大型奶牛场覆膜式厌氧发酵池新工艺.doc

大型奶牛场覆膜式厌氧发酵池新工艺的应用 董建平 （内蒙古华农机械有限公司）内容摘要本文介绍了一种大型奶牛养殖场粪污处理沼气工程的改进型实用新工艺，是一种在屋内几个覆膜式发酵池、前处理集中加热的塞流式厌氧发酵工艺。较目前最主要的露天半埋地式、多流道、水泥盖板加搅拌的发酵池、池内盘管加热保温的厌氧发酵工艺，具有构造成本低、维护操作方便、耐粗放管理运行稳定等特点。关键词：大型奶牛场 粪污处理 厌氧发酵 覆膜式 发酵池引言：随着人民生活水平的提高，人们对安全、高品质的鲜牛奶及奶制品的需求量与日俱增。大型规模化、集约化、一体化的奶牛养殖场如旗帜乳业牧场、现代牧业、君乐宝乐源牧业等一批大型现代化养殖牧场相继建成投产；这些牧场在提供了优质奶源的同时也产生了大量的养殖粪污，这些粪污必须及时合理地进行处理，否则会对环境造成很大的破坏，因此每个牧场都建设了配套的粪污处理系统，主要是塞流式厌氧发酵工艺。用牛粪发酵产生沼气，沼气燃烧提供蒸汽或发电；发酵液固液分离后，固体沼渣用来垫牛卧床；液体沼液还田。河北某5000头观光牧场，粪污处理系统采用了一种钢构彩板房内三个覆膜式发酵池（专利：ZL 2014 2 0777639.6 一种采用膜结构顶棚的分道式沼气池 ），前处理集中加热的塞流式厌氧发酵工艺，建成后运行稳定，除保证自身牛粪加热到发酵温度，还可提供大挤奶厅、小挤奶厅、设备间等清洗热水、冬季取暖等需要。较目前主要的露天半埋地式、多流道、水泥盖板加搅拌的发酵池、池内盘管加热保温的厌氧发酵工艺，是一种改进简化工艺，更具有构造成本优势、维护操作方便、节省能耗、耐粗放管理、运行稳定等特点。一、工艺说明 牛舍产生的粪污经自动清洁系统刮到牛舍一端的粪沟内；粪沟内用挤奶厅污水以及固液分离后的部分沼液将粪污水冲汇集到牛舍间的集粪池里；集粪池粪污由泵输送到发酵系统前处理的调节池、进料池内进行浓度调节、酸碱度调节、蒸汽加热等操作，然后打入覆膜式发酵池进行厌氧发酵并产生沼气。产气后的粪污经固液分离后固体的沼渣作为牛舍的牛床垫料回填，液体的沼液除一部分回冲粪沟外其余的作为有机肥还田。厌氧发酵产生的沼气收集净化后供锅炉燃烧，锅炉产生的蒸汽用来提供挤奶厅清洗热水、发酵系统自身加热以及场区冬季取暖；夏季多余的沼气可以进一步用来发电或作为商品能源出售。二、工艺流程图泌乳、干乳、犊牛舍粪污体污水沼液挤奶厅牛舍粪渠蒸汽厂区各集粪池沼液蒸汽沼渣调节池进料池粪污体沼气沼气蒸汽厌 氧 发 酵 池风机加压脱渣机房缓冲池双膜气柜沼液固液分离机回冲水池脱硫、脱水、加压沼气晾晒棚沼液池沼气锅炉沼渣供暖火炬还田 三、工艺过程详述：（一）牛舍粪污的收集及输送牛舍除小犊牛舍外均采用风机、湿帘通风降温的封闭式空调牛舍。牛舍粪道的粪污经自动清洁系统刮到牛舍一端的粪沟内，利用脱渣机房固液分离后的沼液以及奶厅清洗水进行回冲粪沟，粪污流到牛舍间的粪井，经格栅除污机过滤后溢流至集粪池，格栅除污机可将杂物自动捞出；集粪池内的粪污集满后由潜污泵输送到前处理的调节池。（二）前处理粪污的调节、加热前处理设置调节池和进料池，来自集粪池的粪污在前处理的调节池内进行监测、调节浓度、酸碱度，之后打到进料池，由沼气锅炉房产生的蒸汽经喷射器自动加热进料池物料到发酵温度后由潜污泵输送到厌氧发酵池内。（三）发酵池料液推进本工艺为中温厌氧塞流式发酵系统(Plug Flow Reactor，简称PFR)。发酵池为钢结构彩板房内三个3700m发酵池组成，每个池为长方形半地下混凝土结构，上面覆盖夹网沼气布膜材；发酵池内不设搅拌，不设加热保温盘管。发酵温度为35-38，水力滞留期为21天，即每天由发酵池前端进料量为总容积的1/21，而后端同时溢出等量的发酵后的料液，料液在发酵池内像活塞一样向末端推进。 覆膜发酵池如图1所示 （四）发酵池产气及储存进入发酵池的粪污在中温条件下经过水解、酸化、乙酸化、甲烷化四个阶段连续不断的产生沼气1。随着产气压力的升高发酵池的膜布被产生的沼气鼓起，形成沼气暂存的气包；当压力达到一定值时水封器开启泄压，保持安全气压并维持恒定。厌氧发酵产生的沼气经收集、初步净化后存储于双膜气柜内。（五）沼气的净化及锅炉的使用双膜气柜内的沼气抽出后经过过滤、脱水、脱硫净化后供沼气锅炉燃烧使用2，锅炉产生的蒸汽一部分用来加热前处理的粪污，以维持厌氧发酵系统自身的循环；一部分用来加热大、小挤奶厅的挤奶机清洗水，剩余的点火炬焚烧以及牧场冬季取暖。目前奶牛场存栏3700多头牛，每天使用沼气约4500 m左右（全群预计产气6000-7000 m）；产生蒸汽约30吨，供牛粪加热、挤奶厅清洗热水以及场区内5500平米供暖。（六）沼渣和沼液的利用发酵后的料液打到脱渣机房进行固液分离，经过固液分离得到沼渣和沼液。沼渣与沼液都是厌氧发酵产生的附属产品。沼渣用来回垫牛卧床，节省购买沙子、锯末等牛床垫料的费用； 沼液用来施肥周围草地及农田。经厌氧处理后的残留液，减少了臭气、杀灭了致病菌与虫卵，富含N、P、K是优质肥料。他们都可以作为有机肥料替代化肥，根据实际情况施用于农作物，大量的实践证明沼液中含有吲哚乙酸、赤霞素等杀虫成分，可以有效杀死蚜虫、红蜘蛛等害虫，具有抗病、杀虫，增肥效作用3。另外牧场还设有3万方的沼液攒存池备用极端天气时沼液暂存，可以处理牧场两个月的沼液产量。固液分离工序如如2所示四、 沼气工程技术和特点 沼气是有机物在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经微生物发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳，通常情况下甲烷（CH4）约占50%-70%，二氧化碳（CO2）约占接近30%-40%，此外还有少量的氢（H2）小于1%、氮（N2）0%5%、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）0.1%3%和氨（NH3）等。其特性与天然气相似。每立方米沼气的发热量约为2080023600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料4。沼气厌氧发酵处理的设施主要有5：1、完全混合式反应器（CSTR）2、塞流式厌氧反应器（PFR）3、升流式厌氧污泥床（UASB）4、内循环厌氧反应器（IC）5、升流式固体反应器（USR）6、膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）等，各种主要反应器对比特点如下5：全混CSTR升流式污泥床UASB内循环IC升流式反应器USR塞流式PFR反应器结构复杂程度复杂复杂很复杂较复杂简单允许进料悬浮物浓度高低高高高管理水平要求较高较高很高较高很低病菌杀灭率较高低低较高高水力滞留期较长短短较长长有机负荷中高很高中中特点总评厌氧污泥流失严重，投资略高有短流现象，污泥易流失需回流水泥混合液上升容易堵塞而瘫痪对进料均布性要求高，含固高时采取强化措施结构简单，运行稳定故障少；产气均匀 塞流式反应器（发酵池）也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，从另一端排出。因其结构简单、运行稳定、故障少、水力滞留期长从而对致病菌杀灭率高的大型反应器，是目前国内大型奶牛场应用较多的沼气工程模式。本工艺的沼气工程也采用塞流式厌氧发酵工艺。目前的塞流式厌氧发酵池均一般结构为露天敞开式半埋地发酵池，池顶用水泥盖板封闭，外部做喷涂保温内部作密封。池内设加热盘管，24小时热水循环加热保温，池顶有机械搅拌器。本工艺不同之处为发酵池置于室内，发酵池顶由水泥板改为专用的PVC复合膜材，使用寿命长成本低，维修更换方便。发酵池内不设加热盘管及搅拌，依靠产生的沼气泡自动搅拌。发酵池上方建造钢构彩钢板房，便于保温。较之混凝土实体密封结构，施工及后期清理、维护维修更加方便、维护成本低；粪污加热消耗热能要低20%以上，考虑能耗因素产气率相当，建造成本低30%-50%。五、 沼气工程效益分析畜禽养殖业利润低、风险大，其污染防治不能简单地依靠单一的末端治理手段解决环境污染问题，应以资源化和循环利用为基本立足点，以环境容量为基准，从实际出发、合理规划、防治结合、综合治理，遵循减量化、资源化、无害化和生态化几大原则6，具体效果及效益如下：（一）减量化原则粪污处理首先应强调减量化原则，即通过养殖结构调整及开展清洁生产减少畜禽粪污的产生量。该牧场的养殖生产工艺通过雨污分流、干湿分离、饮排分离粪沟的循环回冲等手段控制污染物的产生和数量，牛舍粪道采用干清粪工艺，减少污染物的排放总量，从而降低处理难度及处理成本;还可从饲喂角度出发，通过改进饲料加工方法或在饲料中添加蛋白酶等手段，提高奶牛对饲料营养物质的消化率和利用率，以减少粪尿的排泄量和氮、磷的产生量。（二）资源化原则资源化利用是粪污处理的核心内容，奶牛粪便是一种有价值的资源，经过处理后可作为肥料、饲料、燃料等，具有很大的经济价值，如果粪污的得不到有效的处理，不仅污染了环境，而且造成了资源的巨大浪费。本工艺的仅沼渣及沼气的效益即可在45年收回粪污处理沼气工程投资成本。1、沼渣效益7：5000头规模测算量平均每天处理126.7吨湿牛粪，年处理牛粪便46245吨;每天可以固液分离出牛粪40吨，占总处理量的31.2%左右。一年分离出牛粪14600吨，干物质50%左右，这些牛粪以干物质计算只能利用到7300吨;5000头规模养殖场一年需要5000吨牛粪做垫料;50006000头规模养殖场，成母牛最少3000头。3000头奶牛卧床，以垫沙子为例，每个卧床1.5米2.5米 0.25=0.94立方米，0.94 3000=2820立方米沙子，每立方米沙子价格45元(包括运费)，计12.69万元。最少每3月更换一次，全年4次12.69=50.76万元，每3天平均添补0.04米厚度，每次添补450立方米，每次计价20250元，全年添补2470500元。全年使用沙子做垫料共需要费用310.5万2、沼气效益：全群产气量按1-1.5米/头牛取中值6250米/天，三分之一用来发酵系统自身加热，剩余三分之二为产生的效益，沼气价格按当地天然气价格的70%算4，2015年河北天然气价最低2.26元/m，则全年产生效益为：2.26*70%*6250*2/3*30*12=2373000元，即237.3万元沼渣效益（万元/年）沼气效益（万元/年）合计（万元/年）310.5237.3547.8（三）无害化原则畜禽粪便在资源化利用时，必须注意无害化问题，因为畜禽粪便中含有大量的病原体，会给人、畜带来潜在的危害。故在利用前要进行无害化处理，使其在利用时不会对牲畜的生长产生不良影响，不会对作物生长产生不利的因素。畜禽养殖业废渣无害化环境标准8：控制项目指标蛔虫卵死亡率95% 粪大肠菌群数10个 /kg本工艺中温发酵有害物质的去除功能8：TS除去率/%COD除去率/%大肠杆菌值蛔虫卵死亡率/%7070751010100（四）生态化原则根据物质循环、能量流动的基本原理，可以将畜牧业和种植业紧密地结合起来，以农养牧、以牧促农，实现生态系统的良性循环，这样既可减轻畜禽粪便对环境的污染，又可为绿色食品和有机食品的生产提供基础保障，最终实现农业的可持续发展。六、结论大型奶牛场覆膜式厌氧发酵池沼气工艺的应用，简化和改进了发酵池的结构，由发酵池内加热保温改为前端集中加热，考虑能耗因素产气率相当，总体上降低了成本并使得维护、定期清理池底更加方便，是大型奶牛养殖场粪污处理沼气工程的一种构造简单、耐粗放管理新工艺模式。参考文献1唐艳芬，王宇欣 大中型沼气工程设计与应用M北京 化学工业出版社2013,8-82吴檬檬,于干,林春绵. 沼气脱硫技术研究进展J. 可再生能源,2012,10:73-78.3 汪耳洲,朱建民,陈雷. 牛场沼气发酵技术与产品利用J. 中国奶牛,2011,22:61-63.4 田晓东,强健,陆军. 大中型沼气工程技术讲座(一) 厌氧发酵及工艺条件J. 可再生能源,2002,05:35-39.5 樊京春 赵勇强 秦世平