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畜牧業迅速發展的同時,產生了大量的畜禽糞  污。據測算,全國規?；笄蒺B殖場每年產生畜禽  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卵等特點,遠超過  了自然界的自凈分解能力,若不科學處理,將嚴重污染大氣、水體及土壤等環境,并會傳播疾病,同時也  會影響畜牧業自身的可持續發展。因此,將畜禽廢  棄物進行無害化和資源化處理利用對降低環境污染有著重要的意義2-3)。  黑膜沼氣池厭氧消化技術是處理畜禽糞便的有效途徑之  不僅能實現畜禽養殖廢棄物的無害化處理與多層次資源化的利用+5,也能產生沼氣用于熱電聯產或生產生物質天然氣維持畜禽養殖行業的可持續  發展。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與其他畜禽廢棄物有著顯著不同。雞的消化道僅為體長的7倍,飼料在消化道內的停留時間較短(4h),因此對攝入的飼料消化吸收率很低,約70%的營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68.2%(7。雞糞C/N較低,高濃度黑膜沼氣池厭氧消化過程中易造成氨氮富集從而導致消化過程的抑制作用出現8l。Cali1等曾報道,pH值為7.4,總氨氮超過3000mg·L時就會對發酵微生物產生毒抑制作用。

Adderley等研究表明總固體含量為2.5%的  發酵時其揮發酸量最大化且產甲烷細菌活性最準  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  氨濃度和通過馴化提高微生物對氨的耐受能力  通過調節工藝參數來控制氨濃度,必然會引起其因素的變化,例如通過降低溫度降低氨抑制時會低污泥活性,降低P值時會增加VFA濃度引  ⅤFA積累抑制等問題;因而通過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,以期對我國規模化雞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行黑膜沼氣池厭氧消化協同作用,需要采用特定化的方式進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)黑膜沼氣池厭氧產沼與沼氣凈化貯存  階段;4)產品高效利用階段;產品利用主要分為氣與沼液兩方面。

養殖場產生的雞糞和污水通過車輛或管道輸送有  至水解除砂池和集水池,雞糞經污水稀釋調配Ts  濃度為8%-12%后,在水解停留時間2d,經水解  除砂后雞糞物料TS濃度為7%~10%,通過螺桿泵  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  反應器兩級發酵,設置停留時間20-25d。同時,在  級發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,提高沼氣產生效率,同時,減少了污泥流失。發酵產生的沼氣進入脫硫系統脫硫后  發電上網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種植使用。

在黑膜沼氣池厭氧調試運行初期時,通過調控水解溫度、物料pH值及TS濃度、進料負荷、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3MW熱電肥聯產沼氣工程

山東民和牧業大型熱電肥聯產沼氣工程是于2007年12月投資建設,2008年10月調試運行的大型沼氣發電工程,2009年2月并網發電,位于山東省蓬萊市北溝鎮曲家溝村。工程將山東民和牧業股份有限公司下屬的23處肉雞場,每天產生的雞糞(TS20%)500噸和污水500方作為原料進行黑膜沼氣池厭氧消化,產生的沼氣用于沼氣發電并網,發電機組余熱用于發酵系統自身增溫。該項目日產沼氣3000m,日發電600k0h,并人電網,年發電量200萬kWh,每年可獲發電收益1300萬元,發酵后的沼  液部分直接施用于周圍葡萄、蘋果和玉米等農田,另

有3001·d-的沼液用于沼液資源化利用項目生產高端葉面肥,既減少了化肥的使用量,又實現了資源的循環利用和污染物的零排放。該項目實現年減排  溫室氣體6.7萬噸CO2當量,是國內首個在聯合國完成清潔發展機制( Clean Development Mechanism,  CDM)碳交易的農業領域沼氣項目3。

該項目于2008年10月開始投料調試運行,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月底對工程進行監測,數據見圖2~圖5。在此期間項目平均每日進料210噸雞糞,黑膜沼氣池厭氧進料濃度TS6.1%~8.1%,一級發酵罐平均濃度TS39%,二級發酵罐平均濃度TS4.1%,沼液罐出水平均濃度TS3.4%;各級發酵物料pH值8.0~8.2;級發酵罐揮發酸平均4760mg·L',二級發酵罐揮發酸平均3823mg·L-1,沼液罐出水揮發酸平均2912mg·L;各級發酵罐總堿度(以CaCO3計)在9500mgL-1-110g·L之間,氨氮濃度均達到5000mg·L-以上,平均日產沼氣22594m3,平均日發電46550kWh,項目沼氣產量未受氨氮影響,通過核算該項目實際運行中雞糞TS產氣率大于500m3t-'。沼氣經過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96%。

根據監測結果,雞糞原料中揮發性固體( 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,觀察不到任何影響,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,發現pH值為中性時1C為4000mg·L。蔣彬1的研究則表明在氨氮抑制甲烷化過程中離子態NH4N是主要的抑制劑,而非大多數學者所認同的游離氨氮,其與細胞內其它陽離子的交換是導致產甲烷菌代謝失調的主因。何仕均1等研究發現當氨氮濃度小于0.4g·L時,對體系表現為促進產甲烷作用:當氨氮濃度大于0.8gL時,開始表現為抑制產甲烷作用,并且隨著氨氮濃度的繼續提

高,黑膜沼氣池厭氧顆粒污泥的產甲烷活性顯著下降。同時  究表明氨氮對黑膜沼氣池厭氧污泥產甲烷活性的影響與反應  系的堿度及污泥濃度等有關,在一定范圍內提贏  應體系的堿度或污泥濃度可以提高反應器對氨氮產  烷毒性的忍耐能力。于芳芳8等,研究表明,當Cm  為6O0ng,L時,氨氮對產甲烷茵產生毒害作用流  度為1500L-1,C0為400mg:L1,毒性周期的最  大產甲烷速率為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甲  性有不同程度的恢復在毒性實驗中受到的抑制作用  越小,產甲烷活性恢復得就越快、越完全。  實際表明經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  為通過處理大豐市大豐港及周邊區鎮220t·d的  雞糞并生產生物質燃氣。雞糞通過黑膜沼氣池厭氧消化每天可  生產沼氣約20000m3,其中平均每天約18%的沼氣  用于發酵系統自身增溫,剩余沼氣經提純后生產生  物天然氣,平均每天生物天然氣的產量約為  m3,年產生物天然氣約350萬m3;發酵后的沼液渣分別進入有機肥廠進行深度加工。

該項目綜合利用周邊養殖糞污,既開發了生物質能源,有效利用了資源,又減少了周邊養殖生產帶來的環境污染,改善了當地的生態環境,實現現代養殖業的綠色可持續發展。項目建成后,實現年減排

溫室氣體4.5萬噸CO2當量。該項目于2014年開工建設,2015年6月開始投料調試運行,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產氣率維持在460~510  m3d-2,其波動受周邊各養殖場原料影響。  

2.3臺灣石安牧場日處理80t雞糞沼氣發電項目  

臺灣石安牧場日處理80t雞糞沼氣發電項目  采用CSTR發酵工藝,設計處理雞糞80t·d-1,生產  沼氣8,00md2。沿氣全部用來發電,每天可產  16.00kW:h電,所發電量除少量用于養殖場雞舍  自用外,剩余全部上網供市電使用,發電機余熱為發  酵系統本身供熱。發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程中的有機肥施用于農田中。

該項目于2014年年初動工建設,2014年10月  開始投料調試運行,現已穩定運行接近3年時間。  2016年8月對工程進行監測,數據見圖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,經稀釋調配及除砂后黑膜沼氣池厭氧罐進料TS濃度維持在78%,發酵物料pH值7.9~8.1,揮發酸濃度平均5720mg·L,總堿度(以CaCO3計)平均29860mgL,氨氮濃度維持在5100~5600mgL1,其特有的發酵環境使得該系統可在高揮發酸和高氨氮下穩定運行,每日沼氣產量6000~7000m3,其原料產氣率達到110m3+t-以上。所產沼氣經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、經濟發展創造了技術基礎。采用  高濃度高氨氮雞糞的黑膜沼氣池厭氧消化技術,其黑膜沼氣池厭氧進料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,黑膜沼氣池厭氧產沼氣過程不受影響。通過工程實例分析,雞糞高氨氮濃度黑膜沼氣池厭氧消化技術穩定可靠,值得推廣應用,該技術將對規?；B殖場處理雞糞糞污提供技術借鑒。

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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