1、大中型沼氣工程技術(shù)與工程設(shè)計,中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 林聰 2009年5月,內(nèi)容,一、沼氣規(guī)模工程分類標(biāo)準 二、沼氣發(fā)酵基本原理 三、沼氣發(fā)酵基本條件 四、發(fā)酵裝置 五、沼氣工程設(shè)計工藝參數(shù)的選擇 六、沼氣工程建設(shè)模式 七、沼氣工程建設(shè)不容忽視的問題 八、沼氣工程相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準,五、沼氣工程設(shè)計工藝參數(shù)的選擇,1. 原料的收集 充足而穩(wěn)定的原料供應(yīng)是沼氣發(fā)酵工藝的基礎(chǔ)，不少沼氣工程因原料來源的變化被迫停止運轉(zhuǎn)或報廢。原料的收集方式直接影響原料的質(zhì)量，影響到污水的生成量以及濃度。,2. 原料的預(yù)處理,原料中?；煊懈鞣N雜物，如牛糞中的雜草，雞糞中的雞毛和砂礫等。為了便于用泵輸及防止發(fā)酵過程中出現(xiàn)故障，或為了

2、減少原料中的懸浮固體含量，有的在進入消化器前還要進行升溫或降溫等，因而要對原料進行預(yù)處理。 預(yù)處理階段大中型沼氣工程所設(shè)計的相關(guān)構(gòu)筑物必須滿足發(fā)酵工藝要求，才能最終達到總體設(shè)計目標(biāo)。,3. 選擇發(fā)酵溫度,發(fā)酵溫度是影響沼氣發(fā)酵的重要因素。沼氣發(fā)酵菌種在860范圍內(nèi)都能發(fā)酵產(chǎn)氣。 原料的分解消化速度隨溫度的升高而提高，也就是產(chǎn)氣量隨溫度升高而提高。 厭氧發(fā)酵原料宜采用盡可能高SS濃度的畜禽糞水，盡量減少沼液產(chǎn)量；厭氧消化宜采用中溫消化(35左右)，也可采用近中溫消化(2530)。,消化器的保溫設(shè)計,采取中、高溫運行的大中型沼氣工程，消化器內(nèi)料液的溫度或是35，或是54。而消化器周圍環(huán)境溫度卻隨著

3、四季更替或晝夜交換而變化，為確保消化器能在恒溫條件下運行，必須以當(dāng)?shù)刈詈鋾r刻的氣溫條件，確定保溫層的厚度，對消化器進行保溫設(shè)計。,4.選擇消化器(沼氣池),規(guī)?；B(yǎng)殖場大中型沼氣工程項目建設(shè)池型選擇：沼氣發(fā)酵裝置是整個沼氣工程的核心部件。沼氣發(fā)酵裝置類型很多，畜禽糞便污水多采用升流式固體反應(yīng)器（USR）及塞流式消化器，固體物含量低的廢水多采用上流式厭氧污泥床（UASB）厭氧消化器。,消化器的設(shè)計,消化器容積大小與沼氣發(fā)酵原料的物料特性、消化液濃度和水力滯留期有關(guān)。 消化器容積V1與每日處理原料量、消化液濃度、消化液密度和水力滯留期有關(guān)，公式如下：,消化器總?cè)莘e消化器中消化液容積（V1）消化器

4、的儲氣容積（V2），一般取V2（810）V1，即 ： VV1V2,原料、池型、溫度與產(chǎn)氣率,5.選擇厭氧消化器的滯留期（HRT）,滯留期與原料特性、發(fā)酵溫度、裝置類型及預(yù)期目的有關(guān)。一般地選擇為： 常規(guī)地下池采用畜禽糞便為原料時滯留期為 2060天； 地面高效裝置采用畜禽糞便為原料時滯留期為815天； 地面高效裝置采用酒精廢液及高濃度有機廢水為原料時滯留期為0.54天。 以生產(chǎn)沼氣為主可選擇最佳滯留期，以環(huán)境保護為主，則應(yīng)適當(dāng)延長滯留期。,6.沼氣儲存,大中型沼氣工程一般采用低壓濕式儲氣柜、干式儲氣柜、橡膠儲氣袋儲存沼氣。貯氣容積的確定與用氣情況有關(guān)。目前沼氣池設(shè)計貯氣量大多考慮能貯存12小時

5、所產(chǎn)的氣，沼氣用于民用時，儲氣柜容積按產(chǎn)氣量的5060%計算；民用、發(fā)電或燒鍋爐各一半時，按產(chǎn)氣量的40計算；也可根據(jù)實際用氣量適當(dāng)配置貯氣容積。,7.沼氣的脫水,通常采用重力方法完成沼氣的脫水，或者在輸送沼氣管路的最低點將管路中水蒸氣排除。,8.沼氣脫硫,沼氣脫硫采用干式脫硫、濕式脫硫和生物脫硫。用于能源直接燃燒的沼氣中H2S濃度應(yīng)低于20毫克/米3，用于直接發(fā)電的沼氣中H2S濃度為300毫克/米3 畜禽場的沼氣中H2S濃度在0.0284. 5克/米3之間，平均為1.79克/米3 。,9、 沼氣輸配系統(tǒng),10.沼氣發(fā)電,用于發(fā)電的沼氣，其組分中甲烷含量應(yīng)大于60，硫化氫含量應(yīng)小于0.05，供

6、氣壓力不低于6kPa。 以柴油機改裝為全燃沼氣的奧托機時，因為沼氣中含CO2，在不改變原發(fā)動機容積的情況下，由于不能增加混合氣的熱值，所以沼氣發(fā)動機熱效率一般在2530范圍。 發(fā)動機的熱效率為35%，發(fā)電機的熱效率為90%時，則每立方米沼氣可發(fā)電約2度。,沼氣發(fā)酵液不能直接排放，否則會導(dǎo)致二次污染，必須后處理加以資源化利用。沼氣發(fā)酵液作為有機肥應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罓顩r和種植施肥情況應(yīng)用于果樹、養(yǎng)魚、種花和蔬菜、大田種植業(yè)。,11、沼肥的綜合利用,厭氧發(fā)酵殘留物的利用,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(zhì)。 沼氣厭氧發(fā)酵后約95%的寄生蟲和有害細菌被殺滅。 發(fā)酵

7、后的沼液無機元素絡(luò)合，進行沼渣、沼液深加工，生產(chǎn)多元復(fù)合營養(yǎng)有機復(fù)合有機肥，有利于植物的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和某些病蟲害防治。,沼氣工程建設(shè)內(nèi)容,養(yǎng)殖場大中型沼氣以“一池三建”為基本建設(shè)單元，建設(shè)沼氣發(fā)酵池、原料預(yù)處理、沼氣利用和沼肥利用設(shè)施。 “一池”：是指沼氣發(fā)酵裝置，即在厭氧條件下，利用微生物分解有機物并產(chǎn)生沼氣的裝置。 “三建”：一是建設(shè)預(yù)處理設(shè)施：包括沉淀、調(diào)節(jié)、計量、進出料、攪拌等裝置；二是建設(shè)沼氣利用設(shè)施，包括沼氣凈化、儲存、輸配和利用裝置；三是沼肥利用設(shè)施，包括沼渣、沼液綜合利用和進一步處理裝置。,六、沼氣工程建設(shè)模式,沼氣工程發(fā)酵流程圖,應(yīng)用模式,根據(jù)現(xiàn)場條件和對發(fā)酵殘留物處理利用方式和

8、要求的不同，沼氣工程可以有兩大類，即生態(tài)類型和環(huán)保類型。在實際工程設(shè)計中，根據(jù)現(xiàn)場條件、沼氣利用和排放等方面的要求，可以選擇模式。,1、產(chǎn)品方案,1) 管理實現(xiàn)減量化的原則 在污染防治上應(yīng)強調(diào)減通過生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整及開展清潔生產(chǎn)減少污染物產(chǎn)生量，降低處理難度及處理成本。 2)處理優(yōu)先資源化的原則 資源化和綜合利用結(jié)合，堅持以利用為主、利用與污染治理相結(jié)合的原則。 3) 結(jié)果達到無害化的原則 利用時不會對牲畜和作物的生長產(chǎn)生不良影響；排放的污水和糞便不會對地下水和地表水產(chǎn)生污染等。 4) 整個系統(tǒng)生態(tài)化的原則 以農(nóng)養(yǎng)牧、養(yǎng)漁，以牧、漁促農(nóng)，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。 5) 運作通過產(chǎn)業(yè)化的原則 畜禽糞

9、便收集、生產(chǎn)和銷售，采用產(chǎn)業(yè)化和專業(yè)化運作模式，吸引社會投資。,2、沼氣工程產(chǎn)品方案,沼氣熱能利用 （方式） 以產(chǎn)氣為主 沼氣發(fā)電 （ 需求和用途） 沼渣液的利用 （土地承載力） 固體有機肥 （品種、市場） 以肥料為主 鮮糞外售 （需求） 少量沼氣 （利用方式） 少量沼氣 （能量） 以污水達標(biāo)排放為主 肥料生產(chǎn) （品種、市場） 污水處理 （處理方式、排放標(biāo)準）,3、三沼的應(yīng)用,沼氣已經(jīng)開始注重集中供氣系統(tǒng)的建設(shè)，利用增壓和減壓調(diào)節(jié)裝置，通過輸送管道將沼氣配送到農(nóng)戶，形成了供氣管網(wǎng)，并向農(nóng)民供應(yīng)沼氣，解決生活燃料問題，。 發(fā)電我國自產(chǎn)單燃料沼氣發(fā)電機技術(shù)越來越成熟，能源短缺的現(xiàn)實和可再生能源利用

10、技術(shù)的完善，使沼氣發(fā)電已經(jīng)成為沼氣工程中很重要的一部分。 沼渣液沼肥是很好的有機肥料，已被廣泛用作基肥和無土育苗基質(zhì)，果園和蔬菜大棚有機肥灌溉施用，并作為固體有機肥進入了市場銷售。,沼氣發(fā)酵的基本工藝流程,規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污處理模式（能源生態(tài)模式）,養(yǎng)雞場沼氣工程設(shè)計（能源生態(tài)模式）,規(guī)模養(yǎng)牛場沼氣工程設(shè)計（能源生態(tài)型模式）,規(guī)?；B(yǎng)豬場糞污處理模式（能源環(huán)保模式）,能源環(huán)保型,規(guī)模養(yǎng)殖場沼氣工程設(shè)計（能源環(huán)保型模式）,七、沼氣工程建設(shè)不容忽視的問題,工程驗收 運行管理 安全 沼渣液消納與綜合利用問題,1.沼氣的密封問題,密封是一道重要工序。 施工中應(yīng)注意建池的密封，不能有縫隙和沙眼，形成漏氣。

11、 沼氣池建成后，用純水泥漿打底，抹1：2.5水泥沙漿找平壓實，將基層清理后充分澆水濕潤，接著開始做密封層。,2.試壓檢驗,為保證安全和沼氣池的正常使用，必須經(jīng)過壓力實驗。 沼氣工程建成及輸氣系統(tǒng)安裝后，要參照國標(biāo) GB4751中第721和722條規(guī)定進行打壓驗收。,試壓檢驗-水壓法,向沼氣池內(nèi)注水至溢流高度，穩(wěn)定后觀察12小時，當(dāng)水位無明顯變化時，表明發(fā)酵池及進料管系統(tǒng)不漏水之后方可進行水壓試驗。 關(guān)閉池體通向氣空間的所有閥門，在池頂氣空間接好測壓儀表或形壓力計，對氣空間做好全面的密封處理，此后繼續(xù)向沼氣池內(nèi)注水；當(dāng)壓力達到最大設(shè)計壓力時停止加水，記錄好壓力值，穩(wěn)壓觀察 小時。當(dāng)壓力下降在31

12、0以內(nèi)時，可確認沼氣池抗?jié)B性能符合要求。,試壓檢驗-氣壓試驗法,與前面的區(qū)別是在注水穩(wěn)壓觀察后，向罐（池）內(nèi)不是再注水，當(dāng)壓力達到最大設(shè)計壓力時停止加水，記錄好壓力值，穩(wěn)壓觀察 小時。而是注氣后觀察沼氣池的壓力降在310以內(nèi)，確認抗?jié)B性能符合要求。,3.沼氣的驗收,與沼氣池配套的所有管道、閥門均應(yīng)根據(jù)其各自的運行壓力，分別用清水進行承壓檢驗。 沼氣的壓力表和流量計要進行質(zhì)量驗收和調(diào)試，以保證其安全、可靠、靈活和準確。 運行前的試車是非常重要的工作，否則在投產(chǎn)后再發(fā)現(xiàn)上述先天性缺陷，就會給補救維修工作帶來麻煩。,4.沼氣的竣工,沼氣池的氣密性驗收完成后，接著進行包括輸配管路的全系統(tǒng)氣密性和防滲漏

13、驗收。單體驗收和分段驗收合格后，進行全系統(tǒng)驗收，確保全系統(tǒng)不滲水、不漏氣后，再進行沼氣工程的發(fā)酵啟動運行工作。 隱蔽工程記錄,5.溫度變化對厭氧發(fā)酵效率的影響,在同一溫度類型條件下，溫度發(fā)生波動會給發(fā)酵帶來一定影響。在35中溫發(fā)酵時，于小時內(nèi)溫度上下波動不宜超過。短時間內(nèi)溫度升降，沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至停止產(chǎn)氣。例如一個在35下正常運行的沼氣池，若溫度突然下降到20，產(chǎn)氣幾乎停止。然而，溫度波動不會使厭氧消化系統(tǒng)受到不可逆轉(zhuǎn)的破壞，即溫度瞬時波動對發(fā)酵的不利影響只是暫時性的，溫度一經(jīng)恢復(fù)正常，發(fā)酵的效率也隨之恢復(fù)。,5.溫度變化對厭氧發(fā)酵效率的影響,如溫度波動時間較長時，效率

14、的恢復(fù)所需時間也相應(yīng)延長。如果將35運行溫度降至10，并保持15分鐘，然后恢復(fù)至35，沼氣產(chǎn)率就迅速回升；如果保持2小時，則產(chǎn)氣率恢復(fù)至原有水平所需的時間也較長。 常溫發(fā)酵的沼氣池發(fā)酵溫度隨氣溫而便，產(chǎn)氣率較低。,6.p與減度變化對厭氧發(fā)酵效率,沼氣發(fā)酵是在p中性條件下的厭氧發(fā)酵，p下降沼氣發(fā)酵就會終止。而p的變化受發(fā)酵液中揮發(fā)酸濃度和堿度的影響。 發(fā)酵料掖溫度在6.5-7.8之間。,7.選取接種物,在確定系統(tǒng)運行溫度后，要選擇同類工程的活性污泥作接種物（菌種）。是否是相同的菌種，或富集菌種的多少，決定系統(tǒng)啟動速度的快慢。如不具備接種同類污泥條件，需要在馴化上下功夫，啟動的時間要長些，速度會慢

15、些。沼氣池排出的活性污泥和污水溝底正在發(fā)泡的活性污泥，都可作為選取接種物的對象。接種量約占發(fā)酵容積的1/1013，接種量越多，啟動速度越快，在此基礎(chǔ)上逐漸富集。,8.菌種的馴化富集,菌種的馴化富集可在新建成的發(fā)酵罐內(nèi)進行，也可在其他的容器內(nèi)進行。取來的活性污泥（菌種）越多越好，再加入適量的處理原料（數(shù)量小于菌種量份額。菌種和原料的混合液在裝置內(nèi)作好保溫，再逐漸升溫到35，并調(diào)節(jié)使在6.87.2范圍。每隔天加入新料液一次，數(shù)量仍為裝置內(nèi)料液的510份額，以此繼續(xù)下去。,8.菌種的馴化富集,馴化富集過程，是為厭氧發(fā)酵創(chuàng)造必要的條件，首要條件是適宜的溫度和，每次加人新料液的多少也是由馴化富集起來菌種

16、液p的高低所確定。 不同溫度的菌種可以馴化,9、沼氣發(fā)酵啟動,沼氣發(fā)酵的啟動是指從投人接種物和原料開始，經(jīng)過馴化和培養(yǎng)，使沼氣池中厭氧活性污泥的數(shù)量和活性逐步增加，直至沼氣池的運行達到設(shè)計要求的全過程。這個過程所經(jīng)歷的時間稱為啟動期。沼氣池的啟動一般需要較長時間，若能取得大量活性污泥作為接種物，在啟動開始時投人發(fā)酵罐內(nèi)，可以縮短啟動期。,9、沼氣發(fā)酵啟動,在啟動運行時，要裝備監(jiān)測手段，做法是控制好發(fā)酵料液的溫度和p在最佳范圍之內(nèi)。其啟動方式都是將接種物和首批料液投入發(fā)酵罐后，停止進料若干天，在料液處于靜態(tài)下，使接種污泥暫時聚集和生長，等大部分有機物被分解去除時，即產(chǎn)氣高峰過后，料液的在.0以上

17、，或產(chǎn)氣中甲烷含量在50以上或COD去除率達到80左右時，再進行連續(xù)投料或半連續(xù)投料運行。,9、沼氣發(fā)酵啟動,在啟動過程中，最常見的障礙是負荷過高所引起的發(fā)酵液有機酸含量上升、p降低，這會影響發(fā)酵和沼氣的產(chǎn)生。排除的方法是，首先應(yīng)停止進料，待p恢復(fù)正常水平后，再以較低負荷開始進料。當(dāng)發(fā)現(xiàn)p已經(jīng)降至5.5以下，需要添加石灰水、碳酸鈉和碳酸氫銨等堿性物質(zhì)進行中和。同時也可排出部分發(fā)酵液，再加入一些接種物，以起到稀釋、補充緩沖性物質(zhì)和增加活性污泥的作用。,10、運行管理,啟動后，厭氧消化系統(tǒng)管理的基本要求，在于通過控制各項工藝條件，使沼氣池穩(wěn)定運行。只有穩(wěn)定運行的消化器才會有高的運行效果。如進料量過

18、多或過少，溫度驟然升高或下降等；進水中混人強酸、強堿、農(nóng)藥、抗菌素等有毒物質(zhì)都會影響產(chǎn)氣量。因此，日常運行隨時注視沼氣池內(nèi)酸化與甲烷化的平衡，及早發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問題并迅速解決。,11、污泥持留量的調(diào)節(jié),沼氣池內(nèi)保持足夠的污泥量，是保證消化器運行效率的基礎(chǔ)，但經(jīng)較長時間運行后，污泥持留量過度時，不僅無助于提高厭氧消化效率，相反會因污泥沉積使有效容積縮小而降低效率，或者因易于堵塞而影響正常運行。因此，當(dāng)消化器運行一定時間階段后就應(yīng)適時、適量地排泥。啟動階段，沼氣池內(nèi)污泥量不足時，排出的污泥經(jīng)沉砂后可回流人沼氣池內(nèi)。,12、攪拌的控制,攪拌的目的主要為了增加微生物與原料的接觸，在沼氣池內(nèi)，由于進料的沖擊及所產(chǎn)沼氣的逸出形成了一些攪拌作用。因此，在厭氧消化過程中一般不需連續(xù)攪拌，但有時會在沼氣池內(nèi)產(chǎn)生結(jié)殼，則必須采取破殼技術(shù)，以獲得較高的產(chǎn)氣率。,13、維修與安全,一般每隔23年要有計劃地檢修一次，事先應(yīng)做好存放厭氧活性污泥的池子，以便檢修后及時將污泥泵回到沼氣池內(nèi)，可縮短大修后再啟動的時間。大修時應(yīng)將污水、污泥、浮渣、沉渣和底部泥沙清掃干凈，進行防腐、防滲、防