利用畜禽粪便生产沼气的技术装备研究与效益分析

马立新 刘卫华 荆和平 陈 云 沈启扬

利用畜禽粪便生产沼气是集约化畜禽养殖场粪便及污水处理与资源化利用的重要途径。近几年来，我国大中型沼气工程数量每年以40%以上的速度快速增加，已建成并运行的大中型沼气工程每年可处理数亿立方米畜禽废弃物与养殖场废水。2007年，国家发布的《可再生能源中长期发展规划》以及农业部编制出台的《全国农村沼气工程建设规划》提出：到2020年全国大中型沼气工程达到8 000处，年利用沼气总量达440亿m3。然而，在沼气工程得到快速发展的同时，对已建沼气工程的研究较少，尤其缺乏沼气工程实际运行状况的研究。为进一步探索研究沼气生产与利用技术装备，评估沼气工程带来的经济效益和社会效益，现从以下几个方面进行分析研究。

1 利用畜禽粪便生产沼气的技术特征与原理

1.1 沼气的基本参数与特性

典型的沼气组分、热值及燃烧特性参数如下：

体积含量：CH4为61.28%，CO2为38.09%，H2S及其他组分为0.63%；高位热值：23.90 MJ/m3；低位热值：21.55 MJ/m3；华白指数：24.59 MJ/m3；燃烧势(CP)：18.52；气体密度：1.22 kg/m3。

1.2 沼气发酵基本原理

厌氧发酵畜禽粪便生产沼气就是利用受控制的厌氧细菌分解作用,将粪便中的有机物(碳水化合物、蛋白质和脂肪)转化成简单的有机酸，然后再将简单的有机酸转化为沼气和二氧化碳。目前，人们普遍认为厌氧消化过程主要分为三个阶段：第一阶段为水解性细菌产生水解酶把非水溶性大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白质等水解成可溶性的较小分子化合物的过程；第二阶段为产氢产酸阶段；第三阶段为利用降解产物产生甲烷的过程。整个厌氧消化过程是一个产甲烷菌和非产甲烷菌相互作用、相互制约的动态平衡过程。用于厌氧消化的原料几乎都是不溶性的有机大分子，只有通过水解酶把它们分解成较小的分子后才能被产氢、产乙酸菌和产甲烷菌利用，最终产生甲烷。

1.3 沼气消化处理技术的影响因素

影响畜禽粪便生产沼气的因素有：厌氧环境、有机物、碳氮比、温度、pH值及搅拌、稀释情况。可以通过建造不透气的沼气池或沼气罐来实现厌氧环境。沼气罐中需要充足的有机物，以保证沼气菌等各种微生物正常生长和大量繁殖。在粪便发酵过程中，挥发性酸、氨、氧、抗生素等过多，将影响厌氧性分解。为了避免氨过多，可将粪便稀释。通常发酵池干物质与水的比例以1:10为宜，过稀则耗水量增加，并增大发酵池容积。畜禽粪厌氧发酵后，约60%的碳素转变为沼气。

2 沼气生产与利用机械化技术路线及整体设计

2.1 沼气生产与利用机械化技术工艺

目前使用最多的利用畜禽粪便生产沼气的技术是升流式厌氧固体反应器，其构造特点是反应器内不设三相分离器和其他构件。废液由池底配水系统进入，均匀地分布在反应器的底部，然后向上升流通过含有高浓度厌氧微生物的固体床，使废液中的有机固体与厌氧微生物充分接触反应，有机固体被液化发酵和厌氧分解；而产生的沼气随水流上升具有搅拌混合作用，促进了固体与微生物的接触。由于重力作用，固体床区有自然沉淀作用，比重较大的固体物（包括微生物、未降解的固体和无机固体等）被累积在固体床下部，使反应器内保持较高的固体量和生物量，可使反应器有较长的微生物滞留时间。通过固体床的水流从池顶的出水渠溢流至池外，在出水溢流渠前设置挡渣板，可减少池内SS（液体中固体颗粒悬浮物）的流失，在反应器液面会形成一层浮渣层，在长期稳定运行过程中，浮渣层的厚度达到一定厚度后趋于动态平衡。在不断有固体被沼气携带到浮渣层的同时，也有经脱气的固体返回到固体床区。沼气要透过浮渣层进入到反应器顶部的集气室，对浮渣层产生一定的“破碎”作用。对于生产性反应器，由于浮渣层表面积较大，浮渣层不会引起堵塞。集气室中的沼气经导管引出池外进入沼气贮柜，池内设排泥管可将多余的污泥和下沉在底部的惰性物质定期排除。

图1 沼气生产利用工艺流程

2.2 沼气生产与利用工艺流程（见图 1）

2.3 沼气生产机械化技术

以溧阳市乾丰养殖有限公司的大型沼气工程为例，该工程由厌氧发酵罐1 200 m3、贮气罐500 m3、沼液池10 000 m3的“无害化”沼气发电工程示范基地组成，并配备120 kV沼气发电站机组。

2.3.1 厌氧发酵罐工艺设备与材料

厌氧发酵罐外观由圆柱型钢制材料制成，配有进料孔、回流孔、出料孔、排渣孔、沼气孔、压力保护安装孔、取样孔、测温孔、视镜、池体等装置（如图 2所示）。

图2 厌氧发酵罐结构简图

2.3.2 厌氧罐顶部双层贮气膜结构

该贮气方式采用厌氧罐顶部拱形双层贮气膜结构，由贮气罩外膜、贮气罩内膜、支撑网架（橡皮带+网绳）、贮气袋等部分组成，形成贮气和排放多余气体等功能（如图 3所示）。

图3 双层贮气罐结构简图

2.3.3 沼气罐连接结构示意图（如图 4）为固定沼气贮气罐，保持气袋良好的密封结构，将气袋上方放置压紧钢条，内置橡胶泡沫密封板进行保温，罐体壁面外部由罐沿口角钢包裹，最后安装螺栓固定。

图4 沼气罐连接结构示意图

3 养殖场效益分析

3.1 养殖场基本情况

溧阳市乾丰养殖有限公司为年出栏50 000头育肥猪生产规模的养殖场，存栏数15 000头，日产鲜粪7 t，粪水110 m3。该公司投资生产的沼气工程，主要包括粪污的前处理系统、厌氧消化系统、好氧处理系统、沼气利用系统、沼渣生产固体有机肥料系统、沼液无害化处理及商品化液体肥料加工系统，可日处理污水120 t，年产沼气25万m3，年发电30万度，年生产有机肥2 000 t。

3.2 经济效益分析

沼气工程总投资为318.6万元，折合单位池容比投资为1 880元/m3。设备寿命按15年计算，设备残值约8万元。

3.2.1 设备年运行费用

修理费用：按折旧费的40%计算。年维修费=（318.6－8）/15×40%＝8.28（万元）。

人工费：工程运行需5人，人均年工资2万元，年人工费＝2×5＝10（万元）。

管理费：按工资的1/3计算，年管理费=10/3=3.3（万元）。

原料（辅料）费：按每吨有机肥添加辅助材料费40元计算，年原材料费＝40×2 000＝8（万元）。

年运行费总计：8.28+10+3.3+8=29.58（万元）。

3.2.2 设备年收益年收益=沼气收益+有机肥收益+避免排污罚款支出+畜禽发病率减少节省的支出。

沼气发电收益：养殖场年发电量30万度电，每度电价格为1.38元，沼气年收益=30×1.38＝41.4（万元）。

有机固体肥料：年产固体有机肥2 000 t，每吨售价520元，固体有机肥年收益=2 000×520＝104（万元）。

年减少排污罚款：按照水污染特殊行业收费标准2元/t计，年减少排污罚款＝120×365×2＝8.76（万元）。

畜禽发病率减少避免的损失：根据有关调查统计，一个万头养猪场，沼气工程建成后畜禽发病率减少的损失为0.55万元。

年总收益＝41.4+104+8.76+0.55=154.71（万元）。

3.2.3 设备年净收益年净收益＝年总收益－年运行费用＝154.71－29.58＝125.13（万元）。投资回收期＝投资总额/ 年净收益=318.6/125.13＝2.5（年）。

3.3 社会效益和生态效益

养殖场在使用了沼气工程后，减少了对周边大气、地表水、土壤的污染，既避免了环保部门的罚款，又消除了养殖场与村民因污染物排放引起的纠纷。沼气工程建成运行，猪场周边的臭味减少，空气清新；生产的沼气用于发电，可解决养殖场办公和生产环节用电；农田、果树使用有机肥，可减少因使用化肥带来的土壤污染，改善土壤养分平衡和土壤理化性状，同时也提升了农产品质量；沼液农田利用，经生化工艺处理后再经生化塘进一步处理达标排放，使浑浊的溪水重新变清澈，环境生态效益显著。