分散原料沼气集中供气运行分析*

肖莉凡，孙颖杰，孙永明，吕鹏梅，杨立贵，TONG Boitin，何捍东 †

（1. 成都德通环境工程有限公司，成都 610041；2. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640）

0 引 言

我国西南丘陵地区主要农作物为稻谷、玉米、小麦、大豆和甘蔗，养殖业以养猪和养牛为主。西南地区大量的农作物秸秆没有合适的处理路径，绝大多数以焚烧处理为主[1-2]。随着农村经济发展，西南地区家庭式分散养殖猪、牛的状况发生了很大变化，小规模和中等规模的养殖场发展很快，但这些中小养殖场没有能力处置粪污，造成了水、土和空气的污染。农作物秸秆和畜禽粪便中均含有丰富的有机物，适合用于厌氧发酵产沼气。

现有的沼气工程绝大多数原料单一，存在产气率低、稳定性差、原料利用不足等问题[3-4]。混合厌氧发酵以及优化混合原料组合成了现在沼气工程研究的主要方向[5-6]，研究主要集中于秸秆和畜禽粪便为原料进行连续混合发酵，畜禽粪便以猪粪、牛粪和鸡粪为主[7-8]。牛粪的添加改善了秸秆发酵系统厌氧微生物的生存环境，提高了系统的缓冲能力，改善了秸秆发酵过程的酸化现象[9]。混合发酵促进了微生物对秸秆中易分解有机物的利用，对系统产气有促进作用，产气高峰较单独发酵提前，累积产气量提高[10-11]。畜禽粪便的添加对秸秆发酵的产气量具有促进作用[12-13]，同时可缩短秸秆的发酵周期[14-15]。

但由于秸秆特殊的分子结构，其表面覆盖一层硅氧蜡层，纤维素多以结晶态存在[16]。纤维素结晶度较高时，微生物无法有效对纤维素进行降解，使秸秆的营养价值及瘤胃消化率降低[17]。因此，在秸秆利用前需进行预处理，以降低纤维素结晶度，提高酶对秸秆中纤维素的可及度，从而提高秸秆利用率[18]。沼液是沼气工程的主要剩余物，沼液中含有大量的微生物、水解酶及丰富的微量元素，对秸秆具有水解作用[19]。对秸秆进行生物预处理，降低了秸秆C/N比，提高了秸秆中纤维素、木质素、半纤维素的降解率[20]，使得产气速率显著增大，产气高峰出现时间提前，并促进厌氧消化累积产甲烷量[21]。沼液作为预处理剂不仅能达到预处理的效果，亦能减少沼液排放造成的环境污染，提高厌氧消化效率[22]。

根据西南地区的资源利用现状，在该地区建立了以畜禽粪便和农作物秸秆为发酵原料的沼气示范工程，为小城镇提供集中供给生活燃气，替代其使用的一次能源。本工程通过分散原料收储运、预处理、发酵制气、集中供应和发酵剩余物生态化资源利用全产业链过程关键技术的研究和集成，通过工程示范，形成城镇化分散原料集中供气产业模式。

1 工程基本情况

工程位于四川省峨眉山市符溪镇黑桥村，建有秸秆堆储场150 m3，集水池200 m3，调节池50 m3，全混式厌氧发酵罐（continuous stirred tank reactor,CSTR）600 m3，湿式气柜360 m3，站内沼渣沼液储存池500 m3，田间沼液储存池14个共3 500 m3，沼液灌溉管道2 000 m，固液分离房20 m2。

发酵原料主要为乐山正源畜牧科技有限公司生猪养殖场的畜禽粪便，并在工程周边地区购买农作物秸秆和畜禽粪便。养殖场现有存栏母猪620头，存栏育肥猪4 500头。本工程日处理5 120头存栏猪的干清粪7.9 t，浓污水8.2 t及农作物秸秆0.2 t，并用7.7 t回流沼液调节发酵总固体浓度。全年生产按照333 d计算，年产沼气29.97万m3，其中17.649万m3供给附近350户农户做燃料，发电用气3.996万m3，年发电7.992万kW·h，沼气热水锅炉用气8.325万m3，所产沼液可供附近3 000亩农田灌溉用。

2 工艺流程及技术参数

利用畜禽粪便和农作物秸秆制取沼气的全套工程设施，包括原料的储存、预处理、厌氧消化、沼气净化及输配、发酵残留物后处理以及工艺流程的监控5个部分。本工程采用CSTR工艺，采用中温发酵（35±2℃），总固体（total solid, TS）浓度为7%～8%。工程工艺流程图见图1。

图1 沼气工程流程图Fig. 1 Flow chart of the biogas project

2.1 原料收储运

沼气工程建设依托养殖场，畜粪可就地收集或者从周边农户家中购买。购买畜禽粪便成本较低，而且不需要过多的预处理。猪粪由农户自行运至指定禽畜粪便收集点，由项目公司组织运输车收运，收集形式主要以干粪为主，可节省运费，也可防止运输途中的流失。畜禽粪便收购成本约为180元/t。在本项目中，采取集约化模式收储秸秆，以沼气工程业主为主体。为了确保沼气工程的原料供应，在沼气工程所在地周围10 km内的建立秸秆收储点，与每个收储点签订秸秆收储供货合同，秸秆收购成本约为160元/t。集约化收储模式下，收储规模大，机械化程度高，收储半径大，成本低，秸秆加工和储存也比较规范。

根据西南地区丘陵坡地的地理条件，采用小型农业机械（切削粉碎式机械、小型秸秆打捆机），在田间打捆或粉碎至10～15 mm，并收集到工程专用运秸车中，再由秸秆运输车运送到沼气工程的堆储场地上。将粉碎后的秸秆压成或挤成块状，并储存在沼气工程的堆储场中。切碎后的秸秆可提高秸秆储存的密度，减小秸秆储存空间，并方便进行其他方面的处理。

2.2 原料预处理

在猪粪秸秆混合发酵之前需要对秸秆进行预处理，通过破坏秸秆的物理化学结构，将其中难被微生物所利用的纤维素、半纤维素、木质素降解成简单化合物，从而提高秸秆的产气量。以秸秆作为发酵底物形成的沼液中，可能含有丰富的特异性木质纤维素降解微生物，这些微生物在厌氧消化器中不断积累，具有分解木质素和纤维素的能力。沼液是沼气工程的主要剩余物，用沼液预处理秸秆，可降低秸秆的碳氮比，提高其纤维素、木质素的降解率，使得产气速率显著增加，产气高峰出现时间提前，并促进厌氧消化累积产甲烷量。本工程将沼液储存池中的沼液回流至秸秆预处理槽中，与秸秆混匀，并进行7 d的堆沤处理，预处理后秸秆总固体含量为40%。

畜禽粪便冲洗废水经过格栅渠中的粗格栅拦截后进入集水池，干清粪、集水池下部污水和经预处理的秸秆一起送入调配池进行调粪，然后由无堵塞潜水泵泵入CSTR厌氧发酵罐，原料在厌氧反应罐内厌氧菌的作用下厌氧发酵。

2.3 发酵制气

CSTR厌氧发酵罐采用半地上式圆柱型钢结构，有效容积600 m3，采用35±2℃中温发酵。厌氧发酵罐装满后，发酵罐进料为混匀的粪污水和秸秆。原料在厌氧反应罐内厌氧菌的作用下厌氧发酵，发酵后的沼渣、沼液流入站内沼渣沼液储存池。经过2周的启动，沼气产量比较稳定地达到900 m3/d左右。发酵罐带有机械搅拌装置，连续搅拌使发酵原料和微生物处于完全混合状态，使原料在发酵罐内均匀分布，可有效避免结壳现象。采用沼气热水锅炉供热和发电机余热对反应器进行保温，大大提高了产气率和投资利用率，保证整个系统的稳定运行。每日CSTR厌氧发酵罐温度下降0.5℃，换热效率为80%，每天保温需要热量为1 575 MJ。新进发酵原料按冬季料温计算，需加温原料24 m3/d，进料料温5℃，加温到35℃，换热效率为80%，需热量为3 780 MJ。因此，冬季每天加温和保温需要热量为5 355 MJ。120 m3/d沼气用于发电，沼气低位热值为21 MJ/m3，发电机输出热效率为42%，每日发电机余热量为1 058.4 MJ；250 m3/d沼气用于沼气锅炉加热，沼气（甲烷含量60%）热值为23.84 MJ/m3，锅炉热效率为80%，每日沼气锅炉余热量为4 786 MJ。沼气工程总共可提供热量为5 826.4 MJ，大于沼气工程热量需求。发电机余热热量和沼气锅炉余热热量能满足沼气工程正常运行热量的需求。

2.4 集中供气

设计安装脱水器2台，用于沼气脱水。对沼气中水的去除率达到80%以上，可以达到沼气输入燃气输配管网中较低水分含量的要求。未脱硫沼气中硫化氢浓度为3 730～3 490 mg/m3，采用原位脱硫、空气脱硫和活性炭脱硫三级脱硫技术，设计安装脱硫器2座，脱硫后沼气内硫化氢浓度低于 76 mg/m3，符合《农村沼气集中供气工程技术规范》（NY/T 2371-2013）和《沼气电站技术规范》（NY/T1704-2009）标准中对沼气发电和集中供气的硫化氢含量的相关要求。

发酵罐中产生的沼气经过脱水脱硫，沼气流量计计量后，储存于湿式储气柜中，一部分供给养殖场发电机和锅炉使用，一部分沼气增压后再经5座沼气中转储气站输送供往农户。项目供气户数为350户，供气管网15 800 m，输送管网均采用燃气专业的PE管，入户管道为DN20镀锌钢管，每户配卡式流量计、灶具及入户管件。基于物联网技术，在各个供气分站设置测控设备，采集各项数据并完成实时调控，同时与监控中心进行数据通信实现供气分站监控，根据沼气生产状况及实际用气需求采用分段控制运行策略，实现安全高效运行。

2.5 发酵剩余物生态化资源利用

CSTR发酵罐剩余物进入沼渣沼液暂存池进行储存，再经固液分离成沼渣和沼液。分离后沼渣添加腐殖酸、生物菌剂、氮磷钾肥等进行好氧处理生产生物有机肥，添加物分配比一般根据各地土壤和作物需求进行调整，以实现平衡配套施肥。生物有机肥作为商品出售，平均每亩农田施用有机肥约500 kg。生物有机肥可减少农业化肥及农药施用量，提高农作物产量，提高农产品品质，农产品单价能够提升10%～20%左右，项目覆盖区域农民每年可增加收入200～300元/亩。沼液通过砂滤、人工处理，由沼液输送管输送至田间沼液储存池，并通过管网灌溉树林和农田，距离较远的地方通过沼肥输送车运输到田间沼液储存池还田。沼液直接作为粮食作物、蔬菜、经济作物等的肥料，同时兼具农药作用。沼液灌溉工程采用管灌或滴灌技术，沼液施用于作物根部，为作物提供多种营养与微量元素，促进其生长发育；作为叶面喷肥，提高叶绿素含量，增强光合作用，提高产量。沼渣和沼液的资源化利用，解决了现代化农业生产污染问题，促使沼气产业进一步提升和本地生态农业的可持续发展。

3 工程运行状况

该沼气工程于2015年12月试运行，以发酵过的猪粪、秸秆和粪污水在调节池中混合发酵，测定所产沼气中CH4含量达50%以上，可达到发酵所需菌种要求。将培养后的发酵用菌种泵入CSTR厌氧发酵罐，再将在调节池中混合的粪污水和秸秆泵入厌氧发酵罐，每2 d为1个周期统计沼气含量和容积产气率，结果如图2和图3所示。由图2可以看出，启动初期产气量很少，沼气中CH4含量很低，随着运行时间的延长，CH4含量逐渐升高。在第24 d时，沼气中的甲烷含量升至58%，后趋于相对稳定的状态，甲烷含量在58.5%左右。如图3所示，混和发酵的容积产气率在工程运行初期较低，并保持相对稳定。后随着工程的不断运行，容积产气率不断升高，两周后容积产气率升至1.5 m3/(m3·d)。后随着工程的不断运行，容积产气率保持相对稳定。畜禽粪便与秸秆混合发酵沼气工程的容积产气率较单一原料发酵的沼气工程高[23]。

图2 启动后发酵罐内甲烷含量变化Fig. 2 Variations of CH4 concentration in the fermentation tank over time

图3 启动后发酵罐内容积产气率变化Fig. 3 Variations of tank volume gas production rate in the fermentation tank over time

4 商业模式及效益分析

本沼气工程采用“能源–生态”型建设模式，以沼气生产为纽带，实现“沼气、沼电、沼肥”联产。沼气用于供给符溪镇居民提供生活用能；沼电用于供给工程厂区用电和符溪镇居民生活用电；沼渣生产有机肥，对外销售；沼液通过沼液输送管储存到田间沼液储存池，并通过管网灌溉树林和农田，较远的地方通过沼肥输送车运输到田间沼液储存池还田。沼气发电机余热热量和沼气锅炉余热热量可满足沼气工程正常运行热量的需求。

本沼气工程的投资费用主要是建筑工程、设备和安装费用以及土地费用。600 m3猪粪和秸秆混合发酵沼气工程总投资409.33万元（按2016年的造价）。该工程年运行成本和经济效益见表1和表2。

表1 沼气工程的年运行成本（2016年价格）Table 1 Annual operating cost of the biogas project

表2 沼气工程产品及效益（2016年价格）Table 2 Biogas project products and benefits

本工程顺利实施后，日均产气 900 m3，其中250 m3用于沼气热水锅炉为罐体进行热能补充，维持发酵罐内温度。530 m3用于集中供气，供给350户人家使用，供户燃气价格为1.0元/m3，收益为17.65万元/年。120 m3用于沼气发电，满足了沼气站主要设备的用电需求，1 m3发电1.5 kW·h，年发电约6万kW·h，沼气发电价格为0.56元/kW·h，发电收益为 3.36万元/年。沼渣制成有机肥价格为500元/ t，年产沼渣有机肥700 t，收益35万元/年。

本工程建成后，每年可减少秸秆焚烧799.2 t，减少向天然水体排放污水29 970 m3，减少化学需氧量排放总量约421 t。每年29.97万m3沼气的回收利用，可减少当地近402 t煤炭的燃烧，避免由此所产生的污染。沼液和有机肥施加农作物后，其含有的大量有机质得以还田，可保持土地的较高有机质含量，从而维持耕地的可持续生产力。将畜禽粪便和农作物秸秆转化为清洁的可再生能源，改善农村人居环境，减少化石能源的消耗，有利于减少碳排放，缓解温室效应。

5 结 论

本工程采用就地处理养殖场畜禽粪便和购买畜禽粪便相结合的方式，由工程业主集中收集农作物秸秆作为发酵原料，将畜禽粪便和秸秆粉碎后压制成块储存，通过接种沼液预处理秸秆，对混合原料采用连续减半全混发酵工艺，实现经济、快速和高效的沼气发酵。猪粪和秸秆混合发酵可解决畜禽粪便的排放和秸秆的焚烧的问题，同时容积产气率可达到1.5 m3/(m3·d)，为混合原料共同发酵产沼气提供可借鉴的收储运、预处理、发酵制气及发酵剩余物资源化利用模式。