沼氣工程（利用秸稈等農作物和家禽糞便）

處理畜禽糞污的沼氣工程——以厭氧消化為核心技術(shù)，集糞便處理、沼氣生產(chǎn)、沼氣和沼肥資源化利用為一體的系統工程。

沼氣工程的作用——⑴解決重點(diǎn)區域畜禽糞污對周?chē)�環(huán)境的污染問(wèn)題，改善項目實(shí)施區農業(yè)生產(chǎn)和人民生活環(huán)境質(zhì)量。⑵替代化石能源，降低溫室氣體排放；對提高國家能源供應安全性有積極作用。⑶帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展：沼氣工程專(zhuān)業(yè)制造，沼肥加工與銷(xiāo)售，社會(huì )化服務(wù)體系等。

沼氣工程建設內容（一池三建）——“一池”：沼氣發(fā)酵池（也稱(chēng)厭氧消化器），即在厭氧條件下，利用厭氧微生物分解有機物并生產(chǎn)沼氣的裝置。“三建”：①預處理系統，包括格柵、沉砂、調節水質(zhì)和水量、計量、進(jìn)料等設施；②沼氣利用系統，包括沼氣凈化、儲存、輸配和利用（發(fā)電、民用、燒鍋爐）等設施；③沼肥利用系統，包括沼渣、沼液的中轉、調蓄、綜合利用或進(jìn)一步處理的設施。

產(chǎn)業(yè)鏈與循環(huán)經(jīng)濟——

Ⅰ基礎知識

1.1 沼氣發(fā)酵的生物作用——沼氣發(fā)酵微生物是人工制取沼氣的最重要因素，有了大量的沼氣微生物，并使各種類(lèi)群的微生物獲得基本的生長(cháng)條件，沼氣發(fā)酵原料才能在微生物的作用下轉化為沼氣。沼氣發(fā)酵過(guò)程中主要有五大菌群（發(fā)酵性細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌）參與活動(dòng)。

1.2 沼氣發(fā)酵的條件——沼氣發(fā)酵就是培養和積累厭氧消化細菌，使細菌具有良好的生活條件；只有首先做到了這一點(diǎn)，才有可能獲得較好的沼氣產(chǎn)量或污水處理效率。微生物的生命活動(dòng)要求的主要條件包括發(fā)酵原料、厭氧活性污泥、消化器負荷、發(fā)酵溫度、pH值、碳氮比、有害物質(zhì)的控制及均質(zhì)等。

(1) 發(fā)酵原料的種類(lèi)及其碳、氮配比：發(fā)酵原料既是產(chǎn)生沼氣的底物，又是沼氣發(fā)酵細菌賴(lài)以生存的養料來(lái)源，人畜糞便、污水、好氧剩余污泥、工業(yè)有機廢水（制藥廢水、釀酒廢水、淀粉廢水、有機垃圾、作物秸稈）。發(fā)酵原料的C:N比是指原料中有機碳素與氮素含量的比例關(guān)系，因為微生物生長(cháng)對碳和氮有一定要求，其利用速度是20-30倍的關(guān)系，或者BOD5 :N:P= 200:5:1= 200:5:1為宜。

(2)足夠的接種物：厭氧活性污泥使厭氧消化菌與懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)結合在一起形成的具有很強分解有機物能力的凝絮體，顆粒體或附著(zhù)膜。接種量一般為發(fā)酵液10%￣50%；當采用老沼氣池發(fā)酵液體作為接種物時(shí)，接種量應占總發(fā)酵液的30%以上。

(3)嚴格的厭氧環(huán)境：沼氣微生物的核心菌群---產(chǎn)甲烷菌是一種厭氧性細菌，對氧特別敏感，生長(cháng)、發(fā)育、繁殖、代謝等生命活動(dòng)過(guò)程都不需要空氣。空氣中的氧會(huì )使其生命活動(dòng)受到抑制，甚至死亡。因此正常沼氣發(fā)酵，其發(fā)酵液的氧化還原電位越低越好（不產(chǎn)甲烷階段+100～-100mV,產(chǎn)甲烷階段-150～400mV ，發(fā)酵環(huán)境處于無(wú)氧狀態(tài)。

(4)適宜的發(fā)酵溫度：高溫發(fā)酵：50-65 ℃，最適溫度為55±2°C；中溫發(fā)酵：20-45℃，最適溫度為35±2°C；偏低溫發(fā)酵：10-20℃；常溫發(fā)酵：隨自然溫度而變化的發(fā)酵。

(5) pH值與堿度：厭氧消化最適宜的pH值為6.8～7.4 ，當pH值6.4以下或7.6以上，都會(huì )對厭氧微生物產(chǎn)生不同程度的抑制作用，導致產(chǎn)氣減少或中止。堿度：指消化液中含有能與強酸相作用的所有物質(zhì)的含量。主要以重碳酸鹽，碳酸鹽，氫氧化物三種形式存在。這些物質(zhì)可與揮發(fā)酸發(fā)生反應，使pH值不會(huì )有太大變動(dòng)。

(6) 毒性化合物：一般情況下，農作物秸稈中不會(huì )含有大量有毒物質(zhì)，但畜禽養殖場(chǎng)和工廠(chǎng)中的有機廢水中常含有消毒和防疫的藥物或者重金屬等物質(zhì)，這些有毒物質(zhì)會(huì )抑制厭氧微生物的生長(cháng)、代謝及繁殖等。例如，有些有機氯毒性很強，常引起產(chǎn)甲烷菌的中毒而使發(fā)酵失敗。

1.3 主要調控指標

（1）固體物：總固體(TS)是懸浮固體(SS)和溶解固體(DS)的總和，以單位體積水樣在103-105℃蒸發(fā)干后殘留物的重量表示。

（2）化學(xué)需氧量COD)：是指水樣中能被化學(xué)氧化劑氧化的物質(zhì)，在規定條件下進(jìn)行化學(xué)氧化過(guò)程中所消耗的氧的數量，以每升水樣中消耗氧的毫克數表示。常用的化學(xué)氧化劑有重鉻酸鉀和高錳酸鉀。

（3）生化需氧量BOD5：指水樣中微生物分解有機物過(guò)程中所消耗的水中溶解氧的量，以每升水樣消耗溶解氧的毫克數表示。一般都以20℃條件下，培養5天所消耗的氧來(lái)表示，記為BOD5。

（4）揮發(fā)性有機酸(VFA)：是厭氧消化過(guò)程中重要的中間產(chǎn)物，甲烷菌主要利用VFA生成甲烷，只有少部分甲烷由CO2和H2生成，但CO2和H2的生成也經(jīng)過(guò)高分子有機物形成VFA。VFA在厭氧反應器中的積累能反映出甲烷菌的不活躍狀態(tài)或反應器操作條件的惡化，較高的VFA(如乙酸) 對甲烷菌有抑制作用，因此反應器運行中，出水VFA是重要的監控制指標。

（5）pH值：是氫離子活度的負對數，pH=-log[H+]

（6）堿度：表示水樣中能與強酸中的氫離子結合的物質(zhì)的含量。包括：強堿、弱堿、弱酸陰離子等。

（7）水力停留時(shí)間HRT：指進(jìn)入反應器的廢水在反應器內的平均停留時(shí)間，HRT=V/Q。

（8）污泥停留時(shí)間SRT：也稱(chēng)為泥齡，SRT=反應器內污泥總量/排出反應器的污泥量。

（9）微生物停留時(shí)間MRT：指從微生物細胞的生成到被置換出消化器的平均時(shí)間。應采取可能的措施，盡可能達到：MRT> SRT > HRT；

（10）原料產(chǎn)氣率：指單位原料在一定條件下的產(chǎn)氣量。原料產(chǎn)氣率是衡量原料分解好壞的一個(gè)重要指標。農村沼氣原料產(chǎn)氣率的單位通常用“m3/kg（TS）”，原料產(chǎn)氣率有理論值、實(shí)驗值和生產(chǎn)運行值三類(lèi)。

（11）反應器的有機負荷：分為容積負荷Nv和污泥負荷Ns。容積負荷Nv：?jiǎn)挝环磻�器，在單位時(shí)間內要保證一定的處理效果所能承受的廢水中有機物的量，其單位為kgCOD/m3.d或KgBOD5/m3.d，則計算公式：Nv=QS/ V，式中：進(jìn)料濃度 S (kgCOD/m3或kgBOD5/m3)，

流量 Q(m3/d)，反應器有效容積 V(m3)。污泥負荷Ns：反應器的單位重量污泥，在單位時(shí)間內要保證一定的處理效果所能承受的廢水中有機物的量，其單位為kgCOD/(kg MLSS.d)或KgBOD5/(kgMLSS.d)，則計算公式：Ns =QS/ (Vρs)，反應器污泥濃度ρs(kgMLSS/m3或kgMLVSS/m3)。

（12）容積產(chǎn)氣率：指在一定條件下，厭氧消化器單位容積的產(chǎn)氣量，單位：m3/m3.d。容積產(chǎn)氣率是評價(jià)厭氧消化器反應效率的一個(gè)重要指標。它與發(fā)酵原料入池量、原料種類(lèi)、厭氧消化器規模、消化時(shí)間、溫度等有關(guān)。

Ⅱ厭氧消化工藝

⒈生態(tài)型——糞便及其污水合流入沼氣發(fā)酵系統；要求種、養科學(xué)規劃、合理匹配建設；沼液首選還田利用。通用工藝流程——

⑴常用的厭氧反應器：隧道式水壓沼氣池，或農村戶(hù)用池的放大或組合；完全混合式厭氧反應器(CSTR)，厭氧接觸工藝（AC）,生流式厭氧固體反應器(USR), 厭氧塞流式反應器（HCPF)等。⑵應用條件：①遠離城市，土地寬廣，有足夠農田消納糞污或沼液的地區，特別適應種植常年需施肥的農作物，如蔬菜、經(jīng)濟類(lèi)作物等。②要求養殖場(chǎng)規模不大，沖洗水量少，萬(wàn)頭豬場(chǎng)排放的糞污總量控制在40t/d以下。

2.熱、電、肥聯(lián)產(chǎn)型——熱、電、肥聯(lián)產(chǎn)，達到能量高效轉化、資源循環(huán)利用，提高沼氣工程常年運行的穩定性和財務(wù)生存能力。⑴工藝

⑵技術(shù)參數：•進(jìn)料濃度: TS 6%-12%；•發(fā)酵溫度：中溫或高溫；•裝置容積產(chǎn)氣率：中溫≥0.8m3/m3.d，高溫≥2.0m3/m3.d；•有機物去除率：60%-80%；•發(fā)電余熱利用；⑶優(yōu)缺點(diǎn)：該模式是最為經(jīng)濟、有效的處置方法。污染物基本達到零排放，最大限度實(shí)現資源多層次利用。在自然條件允許的狀況下，應該是首選方案。發(fā)電余熱完全可以滿(mǎn)足厭氧消化器的增溫保溫，不需要外加能源，保證沼氣工程常年穩定運行。充分利用沼氣的共生產(chǎn)品(熱、電、肥), 增加收入，實(shí)現沼氣工程的循環(huán)經(jīng)濟。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要有大量土地。處理萬(wàn)頭豬場(chǎng)的沼液至少需要1000畝土地消納，應用受到限制;雨季以及非用肥季節還須考慮沼液的其它出路；系統比較復雜，運行管理要求較高。⑷應用條件：遠離城市，土地寬廣，有足夠農田消納糞污或沼液的地區，特別適應種植常年需施肥的農作物，如蔬菜、經(jīng)濟類(lèi)作物等。適合養殖場(chǎng)規模大或工業(yè)沼氣，產(chǎn)氣量多，發(fā)電上網(wǎng)的項目。

3.能源環(huán)保型工藝路線(xiàn)——清、濁分流治理，降低運行成本，尋求低成本的達標處理技術(shù)（濕地、氧化塘、SBR等）；⑴糞便及濃污水：鮮糞:糞水＝1：0.5～1→高濃度(TS 8-12% )中、高溫厭氧消化→高濃度沼肥還田；⑵沖洗水：沖洗糞水(TS1-3% ) →過(guò)篩糞水(TS ≤1% ) →常溫（UBF/UASB）→深度處理（自然/強制性好氧）

Ⅲ厭氧消化器類(lèi)型

厭氧消化器（俗稱(chēng)沼氣池）是沼氣生產(chǎn)的核心裝備。微生物的繁殖、有機物的分解轉化、沼氣的生成都是在厭氧消化器里進(jìn)行。因此消化器的結構與內部設施的配置是沼氣工程設計與建造的重點(diǎn)。

☞提倡用簡(jiǎn)單的技術(shù)解決復雜的問(wèn)題；

☞盡可能的降低工程投資和運行成本（通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新、技術(shù)改造、應用新裝備等）；

☞綜合利用模式是最為經(jīng)濟、有效的工程模式(熱電肥聯(lián)產(chǎn), 太陽(yáng)能利用，沼液還田處理等），應大力推廣。