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1、大中型沼气工程技术与工程设计,中国农业大学 林聪 2009年5月,内容,一、沼气规模工程分类标准 二、沼气发酵基本原理 三、沼气发酵基本条件 四、发酵装置 五、沼气工程设计工艺参数的选择 六、沼气工程建设模式 七、沼气工程建设不容忽视的问题 八、沼气工程相关规范与标准,五、沼气工程设计工艺参数的选择,1. 原料的收集 充足而稳定的原料供应是沼气发酵工艺的基础，不少沼气工程因原料来源的变化被迫停止运转或报废。原料的收集方式直接影响原料的质量，影响到污水的生成量以及浓度。,2. 原料的预处理,原料中常混有各种杂物，如牛粪中的杂草，鸡粪中的鸡毛和砂砾等。为了便于用泵输及防止发酵过程中出现故障，或为了
2、减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。 预处理阶段大中型沼气工程所设计的相关构筑物必须满足发酵工艺要求，才能最终达到总体设计目标。,3. 选择发酵温度,发酵温度是影响沼气发酵的重要因素。沼气发酵菌种在860范围内都能发酵产气。 原料的分解消化速度随温度的升高而提高，也就是产气量随温度升高而提高。 厌氧发酵原料宜采用尽可能高SS浓度的畜禽粪水，尽量减少沼液产量；厌氧消化宜采用中温消化(35左右)，也可采用近中温消化(2530)。,消化器的保温设计,采取中、高温运行的大中型沼气工程，消化器内料液的温度或是35，或是54。而消化器周围环境温度却随着
3、四季更替或昼夜交换而变化，为确保消化器能在恒温条件下运行，必须以当地最寒冷时刻的气温条件，确定保温层的厚度，对消化器进行保温设计。,4.选择消化器(沼气池),规模化养殖场大中型沼气工程项目建设池型选择：沼气发酵装置是整个沼气工程的核心部件。沼气发酵装置类型很多，畜禽粪便污水多采用升流式固体反应器（USR）及塞流式消化器，固体物含量低的废水多采用上流式厌氧污泥床（UASB）厌氧消化器。,消化器的设计,消化器容积大小与沼气发酵原料的物料特性、消化液浓度和水力滞留期有关。 消化器容积V1与每日处理原料量、消化液浓度、消化液密度和水力滞留期有关，公式如下：,消化器总容积消化器中消化液容积（V1）消化器
4、的储气容积（V2），一般取V2（810）V1，即 ： VV1V2,原料、池型、温度与产气率,5.选择厌氧消化器的滞留期（HRT）,滞留期与原料特性、发酵温度、装置类型及预期目的有关。一般地选择为： 常规地下池采用畜禽粪便为原料时滞留期为 2060天； 地面高效装置采用畜禽粪便为原料时滞留期为815天； 地面高效装置采用酒精废液及高浓度有机废水为原料时滞留期为0.54天。 以生产沼气为主可选择最佳滞留期，以环境保护为主，则应适当延长滞留期。,6.沼气储存,大中型沼气工程一般采用低压湿式储气柜、干式储气柜、橡胶储气袋储存沼气。贮气容积的确定与用气情况有关。目前沼气池设计贮气量大多考虑能贮存12小时
5、所产的气，沼气用于民用时，储气柜容积按产气量的5060%计算；民用、发电或烧锅炉各一半时，按产气量的40计算；也可根据实际用气量适当配置贮气容积。,7.沼气的脱水,通常采用重力方法完成沼气的脱水，或者在输送沼气管路的最低点将管路中水蒸气排除。,8.沼气脱硫,沼气脱硫采用干式脱硫、湿式脱硫和生物脱硫。用于能源直接燃烧的沼气中H2S浓度应低于20毫克/米3，用于直接发电的沼气中H2S浓度为300毫克/米3 畜禽场的沼气中H2S浓度在0.0284. 5克/米3之间，平均为1.79克/米3 。,9、 沼气输配系统,10.沼气发电,用于发电的沼气，其组分中甲烷含量应大于60，硫化氢含量应小于0.05，供
6、气压力不低于6kPa。 以柴油机改装为全燃沼气的奥托机时，因为沼气中含CO2，在不改变原发动机容积的情况下，由于不能增加混合气的热值，所以沼气发动机热效率一般在2530范围。 发动机的热效率为35%，发电机的热效率为90%时，则每立方米沼气可发电约2度。,沼气发酵液不能直接排放，否则会导致二次污染，必须后处理加以资源化利用。沼气发酵液作为有机肥应根据当地土壤状况和种植施肥情况应用于果树、养鱼、种花和蔬菜、大田种植业。,11、沼肥的综合利用,厌氧发酵残留物的利用,沼液中含有氮、磷、钾、钙、铜、锌、铁、B族维生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物质。 沼气厌氧发酵后约95%的寄生虫和有害细菌被杀灭。 发酵
7、后的沼液无机元素络合，进行沼渣、沼液深加工，生产多元复合营养有机复合有机肥，有利于植物的优质生产和某些病虫害防治。,沼气工程建设内容,养殖场大中型沼气以“一池三建”为基本建设单元，建设沼气发酵池、原料预处理、沼气利用和沼肥利用设施。 “一池”：是指沼气发酵装置，即在厌氧条件下，利用微生物分解有机物并产生沼气的装置。 “三建”：一是建设预处理设施：包括沉淀、调节、计量、进出料、搅拌等装置；二是建设沼气利用设施，包括沼气净化、储存、输配和利用装置；三是沼肥利用设施，包括沼渣、沼液综合利用和进一步处理装置。,六、沼气工程建设模式,沼气工程发酵流程图,应用模式,根据现场条件和对发酵残留物处理利用方式和
8、要求的不同，沼气工程可以有两大类，即生态类型和环保类型。在实际工程设计中，根据现场条件、沼气利用和排放等方面的要求，可以选择模式。,1、产品方案,1) 管理实现减量化的原则 在污染防治上应强调减通过生产结构调整及开展清洁生产减少污染物产生量，降低处理难度及处理成本。 2)处理优先资源化的原则 资源化和综合利用结合，坚持以利用为主、利用与污染治理相结合的原则。 3) 结果达到无害化的原则 利用时不会对牲畜和作物的生长产生不良影响；排放的污水和粪便不会对地下水和地表水产生污染等。 4) 整个系统生态化的原则 以农养牧、养渔，以牧、渔促农，实现生态系统的良性循环。 5) 运作通过产业化的原则 畜禽粪
9、便收集、生产和销售，采用产业化和专业化运作模式，吸引社会投资。,2、沼气工程产品方案,沼气热能利用 （方式） 以产气为主 沼气发电 （ 需求和用途） 沼渣液的利用 （土地承载力） 固体有机肥 （品种、市场） 以肥料为主 鲜粪外售 （需求） 少量沼气 （利用方式） 少量沼气 （能量） 以污水达标排放为主 肥料生产 （品种、市场） 污水处理 （处理方式、排放标准）,3、三沼的应用,沼气已经开始注重集中供气系统的建设，利用增压和减压调节装置，通过输送管道将沼气配送到农户，形成了供气管网，并向农民供应沼气，解决生活燃料问题，。 发电我国自产单燃料沼气发电机技术越来越成熟，能源短缺的现实和可再生能源利用
10、技术的完善，使沼气发电已经成为沼气工程中很重要的一部分。 沼渣液沼肥是很好的有机肥料，已被广泛用作基肥和无土育苗基质，果园和蔬菜大棚有机肥灌溉施用，并作为固体有机肥进入了市场销售。,沼气发酵的基本工艺流程,规模化养猪场粪污处理模式（能源生态模式）,养鸡场沼气工程设计（能源生态模式）,规模养牛场沼气工程设计（能源生态型模式）,规模化养猪场粪污处理模式（能源环保模式）,能源环保型,规模养殖场沼气工程设计（能源环保型模式）,七、沼气工程建设不容忽视的问题,工程验收 运行管理 安全 沼渣液消纳与综合利用问题,1.沼气的密封问题,密封是一道重要工序。 施工中应注意建池的密封，不能有缝隙和沙眼，形成漏气。
11、 沼气池建成后，用纯水泥浆打底，抹1：2.5水泥沙浆找平压实，将基层清理后充分浇水湿润，接着开始做密封层。,2.试压检验,为保证安全和沼气池的正常使用，必须经过压力实验。 沼气工程建成及输气系统安装后，要参照国标 GB4751中第721和722条规定进行打压验收。,试压检验-水压法,向沼气池内注水至溢流高度，稳定后观察12小时，当水位无明显变化时，表明发酵池及进料管系统不漏水之后方可进行水压试验。 关闭池体通向气空间的所有阀门，在池顶气空间接好测压仪表或形压力计，对气空间做好全面的密封处理，此后继续向沼气池内注水；当压力达到最大设计压力时停止加水，记录好压力值，稳压观察 小时。当压力下降在31
12、0以内时，可确认沼气池抗渗性能符合要求。,试压检验-气压试验法,与前面的区别是在注水稳压观察后，向罐（池）内不是再注水，当压力达到最大设计压力时停止加水，记录好压力值，稳压观察 小时。而是注气后观察沼气池的压力降在310以内，确认抗渗性能符合要求。,3.沼气的验收,与沼气池配套的所有管道、阀门均应根据其各自的运行压力，分别用清水进行承压检验。 沼气的压力表和流量计要进行质量验收和调试，以保证其安全、可靠、灵活和准确。 运行前的试车是非常重要的工作，否则在投产后再发现上述先天性缺陷，就会给补救维修工作带来麻烦。,4.沼气的竣工,沼气池的气密性验收完成后，接着进行包括输配管路的全系统气密性和防渗漏
13、验收。单体验收和分段验收合格后，进行全系统验收，确保全系统不渗水、不漏气后，再进行沼气工程的发酵启动运行工作。 隐蔽工程记录,5.温度变化对厌氧发酵效率的影响,在同一温度类型条件下，温度发生波动会给发酵带来一定影响。在35中温发酵时，于小时内温度上下波动不宜超过。短时间内温度升降，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。例如一个在35下正常运行的沼气池，若温度突然下降到20，产气几乎停止。然而，温度波动不会使厌氧消化系统受到不可逆转的破坏，即温度瞬时波动对发酵的不利影响只是暂时性的，温度一经恢复正常，发酵的效率也随之恢复。,5.温度变化对厌氧发酵效率的影响,如温度波动时间较长时，效率
14、的恢复所需时间也相应延长。如果将35运行温度降至10，并保持15分钟，然后恢复至35，沼气产率就迅速回升；如果保持2小时，则产气率恢复至原有水平所需的时间也较长。 常温发酵的沼气池发酵温度随气温而便，产气率较低。,6.p与减度变化对厌氧发酵效率,沼气发酵是在p中性条件下的厌氧发酵，p下降沼气发酵就会终止。而p的变化受发酵液中挥发酸浓度和碱度的影响。 发酵料掖温度在6.5-7.8之间。,7.选取接种物,在确定系统运行温度后，要选择同类工程的活性污泥作接种物（菌种）。是否是相同的菌种，或富集菌种的多少，决定系统启动速度的快慢。如不具备接种同类污泥条件，需要在驯化上下功夫，启动的时间要长些，速度会慢
15、些。沼气池排出的活性污泥和污水沟底正在发泡的活性污泥，都可作为选取接种物的对象。接种量约占发酵容积的1/1013，接种量越多，启动速度越快，在此基础上逐渐富集。,8.菌种的驯化富集,菌种的驯化富集可在新建成的发酵罐内进行，也可在其他的容器内进行。取来的活性污泥（菌种）越多越好，再加入适量的处理原料（数量小于菌种量份额。菌种和原料的混合液在装置内作好保温，再逐渐升温到35，并调节使在6.87.2范围。每隔天加入新料液一次，数量仍为装置内料液的510份额，以此继续下去。,8.菌种的驯化富集,驯化富集过程，是为厌氧发酵创造必要的条件，首要条件是适宜的温度和，每次加人新料液的多少也是由驯化富集起来菌种液p的高低所确定。 不同温度的菌种可以驯化,9、沼气发酵启动,沼气发酵的启动是指从投人接种物和原料开始，经过驯化和培养，使沼气池中厌氧活性污泥的数量和活性逐步增加，直至沼气池的运行达到设计要求的全过程。这个过程所经历的时间称为启动期。沼气池的启动一般需要较长时间，若能取得大量活性污泥作为接种物，在启动开始时投人发酵罐内，可以缩短启动期。,9、沼气发酵启动,在启动运行时，要装备监测手段，做法是控制好发酵料液的温度和p在最佳范围之内。其启动方式都是将接种物和首批料液投入发酵罐后，停止进料若干天，在料液处于静态下，使接种污泥暂时聚集和生长，等大部分有机物被分解去除时，
