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錢靖華，田寧寧
(北京市環境保護科學研究院，北京100037)
摘要：大中型沼氣工程作為處理規模化牛場糞污的有效途徑，受到廣泛關注。牛糞具有含長草、固體含量高等特點，因而對沼氣發酵工藝的要求較高。目前，我國的牛場大中型沼氣工程都逐步或多或少的顯現出設計上的不足。本文通過對牛場沼氣工程實例的調查與分析，總結工程設計中存在的主要問題，找出合理的解決方案，推進我國規模化牛場沼氣工程的健康發展。
近年來，在我國畜牧業迅速發展的同時，其廢棄物對環境產生了嚴重的污染。2005年我國牛存欄量達到了11000多萬頭[1]。根據測算，1000頭規模的奶牛場日產牛糞尿50t，1000頭規模的肉牛場日產糞尿20t。這些糞尿除少部分用作肥料外，其余相當數量排放在養殖場的周圍，已經成了制約牛場發展的限制性因素。厭氧處理畜禽糞便是目前養殖場糞污處理的有效方式，不僅可以減少其對環境的污染，而且可以獲得生物能源———沼氣。每噸干牛糞、雞糞和豬糞(中溫發酵)分別可產生沼氣約300m3，490m3和420m3[2]。沼氣的熱值為18017～25140kJ?m-3，相當于1kg原煤或0.74kg標準煤所產的熱量[3]。因此，利用畜禽糞便生產清潔能源，對于保護環境和發展可再生能源都有著重要的意義。
大中型沼氣工程作為處理規模化養殖場糞污的有效途徑，已經引起了政府的廣泛關注，也得到了許多養殖企業的認同，使我國大中型沼氣工程建設得到了較快的發展。規模化牛場沼氣工程的建設起步比規模化豬場沼氣工程晚，工藝設計經驗不足，在現有工程中逐漸顯現出一些問題，迫切需要解決。本文通過對一些牛場大中型沼氣工程進行調查，結合工程設計實例，總結出設計中存在的問題，并提出了一些改進思路。
1牛糞的特性及沼氣工程存在的主要問題
1.1牛糞的特性
目前我國規模化牛場大多數采用干清糞工藝，干清糞工藝由人工或機械收集牛糞，尿及沖洗水則從下水道流出。鮮牛糞的TS濃度一般在15%～22%范圍，揮發性固體約占80%。牛糞中的雜質和飼養工藝關系很大，我國大多數牛場實行舍飼散養，所以從運動場清理出來的牛糞含有較多細砂、長草，同時牛糞本身的TS含量高，纖維多，對厭氧發酵的工藝要求較高。牛糞的性質和產氣潛力見表1[4]。
1.2牛場大中型沼氣工程基本工藝流程
目前以產能為主的牛場大中型沼氣工程基本工藝流程見圖1。
1.3牛場大中型沼氣工程存在的主要問題
根據工程經驗和對現有幾個牛場大中型沼氣工程的調查結果，筆者認為目前我國牛場沼氣工程中存在著如下突出問題：
(1)前處理工藝中牛糞調漿、除草、沉砂、排砂難度大，工人勞動強度大，而且工人操作時還存在一定的危險性；
(2)沼氣池內產生浮渣難以排除，長期運行會造成排氣管、排水管堵塞；
(3)沼氣工程的升溫及保溫能源消耗大，不能充分利用熱能；
(4)沼氣工程產生的大量沼液無處消納，易在牛場周邊形成二次污染。
2強化前處理工藝設計
2.1前處理工藝路線的選擇
牛糞中含粗纖維較多，而且在收集過程中還會混入墊料、牛毛、飼料殘渣和砂礫等，必須進行預處理，同時在預處理階段需要調節進料濃度、進料溫度。預處理是整個沼氣工程的咽喉，如果不能確保沼氣池的進料質量，將導致沼氣池運行不穩定，難以發揮最佳的處理能力，所以在工程設計時應全面考慮前處理工藝，保證能做到流程順暢，操作簡便。
我國的大、中、小型農村沼氣工程一般沿用UASB低濃度廢水(TS0.3%～1.0%)處理技術，或由此延伸的低濃度(TS1.0%～3.0%)沼氣轉化與污水“達標排放”變種工藝改進技術居多。但從實際工程運行狀況來看，養殖場糞污水如果做到達標排放，則建設投資和運行處理成本太高，難以實現。所以牛場糞污治理不如走“能環工程”的路線，即利用牛糞制取沼氣，回收能源，沼肥綜合利用，這樣可以做到養殖場糞污水“零排放”，避免了達標排放的高難度和高成本。牛場糞污的治理路線也就決定了前處理工藝的選擇。
2.2前處理工藝設計
從所調查的實際工程情況來看，前處理工藝在實際運行中存在的問題最為突出。一般沼氣池進料濃度控制在TS6%～8%比較合適，需要對牛糞進行稀釋混合。料液中的長草、秸稈、泥砂等雜物很多，只要開始進料就需要不斷地人工清除雜物，耗費人力較大，且存在一定的危險；經常發生的泵堵塞也常常導致無法正常進料；調節沉砂池在沉砂的同時也造成了料液沉淀，使進入沼氣池的料液濃度達不到設計要求；同時沉砂池中的泥砂排出也很困難。
綜合現有工程的調查情況，在進行前處理工程設計時可以考慮如下處理方案：攪拌糞池設計為圓形池，較少死角；攪拌池和調節池之間設置機械格柵代替人工格柵；減少調節池停留時間，防止料液過多地沉淀；加大攪拌糞池容積，同時在攪拌糞池中設置坡底和砂斗，把大部分泥砂沉淀在攪拌池底部，定期清渣。此外利用沼液回流，可以解決冬季沼液不能農業利用、無處消納的問題，同時也利用了沼液的余熱。為冬季保溫和夏季防臭，應該把前處理工藝放到室內。在規模較大的養殖場，可考慮采用水解池替代調節池。一方面水解池可降解水中的大分子有機物為小分子有機物，提高糞水的可生物降解性，另一方面水解池具有降低糞水中SS的功能。
2.3厭氧堆肥技術解決牛糞凍塊
規模化養牛場主要分布在我國的中部和北部，北方冬季運動場牛糞結為凍塊，如果直接進凍糞池會消耗大量的熱，且不易解凍，還會損壞攪拌機的槳葉，成為沼氣工程運行中的一個難題。厭氧堆肥過程是產熱過程，可以把厭氧堆肥和糞塊解凍相結合。通過在牛糞中添加適量鋸末、覆蓋塑料薄膜進行厭氧發酵，發酵產熱會使糞塊解凍，同時厭氧發酵預處理后的牛糞投入沼氣池更容易產氣，即使在東北也能使糞便解凍，可以解決冬季牛糞結凍進料難的問題。
3厭氧消化器的選擇與優化
3.1厭氧消化器的選擇
沼氣池或稱消化器是沼氣發酵的核心設備，目前我國牛場大中型沼氣工程主要有完全混合式、塞流式、上流式厭氧污泥床(UASB)、升流式固體反應器(USR)等等。
完全混合式沼氣池內設攪拌裝置，或進行水力循環攪拌，使發酵原料和微生物處于完全混合狀態，與常規沼氣池相比，處理效率提高，但對于容積大的沼氣池，攪拌能耗大。完全混合式沼氣池沼渣沼液一起排出，一方面不利于沼肥的后續利用，另一方面沼渣停留時間短，消化不完全。
塞流式沼氣池用于牛糞厭氧消化效果較好，因牛糞質輕、濃度高，長草多，本身含有較多產甲烷菌，不易酸化，所以用塞流式沼氣池處理牛糞較為適宜。塞流式沼氣池進料粗放，不用去長草，進料濃度TS可達到12%以上。中國農業大學在內蒙紅武農牧公司設計的總容積300m3全地下塞流式沼氣池用于處理牛糞，即使冬季也能運行良好。由于塞流式沼氣池占地大等原因，建設更大型的沼氣工程會有一定的難度。
UASB沼氣池因具有三相分離器故適用于可溶性廢水的厭氧處理，要求較低的懸浮固體含量，在豬場糞水處理中有較多應用。從現有的牛場UASB工程看，三相分離器會出現堵塞問題，可見UASB沼氣池不太適合牛場沼氣工程，而且一般的UASB沼氣池高度在5～6m，產生的浮渣不能自然沉降。
USR沼氣池適用于高固體含量的畜禽廢水處理，目前在牛場糞污處理中應用廣泛。原料從底部進入USR反應器，沼液溢流，利用水頭壓力自動排渣，污泥的停留時間大于水力停留時間，從而提高了固體有機物的分解率和消化反應器的效率，所以筆者認為USR工藝比較適合牛糞的處理。
3.2沼氣池的攪拌
USR反應器從理論上講不需要攪拌、不需要回流，具有出水澄清功能。但從工程運行情況看，適當的攪拌是有利的，可以提高產氣率。攪拌可以使反應器內的物料混合均勻，溫度、pH、微生物種群等保持均勻一致，還可以大大降低池底沉積及液面浮渣結殼。
目前牛場沼氣工程常用的是機械攪拌、水力循環攪拌、沼氣攪拌。如果工程采用高壓干式儲氣，為了減少能耗采用沼氣攪拌較好。攪拌氣源來自干式儲氣柜，經調壓箱調整壓力后輸入沼氣池，攪拌氣管及出氣孔應在同一水平面內布設，以使出氣均勻。為了不影響USR反應器的出水澄清功能，攪拌氣管宜布設在污泥層的上方。例如北京某牛場采用沼氣攪拌，每2h攪拌一次，每次攪拌10s，攪拌的起動和停止自動控制，這樣既可以達到攪拌的目的，又不會因為瞬時攪拌氣量過大而增加沼氣壓縮機的負荷。
3.3沼氣池除浮渣
牛糞中浮渣較多，進入沼氣池后會形成浮渣層，影響沼氣溢出，同時占據沼氣池的有效容積，所以沼氣池必須考慮除渣。在全封閉的沼氣池內，可以在頂部設置高壓水沖洗打碎浮渣層，防止結殼影響沼氣溢出；同時設置足夠粗的溢流管，防止因為浮渣堵塞出料口而引***炸；在沼氣池的適當位置要設置水封，既可以保證壓力，又起到安全閥的作用。
北京某牛場采用了共用池壁的方形USR池，頂部采用紅泥塑料覆蓋，預留了一條650mm寬的清渣溝，清渣溝和出水堰之間設置了擋渣板，擋渣板深入液面以下1m，防止浮渣進入出水管。同時解決了封閉沼氣池因出料口堵塞會產生爆炸的問題和沼氣池的除渣問題。紅泥塑料是一種新型材料[5]，具有吸熱性好、保溫性好、耐酸堿、可折疊、易修補、壽命長、密封性好、運輸方便等特點。由于其吸熱性，在冬季可以起到很好的保溫作用。紅泥塑料已經在東北多個沼氣工程中進行了應用，可以適應北方地區冬季氣溫。
4沼氣池的加溫與保溫
為節省能耗，同時保持沼氣池具有一定的產氣率，一般牛場沼氣工程設計運行溫度為35℃左右。沼氣池消耗的熱量主要為新鮮料液加熱、沼氣池體的散熱和管道散熱，管道散熱量一般為料液加熱量和沼氣池體散熱量之和的10%。因此，為減少能耗，在設計中料液管道、沼氣池體應設計保溫。
沼氣池可內設加熱盤管，但筆者不推薦使用，因為盤管易表面結垢，降低換熱效率，維修時需要清空消化池，造成停產。從實際工程來看，外部換熱器更易于維護，使用方便，可以使料液在進入沼氣池前被加熱；也可以用于沼氣池內的料液保持恒溫，即用泵把料液抽出經過換熱器，再回到沼氣池，同時對沼氣池起到攪拌作用。因為牛糞含纖維多，為防止堵塞，螺旋板式換熱器效果較好。同時為防止換熱器結垢，內部循環水水溫須保持在68℃以下[6]。利用蒸汽直接給料液加溫，熱效率最高，采用蒸汽加熱應把進料溫度加熱到比設計運行溫度高2～3℃。如果沼氣發電，可以利用發電余熱加溫，但是對于裝機容量較小(如100kW以下)的工程，余熱利用價值不大。此外，沼氣池溢流沼液回流到攪拌池，是很好的余熱循環利用方式，同時還可以減少沼液產生量。
5利用沼肥發展生態農業和綠化種植
從所調查的工程來看，沼液的出路問題是困擾大中型沼氣工程的因素之一，規模化牛場每天排放的沼液量相當可觀，有的甚至已經造成了二次污染。只經過厭氧處理的沼液，尚難達到排放標準。近年來，由于生態農業的發展，增施有機肥料的呼聲越來越高。沼氣工程的建設應從單純獲取能源轉向以治理環境為主，沼氣、沼渣和沼液的有效綜合利用，逐步形成較為系統、綜合的“能環工程”。
沼液中含有氮、磷、鉀、鈣、銅、鋅、鐵、B族維生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物質，并且經沼氣厭氧發酵后，約95%的寄生蟲和有害細菌被殺滅[7]。因此，發酵后的沼液是很好的液體有機肥料。用沼液噴施蔬菜、果樹和農作物，除具有良好肥效外，還有抗寒、抗病蟲害和增產的作用，這是沼液一個很好的利用途徑。一般規模化牛場都在郊區，其周邊有大量農田，大中型牛場沼氣工程的建設與發展必須與農業生產相結合，同時提高農產品價值和促進牛場的可持續發展。北京蟹島生態度假村嚴格按照有機農業的標準進行生產，不使用任何化學農藥與化肥，大田與日光溫室已連續施用沼液、沼渣多年[8]，內蒙某牛場利用沼肥生產牧草，都取得了很好的經濟效益。
同時，由于城市的發展，城市綠化面積越來越大，城市綠化的需肥量也在不斷增高。如果沼肥能夠進一步的深加工，生產成易于運輸的成本肥，將更加有利于沼肥的銷納，同時減少城市中化肥的使用量，提升城市的生態環境質量。
近幾年，人們同時注意到由于飼料中添加劑的使用導致沼肥中存在重金屬和抗生素，研究者正在進行去除沼肥中重金屬、抗生素以生產更安全沼肥的科研攻關，將來的沼肥將成為更安全的有機肥料。
6牛場沼氣工程設計中值得注意的幾個問題
(1)前處理工藝在牛場沼氣工程中尤為重要。前處理既要功能完善又要降低工人的勞動量，應完成料液的濃度調節、水量調節、去除長草、去除泥砂、升溫等功能。調節池不宜停留時間過長，避免造成進料濃度不夠。如果有條件，為防臭防凍，前處理工藝宜放進室內。
(2)機械格柵代替人工格柵可大大減輕工人的勞動量。宜選用大流量潛污泵，防止堵塞。
(3)對于牛場的沼氣工程，宜采用USR反應池，沼氣池必須考慮排渣。
(4)容積較大的USR反應池應采用適當的攪拌，但攪拌強度不宜過大，避免發酵微生物隨溢流沼液損失。
(5)沼氣池的沼氣收集管道管徑應適當加大，防止被浮渣堵塞，產生危險。對于重力流的管道應盡量增加其坡度。
(6)應重視沼氣、蒸汽系統管路的保溫及防腐，盡可能選擇高質量的管材。
(7)沼氣脫硫十分重要，它將影響后續工藝的運行效果及設備的使用壽命。
(8)沼氣輸氣管網應適當設置排水裝置，并按一定坡度進行鋪設。
(9)沼氣工程運行復雜，應注意安全。沼氣工程廠區內應按規范設置消防栓，壓縮機、鍋爐房風機、電燈、開關等宜選用防爆設備。
7結論
目前，沼氣工程已經發展為“能源+環保”與“能源+生態”兩種模式，但前者運行成本高，后者應用較為廣泛且更適合于一些周邊有適當的農田、魚塘或水生植物塘的養殖場，它以生態農業的觀點統一籌劃、系統安排，使周邊的農田、魚塘或水生植物塘完全消納處理后的糞污水，經糞便處理和資源化利用系統后，形成一個生態農業園區。牛場沼氣工程除了要因地制宜選擇合理的處理模式、設計規模和工藝技術外，還要加強養殖場自身的管理，協調好沼氣工程與周圍種植業的供求關系。隨著沼氣工程技術和沼肥利用技術的日趨完善，規模化牛場糞污的徹底治理必將指日可待。
參考文獻：
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[2]農村家用沼氣發酵工藝規程[P].GB9958—88.
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[6]華東建筑設計研究院主編.給水排水設計手冊第五冊[M].中國建筑工業出版社.2002版.
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[8]王小玲，林聰，王宇欣，等.以沼氣為紐帶的生態度假村有機廢棄物資源利用研究[J].中國沼氣，2004，22(2)：30-33. |
