我国每年有6亿余吨畜禽粪便及大量有机废弃物成为水体污染源，畜禽养殖废弃物的任意排放对环境造成了较严重污染。通过沼气工程建设，可极大促进沼气工程产业化发展，可有效消除畜禽粪便污染，保护生态环境；同时生物质能属于可再生能源，基本上可以实现CO₂零排放。大中型沼气工程的产品为沼气、沼渣和沼液。沼气可做天然气的替代品或直接发电；沼渣可干燥后造粒，制成有机肥施用；沼液经养分调节后可做叶面肥。位于河北省平山县的某奶牛养殖场于2009年11月份建成大型沼气工程，并成功产气发电。

　　1　建设规模

　　养殖场现存栏良种奶牛600余头，二期计划扩大到1000头，为本工程提供了充足的发酵原料。一头成年奶牛日排粪量为25kg，排尿量为30kg。每吨鲜牛粪可产沼气20～35 m³。根据养殖场管理状况，产沼气原料采用干清粪。设计规模：CSTR厌氧反应器1000m3，年处理干清粪1.09万t，年生产沼渣约0.15万t，沼液约1.75万t，沼气29.2万m³。

　　2　工艺及工程设计

　　2.1　工艺流程选择

　　由于本工程主要原料为养牛场干清粪，牛粪中含有大量纤维物质及杂草，因此排除USR、PFR等工艺，首选完全混合式的CSTR反应器。CSTR反应器是在常规反应器内安装搅拌装置，使发酵料和微生物处于完全混合状态，与常规反应器相比其活性区域遍布整个反应器，其效率比常规反应器有明显提高。该反应器采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。工程采用产气、贮气一体化，节省投资和占地。

　　设配套的有机肥料厂，产生的沼渣、沼液加工成商业有机肥出售。沼气用于发电，实现热电联共，余热用于冬季厌氧罐增温，夏季余热用于沼渣干化，生产有机肥。

　　2.2　工艺流程图

　　2.3　主要构筑物和工艺参数

　　进料斗：设置一座进料斗，用于将粪便倒入泡粪池中，主要作用是保持预处理区清洁。总容积为4m3，钢筋混凝土结构。

　　泡粪池：用于将收集的干清牛粪和场区污水混合将浓度调至8%左右，同时去除粪污里面含有的部分砂子，同时可以将牛粪中的长草通过泡粪漂浮上来，人工去除较长的杂草，防止对后续工艺设备造成堵塞。总容积为30m³，地下式，钢筋混凝土结构。入口处设置粗格栅，栅条间距为25mm。

　　调节池：养殖场的干清粪经过泡粪池预处理去除部分砂子后，溢流调节池。调节池的主要作用是为厌氧发酵提供适宜的条件。总容积为30 m³，钢筋混凝土结构。

　　CSTR一体化反应器：用于发酵粪污，产生沼气，采用地上式利蒲罐结构。考虑冬季保温问题，罐体设置外部保温层，同时罐体内部设置加热盘管，平时利用发电机余热对罐体进行增温，冬季发电机余热不够时利用锅炉的热量补充热量不足部分。由于牛粪中含有较多草类纤维，容易在发酵罐的液面形成较厚的浮渣层，因此发酵罐采用液面出料，同时设脉冲搅拌，搅拌用于打破浮渣层，液面出料通过液面溢流方式出料，可以通过出料口带走浮渣，保证反应器的正常运行。总容积：1000m³，产气量：800m³/天，反应器有效容积产气率：0.8～1.0m³/（m³?d），进料浓度：6～10%（TS），发酵温度：35±2℃，停留时间：20天。

　　双膜气柜：用于贮存从厌氧反应器出来的沼气，采用德国进口膜材，与CSTR反应罐合建，建于CSTR反应罐顶部，总容积为300 m³。

　　沼液贮池：用于贮存从厌氧反应器出来的沼液。总容积为1000m3，钢筋混凝土结构。

　　沉渣池：用于贮存从厌氧反应器排出的沼渣，同时起到一定的浓缩沉淀作用，浓缩后的沼渣通过泵泵入有机肥车间进行后续处理。总容积为21 m³，钢筋混凝土结构。

　　沼气净化系统：包括脱硫装置、水封罐、气水分离器、阻火器和沼气风机。

　　沼气发电机：采用全烧式沼气发电机，额定功率120kW。

　　3　启动调试

　　3.1　设备检测

　　工程竣工后，对沼气发酵装置和系统进行水密性和气密性的耐压试漏检查，先进行单机试车，单机检测合格后再进行联动试车，联动试车合格后进行工程调试。

　　3.2　准备菌种

　　菌种采用户用沼气池中的沼液，共300m3。在调节池中放入一定量的沼液，再加入经稀释的料液，搅拌均匀后，由进料系统打入厌氧反应器，直到菌种全部打入厌氧反应器。

　　3.3　工程启动

　　工程启动主要为厌氧反应器的启动，物料采用干清粪浸泡稀释，并加温到高出系统运行温度3～5℃。开始时，物料浓度不可过高，控制在6%以下，物料与菌种按2：1的比例混合均匀，每次进料量为CSTR反应器内料液的5%～10%，同时加大循环量。每隔一天进料一次，直至CSTR反应器内料液向外溢流。当发酵装置内液料的pH在7.0以上或产气中甲烷含量在50%以上时，可以加入新的物料。启动初始，厌氧反应器的负荷由0.5～1.5kgCOD/(m³?d)开始。第二阶段厌氧反应器的负荷可上升至2.5kgCOD/(m³?d)。第三阶段厌氧反应器的负荷可超过5kgCOD/(m³?d) 。

　　调试进行2个月后，系统可正常进料，沼气产气量稳定。工程启动成功。

　　3.4　发电机调试

　　产沼气量达到正常产气量的30%以上时，检验沼气的纯度，当甲烷含量大于60%，H₂S含量小于0.05%时即可进行发电机组调试。

　　4　工程经济分析

　　4.1　工程投资

　　工程总投资为256万元，其中中央投资80万元，企业自筹176万元。土建工程15万元；设备及其他费用241万元。

　　4.2　处理成本

　　处理成本包括电费、人工费和折旧费。电费为0.03元/ m³沼气，人工费为0.08元/ m³沼气，折旧费为0.11元/ m³沼气，合计运行总费用为0.22元/ m³沼气。年总运行费用为6.42万元

　　4.3 经济收益

　　本沼气工程项目建成后年发电量可达43.8万度（平均每立方沼气发电量按1.5度计算），电价按每度0.5元/度计算，每年电力收入为21.9万元。由于沼渣、沼液为非成品有机肥，所以，计算其收益时，按有机肥原料收益计算。固态有机肥原料年产量为0.15万t，销售价格按200元/t计算，年收益为30.0万元。液态有机肥原料年产量为1.75万t，销售价格按30元/t计算，年收益为52.5万元。液态、固态有机肥和发电年总收入为104.4万元。

　　5　结论与建议

　　1）CSTR反应器采用地上式利蒲罐结构，简化了施工过程，节省材料，缩短了施工周期，并且提高了反应器的密封性。

　　2）CSTR反应器中采用脉冲搅拌，和常规的机械搅拌相比，具有安装更方便、搅拌更均匀、需要动力小和不易损坏等优点。

3）CSTR反应器和双膜气柜合建为一体化设备，双膜气柜直接装于CSTR反应器罐顶，节省工程占地，降低工程造价，并且使贮气柜在寒冷季节和寒冷地区也能正常运行。

4）工程建成于冬季，温度较低，对工程的启动调试带来了一定的困难，工程立项时，应考虑季节问题。

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