徐慶賢，官雪芳，吳曉梅，吳飛龍，林 斌，張 沖

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所，福建 福州 350003；2.福州北環(huán)環(huán)保技術(shù)開發(fā)有限公司，福建 福州 350003）

0 引言

規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)的排污量巨大，豬場(chǎng)糞污的有機(jī)物、懸浮物、總氮和總磷濃度極高[1]，并含有大量的病原菌，迅猛發(fā)展的規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)排放的糞污已成為農(nóng)業(yè)面源污染中突出的環(huán)境問題[2]～[8]。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的大型養(yǎng)殖污水綜合處理設(shè)施是目前處理養(yǎng)殖場(chǎng)污水的主要形式，厭氧發(fā)酵沼氣工程是養(yǎng)殖污水綜合處理設(shè)施的核心處理單元。沼氣建設(shè)為國(guó)家的能源安全和生態(tài)文明建設(shè)作岀了重要貢獻(xiàn)，在推動(dòng)畜禽糞污資源化利用和農(nóng)業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[9]。福建省是全國(guó)首批生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)的3個(gè)省份之一，于2016年第一個(gè)被批準(zhǔn)了《國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)（福建）實(shí)施方案》[10]。因此，福建省對(duì)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)范化發(fā)展與整治，養(yǎng)殖業(yè)糞污治理工程達(dá)標(biāo)排放以及廢棄物資源化利用有了更高要求。上流式厭氧反應(yīng)器等傳統(tǒng)厭氧消化裝置的建設(shè)成本高、運(yùn)行管理復(fù)雜，這在一定程度上制約了其在中小型養(yǎng)殖場(chǎng)的推廣應(yīng)用。

黑膜沼氣池是在開挖平整好的土方基礎(chǔ)上，用HDPE（高密度聚乙烯）作為底膜和頂膜密封形成的一種厭氧反應(yīng)器。HDPE是一種優(yōu)質(zhì)的無(wú)毒環(huán)保的黑膜材質(zhì)，具有防滲透性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，以及優(yōu)異的抗老化、抗紫外線、抗分解、抗植物根系穿刺的能力和優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率（表1），非常適用于膨脹或收縮基面，可有效克服基面不均勻沉降等問題。

表1 HDPE膜屬性Table 1 Property of HDPE membrane

朱飛虹運(yùn)用黑膜沼氣池處理養(yǎng)豬場(chǎng)高濃度糞污時(shí)，水力停留時(shí)間（HRT）在60 d以上，污水處理率基本穩(wěn)定在90%以上[11]。何仁真利用黑膜沼氣池和一體化處理設(shè)備組合工藝處理養(yǎng)豬場(chǎng)糞污，結(jié)果出水的化學(xué)需氧量（CODCr）≤50 mg/L，遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)灌溉水的要求（CODCr≤200 mg/L）[12]。肖艷春應(yīng)用新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置處理規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)高濃度養(yǎng)殖污水，結(jié)果表明，該裝置的全年平均沼氣發(fā)酵溫度為35℃，平均池容產(chǎn)氣率為0.79 m3/（m3·d），比傳統(tǒng)沼氣池提高了163%[13]。

黑膜沼氣池具有建設(shè)成本低、施工簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、運(yùn)行安全性高、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低、抗沖擊負(fù)荷大、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)[14]。但由于黑膜沼氣池的建設(shè)體積大，對(duì)HDPE膜現(xiàn)場(chǎng)焊接施工要求高，易產(chǎn)生接觸焊接不均而漏氣的問題，再加上沼氣生產(chǎn)的不恒定性，使得黑膜沼氣池頂膜易出現(xiàn)塌陷。由于體積較大，黑膜沼氣池運(yùn)行過程中沉淀的污泥不易排出，常堆積板結(jié)于沼氣池底部，占用部分發(fā)酵空間，這嚴(yán)重影響了沼氣池的運(yùn)行效率和使用壽命。

針對(duì)傳統(tǒng)黑膜沼氣池存在的不足，恒壓黑膜沼氣池從進(jìn)料口、出料口、排泥口、出氣口及黑膜銜接工藝上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，增設(shè)恒壓系統(tǒng)和改進(jìn)排泥系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)進(jìn)、出料改為多點(diǎn)布料和出料工藝。恒壓黑膜沼氣池的推廣應(yīng)用既能緩解養(yǎng)殖業(yè)主的資金壓力，又能有效處理畜禽養(yǎng)殖糞污的污染問題，從而為畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

1 恒壓黑膜沼氣池設(shè)計(jì)

圖1為恒壓黑膜沼氣池的示意圖。

圖1 恒壓黑膜沼氣池示意圖Fig.1 Constant pressure black membrane biogas digester

恒壓黑膜沼氣池主要由改進(jìn)的黑膜發(fā)酵池、恒壓系統(tǒng)和排泥系統(tǒng)組成。糞污經(jīng)多點(diǎn)布料口攪拌后，進(jìn)入改進(jìn)的黑膜發(fā)酵池中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣和沼液；排泥系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將池內(nèi)的污泥及時(shí)排出，保障沼氣池處理效率；恒壓系統(tǒng)則負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)沼氣池內(nèi)的壓力使池壓趨于恒定，并保持在300 Pa的恒定狀態(tài)，防止其塌陷影響運(yùn)行效果。

1.1 黑膜沼氣池技術(shù)工藝改進(jìn)

為克服傳統(tǒng)黑膜沼氣池頂膜和底膜因焊接不均而導(dǎo)致的漏氣現(xiàn)象，恒壓黑膜沼氣池以HDPE為頂膜和底膜材料，將傳統(tǒng)的HDPE頂膜和底膜熱膜封口工藝改為頂膜和底膜水封疊加連接工藝，實(shí)現(xiàn)連接處不漏氣的目的。為解決黑膜沼氣池頂膜與底膜間安裝出氣口和出氣管道時(shí)易彎曲積水形成水封，從而阻塞氣道和出氣管以及導(dǎo)致膜密封不實(shí)而漏氣的問題，恒壓黑膜沼氣池的出氣口采用耐磨力極強(qiáng)的紅泥塑膠材質(zhì)制造，方便出氣口的活動(dòng)，可保證長(zhǎng)期使用不破損漏氣。為防止沼氣池污泥沉積和出現(xiàn)“管道”現(xiàn)象，恒壓黑膜沼氣池將傳統(tǒng)單點(diǎn)進(jìn)、出料工藝改為多點(diǎn)進(jìn)、出料工藝，通過多點(diǎn)進(jìn)料與出料帶動(dòng)沼氣池內(nèi)的發(fā)酵糞污無(wú)死角攪動(dòng)，使糞污在池內(nèi)充分發(fā)酵，防止沼氣池出現(xiàn)“管道”現(xiàn)象而降低發(fā)酵空間。

1.2 排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排泥系統(tǒng)主要由排泥管、排泥井、污泥收集井和污泥泵組成。在沼氣池內(nèi)均勻設(shè)計(jì)多個(gè)排泥口（間距約為8 m），每個(gè)口預(yù)埋de200PVC排泥管，每個(gè)排泥管延伸至排泥井，排泥時(shí)將排泥井內(nèi)的承插管拔起，利用池內(nèi)的靜水壓力（大于1.50 m的水壓）排泥；排出的污泥自流進(jìn)入排泥井，排泥井間通過de200PVC管道連接，排出的污泥通過連接管道最終排至污泥收集井，然后通過污泥收集井內(nèi)的污泥泵抽出進(jìn)行處理，排泥后期將承插管插入排泥管后完成排泥。由于恒壓黑膜沼氣池內(nèi)設(shè)計(jì)了多個(gè)排泥口，加上沼氣池運(yùn)行過程中形成的多個(gè)鍋型排泥口，使得沼氣池內(nèi)的多余污泥可及時(shí)排出，防止污泥沉積占用池內(nèi)發(fā)酵空間，并可定時(shí)更新沼氣池內(nèi)的糞污，從而提高微生物活性和沼氣池的產(chǎn)氣效率。

1.3 恒壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為防止沼氣池在使用過程中因池內(nèi)壓力不均導(dǎo)致的塌陷或過度膨脹問題，恒壓黑膜沼氣池加裝了恒壓系統(tǒng)（XY-300S沼氣卸壓裝置）。如圖2所示，該恒壓系統(tǒng)由密閉儲(chǔ)壓筒、進(jìn)氣管、排氣管和溢流管組成，進(jìn)氣管和排氣管固定于儲(chǔ)壓筒封蓋上，進(jìn)氣管連接外部輸氣管道，排氣管上端口敞開與外界相通；溢流管連接于筒壁外側(cè)，與儲(chǔ)壓筒構(gòu)成U形結(jié)構(gòu)，溢流管上端口較進(jìn)氣管下端口高出30 mm。儲(chǔ)壓筒內(nèi)盛水，液面與溢流管上端口齊平，沒過進(jìn)氣管下端口，形成水封，液面上方形成與大氣連通的空腔。氣體由輸氣管道輸送至恒壓系統(tǒng)，在一定的氣壓作用下，儲(chǔ)壓筒內(nèi)液面被迫下降，液體從溢流管排出，直到U形結(jié)構(gòu)形成的液位差與輸入氣體壓強(qiáng)相等，水位不再變化。當(dāng)輸入氣體壓強(qiáng)高于300 Pa時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)液面將降至進(jìn)氣管下端口以下，水封結(jié)構(gòu)被破壞，氣體流入空腔，由排氣管排出，氣壓逐漸降低，液體從溢流管返回，筒內(nèi)液面上升，重新沒過進(jìn)氣管下端口，水封自動(dòng)恢復(fù)。恒壓系統(tǒng)保障了沼氣池內(nèi)壓力恒定，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，恒壓系統(tǒng)可使黑膜沼氣池內(nèi)的壓力保持在300 Pa的正常工作范圍內(nèi)，可有效防止黑膜塌陷或膨脹。

圖2 恒壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖Fig.2 Structural diagram and physical drawing of constant pressure system

2 恒壓黑膜沼氣池應(yīng)用實(shí)踐

由于恒壓黑膜沼氣池克服了傳統(tǒng)黑膜沼氣池漏氣、塌陷、污泥沉積等問題，該款沼氣池已在我國(guó)多處規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)得到應(yīng)用。本文以福建省華峰農(nóng)牧科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱華峰農(nóng)牧）建成的恒壓黑膜沼氣池為例，進(jìn)行恒壓黑膜沼氣池具體應(yīng)用及運(yùn)行效果分析。

華峰農(nóng)牧養(yǎng)豬場(chǎng)于2009建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)存欄母豬2 600頭，豬舍生豬存欄20 000頭，污水產(chǎn)生量約為240 t/d。該養(yǎng)豬場(chǎng)配置了兩個(gè)容積約為12 000 m3的恒壓黑膜沼氣池，每個(gè)沼氣池的污水處理能力約為120 t/d，池深6.5 m（有效水深6 m）。沼氣池底部采用HDPE膜（厚度為1.0 mm）進(jìn)行防滲處理，頂上采用HDPE膜（厚度為1.5 mm）進(jìn)行密封，設(shè)有排泥系統(tǒng)，定期將沉渣排至污泥收集池。糞污在恒壓黑膜沼氣池內(nèi)的停留時(shí)間在50 d以上，因此，恒壓黑膜沼氣池能夠最大限度地降解糞污中的有機(jī)物質(zhì)，減少厭氧污泥的產(chǎn)量。

2.1 運(yùn)行工藝流程

養(yǎng)豬場(chǎng)糞污經(jīng)過固液分離后，污水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行酸化沉淀，然后進(jìn)入恒壓黑膜沼氣池進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，產(chǎn)生的沼氣、沼液及沼渣開展綜合應(yīng)用，從而達(dá)到養(yǎng)殖廢棄物環(huán)境污染治理及資源化利用的雙重效果。恒壓黑膜沼氣池處理糞污的具體工藝流程如圖3所示。

圖3 恒壓黑膜沼氣池工藝流程圖Fig.3 Process of constant pressure black membrane biogas digester

2.2 運(yùn)行效果分析

為了解華峰農(nóng)牧的恒壓黑膜沼氣池的運(yùn)行效果，對(duì)沼氣池的發(fā)酵液進(jìn)行取樣檢測(cè)，結(jié)果取3次檢測(cè)的平均值。其中，CODCr采用重鉻酸鹽回流法、生物需氧量（BOD5）采用稀釋培養(yǎng)法、NH3-N濃度采用納氏比色法、固體懸浮物（SS）濃度采用重量法，各參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果見表2。由表2可知，經(jīng)恒壓黑膜沼氣池處理后，豬場(chǎng)糞污出水中的CODCr，BOD5和SS的去除率分別為81%，87%和95%。XY-300S沼氣卸壓裝置的安裝，保證了沼氣池常年壓力恒定在300 Pa，有效防止黑膜塌陷，并保證了黑膜沼氣池內(nèi)的嚴(yán)格厭氧環(huán)境。

表2 恒壓黑膜沼氣池的處理效果Table 2 Treatment effects of constant pressure black membrane biogas digester mg/L

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)黑膜沼氣池相比，恒壓黑膜沼氣池可防止因出氣口結(jié)合不結(jié)實(shí)、HDPE底膜和頂膜焊接不均導(dǎo)致的漏氣問題；附加的恒壓系統(tǒng)可有效防止由于用氣導(dǎo)致的黑膜塌陷、裂痕問題，延長(zhǎng)沼氣池的使用壽命；多點(diǎn)進(jìn)、出料及排泥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可有效防止由于污泥的沉積以及“管道”現(xiàn)象造成的有效發(fā)酵空間的減少，使沼氣池實(shí)時(shí)更新池內(nèi)糞污，有效提高沼氣池的產(chǎn)氣效率和使用年限。恒壓黑膜沼氣池在華峰農(nóng)牧的應(yīng)用實(shí)踐表明，恒壓黑膜沼氣池池內(nèi)壓力恒定，不會(huì)出現(xiàn)塌陷漏氣問題，可常年穩(wěn)定運(yùn)行。