加了发酵液的碱度, 对防止发酵启动过程中酸化现象的产生有一定作用。一般的厌氧发酵所需的碳氮比为25~30[14]。所以为了保证合适的C/N比, 需要对发酵过程中的营养物质进行调控。
2.2.2 原料预处理
原料预处理包括物理预处理、化学预处理和生物预处理。物理预处理是指对作为发酵原料的畜禽粪便去除其收集过程中带入的不易降解或不能降解的杂质, 如塑料、石块等, 对秸秆和稻草等发酵底物进行切碎、研磨等处理。Palmowski L M[15]研究了有机废弃物厌氧消化时, 废弃物颗粒大小对产气效果的影响, 对于纤维素含量高的固体废物, 粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间, 减小了消化体积。化学预处理包括酸碱浸泡、热处理等。Zhang Ruihong[16]在进行稻草固体厌氧消化的研究中, 对稻草分别进行60℃、90℃、110℃的热处理, 结果是预处理的温度越高, 甲烷生成量越多。生物预处理主要指发酵原料的好氧堆沤, 使易于分解产酸的有机物在好氧条件下大部分分解掉, 有利于控制发酵原料的酸碱度, 使原料获得一定的抗酸化能力, 防止干发酵过程中易出现的酸化问题。研究表明, 堆沤5d的畜禽粪便经接种后其p H值达到7时, 发酵就不会出现酸化现象[17]。
2.2.3 干物质浓度
干物质浓度指发酵原料的总固体含量, 决定于有机物和水分的含量。有机物是厌氧发酵过程的主体, 水分是微生物活动不可缺少的重要因素。干物质浓度过高时, 水分含量过低, 使氨态氮和挥发酸的积累, 抑制产甲烷菌的生长和新陈代谢, 从而导致干发酵过程的终止。反之, 原料浓度过低, 会造成细菌营养不足, 发酵产气不旺, 不能充分利用发酵罐容积, 发酵效率低。刘晓风[18]在城市有机垃圾干法厌氧发酵研究中进行了干物质浓度分别为20%、30%、40%、50%的单因素实验, 认为产气量、产气率随着干物质浓度的升高而降低。曲静霞[19]在农业废弃物干法厌氧发酵技术的研究中进料时发酵物料采用了20%的干物质浓度, 产气效果良好。
2.2.4 接种物
接种物就是在厌氧发酵过程中形成的污泥, 又称“厌氧活性污泥”。活性污泥中的有效成分是活的微生物群体, 不同来源的活性污泥其活性差别很大。当发酵启动时必须把大量活性污泥加入发酵罐内进行接种, 这是厌氧发酵启动阶段成败的关键。根据对于温度的适应性, 产甲烷菌分为常温性、中温性和高温性的三种类型, 它们有各自的适宜温度, 而且对温度相当敏感。在进行接种时, 应对不同类型加以严格区分。为了使接种物类群能适应新的生态环境, 必须对接种物进行驯化接种物最好引自同种污泥, 以保持其生态环境的一致性[20]。接种物的质量和数量是沼气干发酵顺利开始的重要保障。孙国朝[5]等指出接种量在20%~30%为宜。张爱军[21]等人指出有机固体废物固态厌氧发酵时, 加入接种物达到30%以上为好, 这样可以提高产气速率和早期沼气中甲烷的含量。Kottener[22]指出接种物与原料的配比非常重要, 因为发酵底物水分含量很少, 比较好的接种量为50%。Linke[23]在用牛粪为发酵原料的干法厌氧发酵实验中, 接种量为50%产气效果良好。
2.2.5 发酵温度
厌氧发酵分为高温、中温和常温发酵三大类型。采用哪种类型温度进行发酵, 应根据发酵原料的性质、来源、数量、处理有机物的目的、要求、用途和经济效益综合确定。温度的急剧变化不利于厌氧消化的顺利进行, 尤其是高温消化。据研究得出, 短时间内温度升降5℃, 沼气产量明显下降, 波动的幅度过大时, 甚至会停止产气。因此在设计消化罐时常采取一定的控温措施, 尽可能使发酵罐在恒温下运行, 温度变化幅度不超过1~2℃/d[24]。我国农村中的沼气发酵一般没有增温设施, 发酵装置建在地下, 发酵料液温度随季节的变化受气温、地温的直接影响波动较大, 属于常温发酵。中温发酵, 温度在40℃以下时, 产气随温度的上升而增加, 35℃为最佳的净产能温度, 40~45℃对中温或高温发酵来说均属于效率较低的范围。与常温发酵相比, 中温发酵具有原料分解快, 产气率高、气质好等特点。高温发酵, 在50~65℃范围内, 厌氧发酵的产量随温度的升高而升高, 实用温度多控制在52~55℃。高温发酵时有机物分解旺盛, 发酵快, 物料在发酵罐内停留时间短, 非常适于城市生活垃圾和畜禽粪便的处理, 可达到杀死虫卵和病原菌的目的。
2.2.6 p H值
厌氧发酵的适合p H值为6.8~7.4, 6.4以下或7.6以上都对产气有抑制作用, p H值在5.5以下, 产甲烷菌的活动则完全受到抑制[25]。在正常情况下发酵的p H值是自然平衡过程, 一般不需要进行调节, 只有在配料管理不当的情况下才会出现挥发酸大量积累, p H值下降。若在启动过程中, 原料浓度较高时常有酸中毒现象发生, 即水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段, 导致p H值降低。此时需要采取措施进行调节, 使之恢复正常。常用的调节方法有稀释发酵液中的挥发酸提高p H值, 加适量氨水或用石灰水调节p H值。如果p H值过度降低, 一般在6.0以下, 则应大量投入接种物或重新进行启动。
2.2.7 搅拌
干法厌氧发酵过程中搅拌的作用就在于保证物料层内气液固三相较为均匀, 不存在明显的浓度梯度, 保证较好的传热传质效果, 提高生物反应速率, 从而提高产气效果。目前, 常用的搅拌方法有液流搅拌和机械搅拌。液流搅拌是从外部将发酵液从反应器底部抽出, 再从反应器顶部喷回, 采用附加水源的形式进行渗滤循环喷淋, 通过液流的渗滤达到搅拌的效果。如车库型干法厌氧发酵系统[26]、渗滤液储存桶型[12]都是采用的这种搅拌方法, 此方法设备简单、维修方便。机械搅拌是指在反应器内安装叶轮等搅拌设备进行的搅拌, 但搅拌轴与罐壁之间的密封问题使得反应器结构复杂, 同时固体原料作用于搅拌器上的阻力较大, 需要输入的功率较大。
2.3 产气和造肥效果
2.3.1 产气效果
干法厌氧发酵的一个重要目的就是获得清洁能源沼气, 产气率是衡量干法厌氧发酵效果的重要指标。国内外大量的研究结果表明, 沼气干发酵产气效果良好。幽景元[27]在进行干法厌氧发酵的研究中结果表明, 在反应温度为54℃, 总固体含量25%, C/N比20, 接种量为30%, 甲烷产率为170L/kg TS。曲静霞[1]的研究结果表明, 当发酵温度为35±1℃, 原料滞留期为60d时, 发酵周期内的平均池容产期率为2L/ (L.d) , 甲烷含量达65%以上。Linke[23]用牛粪和50%的接种物进行中温 (35℃) 干法厌氧发酵试验中, 在干法厌氧发酵开始后的2~7d后产气趋于稳定, 沼气甲烷含量保持在60%~65%之间, 产气高峰在10~28d内。
2.3.2 造肥效果
营养成分如全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾等指标以及卫生指标是评价干法厌氧发酵产生的有机肥肥效的重要依据。国内学者对沼气干发酵过程的营养物质损失情况进行了研究, 结果表明沼气干发酵过程营养成分损失少。孙国朝[5]等的研究指出沼气干发酵的全氮损失率1.2%~2.5%。王天光[28]在干法厌氧发酵的产气和造肥效果研究中指出干法厌氧发酵的全氮保存率为91.7%。何丽红[29]在畜禽粪高温干法厌氧发酵关键参数优化研究中, 确定了在发酵温度为55℃, C/N比为12.5, 全氮损失率最小, 为1.1804%。国外学者对沼气干发酵沼渣的卫生情况进行了研究, 结果表明沼气干发酵的杀卵灭菌效果好。Ten Brummeler[30]的实验结果表明, 在经过21d的发酵后, 沼气干发酵对肠细菌、沙门氏菌、假单细胞菌、镰刀菌的去除率都大于99.99%。唐澄宇[31]用干法厌氧发酵沼气池处理城市生活有机垃圾, 经发酵40d以上, 沼气池内各层钩虫卵全部死亡;发酵达4个月时, 沼气池内上层蛔虫卵死亡率为85%, 中层为95%, 下层为100%, 同时, 细菌总数比发酵前下降98%以上, 大肠菌群完全转阴。
3 展望
沼气处理 篇7
1 主动内循环(TAIC)厌氧反应器的基本构造和技术原理
1.1 主动内循环(TAIC)厌氧反应器的构造
主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器由叠加的第一反应室和第二反应室,进、出料管,沼气提升管,污泥循环回流管,三相分离器,气液分离池组成。其特征是:叠加的2个颗粒膨胀污泥床(EGSB)厌氧反应器的高度、直径不同,上面的第二反应室大于下面的第一反应室,三相分离器为球冠倾斜连接管三相分离器,在沼气提升管上设置有可调速循环回流泵,污泥循环回流管直接与进料总管口下部连通,进料口设置有自动调压进料池,进料总管与第一反应室底部的布料系统相连接。主动内循环(TAIC)厌氧反应器结构图如1所示。
注:1——自动调压进料池;2——进料口;3-进料总管; 4——布料系统;5——第一反应室;6——第二反应室;7——三相分离器;8——提升管;9——可调速循环回流泵;10——第一反应室气液分离池;11——污泥循环回流管;12——沼气导管;13——第二反应室气液分离连接管;14-第二反应室气液分离池;15——沼气收集罩;16—沼液、沼渣溢流管;17—底渣排放管;18——倾斜连接管。
1.2 主动内循环(TAIC)厌氧反应器的技术原理
主动内循环(TAIC)厌氧反应器拥有2个厌氧反应室并实现了泥水混合液在反应器内部的循环。由于内循环的存在,避免了污泥被过多挟带出反应器,从而大大提高了反应器的处理容量。
运行时第一反应室所产的沼气经集气罩收集并沿提升管上升的动力,把第一反应室的发酵液和污泥提升到反应器顶部的气液分离器,分离出的沼气从导管进入顶部收集罩内,泥水混合液沿回流管进入进料总管与新进料液混合后又返回第一反应室内。
为更有效地提高反应效能,在反应器顶部外的提升管上安装一台可人工调速的轴流回流泵,从而实现上、下2部料液的主动内循环,增大料液传质效率,延长污泥滞留期,新进的料液和活性污泥完全处于动态的混合状态,从而大大提高了第一反应室内的反应效能,同时也防止发酵料液出现结壳现象。
经第一反应室处理的废水,经分离器自动进入第二反应室,废水中的剩余有机物被第二反应室的颗粒污泥进一步降解,使废水得到更好的净化,经过两级处理的废水在混合液沉淀区进行固液分离,清液由出水管排出,沉淀的颗粒污泥可自动返回第二反应室。这样,对废水完成了厌氧处理的全部过程。
2 主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器的技术创新点及关键技术
主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器采用自主发明专利技术(“一种TAIC厌氧反应器”专利号:ZL20081007391.2)[2],其技术创新点及关键技术如下。
2.1 在反应器顶部提升管装有功率很小的可调速循环回流泵
实现主动内循环,污泥循环回流在进料总管就与料液充分混合,并根据内循环对料液与活性污泥的混合状况及传质效果调节速度范围,以达到最佳的传质效果。
采用主动内循环(TAIC)厌氧反应器在技术上与其他种类的厌氧反应器相比,有以下几个突出优势。
(1)在处理低浓度废水时,循环流量可达进水流量的2～3倍;处理高浓度废水时循环流量可达进水流量的10～20倍。因为循环流量进水在第一反应室内充分混合,使原废水中有害物质充分稀释到微生物可以承受的程度,保证反应器中的微生物能良好生长,从而提高了反应器的耐冲击负荷能力。
(2)沼气发酵是在酸碱度中性条件下进行的厌氧反应,当酸碱度不在合适范围内时,启动内循环泵,主动内循环流量相当于第一级厌氧出水的回流,利用COD转化的碱度,对pH起缓冲作用,使反应器的pH保持稳定,可减少进水的投碱量,降低运行成本,使反应器正常运行。
(3)当启动主动内循环(TAIC)厌氧反应器时,通过内循环泵加大料液循环流量,使颗粒污泥始终处于适宜的膨胀状态,强化传质过程,反应器可以迅速启动。在一定的温度条件下通过改变运行方式(例如高进水量低浓度运行、低进水量低上升流速运行、高进水量高上升流速运行),可以使反应器快速启动,比其他厌氧反应器的启动时间缩短一半以上。当气温偏低时可以启动内循环泵加大料液循环流量,使厌氧反应器在较低温度下仍能正常运转,从而稳定污水处理效果。
(4)在反应器中,生化反应是依靠微生物的代谢活动进行的,这就要使微生物不断接触新的食物。搅拌是让微生物与食物发生接触的有效手段。由于实现了主动内循环,废水与活性污泥充分接触,促进甲烷菌微生物的代谢,使其迅速生长繁殖,提高产气量。
(5)由于主动内循环(TAIC)厌氧反应器内部结构中有三相分离器和主动内循环,使微生物滞留期(MRT)和固体滞留期(SRT)的滞留时间增长,传质效果好,生物量大,污染龄长,使活性污泥得到驯化与保护。其进水有机负荷率比普通的颗粒膨胀污泥床(EGSB)厌氧反应器高,一般高出2～3倍。能使浓度高低不同的悬浮固体物废水进行连续进料或半连续进料,固体物质及活性污泥不流失。可用大幅度提高进水COD容积负荷的办法,增加反应器中的沼气产量。
2.2 采用球冠倾斜连接管三相分离器
球冠形倾斜三相分离器不仅造价低廉,而且可以避免沼液上流速度过快。一方面改善了沼气和污泥的分离效果,活性污泥在气液分离池内进行,可以保证甲烷菌的活力;另一方面在倾斜连接管的导流作用下,第二反应室的料液形成旋流布料作用,产生推流搅拌,从而提高了污泥滞留期和菌料均匀度,消除了沼气池存在的料液短路、发酵盲区和微生物贫乏区等技术问题。
2.3 进料口上设置有自动调压进料池
当进料管发生阻塞时,调压池液面自动升高达到较高的压差,可以疏通阻塞,保持进料管畅通。
2.4 合适的高径比
提高反应器的液体上升流速,从而使颗粒污泥床膨胀,消除死区,使污泥和废水更好地接触,强化传质效率,保证沼气与污泥的分离效果。
2个反应池上下叠加,不仅能增大反应池容量,而且能使反应彻底,保证出水质量。反应器采用钢筋混凝土构筑物,并采取必要的防腐处理,半地下式建造方式可减少建筑和保温费用。
2.5 实现底渣的无动力排放
利用反应器溢流排水口与排渣口的水位差可有效地将反应器中的底渣(泥沙及比重大于水的不可降解物)虹吸排出,而不会排出活性污泥,大大减轻了人工清池的劳动强度。
3 用户使用效果
桂林市某种鸭有限公司的种鸭养殖场是桂林市规模最大的现代化种鸭养殖场之一。常年存栏进口的祖代种鸭有8万只,年出栏父母代种鸭苗20余万只。鸭粪产量为10 t/d,综合粪污水为300～500 m3/d。未处理前,年年出现污染纠纷,每年的赔偿费用达几十万元,排污罚款也达到了十几万元。
2007年,桂林旺隆达环保能源开发有限公司为该种鸭有限公司建成以主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器为核心的养殖污水沼气生态系统工程。
该主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统工程由以下五大部分组成。
(1)前处理装置,包括预处理池、调节池、固液分离设备等装置。
养殖场粪污预处理的主要目的是进行固液分离。畜禽粪污中对环境构成威胁的物质有80%存于粪污之中,固液分离可降低液体中的BOD、COD及SS含量,降低后续粪水处理单元的负荷。固液分离后,固体废渣用于制肥,液体进入后续处理单元。
养殖场粪污前处理系统包括格栅、集水池、固液分离、调节水解池。固液分离可采用沉淀池、水力筛网或固液分离机。养殖场废水处理系统前端设置调节水解池,可降解进水中的大分子有机物,提高粪水的生物可降解性,以避免水量冲击负荷对后续废水处理工艺的影响。
(2)主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器。主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器利用反应器所产生沼气的提升力和内循环轴流泵实现发酵料液与活性污泥保护分离的主动内循环。适用处理各种不同固体含量、浓度高低不同的废水,提高了反应效能和再生能源(沼气)的收集率,降低了反应器的造价及运行成本。
反应器采用钢筋混凝土构筑物,进行必要的防腐处理,采用半埋地下式建造方式可减少建筑和保温费用。
(3)沼气的收集、贮存及输配系统。包括气体水分分离、净化脱硫、贮气输气和沼气燃烧等设备。采用浮罩式低压湿式输气柜,钟罩内设置安全泄压孔,材质为优质的玻璃钢材。采用专业管线(聚乙烯管)及配套自动化设备收集、净化、储存、输送沼气。
(4)沼液后处理装置和人工生态湿地等,是确保达标排放不可缺少的组成部分。经过主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器处理后的废水,经析流式污泥沉淀分离池和人工湿地生物滤床处理后,处理效果可达到《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)中的规定,处理后的水全部用于灌溉附近农田。
(5)沼渣处理系统。包括固液分离等设备,改善了整个工程的经济性,实现了资源的综合利用。
根据养鸭场粪污水中鸭毛不易腐烂,易堵塞管道的水质特性,设计采用固液分离—厌氧生物技术和生态循环利用模式。该模式由预处理系统,主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器,沼气的收集、贮存及输配系统,沼液后处理装置,人工生态湿地,有机肥生产系统等组成。
主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统工程的工艺流程图如图2所示。
该工程项目的种鸭场养殖废水经过主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统处理后,沼气产气率≥0.5 m3/m3·d (常温反应)。出水水质经过人工生态湿地处理后,达到《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 13]中的相关标准,处理后的水全部用于灌溉附近农田。沼渣用于附近农田、果园的施肥。
该厌氧反应器的容积为300 m3,每天可以处理300～500t种鸭养殖粪污水。待处理粪污水的CODCr浓度为500～5 000 mg/L,经该设备处理后的水可以达标灌溉农田,效果非常好。所产生的沼气主要用于该养鸭场的沼气锅炉、小鸭孵化、职工生活等各方面,每年节约标准煤几十吨,同时节省了每年数十万元的排污罚款和农田污染索赔。既解决了养殖场粪污水问题,又解决了能源利用问题,其综合经济效益高达几十万元。
该设备操作简单、维护方便、能耗低,每天只需几元钱的电费就能维持正常运转。该设备排放沼渣也非常方便,打开排渣阀门系统就会虹吸自动排渣。
由于采用了桂林旺隆达环保能源开发有限公司的这项主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器处理养殖污水沼气生态系统工程的技术及设备,彻底解决了该公司种鸭养殖场粪污水排放问题。
4 主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖场污水沼气生态工程技术项目鉴定结论
主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖场污水沼气生态工程技术项目已经完成“桂林市科学技术研究与技术开发计划”([2009]37号)文下达的研究任务,并于2010年通过桂林市科技局组织的科技成果鉴定,鉴定结论为:经过三年“示范性工程”的检验,污水处理运行正常,沼气产生持续高效,有良好的环保节能减排效果和较好的经济效益、生态效益,达到国内领先水平,具备大规模推广应用的条件。
目前,主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统工程技术已经列入“2010年国家科技型中小企业创新基金”支持的项目(立项代码:10C26214504890)。
主动内循环(TAIC)厌氧反应器处理能力强,可以处理污水的CODCr浓度为200～50 000 mg/L,CODCr负荷为5～40 kg/m3d。不同浓度的有机废水CODCr去除率高达95%左右,产气率高,特别适用于大型畜禽养殖场的粪污水及各种有机废水的处理。
摘要：文章介绍了主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器的技术原理、技术创新点、关键技术、用户使用效果及项目鉴定结论。
关键词：主动内循环,厌氧反应,污水处理,TAIC反应器
参考文献
[1]胡纪萃.试论IC反应器:水工业与可持续发展[M].北京:清华大学出版社,1998.
[2]赵泽明,秦家运.一种TAIC厌氧反应器[P].中国专利:ZL2008 1007391.2,2010-06-09.
沼气发电工程沼气净化技术研究 篇8
沼气发电技术是一种沼气终端利用技术, 包括沼气生产与储存、沼气净化、沼气并网发电等多项关键技术内容。有机废物通过厌氧发酵过程产生沼气, 通过沼气脱水、脱硫等一系列净化过程后, 进入发电机组完成发电过程。因沼气中含有的硫化氢和饱和水蒸气遇冷后形成亚硫酸, 容易对管道及发电机的金属部件产生腐蚀, 特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重, 还会造成大气环境的污染, 故需要进行脱水和脱硫净化。
随着国家对PM2.5等环境指标的不断重视, 以及对农业生物质能产业的大力推动, 以农业废弃物为主体处理对象的大型沼气工程已得到了迅猛的发展, 而沼气使用领域的不断增加, 也提高了对沼气质量的要求。目前相对于国外发达国家, 我国的沼气净化技术尚处于起步阶段, 所兴建的大型沼气发电工程的沼气净化工艺也处于研发阶段, 没有一个统一的技术标准, 并未真正实现净化的要求。因此, 加强对沼气净化的研究显得极为重要和紧迫。
1 沼气的组成及其对燃烧的影响分析
1.1 沼气的组成
沼气由多种气体组合而成, 其成分根据发酵原料和处理工艺的不同发生变化[2], 其组成成分为:甲烷55%~65%, 二氧化碳35%~45%, 此外还含有少量的一氧化碳、氢气、硫化氢、氧气、氮气、氨气等气体[3,4]。
1.2 沼气成分对其燃烧特性的影响分析
由于沼气是一种混合气体, 其主要成分甲烷和二氧化碳的含量是一个变量, 致使沼气的着火温度也不是一个固定数值。该数值取决于沼气中甲烷气在空气中的浓度、混合程度以及压力等各项参数。同时, 由于沼气中含有大量的二氧化碳, 使得沼气的着火温度高于甲烷和其他可燃气体的着火温度[5]。当沼气与空气混合后, 只有在一定的混合浓度范围内才可以点燃, 沼气过多或过少都不能点燃。通常情况下, 甲烷在空气中的浓度在5%~15%时, 遇火就会爆炸[6]。
2 沼气干燥工艺分析
由于大型沼气工程厌氧发酵多采用中温或高温工艺, 致使发酵罐产生的沼气伴有大量的饱和水分。这些水分和沼气中存在的硫化氢反应生成硫酸, 腐蚀管道和设备, 同时水分的存在会影响检测设备的准确性, 降低沼气燃烧的热值。因此, 在沼气产生之后, 首先要将沼气中的饱和水分去除。
2.1 冷凝干燥法
冷凝法是根据不同温度下沼气中具有不同饱和水蒸汽的含量, 利用压力变化引起温度的变化, 使水蒸气从沼气中冷凝出来的一种方法。该方法常用的有两种流程:
A.节流膨胀冷却脱水法。该法一般用于高压燃气, 经过节流膨胀或低温分离, 使部分水冷凝下来。这种方法简单、经济, 但除水效果欠佳。
B.加压后冷却法。该法对于高、中温沼气脱除部分蒸汽可进行初步冷却[7]。但冷凝法采用热交换器的表层冷却, 通常比露点低0.5℃~1℃, 为了取得更低的露点, 达到最佳干燥效果, 必须在冷凝之前对气体进行压缩, 然后再释放到需要的压力[8]。
2.2 固体吸附干燥法
该方法是指在吸附剂固体表面力作用下吸收沼气水分, 实现干燥的方法, 常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛等[7], 各种干燥剂的特点见表1[9]。根据表面力的性质分为化学吸附 (脱水后不可再生) 和物理吸附 (脱水后可再生) [10]。该法能获得露点极低的燃气, 对燃气温度、压力、流量变化不敏感, 且设备简单, 便于操作, 较少出现腐蚀及起泡等现象。为达到连续操作的目的通常使用两套装置, 当一个工作的时候, 另外一个可以再生。干燥剂的再生可以通过两种途径, 一种是可以用一部分 (3%~8%) 的高压干燥气体再生干燥剂, 这部分气体可以重新回流至压缩机入口。另外一种是在常压下, 用空气和真空泵再生干燥剂, 但此法会把空气混入沼气中, 一般不使用。
2.3 液体溶剂吸收法
富含水蒸汽的沼汽经过吸水性极强的脱水剂时, 水分可被脱水剂吸收, 从而脱除沼气中的水分。常用的脱水剂有氯化钙、氯化锂、二甘醇和三甘醇等。
氯化钙的吸水性是通过无水氯化钙与水结合生成水合物, 如Ca Cl2·6H2O, 但该水合物不稳定, 极易脱水变成无水盐, 且与H2S接触又会发生沉淀, 目前已被逐渐淘汰。氯化锂是一种吸水性极强的无机盐, 氯化锂溶液表面的水蒸气压力很低, 因此具有很强烈的吸收水蒸气能力[11]。甘醇类脱水剂主要包括二甘醇和三甘醇, 其吸水性能都较强, 二甘醇的“露点降”为17℃~33℃, 三甘醇的露降点更大, 为28℃~47℃。二甘醇在脱水过程中有雾沫夹带, 三甘醇较少, 但有液烃存在时易起泡, 需添加消泡剂。三甘醇易达到98%以上再生, 二甘醇再生则不易超过95%。因此, 三甘醇使用最多, 但初期投资较高[8]。
3 沼气脱硫工艺分析
沼气发酵时由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用会有一定量的H2S气体生成并进入沼气[12]。H2S气体可以和大部分金属反应, 腐蚀金属设备、管道和发电机等, 所以必须加以去除。
3.1 氧化铁干式脱硫工艺
氧化铁脱硫剂多为条状多孔结构固体, 当含有H2S的沼气通过氧化铁脱硫剂时, 会在氧化铁表面发生化学置换反应, 生成硫化铁。当脱硫剂工作一定时间后, 其活性会逐渐下降, 脱硫效果逐渐变差。当脱硫剂中硫未达到30%时, 脱硫剂可进行再生, 若脱硫剂硫容超过30%时, 就要更新脱硫剂。脱硫剂再生原理是使硫化铁与空气接触, 经反应生成单体硫和氧化铁, 再生的氧化铁可继续使用, 重新参加脱硫反应[13]。
3.2 生物氧化脱硫工艺
生物脱硫是利用发酵液中的各种微生物, 如脱氮硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、排硫硫杆菌、丝状硫细菌、氏硫菌属、辨硫菌属、发硫菌属等, 在微氧条件下将H2S氧化成单质S和H2SO2, 沼气中的S可以通过微生物被去除[14]。生物法脱硫需要严格控制氧含量, 如氧过量, 硫化物会被氧化为硫酸盐从而影响脱硫的效率。
3.3 碱性液体吸收工艺
由于碱性液体能吸收酸性气体, 故可采用碱性液体吸收硫化氢, 达到脱硫的效果。常用的溶剂有氢氧化钠和碳酸氢钠溶剂。此外, 还有萘醌氧化脱硫技术、HAPS氧化脱硫技术和PDS脱硫技术等方法, 都可应用到沼气去除H2S。
3.4 活性炭吸附工艺
活性炭作为一种常用的脱硫剂, 适用于H2S含量小于0.3%的气体[15], 故可用来脱除沼气中的微量H2S。在常温下, 活性炭可加速H2S氧化为硫的催化作用并使之被吸附, 吸附在活性炭上的硫, 可用质量分数为12%~14%的硫化铵溶液萃取活性炭上的游离硫而得到回收。活性炭法具有反应速度快, 接触时间短, 处理气体量大等优点[16]。
4 结论
随着国家在政策的大力扶持以及对能源环境的高度重视, 我国沼气工程建设的重点已从原有农村小沼气逐渐过渡到集约化的大型沼气工程, 并以此为纽带, 形成养殖业、种植业和加工业为产业链的能源的综合循环利用。产生的沼气通过输入天然气网、热电联产或用作汽车燃料取代原有的沼气直接燃烧利用模式。在这些沼气利用模式之前的关键工艺就是沼气净化工艺, 包括沼气干燥脱水、沼气脱硫, 甚至沼气脱碳提纯工艺的选择也在沼气产品的形式及性能中起到了关键性作用, 必须加以重视。
参考文献
沼气处理 篇9
本文提出太阳能和沼气锅炉与沼气池集成组装的系统设计, 通过确定太阳能集热器面积与沼气锅炉联合运行的匹配方式, 保持池体温度处于较好的发酵温度, 解决北方寒区冬季沼气无法正常使用的瓶颈问题。
1 太阳能联合沼气锅炉加热沼气池系统的设计
太阳能联合沼气锅炉加热系统如图1所示。
本系统由集热器、沼气锅炉、温控设施、沼气池等部件组成, 太阳能集热器集热系统与沼气锅炉加热系统采用并联连接, 联合向沼气池供热, 采用水为热的载体在系统中循环流动。温度传感器23采集沼气池内的温度, 辐射传感器24采集室外环境的辐射温度, 两个传感器将采集的温度信息传输给水泵控制器4, 水泵控制器4根据采集的温度信息向循环水泵7和8发出开启、关闭及运行状态的控制指令。
2 系统运行方案
系统中太阳能集热器和沼气锅炉并联运行, 循环水泵7、8分别承担两个支路的循环介质流量, 对每一支路来讲是定流量运行, 而对整个系统而言, 运行较为复杂。可以分为以下三个运行工况:
(1) 白天太阳辐射较强时, 太阳能集热器支路提供的热量足以维持相对较小的加热沼气池热负荷时, 启动循环水泵7, 关闭循环水泵8, 对池体加热升温, 多余的热利用池体内部的沼液进行蓄热, 但池体内部温度高于设定上限时, 关闭循环水泵7;
(2) 夜间或太阳辐射较弱时, 太阳能集热器不工作关闭循环水泵7 , 当池体内部温度降到设定温度时启动循环水泵8, 运行沼气锅炉加热支路, 加热沼气池;
(3) 当气候条件介于二者之间时, 同时启动循环水泵7、8, 两支路并联运行, 为沼气池加热, 保证池体内部温度在设定范围内。
沼气池温度的突然变化对产气量有很大影响。大中型沼气发酵工程, 温度是必须的监控指标。温度变化超过3℃, 产气会发生明显的变化。因此在系统中辅以温度传感器, 以保持池体内部温度波动维持在3℃的范围内。
3 系统设计步骤
太阳能联合沼气锅炉加热沼气池系统在设计过程中, 需要计算的是太阳能集热板面积和沼气锅炉的出力大小。其设计计算步骤如下:
(1) 计算沼气池的热负荷Q0
沼气池的热负荷Q0由两部分组成:投料负荷Q1和散热负荷Q2, 即
Q0=Q1+Q2 (1)
其中:
Q1=Cm (t2-t1) (2)
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式中 Q1——投料负荷, kJ;
Q2——散热负荷, kJ;
C——沼气原料比热, 取4.2 kJ/ (kg·K) ;
t1——进料粪便温度, ℃;
t2——混合后温度, ℃;
tf1——池内料粪便温度, ℃;
tf2——池外空气温度, ℃;
A——池体侧面积, m2;
m——进料质量, kg。
(2) 沼气池产气量和富裕沼气量的计算
沼气池产气量采用经验公式进行计算:
G=rV·V (5)
式中 G——产气量, m3/d;
rV——池容产气率, m3/ (m3·d) ;
V—池体容积, m3。
在沼气池产气量中扣除用户消耗的沼气量即为富裕沼气量:
G2=G-G1 (6)
式中 G1——用户消耗的沼气量, m3;
G2——富裕沼气量, m3。
(3) 沼气锅炉出力
沼气锅炉以沼气池中富裕沼气为原料向沼气池系统供热, 能提供的热量为
Q3=rs·q·η (7a)
式中 Q3——沼气锅炉日供热量, kJ;
rs——沼气日剩余量, m3/ (m3·d) ;
q——每立方米沼气的发热量, 21 509 kJ/Nm3;
η——沼气锅炉热效率, 取80%。
(4) 太阳能集热系统集热板面积的确定
在本系统中, 沼气池的热负荷中扣除沼气锅炉提供的热量, 其余部分热量由太阳能集热系统提供。
Q4=Q0-Q3 (7b)
式中 Q3——太阳能集热系统日供热量, kJ。
定义太阳能系统的保证率f为系统总负荷中太阳能所担负的百分数, 即
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太阳能系统的保证率与太阳能集热板面积间存在以下关系:
f=0.0073A-0.000 018 8A2+0.000 000 016A3 (9)
根据式 (9) , 即可确定太阳能系统中集热板的面积。
4 设计实例
作者为哈尔滨地区年出栏1 500头的集约化养猪场进行了实际的系统设计, 利用养殖场的猪粪便为原料, 设计沼气发酵系统, 修建沼气站, 为周边100户农户供气, 室外空气温度取哈尔滨地区一月平均温度-18.7℃。新投料质量3 292 kg, 进料粪便温度20℃, 混合后温度35℃, 则投料负荷:
Q1=CmΔT=4.2×3 292× (35-20) =207 270 kJ
通过模拟结果知, 沼气池散热负荷:
Q2=691 200 kJ
则沼气池总负荷:
Q0=Q1+Q2=898 470 kJ
取每天的池容产气率rV=1.5 m3/ (m3·d) , 池体容积V=115.39 m3, 则系统日产沼气量:
G=rV·V1=115.39×1.5=173 m3/d
我国农村5口人的家庭, 每天煮饭、烧水约用气1.5 m3;本设计拟订为100户农户供气。日需用气量G1=150 m3, 剩余沼气量:
G2=G-G1=173-150=23 m3
根据沼气日剩余量, 算得由沼气锅炉为加热沼气池提供的热量:
Q3=rs·q·η=23×21 509×0.8=375 765 kJ
集热器需提供的集热量:
Q4=Q0-Q3=898 470-395 765=502 705 kJ
太阳能保证率的计算:
undefined
根据公式 (9) , 在f=55.9%时, 可以算得太阳能集热器面积A=100 m2。
因而该系统最终确定为:为100户农户供气的沼气系统, 在沼气容积为115.39 m3, 沼气锅炉出力在395 765 kJ, 太阳能集热器面积为100 m2即可正常运行。
5 结论
通过本文的系统设计和实例计算, 证明太阳能—沼气锅炉联合加热系统在北方严寒地区是可行的。本系统中充分利用太阳能为池体加热, 可以保证沼气池高产、高效运行, 有效处理养殖粪污, 改善养殖区居住环境, 具有较好节能性、环保性。
参考文献
(1) 腾传钧, 汪国英.沼气及节能综合利用技术 (M) .贵阳:贵州科技出版社, 2003:1-6.
(2) 罗运俊, 何锌年, 王长贵.太阳能利用技术 (M) .北京:化学工业出版社, 2005:43-45.
沼气处理 篇10
这是现如今华池山区生态能源示范村村民生活的真实场景。作为一个没有区位优势的山区农业县, 近年来, 华池县因地制宜, 选准了一条人与自然和谐发展的特色产业路子。从2006年起, 华池县提出了小沼气大产业的思路, 并把大力发展沼气作为落实科学发展观, 解决“三农”问题和发展循环经济的支撑点。多年来, 这一经济、方便、卫生的能源经过政府引导、典型示范、资金扶持、逐步完善生态链条, 最终形成了以养殖为重点、以沼气为纽带、以种植为龙头的“养殖—沼气—种植”这一“三位一体”的良性循环系统。正是这一独特的“华池模式”, 造就了今日华池的新农村。
2008年, 华池县委、县政府把沼气池建设确立为发展循环经济、推进新农村建设的“1号工程”, 出台了《关于农村沼气池建设的实施意见》, 制定了一系列优惠政策和激励机制, 引导鼓励农民建设沼气池。华池县成立了沼气协会和技术服务机构, 建立了县、乡、村三级服务网络, 无偿为建池户提供建前、建中、建后技术及相关服务。为让这项“民心工程”经得起检验, 县里从工程开始实施到投入使用, 其规划设计、建设标准、技术培训、施工队伍、物资供应和考核验收, 全过程实现建设规范化, 并做到目标责任、督促检查和管理制度落实到位。至2008年底, 全县共投入建设资金2757.65万元, 其中国家投资846万元, 县上配套84.6万元, 协调项目村6000多户群众通过采取小额信贷等办法多渠道自筹资金1147.8万元。
眼下, 华池县各级财政及农户累计投入资金近亿元, 15个乡镇共建成标准化“一池三改”沼气池8020口, 受惠农户占全县总农户的32.8%。今年, 在15个乡镇15个行政村实施的4560口项目任务, 从2月初开工建设, 至目前, 规划放线3780口, 挖坑2675口, 建成1470口, 占全年任务的86.4%, “三改”率达到81%, 产气率达到84%。目前全县新农村建设中用洁净能源的大建设氛围已经形成, 争沼气项目, 配套新农村建设, 农户的积极性空前高涨。从过去硬推强搞, 到今天踊跃争取, “能源沼气”已成为今天华池新农村建设的热点内容、抢手项目。
3月16日, 在华池县五蛟乡南湾村我们看到, 昔日黄土裸露的沟沟岔岔被浓密的树木覆盖, 四周良田碧绿, 山上鲜活青翠, 草长莺飞, 令人陶醉。在村民户秉琳家里, 老伴听说要来客人, 忙着在蓄满井水的缸里舀满了壶放在沼气灶上, 用她那长满老茧的右手一拧炉灶上的气阀, 蓝色的火焰便“呼呼”地往上蹿。今年53岁的老户充满感激地说“在没有使用沼气池之前, 村子里烧柴是个大问题。做饭得上山砍柴, 山上的树木越砍越少, 就得到更远的地方去砍, 后来要跑到5公里以外的深山里才能砍到柴, 早上6点出门, 晚上6点才能回来。山秃了、树没了, 洪灾旱灾接连不断, 粮食产量越来越少。现在我们的村子绿树成荫, 郁郁葱葱, 这得把功劳记在沼气利用上”。
在新农村建设中, 华池县着力提高农民的生活质量, 以沼气为纽带, 促进养畜, 带动种草, 富裕农民, 推动全县养牛4.8万头, 养羊31.5万只, 养兔25.4万只, 养猪6.8万头, 养鸡42万只, 配套种植优质牧草55万多亩。与此同时, 该县把沼气项目与生态环境建设结合起来, 通过沼气池建设, 配套实施改厕、改厨、改圈、改院。实现人居环境清洁, 庭院经济高效, 农业生产无公害, 社会、经济、生态三大效益同步增长的目标。通过沼气项目, 变废为宝, 改变了农村做饭砍柴、户户冒烟的传统习惯, 实现了资源消耗型农业向资源循环利用型农业转变。把沼气项目建设与新农村小康家园建设结合起来, 新建小康住宅3078户, 围庄整地44.6万亩, 围庄种草48.8万亩, 围庄栽树2856万株, 围庄打窖7.6万口, 新修改造道路716.4公里。农电、电视、电话入户率分别达到100%、100%和92%, 能源沼气项目在新农村建设中发挥了最大效益。
沼气工程促进了生态和经济两个系统的良性循环。华池县以沼气为纽带, 上联养殖, 下接种植, 形成畜、果、蔬、粮、沼、水、路等多位一体的农村循环经济模式和“畜—沼—厕—林”、“畜—沼—厕—菜”等多种经营模式。前促养殖后带种植, 沼液喂猪, 沼肥浇果、种菜, 沼渣养鱼, 可节约化肥、农药成本20%左右。既解决了畜禽养殖的环境污染, 又可以减少因施用化肥、农药导致的土壤板结、地力下降、农药残留等问题, 培肥了地力, 改善了生产条件, 还能提高农作物产量和品质, 实现农村经济的可持续发展。如今, 华池县积极推广“养殖—沼气—种植”, 建立无公害蔬菜基地, 苹果、大白菜、西红柿等瓜果蔬菜产品吸引了众多商贩争相上门收购。县委书记马斌说, 华池下一步的目标很明确, 就是不断改进沼气建设和农产品改良技术, 延伸产业链, 加快生态农业产业化进程, 使“养殖—沼气—种植”这三位一体的生态农业向“养殖—沼气—种植—加工—旅游”五位一体的现代化生态农业发展。
通讯员田力, 张富涛, 禄永峰