生物天然气、沼气工程

处理畜禽粪污的沼气工程——以厌氧消化为核心技术，集粪便处理、沼气生产、沼气和沼肥资源化利用为一体的系统工程。...





处理畜禽粪污的沼气工程——以厌氧消化为核心技术，集粪便处理、沼气生产、沼气和沼肥资源化利用为一体的系统工程。

• 沼气工程的作用：

⑴解决重点区域畜禽粪污对周围环境的污染问题，改善项目实施区农业生产和人民生活环境质量。

⑵替代化石能源，降低温室气体排放；对提高国家能源供应安全性有积极作用。

⑶带动相关产业发展：沼气工程专业制造，沼肥加工与销售，社会化服务体系等。

• 沼气工程建设内容（一池三建）

“一池”：沼气发酵池（也称厌氧消化器），即在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解有机物并生产沼气的装置。

“三建”：

①预处理系统，包括格栅、沉砂、调节水质和水量、计量、进料等设施；

②沼气利用系统，包括沼气净化、储存、输配和利用（发电、民用、烧锅炉）等设施；

③沼肥利用系统，包括沼渣、沼液的中转、调蓄、综合利用或进一步处理的设施。

• 产业链与循环经济

沼气发酵的生物作用——沼气发酵微生物是人工制取沼气的最重要因素，有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物获得基本的生长条件，沼气发酵原料才能在微生物的作用下转化为沼气。沼气发酵过程中主要有五大菌群（发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、产甲烷菌）参与活动。

沼气发酵的条件——沼气发酵就是培养和积累厌氧消化细菌，使细菌具有良好的生活条件；只有首先做到了这一点，才有可能获得较好的沼气产量或污水处理效率。微生物的生命活动要求的主要条件包括发酵原料、厌氧活性污泥、消化器负荷、发酵温度、pH值、碳氮比、有害物质的控制及均质等。

(1) 发酵原料的种类及其碳、氮配比：发酵原料既是产生沼气的底物，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源，人畜粪便、污水、好氧剩余污泥、工业有机废水（制药废水、酿酒废水、淀粉废水、有机垃圾、作物秸秆）。发酵原料的C:N比是指原料中有机碳素与氮素含量的比例关系，因为微生物生长对碳和氮有一定要求，其利用速度是20-30倍的关系，或者BOD5

:N:P= 200:5:1= 200:5:1为宜。

(2)足够的接种物：厌氧活性污泥使厌氧消化菌与悬浮物质和胶体物质结合在一起形成的具有很强分解有机物能力的凝絮体，颗粒体或附着膜。接种量一般为发酵液10%‾50%；当采用老沼气池发酵液体作为接种物时，接种量应占总发酵液的30%以上。

(3)严格的厌氧环境：沼气微生物的核心菌群---产甲烷菌是一种厌氧性细菌，对氧特别敏感，生长、发育、繁殖、代谢等生命活动过程都不需要空气。空气中的氧会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。因此正常沼气发酵，其发酵液的氧化还原电位越低越好（不产甲烷阶段+100～-100mV,产甲烷阶段-150～400mV ，发酵环境处于无氧状态。

(4)适宜的发酵温度：高温发酵：50-65 ℃，最适温度为55±2°C；中温发酵：20-45℃，最适温度为35±2°C；偏低温发酵：10-20℃；常温发酵：随自然温度而变化的发酵。

(5)

pH值与碱度：厌氧消化最适宜的pH值为6.8～7.4 ，当pH值6.4以下或7.6以上，都会对厌氧微生物产生不同程度的抑制作用，导致产气减少或中止。碱度：指消化液中含有能与强酸相作用的所有物质的含量。主要以重碳酸盐，碳酸盐，氢氧化物三种形式存在。这些物质可与挥发酸发生反应，使pH值不会有太大变动。

(6) 毒性化合物：一般情况下，农作物秸秆中不会含有大量有毒物质，但畜禽养殖场和工厂中的有机废水中常含有消毒和防疫的药物或者重金属等物质，这些有毒物质会抑制厌氧微生物的生长、代谢及繁殖等。例如，有些有机氯毒性很强，常引起产甲烷菌的中毒而使发酵失败。

• 主要调控指标

（1）固体物：总固体(TS)是悬浮固体(SS)和溶解固体(DS)的总和，以单位体积水样在103-105℃蒸发干后残留物的重量表示。

（2）化学需氧量COD)：是指水样中能被化学氧化剂氧化的物质，在规定条件下进行化学氧化过程中所消耗的氧的数量，以每升水样中消耗氧的毫克数表示。常用的化学氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾。

（3）生化需氧量BOD5：指水样中微生物分解有机物过程中所消耗的水中溶解氧的量，以每升水样消耗溶解氧的毫克数表示。一般都以20℃条件下，培养5天所消耗的氧来表示，记为BOD5。

（4）挥发性有机酸(VFA)：是厌氧消化过程中重要的中间产物，甲烷菌主要利用VFA生成甲烷，只有少部分甲烷由CO2和H2生成，但CO2和H2的生成也经过高分子有机物形成VFA。VFA在厌氧反应器中的积累能反映出甲烷菌的不活跃状态或反应器操作条件的恶化，较高的VFA(如乙酸) 对甲烷菌有抑制作用，因此反应器运行中，出水VFA是重要的监控制指标。

（5）pH值：是氢离子活度的负对数，pH=-log[H+]

（6）碱度：表示水样中能与强酸中的氢离子结合的物质的含量。包括：强碱、弱碱、弱酸阴离子等。

（7）水力停留时间HRT：指进入反应器的废水在反应器内的平均停留时间，HRT=V/Q。

（8）污泥停留时间SRT：也称为泥龄，SRT=反应器内污泥总量/排出反应器的污泥量。

（9）微生物停留时间MRT：指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的平均时间。应采取可能的措施，尽可能达到：MRT>

SRT > HRT；

（10）原料产气率：指单位原料在一定条件下的产气量。原料产气率是衡量原料分解好坏的一个重要指标。农村沼气原料产气率的单位通常用“m3/kg（TS）”，原料产气率有理论值、实验值和生产运行值三类。

（11）反应器的有机负荷：分为容积负荷Nv和污泥负荷Ns。容积负荷Nv：单位反应器，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的废水中有机物的量，其单位为kgCOD/m3.d或KgBOD5/m3.d，则计算公式：Nv=QS/

V，式中：进料浓度 S

(kgCOD/m3或kgBOD5/m3)，流量 Q(m3/d)，反应器有效容积 V(m3)。污泥负荷Ns：反应器的单位重量污泥，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的废水中有机物的量，其单位为kgCOD/(kg

MLSS.d)或KgBOD5/(kgMLSS.d)，则计算公式：Ns

=QS/ (Vρs)，反应器污泥浓度ρs(kgMLSS/m3或kgMLVSS/m3)。

（12）容积产气率：指在一定条件下，厌氧消化器单位容积的产气量，单位：m3/m3.d。容积产气率是评价厌氧消化器反应效率的一个重要指标。它与发酵原料入池量、原料种类、厌氧消化器规模、消化时间、温度等有关。

• 厌氧消化工艺

⒈生态型——粪便及其污水合流入沼气发酵系统；要求种、养科学规划、合理匹配建设；沼液首选还田利用。通用工艺流程——

⑴常用的厌氧反应器：隧道式水压沼气池，或农村户用池的放大或组合；完全混合式厌氧反应器(CSTR)，厌氧接触工艺（AC）,生流式厌氧固体反应器(USR), 厌氧塞流式反应器（HCPF)等。⑵应用条件：①远离城市，土地宽广，有足够农田消纳粪污或沼液的地区，特别适应种植常年需施肥的农作物，如蔬菜、经济类作物等。②要求养殖场规模不大，冲洗水量少，万头猪场排放的粪污总量控制在40t/d以下。

2.热、电、肥联产型——热、电、肥联产，达到能量高效转化、资源循环利用，提高沼气工程常年运行的稳定性和财务生存能力。⑴工艺

⑵技术参数：•进料浓度:

TS 6%-12%；•发酵温度：中温或高温；•装置容积产气率：中温≥0.8m3/m3.d，高温≥2.0m3/m3.d；•有机物去除率：60%-80%；•发电余热利用；⑶优缺点：该模式是最为经济、有效的处置方法。污染物基本达到零排放，最大限度实现资源多层次利用。在自然条件允许的状况下，应该是首选方案。发电余热完全可以满足厌氧消化器的增温保温，不需要外加能源，保证沼气工程常年稳定运行。充分利用沼气的共生产品(热、电、肥), 增加收入，实现沼气工程的循环经济。缺点：缺点：需要有大量土地。处理万头猪场的沼液至少需要1000亩土地消纳，应用受到限制;雨季以及非用肥季节还须考虑沼液的其它出路；系统比较复杂，运行管理要求较高。⑷应用条件：远离城市，土地宽广，有足够农田消纳粪污或沼液的地区，特别适应种植常年需施肥的农作物，如蔬菜、经济类作物等。适合养殖场规模大或工业沼气，产气量多，发电上网的项目。

3.能源环保型工艺路线——清、浊分流治理，降低运行成本，寻求低成本的达标处理技术（湿地、氧化塘、SBR等）；⑴粪便及浓污水：鲜粪:粪水＝1：0.5～1→高浓度(TS

8-12% )中、高温厌氧消化→高浓度沼肥还田；⑵冲洗水：冲洗粪水(TS1-3%

) →过筛粪水(TS ≤1%

) →常温（UBF/UASB）→深度处理（自然/强制性好氧）

• 厌氧消化器类型

厌氧消化器（俗称沼气池）是沼气生产的核心装备。微生物的繁殖、有机物的分解转化、沼气的生成都是在厌氧消化器里进行。因此消化器的结构与内部设施的配置是沼气工程设计与建造的重点。

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