大中型沼气工程工艺

1、大中型沼气工程工艺 华中农业大学华中农业大学 张衍林张衍林 教授教授 大中型沼气工程工艺 n(1)水体有机污染物水体有机污染物 n使水质浑浊，水色变黄，气味恶臭；使水质浑浊，水色变黄，气味恶臭； 消耗水体中的溶解氧消耗水体中的溶解氧(DO)，有机物进，有机物进 行厌氧分解，产生各种恶臭物质，水行厌氧分解，产生各种恶臭物质，水 体变黑发臭，水质恶化。体变黑发臭，水质恶化。 通常用通常用COD、BOD5表达有机质含量表达有机质含量 大中型沼气工程工艺 nCOD 指水体中能被化学氧化剂氧化的物质在指水体中能被化学氧化剂氧化的物质在 规定条件下进行化学氧化过程中所消耗的氧规定条件下进行化学氧化过程中所

2、消耗的氧 的数量，以每升水样中消耗氧的毫克数表示。的数量，以每升水样中消耗氧的毫克数表示。 n BOD水体中微生物分解有机物的过程中所消水体中微生物分解有机物的过程中所消 耗的水中溶解氧的量，以每升水样消耗溶解耗的水中溶解氧的量，以每升水样消耗溶解 氧的毫克数表示。一般都以在氧的毫克数表示。一般都以在20条件下，条件下， 培养培养5天所消耗的氧来表示，记为天所消耗的氧来表示，记为BOD5 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n饲料中的矿物质、微量元素添加剂所含饲料中的矿物质、微量元素添加剂所含 的铜、锌、砷等重金属经畜禽粪便浓缩的铜、锌、砷等重金属经畜禽粪便浓缩 后排入

3、土壤后排入土壤,可造成土壤长期的重金属污可造成土壤长期的重金属污 染。如铜的过量应用将引起植物中铜含染。如铜的过量应用将引起植物中铜含 量的增高、植物生长减慢、产量降低。量的增高、植物生长减慢、产量降低。 牧草地长期、大量施用含高铜的粪污，牧草地长期、大量施用含高铜的粪污， 牧草牧草(干重干重)含铜含铜1520g/kg时就可使时就可使 对铜敏感的绵羊发生中毒。对铜敏感的绵羊发生中毒。 大中型沼气工程工艺 n畜禽粪便通常含有大量的病原微生畜禽粪便通常含有大量的病原微生 物，如黄曲霉菌、沙门氏菌、志贺物，如黄曲霉菌、沙门氏菌、志贺 氏菌等，以及寄生虫，如血吸虫、氏菌等，以及寄生虫，如血吸虫、 旋毛

4、囊虫等。目前已有旋毛囊虫等。目前已有200种种“人畜人畜 共患传染病共患传染病”，其中，严重的有，其中，严重的有89 种，可由猪传染的约种，可由猪传染的约25种。种。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n养殖场规模不大，养猪场一般出栏养殖场规模不大，养猪场一般出栏 在在2万头规模以下，冲洗水量少。万头规模以下，冲洗水量少。 远离城市，经济比较不发达，土地远离城市，经济比较不发达，土地 宽广，有足够的农田消纳养殖场粪宽广，有足够的农田消纳养殖场粪 污的地区，特别是种植常年施肥的污的地区，特别是种植常年施肥的 作

5、物，如蔬菜、经济类等作物的地作物，如蔬菜、经济类等作物的地 区。区。 大中型沼气工程工艺 n沼气沼气(厌氧厌氧)-还田模式要真正达到营养物还田模式要真正达到营养物 质还田质还田-循环利用，污染物零排放，必须循环利用，污染物零排放，必须 解决好四个关键问题。解决好四个关键问题。 n第一个关键：土地的承载力；第一个关键：土地的承载力； n第二个关键：要有足够大的沼渣沼液储存装第二个关键：要有足够大的沼渣沼液储存装 置；置； n第三个关键：沼渣沼液的经济运输距离第三个关键：沼渣沼液的经济运输距离. n第四个关键：沼渣沼液施用标准第四个关键：沼渣沼液施用标准 大中型沼气工程工艺 (1)污染物零排放，最

6、大限度实现资源污染物零排放，最大限度实现资源 化；化； (2)可以减少化肥施用，增加土壤肥力；可以减少化肥施用，增加土壤肥力； (3)耗能低，管理方便耗能低，管理方便; (4)运转费用低等。运转费用低等。 大中型沼气工程工艺 （1）需要有大量农田利用沼炸沼液，万头猪）需要有大量农田利用沼炸沼液，万头猪 场需要场需要3000左右亩地消纳，因此受条件限左右亩地消纳，因此受条件限 制，适应性不强；制，适应性不强； （2）雨季以及非用肥季节还须考虑沼液的出）雨季以及非用肥季节还须考虑沼液的出 路；路； （3）不合理的使用方式或连续过量使用会导）不合理的使用方式或连续过量使用会导 致硝酸盐、磷及重金属的

7、沉积，从而对地表致硝酸盐、磷及重金属的沉积，从而对地表 水和地下水构成污染。水和地下水构成污染。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n主要是利用氧化塘、土地处理系统或人主要是利用氧化塘、土地处理系统或人 工湿地等自然处理系统对粪污进行处理工湿地等自然处理系统对粪污进行处理 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n适用于离城市较远，经济欠发达，适用于离城市较远，经济欠发达， 气温较高，土地宽广，地价较低、有滩气温较高，土地宽广，地价较低、有滩 涂、荒地、林地或低洼地可作废水自然涂、荒地、林地或低洼地可作废水自然 处理系统的地区。处理系统的地区。 n

8、养殖场规模一般不能太大，对于猪养殖场规模一般不能太大，对于猪 场而言，一般年出栏在场而言，一般年出栏在5万头以下，以人万头以下，以人 工清粪为主，水冲为辅，冲洗水量中等。工清粪为主，水冲为辅，冲洗水量中等。 大中型沼气工程工艺 (1) 越冬问题；越冬问题； (2) 氧化塘属于处理系统；氧化塘属于处理系统； (3) 排放标准的认可。排放标准的认可。 大中型沼气工程工艺 n 投资比较省；投资比较省； n可持续运行；可持续运行； n运行管理费用低运行管理费用低, 不不(少少)耗能；耗能； n污泥量少污泥量少, 不需要复杂的污泥处理系统；不需要复杂的污泥处理系统； n厌氧处理系统基本无臭味；厌氧处理系

9、统基本无臭味； n没有复杂的设备，管理方便没有复杂的设备，管理方便, 对周围环境对周围环境 影影 响小响小, 无噪音。无噪音。 大中型沼气工程工艺 n土地占用量较大；土地占用量较大； n处理效果受气温影响大；处理效果受气温影响大； n有污染地下水的可能。有污染地下水的可能。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n这种模式粪污处理系统由预处理、厌氧这种模式粪污处理系统由预处理、厌氧 处理、好氧处理、后处理、污泥处理及处理、好氧处理、后处理、污泥处理及 沼气净化、贮存与利用等部分组成，需沼气净化、贮存与利用等部分组成，需 要较为复杂的机械设备和要求高的构

10、筑要较为复杂的机械设备和要求高的构筑 物，其设计、运转均需要较为专业的技物，其设计、运转均需要较为专业的技 术人员来执行。术人员来执行。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n该模式适用于地处大城市近郊，经济发达，土该模式适用于地处大城市近郊，经济发达，土 地紧张，没有足够的农田消纳养殖场粪污的地地紧张，没有足够的农田消纳养殖场粪污的地 区；区； n采用这种模式的猪场规模较大，一般出栏在采用这种模式的猪场规模较大，一般出栏在5 万头规模以上；万头规模以上； n当地劳动力价格较为昂贵，主要使用水冲式清当地劳动力价格较为昂贵，主要使用水冲式清 粪，冲洗水量大，粪，冲洗水量大，5万头猪场排放的粪

11、尿污水：万头猪场排放的粪尿污水： 100m3/d以上。以上。 大中型沼气工程工艺 n1 厌氧消化后，好氧处理效果差；厌氧消化后，好氧处理效果差； n2 排放标准的认可。排放标准的认可。 大中型沼气工程工艺 n占地少；占地少； n适应性广，不受地理位置限制；适应性广，不受地理位置限制； n运行效果稳定。运行效果稳定。 大中型沼气工程工艺 n投资大，万头规模的猪场投资在投资大，万头规模的猪场投资在160 180万元；万元； n能耗高，处理能耗高，处理1m3污水，耗电约污水，耗电约24kwh； n运转费用高，处理运转费用高，处理1m3污水，运转费污水，运转费2.0元元 左右；左右；(欧洲欧洲10-1

12、5EURO/m3)。 n机械设备多，维护管理量大；机械设备多，维护管理量大； n需要专门的技术人员进行运行管理。需要专门的技术人员进行运行管理。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 我国规模化猪场大多建在离大城市较远我国规模化猪场大多建在离大城市较远 的地区，饲养规模不大。因此，粪污处的地区，饲养规模不大。因此，粪污处 理应优先考虑还田利用，利用不完而剩理应优先考虑还田利用，利用不完而剩 余的，再采用自然处理模式进行处理，余的，再采用自然处理模式进行处理， 即采用还田与自然处理相结合的综合处即采用还田与自然处理相结合的综合处 理模式。理模式。 大中型

13、沼气工程工艺 n合理规划，种养结合；合理规划，种养结合； n干清工艺，源头控制；干清工艺，源头控制； n还田利用，优先考虑；还田利用，优先考虑； n自然处理，必要补充；自然处理，必要补充； n厌氧好氧，无奈选择。厌氧好氧，无奈选择。 大中型沼气工程工艺 畜禽场大中型沼气工程工艺畜禽场大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n如何衡量沼气工程的先进性？如何衡量沼气工程的先进性？ n池容产气率（容积负荷）；池容产气率（容积负荷）； n投入产出比投入产出比(单位沼气投资、单位沼气运行单位沼气投资、单位沼气运行 能耗、单位沼气运行费用能耗、单位沼气运行费用)； n稳定性：日均产气量标准差、夏季与冬季稳

14、定性：日均产气量标准差、夏季与冬季 产气量之比；产气量之比； n运行持久性：稳定运行年限。运行持久性：稳定运行年限。 大中型沼气工程工艺 n总固体总固体(TS)是悬浮固体是悬浮固体(SS)和溶解固体和溶解固体 (DS)的总和，以单位体积水样在的总和，以单位体积水样在 103105C蒸发干后残留物的重量表示。蒸发干后残留物的重量表示。 n悬浮固体悬浮固体(悬浮物悬浮物SS)，指水样经离心或，指水样经离心或 过滤后得到的悬浮物经蒸发后所剩余固过滤后得到的悬浮物经蒸发后所剩余固 体物质的量。体物质的量。 大中型沼气工程工艺 n挥发性固体挥发性固体(VS) 表示样品中悬浮物、胶表示样品中悬浮物、胶 体

15、和溶解性物质中有机物的量。它是总体和溶解性物质中有机物的量。它是总 固体固体(TS)在在600C灼烧灼烧2h后损失的量。后损失的量。 n通常用通常用COD、BOD5表达有机质含量表达有机质含量 大中型沼气工程工艺 n水力停留时间水力停留时间HRT：指进入反应器的料：指进入反应器的料 液在反应器内的平均停留时间，如果反液在反应器内的平均停留时间，如果反 应器的有效容积为应器的有效容积为V(m3)，则：，则： nHRT=V/Q n另外还有：另外还有： 污泥停留时间污泥停留时间SRT 微生物停留时间微生物停留时间MRT 大中型沼气工程工艺 n原料产气率：农业废弃物的原料产气率原料产气率：农业废弃物的

16、原料产气率 理论值大约为理论值大约为0.7m3/kgTS或或 0.35m3CH4/kgCOD。实验值是采用一定。实验值是采用一定 方法在实验室测得的最大原料产气率。方法在实验室测得的最大原料产气率。 一般为理论值的一般为理论值的70%左右。左右。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n容积产气率：容积产气率是指在一定条容积产气率：容积产气率是指在一定条 件下，沼气池单位容积的产气量。单位：件下，沼气池单位容积的产气量。单位： m3/m3.d。 容积产气率与沼气池的能源效益紧密联容积产气率与沼气池的能源效益紧密联 系，是评价沼气池的一个重要指标。它系，是评价沼气池的一个重要指标。它 受原料入

17、池多少、原料种类、沼气池规受原料入池多少、原料种类、沼气池规 模、发酵时间、温度等影响。模、发酵时间、温度等影响。 大中型沼气工程大中型沼气工程0.3-5m3/m3.d。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 全混式消化器是在常规消化器内安装了全混式消化器是在常规消化器内安装了 搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完 全混合状态，与常规消化器相比，使活全混合状态，与常规消化器相比，使活 性区遍布整个消化器，其效率比常规消性区遍布整个消化器，其效率比常规消 化器有明显提高，故又名高速消化器，化器有明显提高，故又名高速消化器， 缩短了水力停留时间长，中温条件下，缩短

18、了水力停留时间长，中温条件下， 约下，约约下，约1530天天 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n可以进入高悬浮固体含量的原料；可以进入高悬浮固体含量的原料； n消化器内物料均匀分布，避免了分层状消化器内物料均匀分布，避免了分层状 态，增加了底物和微生物接触的机会；态，增加了底物和微生物接触的机会； n消化器内温度分布均匀；消化器内温度分布均匀； n避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不 畅和短流现象。畅和短流现象。 n进入消化器的抑制物质，能够迅速分散，进入消化器的抑制物质，能够迅速分散， 保持较低的浓度水平。保持较低的浓度水平。 大中型沼气工程工艺 n由

19、于该消化器无法做到使由于该消化器无法做到使SRT和和MRT在在 大于大于HRT的情况下运行，所以需要消化的情况下运行，所以需要消化 器体积较大；器体积较大； n要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；要有足够的搅拌，所以能量消耗较高； n底物流出该系统时未完全消化，微生物底物流出该系统时未完全消化，微生物 随出料而流失。随出料而流失。 大中型沼气工程工艺 n在德国，大约在德国，大约90%的沼气工程发酵装置的沼气工程发酵装置 是立式罐，立式发酵罐采用完全混合式是立式罐，立式发酵罐采用完全混合式 工艺，装置容积工艺，装置容积8001500m3。集中沼。集中沼 气工程发酵装置容积气工程发酵装置容积2000

20、5000m3。 n容积达到容积达到1000m3的立式发酵罐顶部常常的立式发酵罐顶部常常 装有双膜贮气柜，发酵装有双膜贮气柜，发酵-贮气一体化。贮气一体化。 大中型沼气工程工艺 是一种长方形的非完全混合消化器，原是一种长方形的非完全混合消化器，原 料从一端进入，从另一端流出，原料在料从一端进入，从另一端流出，原料在 消化器内的流动呈活塞式推移状态。在消化器内的流动呈活塞式推移状态。在 进料端呈现较强的水解酸化作用，甲烷进料端呈现较强的水解酸化作用，甲烷 的产生随着向出料方向的流动而增强。的产生随着向出料方向的流动而增强。 由于进料端缺乏接种物，所以要进行污由于进料端缺乏接种物，所以要进行污 泥回

21、流。在消化器内应设置挡板，有利泥回流。在消化器内应设置挡板，有利 于运行的稳定。于运行的稳定。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n不需搅拌装置，结构简单，能耗低；不需搅拌装置，结构简单，能耗低； n适宜高固体且本身含有较多的甲烷菌，不易酸适宜高固体且本身含有较多的甲烷菌，不易酸 化等的原料。加入搅拌设施后，在高浓度状态化等的原料。加入搅拌设施后，在高浓度状态 仍可有效控制原料的沉淀、分层以及表层浮渣仍可有效控制原料的沉淀、分层以及表层浮渣 结壳等问题，尤其适用于牛粪的消化结壳等问题，尤其适用于牛粪的消化 ； n运转方便，故障少，稳定性高。运转方便，故障少，稳定性高。 n直接进料，避免了

22、鲜粪前处理的投资和运行费直接进料，避免了鲜粪前处理的投资和运行费 用，并有效控制了蒸汽换热过程的热损耗。用，并有效控制了蒸汽换热过程的热损耗。 大中型沼气工程工艺 n固体物可能沉淀于底部，影响消化器的有效体固体物可能沉淀于底部，影响消化器的有效体 积，使积，使HRT和和SRT降低；降低； n需要固体和微生物的回流作为接种物；需要固体和微生物的回流作为接种物； n因该消化器面积体积的比值较大，难以保持因该消化器面积体积的比值较大，难以保持 一致的温度，效率较低；一致的温度，效率较低； n易产生结壳。易产生结壳。 n因该消化器单体体积较小（最大不超过因该消化器单体体积较小（最大不超过 300m3）

23、，相对投资略大，占地面积较大。），相对投资略大，占地面积较大。 大中型沼气工程工艺 UASB是目前发展最快的消化器之一是目前发展最快的消化器之一 。在反应在反应 器中设有气、液、固三相分离器，具有产气和器中设有气、液、固三相分离器，具有产气和 均匀布水形成的良好自然搅拌，并在反应器内均匀布水形成的良好自然搅拌，并在反应器内 形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。使形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。使 MRT比比HRT大大增长，产甲烷效率明显高，污大大增长，产甲烷效率明显高，污 泥床区平均只占消化器体积的泥床区平均只占消化器体积的30，但，但80 90的有机物在这里被降解。的有机物在这里被降

24、解。 该工艺将该工艺将 污泥的沉降和回流置于同一个装置内，降低了污泥的沉降和回流置于同一个装置内，降低了 造价，在国内外已被大量用于低造价，在国内外已被大量用于低SS废水的处理废水的处理 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n 三相分离器原理 大中型沼气工程工艺 n除三相分离器外，消化器结构简单，没有搅拌除三相分离器外，消化器结构简单，没有搅拌 装置及填料；装置及填料； n较长的较长的SRT及及MRT使其实现了很高负荷率；使其实现了很高负荷率； n颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了 工艺的稳定性；工艺的稳定性； n出水出水SS含量低。含量低。

25、n无混合搅拌设备。无混合搅拌设备。 n污泥床内不设填料，节约造价及避免因填料发污泥床内不设填料，节约造价及避免因填料发 生堵塞的问题。生堵塞的问题。 大中型沼气工程工艺 n需要安装三相分离器；需要安装三相分离器； n需要有效的布水器，使进料能均匀分布于消化需要有效的布水器，使进料能均匀分布于消化 器底部；器底部； n要求进水要求进水SS含量低（适宜低浓度）；含量低（适宜低浓度）； n在水力负荷较高或在水力负荷较高或SS负荷较高时易流失固体和负荷较高时易流失固体和 微生物，运行技术要求较高。微生物，运行技术要求较高。 n污泥床内有短流现象，影响处理能力；污泥床内有短流现象，影响处理能力； n对水

26、质和负荷突然变化比较敏感，抗冲击能力对水质和负荷突然变化比较敏感，抗冲击能力 差。差。 大中型沼气工程工艺 经多年研究，厌氧滤器经多年研究，厌氧滤器AF多用纤维或硬多用纤维或硬 塑料作为支持物，使细菌附着于表面形塑料作为支持物，使细菌附着于表面形 成生物膜。当污水穿流过生物膜时，有成生物膜。当污水穿流过生物膜时，有 机物被细菌利用而生成沼气。机物被细菌利用而生成沼气。 AF反应器反应器 可以选择在厌氧滤器的不同高度不同方可以选择在厌氧滤器的不同高度不同方 向进水，水流方向可以升流或降流。由向进水，水流方向可以升流或降流。由 此使得反应器在水力和有机负荷冲击下此使得反应器在水力和有机负荷冲击下

27、的稳定性增强，有机废水的稳定性增强，有机废水COD去除率增去除率增 加，同时使可溶性污水快速转化。加，同时使可溶性污水快速转化。 大中型沼气工程工艺 大中型沼气工程工艺 n低操作费用，不需要搅拌；低操作费用，不需要搅拌； n因有较高的效率，可缩小消化器体积；因有较高的效率，可缩小消化器体积； n微生物固着在惰性介质上，微生物固着在惰性介质上，MRT相当长，相当长， 微生物浓高；微生物浓高； n抗冲击负荷强。抗冲击负荷强。 n有机负荷高，一般为有机负荷高，一般为0.216 kgCOD/(m3.d)。在相同温度下，厌氧滤。在相同温度下，厌氧滤 池的负荷是厌氧接触工艺的池的负荷是厌氧接触工艺的23倍倍 大中型沼气工程工艺 n填料的费用较高填料的费用较高(