肖莉凡，孫穎杰，孫永明，呂鵬梅，楊立貴，TONG Boitin，何捍東 ?

（1. 成都德通環(huán)境工程有限公司，成都 610041；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

0 引 言

我國西南丘陵地區(qū)主要農(nóng)作物為稻谷、玉米、小麥、大豆和甘蔗，養(yǎng)殖業(yè)以養(yǎng)豬和養(yǎng)牛為主。西南地區(qū)大量的農(nóng)作物秸稈沒有合適的處理路徑，絕大多數(shù)以焚燒處理為主[1-2]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，西南地區(qū)家庭式分散養(yǎng)殖豬、牛的狀況發(fā)生了很大變化，小規(guī)模和中等規(guī)模的養(yǎng)殖場發(fā)展很快，但這些中小養(yǎng)殖場沒有能力處置糞污，造成了水、土和空氣的污染。農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便中均含有豐富的有機物，適合用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

現(xiàn)有的沼氣工程絕大多數(shù)原料單一，存在產(chǎn)氣率低、穩(wěn)定性差、原料利用不足等問題[3-4]。混合厭氧發(fā)酵以及優(yōu)化混合原料組合成了現(xiàn)在沼氣工程研究的主要方向[5-6]，研究主要集中于秸稈和畜禽糞便為原料進行連續(xù)混合發(fā)酵，畜禽糞便以豬糞、牛糞和雞糞為主[7-8]。牛糞的添加改善了秸稈發(fā)酵系統(tǒng)厭氧微生物的生存環(huán)境，提高了系統(tǒng)的緩沖能力，改善了秸稈發(fā)酵過程的酸化現(xiàn)象[9]。混合發(fā)酵促進了微生物對秸稈中易分解有機物的利用，對系統(tǒng)產(chǎn)氣有促進作用，產(chǎn)氣高峰較單獨發(fā)酵提前，累積產(chǎn)氣量提高[10-11]。畜禽糞便的添加對秸稈發(fā)酵的產(chǎn)氣量具有促進作用[12-13]，同時可縮短秸稈的發(fā)酵周期[14-15]。

但由于秸稈特殊的分子結(jié)構(gòu)，其表面覆蓋一層硅氧蠟層，纖維素多以結(jié)晶態(tài)存在[16]。纖維素結(jié)晶度較高時，微生物無法有效對纖維素進行降解，使秸稈的營養(yǎng)價值及瘤胃消化率降低[17]。因此，在秸稈利用前需進行預(yù)處理，以降低纖維素結(jié)晶度，提高酶對秸稈中纖維素的可及度，從而提高秸稈利用率[18]。沼液是沼氣工程的主要剩余物，沼液中含有大量的微生物、水解酶及豐富的微量元素，對秸稈具有水解作用[19]。對秸稈進行生物預(yù)處理，降低了秸稈C/N比，提高了秸稈中纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的降解率[20]，使得產(chǎn)氣速率顯著增大，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間提前，并促進厭氧消化累積產(chǎn)甲烷量[21]。沼液作為預(yù)處理劑不僅能達到預(yù)處理的效果，亦能減少沼液排放造成的環(huán)境污染，提高厭氧消化效率[22]。

根據(jù)西南地區(qū)的資源利用現(xiàn)狀，在該地區(qū)建立了以畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈為發(fā)酵原料的沼氣示范工程，為小城鎮(zhèn)提供集中供給生活燃氣，替代其使用的一次能源。本工程通過分散原料收儲運、預(yù)處理、發(fā)酵制氣、集中供應(yīng)和發(fā)酵剩余物生態(tài)化資源利用全產(chǎn)業(yè)鏈過程關(guān)鍵技術(shù)的研究和集成，通過工程示范，形成城鎮(zhèn)化分散原料集中供氣產(chǎn)業(yè)模式。

1 工程基本情況

工程位于四川省峨眉山市符溪鎮(zhèn)黑橋村，建有秸稈堆儲場150 m3，集水池200 m3，調(diào)節(jié)池50 m3，全混式厭氧發(fā)酵罐（continuous stirred tank reactor,CSTR）600 m3，濕式氣柜360 m3，站內(nèi)沼渣沼液儲存池500 m3，田間沼液儲存池14個共3 500 m3，沼液灌溉管道2 000 m，固液分離房20 m2。

發(fā)酵原料主要為樂山正源畜牧科技有限公司生豬養(yǎng)殖場的畜禽糞便，并在工程周邊地區(qū)購買農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便。養(yǎng)殖場現(xiàn)有存欄母豬620頭，存欄育肥豬4 500頭。本工程日處理5 120頭存欄豬的干清糞7.9 t，濃污水8.2 t及農(nóng)作物秸稈0.2 t，并用7.7 t回流沼液調(diào)節(jié)發(fā)酵總固體濃度。全年生產(chǎn)按照333 d計算，年產(chǎn)沼氣29.97萬m3，其中17.649萬m3供給附近350戶農(nóng)戶做燃料，發(fā)電用氣3.996萬m3，年發(fā)電7.992萬kW·h，沼氣熱水鍋爐用氣8.325萬m3，所產(chǎn)沼液可供附近3 000畝農(nóng)田灌溉用。

2 工藝流程及技術(shù)參數(shù)

利用畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈制取沼氣的全套工程設(shè)施，包括原料的儲存、預(yù)處理、厭氧消化、沼氣凈化及輸配、發(fā)酵殘留物后處理以及工藝流程的監(jiān)控5個部分。本工程采用CSTR工藝，采用中溫發(fā)酵（35±2℃），總固體（total solid, TS）濃度為7%～8%。工程工藝流程圖見圖1。

圖1 沼氣工程流程圖Fig. 1 Flow chart of the biogas project

2.1 原料收儲運

沼氣工程建設(shè)依托養(yǎng)殖場，畜糞可就地收集或者從周邊農(nóng)戶家中購買。購買畜禽糞便成本較低，而且不需要過多的預(yù)處理。豬糞由農(nóng)戶自行運至指定禽畜糞便收集點，由項目公司組織運輸車收運，收集形式主要以干糞為主，可節(jié)省運費，也可防止運輸途中的流失。畜禽糞便收購成本約為180元/t。在本項目中，采取集約化模式收儲秸稈，以沼氣工程業(yè)主為主體。為了確保沼氣工程的原料供應(yīng)，在沼氣工程所在地周圍10 km內(nèi)的建立秸稈收儲點，與每個收儲點簽訂秸稈收儲供貨合同，秸稈收購成本約為160元/t。集約化收儲模式下，收儲規(guī)模大，機械化程度高，收儲半徑大，成本低，秸稈加工和儲存也比較規(guī)范。

根據(jù)西南地區(qū)丘陵坡地的地理條件，采用小型農(nóng)業(yè)機械（切削粉碎式機械、小型秸稈打捆機），在田間打捆或粉碎至10～15 mm，并收集到工程專用運秸車中，再由秸稈運輸車運送到沼氣工程的堆儲場地上。將粉碎后的秸稈壓成或擠成塊狀，并儲存在沼氣工程的堆儲場中。切碎后的秸稈可提高秸稈儲存的密度，減小秸稈儲存空間，并方便進行其他方面的處理。

2.2 原料預(yù)處理

在豬糞秸稈混合發(fā)酵之前需要對秸稈進行預(yù)處理，通過破壞秸稈的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，將其中難被微生物所利用的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解成簡單化合物，從而提高秸稈的產(chǎn)氣量。以秸稈作為發(fā)酵底物形成的沼液中，可能含有豐富的特異性木質(zhì)纖維素降解微生物，這些微生物在厭氧消化器中不斷積累，具有分解木質(zhì)素和纖維素的能力。沼液是沼氣工程的主要剩余物，用沼液預(yù)處理秸稈，可降低秸稈的碳氮比，提高其纖維素、木質(zhì)素的降解率，使得產(chǎn)氣速率顯著增加，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間提前，并促進厭氧消化累積產(chǎn)甲烷量。本工程將沼液儲存池中的沼液回流至秸稈預(yù)處理槽中，與秸稈混勻，并進行7 d的堆漚處理，預(yù)處理后秸稈總固體含量為40%。

畜禽糞便沖洗廢水經(jīng)過格柵渠中的粗格柵攔截后進入集水池，干清糞、集水池下部污水和經(jīng)預(yù)處理的秸稈一起送入調(diào)配池進行調(diào)糞，然后由無堵塞潛水泵泵入CSTR厭氧發(fā)酵罐，原料在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)厭氧菌的作用下厭氧發(fā)酵。

2.3 發(fā)酵制氣

CSTR厭氧發(fā)酵罐采用半地上式圓柱型鋼結(jié)構(gòu)，有效容積600 m3，采用35±2℃中溫發(fā)酵。厭氧發(fā)酵罐裝滿后，發(fā)酵罐進料為混勻的糞污水和秸稈。原料在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)厭氧菌的作用下厭氧發(fā)酵，發(fā)酵后的沼渣、沼液流入站內(nèi)沼渣沼液儲存池。經(jīng)過2周的啟動，沼氣產(chǎn)量比較穩(wěn)定地達到900 m3/d左右。發(fā)酵罐帶有機械攪拌裝置，連續(xù)攪拌使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，使原料在發(fā)酵罐內(nèi)均勻分布，可有效避免結(jié)殼現(xiàn)象。采用沼氣熱水鍋爐供熱和發(fā)電機余熱對反應(yīng)器進行保溫，大大提高了產(chǎn)氣率和投資利用率，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。每日CSTR厭氧發(fā)酵罐溫度下降0.5℃，換熱效率為80%，每天保溫需要熱量為1 575 MJ。新進發(fā)酵原料按冬季料溫計算，需加溫原料24 m3/d，進料料溫5℃，加溫到35℃，換熱效率為80%，需熱量為3 780 MJ。因此，冬季每天加溫和保溫需要熱量為5 355 MJ。120 m3/d沼氣用于發(fā)電，沼氣低位熱值為21 MJ/m3，發(fā)電機輸出熱效率為42%，每日發(fā)電機余熱量為1 058.4 MJ；250 m3/d沼氣用于沼氣鍋爐加熱，沼氣（甲烷含量60%）熱值為23.84 MJ/m3，鍋爐熱效率為80%，每日沼氣鍋爐余熱量為4 786 MJ。沼氣工程總共可提供熱量為5 826.4 MJ，大于沼氣工程熱量需求。發(fā)電機余熱熱量和沼氣鍋爐余熱熱量能滿足沼氣工程正常運行熱量的需求。

2.4 集中供氣

設(shè)計安裝脫水器2臺，用于沼氣脫水。對沼氣中水的去除率達到80%以上，可以達到沼氣輸入燃氣輸配管網(wǎng)中較低水分含量的要求。未脫硫沼氣中硫化氫濃度為3 730～3 490 mg/m3，采用原位脫硫、空氣脫硫和活性炭脫硫三級脫硫技術(shù)，設(shè)計安裝脫硫器2座，脫硫后沼氣內(nèi)硫化氫濃度低于 76 mg/m3，符合《農(nóng)村沼氣集中供氣工程技術(shù)規(guī)范》（NY/T 2371-2013）和《沼氣電站技術(shù)規(guī)范》（NY/T1704-2009）標準中對沼氣發(fā)電和集中供氣的硫化氫含量的相關(guān)要求。

發(fā)酵罐中產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過脫水脫硫，沼氣流量計計量后，儲存于濕式儲氣柜中，一部分供給養(yǎng)殖場發(fā)電機和鍋爐使用，一部分沼氣增壓后再經(jīng)5座沼氣中轉(zhuǎn)儲氣站輸送供往農(nóng)戶。項目供氣戶數(shù)為350戶，供氣管網(wǎng)15 800 m，輸送管網(wǎng)均采用燃氣專業(yè)的PE管，入戶管道為DN20鍍鋅鋼管，每戶配卡式流量計、灶具及入戶管件?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，在各個供氣分站設(shè)置測控設(shè)備，采集各項數(shù)據(jù)并完成實時調(diào)控，同時與監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)供氣分站監(jiān)控，根據(jù)沼氣生產(chǎn)狀況及實際用氣需求采用分段控制運行策略，實現(xiàn)安全高效運行。

2.5 發(fā)酵剩余物生態(tài)化資源利用

CSTR發(fā)酵罐剩余物進入沼渣沼液暫存池進行儲存，再經(jīng)固液分離成沼渣和沼液。分離后沼渣添加腐殖酸、生物菌劑、氮磷鉀肥等進行好氧處理生產(chǎn)生物有機肥，添加物分配比一般根據(jù)各地土壤和作物需求進行調(diào)整，以實現(xiàn)平衡配套施肥。生物有機肥作為商品出售，平均每畝農(nóng)田施用有機肥約500 kg。生物有機肥可減少農(nóng)業(yè)化肥及農(nóng)藥施用量，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，農(nóng)產(chǎn)品單價能夠提升10%～20%左右，項目覆蓋區(qū)域農(nóng)民每年可增加收入200～300元/畝。沼液通過砂濾、人工處理，由沼液輸送管輸送至田間沼液儲存池，并通過管網(wǎng)灌溉樹林和農(nóng)田，距離較遠的地方通過沼肥輸送車運輸?shù)教镩g沼液儲存池還田。沼液直接作為糧食作物、蔬菜、經(jīng)濟作物等的肥料，同時兼具農(nóng)藥作用。沼液灌溉工程采用管灌或滴灌技術(shù)，沼液施用于作物根部，為作物提供多種營養(yǎng)與微量元素，促進其生長發(fā)育；作為葉面噴肥，提高葉綠素含量，增強光合作用，提高產(chǎn)量。沼渣和沼液的資源化利用，解決了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染問題，促使沼氣產(chǎn)業(yè)進一步提升和本地生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 工程運行狀況

該沼氣工程于2015年12月試運行，以發(fā)酵過的豬糞、秸稈和糞污水在調(diào)節(jié)池中混合發(fā)酵，測定所產(chǎn)沼氣中CH4含量達50%以上，可達到發(fā)酵所需菌種要求。將培養(yǎng)后的發(fā)酵用菌種泵入CSTR厭氧發(fā)酵罐，再將在調(diào)節(jié)池中混合的糞污水和秸稈泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐，每2 d為1個周期統(tǒng)計沼氣含量和容積產(chǎn)氣率，結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，啟動初期產(chǎn)氣量很少，沼氣中CH4含量很低，隨著運行時間的延長，CH4含量逐漸升高。在第24 d時，沼氣中的甲烷含量升至58%，后趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，甲烷含量在58.5%左右。如圖3所示，混和發(fā)酵的容積產(chǎn)氣率在工程運行初期較低，并保持相對穩(wěn)定。后隨著工程的不斷運行，容積產(chǎn)氣率不斷升高，兩周后容積產(chǎn)氣率升至1.5 m3/(m3·d)。后隨著工程的不斷運行，容積產(chǎn)氣率保持相對穩(wěn)定。畜禽糞便與秸稈混合發(fā)酵沼氣工程的容積產(chǎn)氣率較單一原料發(fā)酵的沼氣工程高[23]。

圖2 啟動后發(fā)酵罐內(nèi)甲烷含量變化Fig. 2 Variations of CH4 concentration in the fermentation tank over time

圖3 啟動后發(fā)酵罐內(nèi)容積產(chǎn)氣率變化Fig. 3 Variations of tank volume gas production rate in the fermentation tank over time

4 商業(yè)模式及效益分析

本沼氣工程采用“能源–生態(tài)”型建設(shè)模式，以沼氣生產(chǎn)為紐帶，實現(xiàn)“沼氣、沼電、沼肥”聯(lián)產(chǎn)。沼氣用于供給符溪鎮(zhèn)居民提供生活用能；沼電用于供給工程廠區(qū)用電和符溪鎮(zhèn)居民生活用電；沼渣生產(chǎn)有機肥，對外銷售；沼液通過沼液輸送管儲存到田間沼液儲存池，并通過管網(wǎng)灌溉樹林和農(nóng)田，較遠的地方通過沼肥輸送車運輸?shù)教镩g沼液儲存池還田。沼氣發(fā)電機余熱熱量和沼氣鍋爐余熱熱量可滿足沼氣工程正常運行熱量的需求。

本沼氣工程的投資費用主要是建筑工程、設(shè)備和安裝費用以及土地費用。600 m3豬糞和秸稈混合發(fā)酵沼氣工程總投資409.33萬元（按2016年的造價）。該工程年運行成本和經(jīng)濟效益見表1和表2。

表1 沼氣工程的年運行成本（2016年價格）Table 1 Annual operating cost of the biogas project

表2 沼氣工程產(chǎn)品及效益（2016年價格）Table 2 Biogas project products and benefits

本工程順利實施后，日均產(chǎn)氣 900 m3，其中250 m3用于沼氣熱水鍋爐為罐體進行熱能補充，維持發(fā)酵罐內(nèi)溫度。530 m3用于集中供氣，供給350戶人家使用，供戶燃氣價格為1.0元/m3，收益為17.65萬元/年。120 m3用于沼氣發(fā)電，滿足了沼氣站主要設(shè)備的用電需求，1 m3發(fā)電1.5 kW·h，年發(fā)電約6萬kW·h，沼氣發(fā)電價格為0.56元/kW·h，發(fā)電收益為 3.36萬元/年。沼渣制成有機肥價格為500元/ t，年產(chǎn)沼渣有機肥700 t，收益35萬元/年。

本工程建成后，每年可減少秸稈焚燒799.2 t，減少向天然水體排放污水29 970 m3，減少化學(xué)需氧量排放總量約421 t。每年29.97萬m3沼氣的回收利用，可減少當(dāng)?shù)亟?02 t煤炭的燃燒，避免由此所產(chǎn)生的污染。沼液和有機肥施加農(nóng)作物后，其含有的大量有機質(zhì)得以還田，可保持土地的較高有機質(zhì)含量，從而維持耕地的可持續(xù)生產(chǎn)力。將畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為清潔的可再生能源，改善農(nóng)村人居環(huán)境，減少化石能源的消耗，有利于減少碳排放，緩解溫室效應(yīng)。

5 結(jié) 論

本工程采用就地處理養(yǎng)殖場畜禽糞便和購買畜禽糞便相結(jié)合的方式，由工程業(yè)主集中收集農(nóng)作物秸稈作為發(fā)酵原料，將畜禽糞便和秸稈粉碎后壓制成塊儲存，通過接種沼液預(yù)處理秸稈，對混合原料采用連續(xù)減半全混發(fā)酵工藝，實現(xiàn)經(jīng)濟、快速和高效的沼氣發(fā)酵。豬糞和秸稈混合發(fā)酵可解決畜禽糞便的排放和秸稈的焚燒的問題，同時容積產(chǎn)氣率可達到1.5 m3/(m3·d)，為混合原料共同發(fā)酵產(chǎn)沼氣提供可借鑒的收儲運、預(yù)處理、發(fā)酵制氣及發(fā)酵剩余物資源化利用模式。