畜牧业迅速发展的同时,产生了大量的畜禽粪  污。据测算,全国规模化畜禽养殖场每年产生畜禽  粪污20.5亿吨,仍有56%未得到有效利用。畜  禽养殖废弃物具有高含固率、高有机物、高氮磷以及  含有大量的病原微生物和寄生虫卵等特点,远超过  了自然界的自净分解能力,若不科学处理,将严重污染大气、水体及土壤等环境,并会传播疾病,同时也  会影响畜牧业自身的可持续发展。因此,将畜禽废  弃物进行无害化和资源化处理利用对降低环境污染有着重要的意义2-3)。  黑膜沼气池厌氧消化技术是处理畜禽粪便的有效途径之  不仅能实现畜禽养殖废弃物的无害化处理与多层次资源化的利用+5,也能产生沼气用于热电联产或生产生物质天然气维持畜禽养殖行业的可持续  发展。鸡粪作为占据重要比例的畜禽废弃物,其黑膜沼气池厌氧处理技术与其他畜禽废弃物有着显著不同。鸡的消化道仅为体长的7倍,饲料在消化道内的停留时间较短(4h),因此对摄入的饲料消化吸收率很低,约70%的营养物被直接排出体外,是所有禽畜粪便当中养分是最高的,其含粗蛋白28.7%,粗纤维2.8%,粗脂肪12.5%,粗灰分21.4%,有机质68.2%(7。鸡粪C/N较低,高浓度黑膜沼气池厌氧消化过程中易造成氨氮富集从而导致消化过程的抑制作用出现8l。Cali1等曾报道,pH值为7.4,总氨氮超过3000mg·L时就会对发酵微生物产生毒抑制作用。

Adderley等研究表明总固体含量为2.5%的  发酵时其挥发酸量最大化且产甲烷细菌活性最准  氨抑制是影响黑膜沼气池厌氧消化稳定性的重要因素  游离氨起主要抑制作用,抑制浓度受pH值、温  底物、微生物等多方面因素影响。目前关于  解除方法的研究主要集中在调节工艺参数控制游离  氨浓度和通过驯化提高微生物对氨的耐受能力  通过调节工艺参数来控制氨浓度,必然会引起其因素的变化,例如通过降低温度降低氨抑制时会低污泥活性,降低P值时会增加VFA浓度引  ⅤFA积累抑制等问题;因而通过驯化耐高氨氮的生物是解决黑膜沼气池厌氧消化氨抑制的重要措施。本文采用工程案例的方式分析高氨氮甲烷菌的培养驯化,接讨高浓度高氨氮鸡粪的黑膜沼气池厌氧消化技术,以期对我国规模化鸡粪沼气工程的设计与运行提供参考。

1高浓度黑膜沼气池厌氧的工艺流程

高浓度纯鸡粪工程需要有适应超高氨氮浓度的甲烷菌进行黑膜沼气池厌氧消化协同作用,需要采用特定化的方式进行培养以应对高浓度鸡粪的黑膜沼气池厌氧消化  大型鸡粪沼气工程的工艺图如1所示。沿  程一般分为4大阶段:

1)鸡粪运输与废水输送  段;2)预处理阶段;3)黑膜沼气池厌氧产沼与沼气净化贮存  阶段;4)产品高效利用阶段;产品利用主要分为气与沼液两方面。

养殖场产生的鸡粪和污水通过车辆或管道输送有  至水解除砂池和集水池,鸡粪经污水稀释调配Ts  浓度为8%-12%后,在水解停留时间2d,经水解  除砂后鸡粪物料TS浓度为7%~10%,通过螺杆泵  泵入两级黑膜沼气池厌氧消化系统。黑膜沼气池厌氧消化采用CsTR黑膜沼气池厌氧  反应器两级发酵,设置停留时间20-25d。同时,在  级发酵罐之间设置回流泵,将二级黑膜沼气池厌氧罐的污  泥部分回流至一级罐,提升一级罐内污泥含量,缓冲  一级罐内高负荷,提高沼气产生效率,同时,减少了污泥流失。发酵产生的沼气进入脱硫系统脱硫后  发电上网或脱碳提纯制备生物天燃气,沼液沼渣则用于周边果园及农业种植使用。

在黑膜沼气池厌氧调试运行初期时,通过调控水解温度、物料pH值及TS浓度、进料负荷、罐内温度等逐步驯化培养耐高氨氮黑膜沼气池厌氧污泥,其培养驯化周期需要半年左右。

2工程案例

2.1山东民和牧业3MW热电肥联产沼气工程

山东民和牧业大型热电肥联产沼气工程是于2007年12月投资建设,2008年10月调试运行的大型沼气发电工程,2009年2月并网发电,位于山东省蓬莱市北沟镇曲家沟村。工程将山东民和牧业股份有限公司下属的23处肉鸡场,每天产生的鸡粪(TS20%)500吨和污水500方作为原料进行黑膜沼气池厌氧消化,产生的沼气用于沼气发电并网,发电机组余热用于发酵系统自身增温。该项目日产沼气3000m,日发电600k0h,并人电网,年发电量200万kWh,每年可获发电收益1300万元,发酵后的沼  液部分直接施用于周围葡萄、苹果和玉米等农田,另

有3001·d-的沼液用于沼液资源化利用项目生产高端叶面肥,既减少了化肥的使用量,又实现了资源的循环利用和污染物的零排放。该项目实现年减排  温室气体6.7万吨CO2当量,是国内首个在联合国完成清洁发展机制( Clean Development Mechanism,  CDM)碳交易的农业领域沼气项目3。

该项目于2008年10月开始投料调试运行,至今已稳定运行9年以上,其工艺运行可靠、管理方便、发酵正常,沼气脱硫净化效果良好。2009年6月底至7月底对工程进行监测,数据见图2~图5。在此期间项目平均每日进料210吨鸡粪,黑膜沼气池厌氧进料浓度TS6.1%~8.1%,一级发酵罐平均浓度TS39%,二级发酵罐平均浓度TS4.1%,沼液罐出水平均浓度TS3.4%;各级发酵物料pH值8.0~8.2;级发酵罐挥发酸平均4760mg·L',二级发酵罐挥发酸平均3823mg·L-1,沼液罐出水挥发酸平均2912mg·L;各级发酵罐总碱度(以CaCO3计)在9500mgL-1-110g·L之间,氨氮浓度均达到5000mg·L-以上,平均日产沼气22594m3,平均日发电46550kWh,项目沼气产量未受氨氮影响,通过核算该项目实际运行中鸡粪TS产气率大于500m3t-'。沼气经过生物脱硫塔脱硫处理后,其甲烷浓度60%~70%,沼气脱硫前5000pm~6000ppm,脱硫后200pm以下,硫化氢去除率超过96%。

根据监测结果,鸡粪原料中挥发性固体( volatilesolid,vS)占TS比例为67%,总氮占VS比例为8.3%。黑膜沼气池厌氧消化所能承受的最大游离氨为0.5gm231). McCarty和 McKinney报道,150mg·L非离子化氨具有抑制作用;根据 Koster和 Lettings

的研究,当NH4-N为2323mg·L时,观察不到任何影响,当NH4N为4050~5730mg·L范围内,甲烷菌丧失56%的活性; Soubes等研究NH4N毒性,发现pH值为中性时1C为4000mg·L。蒋彬1的研究则表明在氨氮抑制甲烷化过程中离子态NH4N是主要的抑制剂,而非大多数学者所认同的游离氨氮,其与细胞内其它阳离子的交换是导致产甲烷菌代谢失调的主因。何仕均1等研究发现当氨氮浓度小于0.4g·L时,对体系表现为促进产甲烷作用:当氨氮浓度大于0.8gL时,开始表现为抑制产甲烷作用,并且随着氨氮浓度的继续提

高,黑膜沼气池厌氧颗粒污泥的产甲烷活性显著下降。同时  究表明氨氮对黑膜沼气池厌氧污泥产甲烷活性的影响与反应  系的碱度及污泥浓度等有关,在一定范围内提赢  应体系的碱度或污泥浓度可以提高反应器对氨氮产  烷毒性的忍耐能力。于芳芳8等,研究表明,当Cm  为6O0ng,L时,氨氮对产甲烷茵产生毒害作用流  度为1500L-1,C0为400mg:L1,毒性周期的最  大产甲烷速率为92mLh,氨氮的平均去除率为1  17%;去除高浓度氨氮废水后,黑膜沼气池厌氧颗粒污泥产甲  性有不同程度的恢复在毒性实验中受到的抑制作用  越小,产甲烷活性恢复得就越快、越完全。  实际表明经一定周期的工程驯化调试,可以缓慢提高菌种的氨氮耐受能力。

2.2江苏省大丰市畜禽粪污集中处理综合利用项目

江苏省大丰市畜禽粪污集中处理综合利用项日  为通过处理大丰市大丰港及周边区镇220t·d的  鸡粪并生产生物质燃气。鸡粪通过黑膜沼气池厌氧消化每天可  生产沼气约20000m3,其中平均每天约18%的沼气  用于发酵系统自身增温,剩余沼气经提纯后生产生  物天然气,平均每天生物天然气的产量约为  m3,年产生物天然气约350万m3;发酵后的沼液渣分别进入有机肥厂进行深度加工。

该项目综合利用周边养殖粪污,既开发了生物质能源,有效利用了资源,又减少了周边养殖生产带来的环境污染,改善了当地的生态环境,实现现代养殖业的绿色可持续发展。项目建成后,实现年减排

温室气体4.5万吨CO2当量。该项目于2014年开工建设,2015年6月开始投料调试运行,至今已稳定运行近2年,表1是项目调试完成后从2015年9月至2016年12月期间各工艺段运行监测的数据。

从表1可以看出,该项目鸡粪水解除砂后原料  7S浓度平均8.35%,最高到10.2%;发酵物料pH  值78=82,MA平均400mg:1,总碱减度(以  CaCO3计)平均10100mg·L1,氨氮维持在5200  5700mg·L1,其Ts产气率维持在460~510  m3d-2,其波动受周边各养殖场原料影响。  

2.3台湾石安牧场日处理80t鸡粪沼气发电项目  

台湾石安牧场日处理80t鸡粪沼气发电项目  采用CSTR发酵工艺,设计处理鸡粪80t·d-1,生产  沼气8,00md2。沿气全部用来发电,每天可产  16.00kW:h电,所发电量除少量用于养殖场鸡舍  自用外,剩余全部上网供市电使用,发电机余热为发  酵系统本身供热。发酵后的沼液全部被用作台湾高  雄市阿莲乡周边果园及蔬菜等种植过程中的有机肥施用于农田中。

该项目于2014年年初动工建设,2014年10月  开始投料调试运行,现已稳定运行接近3年时间。  2016年8月对工程进行监测,数据见图7~图10。项目黑膜沼气池厌氧消化系统每日鸡粪投加量在50-60t,经稀释调配及除砂后黑膜沼气池厌氧罐进料TS浓度维持在78%,发酵物料pH值7.9~8.1,挥发酸浓度平均5720mg·L,总碱度(以CaCO3计)平均29860mgL,氨氮浓度维持在5100~5600mgL1,其特有的发酵环境使得该系统可在高挥发酸和高氨氮下稳定运行,每日沼气产量6000~7000m3,其原料产气率达到110m3+t-以上。所产沼气经生物脱硫塔脱硫处理后,甲烷含量高达65%~70%,硫化氢含量小于50pm,去除率高达到9%以上。

小结

鸡粪高浓度高氨氮黑膜沼气池厌氧消化可以大大减少鸡粪调配水的使用量,从而减少了沼气工程中原料增温

对热量的需求以及后续沼液的处理消纳的数量,对  沼气工程可持续、经济发展创造了技术基础。采用  高浓度高氨氮鸡粪的黑膜沼气池厌氧消化技术,其黑膜沼气池厌氧进料TS

浓度可达8%~12%,大型沼气工程运行中氨氮耐受浓度高至550mg·L1,黑膜沼气池厌氧产沼气过程不受影响。通过工程实例分析,鸡粪高氨氮浓度黑膜沼气池厌氧消化技术稳定可靠,值得推广应用,该技术将对规模化养殖场处理鸡粪粪污提供技术借鉴。

摘自《中国沼气》2018第三期 陈智远 宫亚斌 詹偶如 姚建刚

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