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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(jù)測(cè)算,全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)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(yǎng)殖廢棄物具有高含固率、高有機(jī)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(yuǎn)超過(guò)  了自然界的自凈分解能力,若不科學(xué)處理,將嚴(yán)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(xù)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(duì)降低環(huán)境污染有著重要的意義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(xiàn)畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖行業(yè)的可持續(xù)  發(fā)展。雞糞作為占據(jù)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顯著不同。雞的消化道僅為體長(zhǎng)的7倍,飼料在消化道內(nèi)的停留時(shí)間較短(4h),因此對(duì)攝入的飼料消化吸收率很低,約70%的營(yíng)養(yǎng)物被直接排出體外,是所有禽畜糞便當(dāng)中養(yǎng)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(jī)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(dǎo)致消化過(guò)程的抑制作用出現(xiàn)8l。Cali1等曾報(bào)道,pH值為7.4,總氨氮超過(guò)3000mg·L時(shí)就會(huì)對(duì)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(xì)菌活性最準(zhǔn)  氨抑制是影響黑膜沼氣池厭氧消化穩(wěn)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(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制游離  氨濃度和通過(guò)馴化提高微生物對(duì)氨的耐受能力  通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)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(yǎng)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(duì)我國(guó)規(guī)模化雞糞沼氣工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)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(yīng)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(yǎng)以應(yīng)對(duì)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(yùn)輸與廢水輸送  段;2)預(yù)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(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的雞糞和污水通過(guò)車輛或管道輸送有  至水解除砂池和集水池,雞糞經(jīng)污水稀釋調(diào)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(jí)黑膜沼氣池厭氧消化系統(tǒng)。黑膜沼氣池厭氧消化采用CsTR黑膜沼氣池厭氧  反應(yīng)器兩級(jí)發(fā)酵,設(shè)置停留時(shí)間20-25d。同時(shí),在  級(jí)發(fā)酵罐之間設(shè)置回流泵,將二級(jí)黑膜沼氣池厭氧罐的污  泥部分回流至一級(jí)罐,提升一級(jí)罐內(nèi)污泥含量,緩沖  一級(jí)罐內(nèi)高負(fù)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(tǒng)脫硫后  發(fā)電上網(wǎng)或脫碳提純制備生物天燃?xì)?沼液沼渣則用于周邊果園及農(nóng)業(yè)種植使用。

在黑膜沼氣池厭氧調(diào)試運(yùn)行初期時(shí),通過(guò)調(diào)控水解溫度、物料pH值及TS濃度、進(jìn)料負(fù)荷、罐內(nèi)溫度等逐步馴化培養(yǎng)耐高氨氮黑膜沼氣池厭氧污泥,其培養(yǎng)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(shè),2008年10月調(diào)試運(yùn)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(zhèn)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(jī)組余熱用于發(fā)酵系統(tǒng)自身增溫。該項(xiàng)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圍葡萄、蘋(píng)果和玉米等農(nóng)田,另

有3001·d-的沼液用于沼液資源化利用項(xiàng)目生產(chǎn)高端葉面肥,既減少了化肥的使用量,又實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用和污染物的零排放。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)年減排  溫室氣體6.7萬(wàn)噸CO2當(dāng)量,是國(guó)內(nèi)首個(gè)在聯(lián)合國(guó)完成清潔發(fā)展機(jī)制( Clean Development Mechanism,  CDM)碳交易的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域沼氣項(xiàng)目3。

該項(xiàng)目于2008年10月開(kāi)始投料調(diào)試運(yùn)行,至今已穩(wěn)定運(yùn)行9年以上,其工藝運(yùn)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(duì)工程進(jìn)行監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2~圖5。在此期間項(xiàng)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(jí)發(fā)酵罐平均濃度TS39%,二級(jí)發(fā)酵罐平均濃度TS4.1%,沼液罐出水平均濃度TS3.4%;各級(jí)發(fā)酵物料pH值8.0~8.2;級(jí)發(fā)酵罐揮發(fā)酸平均4760mg·L',二級(jí)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(jí)發(fā)酵罐總堿度(以CaCO3計(jì))在9500mgL-1-110g·L之間,氨氮濃度均達(dá)到5000mg·L-以上,平均日產(chǎn)沼氣22594m3,平均日發(fā)電46550kWh,項(xiàng)目沼氣產(chǎn)量未受氨氮影響,通過(guò)核算該項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)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(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)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(bào)道,150mg·L非離子化氨具有抑制作用;根據(jù) Koster和 Lettings

的研究,當(dāng)NH4-N為2323mg·L時(shí),觀察不到任何影響,當(dāng)NH4N為4050~5730mg·L范圍內(nèi),甲烷菌喪失56%的活性; Soubes等研究NH4N毒性,發(fā)現(xiàn)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(shù)學(xué)者所認(rèn)同的游離氨氮,其與細(xì)胞內(nèi)其它陽(yáng)離子的交換是導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌代謝失調(diào)的主因。何仕均1等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨氮濃度小于0.4g·L時(shí),對(duì)體系表現(xiàn)為促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用:當(dāng)氨氮濃度大于0.8gL時(shí),開(kāi)始表現(xiàn)為抑制產(chǎn)甲烷作用,并且隨著氨氮濃度的繼續(xù)提

高,黑膜沼氣池厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性顯著下降。同時(shí)  究表明氨氮對(duì)黑膜沼氣池厭氧污泥產(chǎn)甲烷活性的影響與反應(yīng)  系的堿度及污泥濃度等有關(guān),在一定范圍內(nèi)提贏  應(yīng)體系的堿度或污泥濃度可以提高反應(yīng)器對(duì)氨氮產(chǎn)  烷毒性的忍耐能力。于芳芳8等,研究表明,當(dāng)Cm  為6O0ng,L時(shí),氨氮對(duì)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(fù)在毒性實(shí)驗(yàn)中受到的抑制作用  越小,產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)得就越快、越完全。  實(shí)際表明經(jīng)一定周期的工程馴化調(diào)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(xiàng)目

江蘇省大豐市畜禽糞污集中處理綜合利用項(xiàng)日  為通過(guò)處理大豐市大豐港及周邊區(qū)鎮(zhèn)220t·d的  雞糞并生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)狻ｋu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(tǒng)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(jī)肥廠進(jìn)行深度加工。

該項(xiàng)目綜合利用周邊養(yǎng)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(yǎng)殖生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境污染,改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。項(xiàng)目建成后,實(shí)現(xiàn)年減排

溫室氣體4.5萬(wàn)噸CO2當(dāng)量。該項(xiàng)目于2014年開(kāi)工建設(shè),2015年6月開(kāi)始投料調(diào)試運(yùn)行,至今已穩(wěn)定運(yùn)行近2年,表1是項(xiàng)目調(diào)試完成后從2015年9月至2016年12月期間各工藝段運(yùn)行監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。

從表1可以看出,該項(xiàng)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(jì))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(yǎng)殖場(chǎng)原料影響。  

2.3臺(tái)灣石安牧場(chǎng)日處理80t雞糞沼氣發(fā)電項(xiàng)目  

臺(tái)灣石安牧場(chǎng)日處理80t雞糞沼氣發(fā)電項(xiàng)目  采用CSTR發(fā)酵工藝,設(shè)計(jì)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(yǎng)殖場(chǎng)雞舍  自用外,剩余全部上網(wǎng)供市電使用,發(fā)電機(jī)余熱為發(fā)  酵系統(tǒng)本身供熱。發(fā)酵后的沼液全部被用作臺(tái)灣高  雄市阿蓮鄉(xiāng)周邊果園及蔬菜等種植過(guò)程中的有機(jī)肥施用于農(nóng)田中。

該項(xiàng)目于2014年年初動(dòng)工建設(shè),2014年10月  開(kāi)始投料調(diào)試運(yùn)行,現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行接近3年時(shí)間。  2016年8月對(duì)工程進(jìn)行監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7~圖10。項(xiàng)目黑膜沼氣池厭氧消化系統(tǒng)每日雞糞投加量在50-60t,經(jīng)稀釋調(diào)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(jì))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(tǒng)可在高揮發(fā)酸和高氨氮下穩(wěn)定運(yùn)行,每日沼氣產(chǎn)量6000~7000m3,其原料產(chǎn)氣率達(dá)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(dá)65%~70%,硫化氫含量小于50pm,去除率高達(dá)到9%以上。

小結(jié)

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(diào)配水的使用量,從而減少了沼氣工程中原料增溫

對(duì)熱量的需求以及后續(xù)沼液的處理消納的數(shù)量,對(duì)  沼氣工程可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。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(dá)8%~12%,大型沼氣工程運(yùn)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(wěn)定可靠,值得推廣應(yīng)用,該技術(shù)將對(duì)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)處理雞糞糞污提供技術(shù)借鑒。

摘自《中國(guó)沼氣》2018第三期 陳智遠(yuǎn) 宮亞斌 詹偶如 姚建剛

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