江蘇省沼氣工程調(diào)研及工藝分析

吳佳軍 ， 張少鵬 ， 韓瑞萍， 周 俊 ， 王昌松

(1.南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210009； 2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院， 南京 211816； 3.南京工業(yè)大學(xué) 生物能源研究所， 南京 211816)

江蘇省沼氣工程調(diào)研及工藝分析

吳佳軍1， 張少鵬1， 韓瑞萍1， 周 俊2,3， 王昌松1

(1.南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210009； 2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院， 南京 211816； 3.南京工業(yè)大學(xué) 生物能源研究所， 南京 211816)

文章對江蘇省32家沼氣工程進(jìn)行了實(shí)地考察。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，江蘇省沼氣工程主要以畜禽糞便為原料；發(fā)酵溫度主要為常溫發(fā)酵；發(fā)酵裝置工藝主要以完全混合式厭氧反應(yīng)器(CSTR)為主；常采用機(jī)械攪拌；受到工程規(guī)模的影響，沼氣利用方式存在差異，中小型的燃燒，大型的發(fā)電；對于沼液、沼渣處理，大多直接還田或用于附近的林園。江蘇省的養(yǎng)殖業(yè)形式和規(guī)模決定了沼氣工程在很長一段時(shí)間以中小型為主，不適合直接引入國外先進(jìn)的面向大型沼氣工程的工藝，必須開發(fā)適合江蘇省特色的中小規(guī)模的沼氣工程工藝，將目前普遍采用的常溫發(fā)酵改為中溫發(fā)酵是可行的突破口之一。

沼氣工程； 工藝； 調(diào)研； 江蘇

沼氣技術(shù)可以將低劣生物質(zhì)通過厭氧消化過程產(chǎn)生沼氣和有機(jī)肥，是廢棄生物質(zhì)資源化利用的最優(yōu)方式，它關(guān)系到我國能源結(jié)構(gòu)的改善、保護(hù)環(huán)境和資源的循環(huán)利用，是我國未來可持續(xù)發(fā)展的重要的綜合性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1]。

我國低劣生物質(zhì)(秸稈、糞便、垃圾)世界排放第一[2]，而江蘇省是種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)大省，種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)在給江蘇省帶來巨大收益的同時(shí)污染也日益嚴(yán)重。種植業(yè)污染以秸稈為主，據(jù)統(tǒng)計(jì)，江蘇全年秸稈產(chǎn)量約3876萬t[3]。畜禽業(yè)污染以畜禽糞便為主，據(jù)估算，江蘇全省畜禽糞便總量年產(chǎn)量可達(dá)4600多萬t，畜禽尿液總量年產(chǎn)量達(dá)2700多萬t，糞尿總量年產(chǎn)量7300多萬t[4]。如果不對這些污染物加以處理而任意排放，將會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，隨之也會(huì)給地區(qū)經(jīng)濟(jì)帶來不可估量的損失。

生物質(zhì)廢棄物厭氧消化生產(chǎn)沼氣是處理農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢棄物的一種有效手段，2011年江蘇省將生物質(zhì)能納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[13-14]，自此沼氣產(chǎn)業(yè)得到長足發(fā)展。江蘇省政府按照環(huán)境保護(hù)部《“十二五”主要污染物總量減排核算細(xì)則》的要求，每年建設(shè)完善1000家左右的規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖治污工程[5]，到2015年，全省規(guī)模化養(yǎng)殖場(小區(qū))全部建設(shè)治污設(shè)施并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行。由于多種條件的局限，雖然治污的目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，但是江蘇省沼氣工程依然處于較低的層次。工藝水平低，“三沼”利用率低，運(yùn)行困難等都是江蘇省沼氣工程面臨的問題。為了扭轉(zhuǎn)這一形勢，使沼氣工程在減少污染的同時(shí)，可以更好的使資源得到循化利用，筆者展開了此次江蘇省沼氣工程的抽樣調(diào)研。

1 調(diào)研方法

筆者調(diào)研采用了典型抽樣[6]的方法于2015年11～12月，對江蘇省的32家沼氣工程進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)查人員采取與沼氣工程業(yè)主或者管理人員面對面交談并填寫調(diào)查問卷的方式來了解江蘇省32家沼氣工程的運(yùn)行情況。調(diào)查的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2 調(diào)查結(jié)果與分析

2.1 沼氣工程總體情況

此次調(diào)研選取了江蘇省南京市9處沼氣工程，鹽城市8處沼氣工程，南通市7處沼氣工程，鎮(zhèn)江市5處沼氣工程，常州市2處沼氣工程，蘇州張家港1處沼氣工程，總共32家沼氣工程。其中大型沼氣工程12處，中型沼氣工程15處，小型沼氣工程5處，調(diào)研基本情況見表1。

表1 江蘇省沼氣工程抽樣調(diào)查基本情況

圖1 江蘇省沼氣工程運(yùn)行流程圖

如圖1所示是調(diào)研的江蘇省32家沼氣工程的總體運(yùn)行流程圖。從圖中可以看出，多種低劣生物質(zhì)原料經(jīng)配料池后進(jìn)入不同的發(fā)酵裝置中，經(jīng)過常溫發(fā)酵后產(chǎn)生沼氣、沼液和沼渣，其中數(shù)字為表1中相應(yīng)沼氣工程的編號。下面將從工程的工藝情況，發(fā)酵原料和“三沼”的利用情況來具體分析江蘇省沼氣工程。

2.2 工程工藝情況

2.2.1 發(fā)酵裝置工藝類型

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，江蘇省沼氣工程發(fā)酵裝置類型主要采用的是完全混合式厭氧消化反應(yīng)器(CSTR),約占調(diào)研沼氣工程數(shù)量的81.2%；但對于規(guī)模小于300 m3的小型沼氣工程，常采用地下發(fā)酵池水壓式沼氣池的裝置進(jìn)行發(fā)酵；而對于一些存欄量超萬頭的大型養(yǎng)殖場，則采用蓋瀉湖和CSTR混合的二次發(fā)酵模式。表2為對江蘇省常見的3種沼氣工程發(fā)酵裝置類型的運(yùn)行情況對比。

表2 沼氣工程發(fā)酵裝置類型對比

2.2.2 發(fā)酵溫度

現(xiàn)有的沼氣發(fā)酵工程根據(jù)發(fā)酵溫度的不同分為是常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵，江蘇省主要采用常溫發(fā)酵，占此次調(diào)研沼氣工程的93%。以下是對江蘇省幾家運(yùn)行較好的沼氣工程的介紹。

江蘇南京市友聯(lián)村秸稈沼氣集中供氣工程采用常溫發(fā)酵工藝，發(fā)酵裝置采用CSTR工藝，以秸稈和新鮮牛糞作為發(fā)酵原料。年處理農(nóng)作物秸稈720 t，年產(chǎn)沼氣21.9萬m3，沼氣經(jīng)過脫硫等處理后輸送至附近農(nóng)戶作為燃料使用，每年只有10個(gè)月的供氣時(shí)間，1月和2月會(huì)因?yàn)樘鞖庠?，停止供氣；沼液、沼渣作為有機(jī)肥，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)沼肥360 t，沼肥主要用于附近農(nóng)田的灌溉。

調(diào)研中江蘇運(yùn)行最好的中溫發(fā)酵沼氣工程就是中糧肉食(江蘇)金東臺(tái)農(nóng)場，該項(xiàng)目是目前全國最大豬糞中溫發(fā)酵沼氣發(fā)電工程(發(fā)酵罐4座，總?cè)莘e4×5000 m3)，采用熱電聯(lián)產(chǎn)工藝，有中央控制室，有熱量綜合利用系統(tǒng)，發(fā)電余熱加溫發(fā)酵物料。沼氣工程運(yùn)行每天大約可處理污糞1200 t·d-1，，沼氣工程的容積產(chǎn)氣率可達(dá)1.0～1.3 m3·m-3d-1，以國家補(bǔ)貼0.65元每度電計(jì)，每年發(fā)電收入約為800 萬元，同時(shí)沼渣沼液用于鹽土改良、高效農(nóng)業(yè)和樹木灌溉。

江蘇鎮(zhèn)江長興酒精廠采用高溫發(fā)酵工藝，以木薯為原料，經(jīng)過蒸煮發(fā)酵后，所產(chǎn)生的污水COD達(dá)到30000 mg·L-1，溫度在60℃～70℃，進(jìn)入發(fā)酵罐進(jìn)行高溫發(fā)酵，污水處理量達(dá)到3000～3600 t·d-1，容積產(chǎn)氣率達(dá)到2～3 m3·m-3d-1，發(fā)酵后沼液經(jīng)過涼水塔冷卻到40℃左右，進(jìn)入中溫厭氧發(fā)酵罐發(fā)酵，然后沼液經(jīng)過固液分離后，固體作為飼料添加劑外銷，液體進(jìn)入曝氣池，經(jīng)過好氧處理后，污水中COD下降到500 mg·L-1以下，排入市政工程管網(wǎng)。過程中產(chǎn)生的沼氣，進(jìn)入鍋爐燃燒，產(chǎn)生的蒸汽用于酒精工業(yè)生產(chǎn)。表3為各發(fā)酵溫度的優(yōu)缺點(diǎn)對比。

表3 沼氣工程發(fā)酵溫度的優(yōu)缺點(diǎn)比較

維持沼氣發(fā)酵裝置中適宜的溫度主要有兩種手段，一是向發(fā)酵裝置物料中補(bǔ)充熱量，二是對發(fā)酵裝置的保溫措施。江蘇省部分沼氣工程采用內(nèi)部盤管加熱的方式對發(fā)酵原料進(jìn)行加熱，但由于效果欠佳，使用率很低，所以普遍還是采用常溫發(fā)酵的形式。對于不同的發(fā)酵方式保溫措施和效果也不同。CSTR發(fā)酵罐使用聚苯乙烯保溫材料進(jìn)行保溫，保溫效果較好。地下發(fā)酵池和蓋泄湖是利用土壤的保溫，保溫措施效果一般。

2.2.3 攪拌方式

在沼氣工程發(fā)酵裝置進(jìn)行混合攪拌可以提高發(fā)酵裝置內(nèi)物料的傳質(zhì)、傳熱效率，促進(jìn)發(fā)酵原料和微生物接觸，維持發(fā)酵裝置內(nèi)物料和溫度均勻，提高沼氣的產(chǎn)生速率。沼氣工程中主要運(yùn)用機(jī)械攪拌、氣體攪拌、水力攪拌等3種攪拌方式。不同的攪拌方式的混合效果不同，且不同攪拌方式也有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。本次調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然部分沼氣工程由于能耗等原因并不采用攪拌，但相對于其它兩種攪拌方式而言江蘇省沼氣工程運(yùn)用的攪拌方式主要還是機(jī)械攪拌，約占此次調(diào)研采用攪拌沼氣工程數(shù)量的72%，使用水力攪拌和氣體攪拌的沼氣工程占少數(shù)。調(diào)研的32家沼氣工程中，南京市友聯(lián)村沼氣集中供氣站運(yùn)用水力攪拌的方式，但是由于發(fā)酵罐外的水力泵被腐蝕而無法使用。鎮(zhèn)江市康樂農(nóng)牧有限公司采用沼氣回流的氣體攪拌，這樣一方面可以促進(jìn)發(fā)酵罐中原料混合均勻，另一方面可以為發(fā)酵罐提供熱量。

表4 沼氣工程攪拌方式對比

2.3 發(fā)酵原料

江蘇省沼氣工程主要是以畜禽養(yǎng)殖場為依托，發(fā)酵的原料以畜禽糞便為主，豬糞，牛糞和雞糞等在調(diào)研中較為常見，占調(diào)研沼氣工程的85%；而秸稈由于收集困難，難于將其粉碎和一些發(fā)酵技術(shù)上的問題，盡管農(nóng)委有明確專項(xiàng)用于支持秸稈沼氣工程，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)江蘇省現(xiàn)有的沼氣工程中以秸稈為原料發(fā)酵在32家沼氣工程中僅僅只有2家，如常州市汀湘村秸稈沼氣集中供氣工程和南京友聯(lián)村沼氣集中供氣工程的原料都是以牛糞和秸稈的混合物料。

餐廚垃圾由于分類難度大，預(yù)處理技術(shù)不成熟，氣味重等問題，江蘇地區(qū)很少出現(xiàn)這類大規(guī)模的處理工程，且屬于市政工程。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)1家以餐廚垃圾為原料的沼氣工程，但是并未運(yùn)行，此處也并未列出。

對于以處理污水為目的，以污水為原料的沼氣工程也占少數(shù)。此類工程原料一般是工廠的加工生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的廢水或者是屠宰場產(chǎn)生的廢水，如鎮(zhèn)江長興酒精廠和鎮(zhèn)江丹徒益康屠宰加工有限公司。

2.4 “三沼”的利用情況

2.4.1 沼氣的利用

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)江蘇省沼氣工程產(chǎn)生的沼氣用途大致可以分為4種情況：1)沼氣工程作為沼氣供應(yīng)站，產(chǎn)生的沼氣提供給當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶使用； 2)一些大型沼氣工程產(chǎn)生的沼氣發(fā)電并網(wǎng)，或者僅供畜禽養(yǎng)殖場自用； 3)對于一些小型的沼氣工程，產(chǎn)生的沼氣量少，就直接用于家庭的燒水、做飯，應(yīng)用比較局限； 4)在一些小型沼氣工程中，由于沒有沼氣儲(chǔ)存裝置，一般在夏天，多余的沼氣就直接露空燒掉。

如圖2所示，在調(diào)研的工程內(nèi)，20座沼氣工程所產(chǎn)沼氣以發(fā)電或作為熱源使用，占到62.5%。但調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，江蘇省沼氣工程產(chǎn)生的沼氣效率普遍不高，受環(huán)境影響較大，且沼氣工程規(guī)模都是以中小型為主，少數(shù)沼氣工程沼氣的利用方式只能局限于家用，甚至一些沼氣工程由于產(chǎn)氣效率低而無法運(yùn)行，而對于一些大、中型沼氣工程產(chǎn)生的沼氣主要用于發(fā)電。但是發(fā)電產(chǎn)生的余熱都沒有充分利用。

圖2 江蘇省沼氣利用情況

為了將沼氣更高效率的利用，江蘇省關(guān)于生物天然氣項(xiàng)目已經(jīng)立項(xiàng)。2015年大豐市申豐奶牛場畜禽類糞污無害化處理及規(guī)?；锾烊粴庠圏c(diǎn)項(xiàng)目獲批。項(xiàng)目建成后，可處理25000頭奶牛的糞污及農(nóng)作物廢棄物，混合發(fā)酵生產(chǎn)清潔能源，減少奶牛場環(huán)境污染，減排溫室氣體。沼氣經(jīng)脫水脫硫凈化加壓后得到12000 m3·d-1的天然氣，所有天然氣并入天然氣網(wǎng)出售。

2.4.2 沼液和沼渣的利用

沼氣工程在產(chǎn)生沼氣的同時(shí)也伴隨著沼液沼渣的排放，在調(diào)研中筆者發(fā)現(xiàn)，江蘇省沼氣工程對沼液、沼渣的固液分離處理應(yīng)用很少。大多數(shù)處理方法是將沼液、沼渣直接還田或者用于林園植樹。沼液對于提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量具有一定的促進(jìn)作用，使土壤具有保肥力和緩沖性，能使土壤變得疏松。合理的使用沼液用于灌溉可以很好地提高土壤質(zhì)量。但沼氣工程產(chǎn)生大量的沼液、沼渣，長期大量的沼液灌溉使得土壤的有機(jī)污染物及重金屬含量超過了土壤的吸持能力和作物的吸收能力，反而會(huì)引起土壤污染。所以沼液的利用要適量，要懂得因地制宜，因物制宜，謝晶[9]等在對沼液給番茄的不同施肥條件做了效益分析，得出了對番茄噴施效果最好的沼液的最佳濃度量，在實(shí)際生產(chǎn)中沼液可以部分代替化肥，在促進(jìn)番茄果實(shí)的同時(shí)，也為無公害蔬菜的生產(chǎn)提供了有效途徑。

筆者在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，少數(shù)大型的沼氣工程對沼液沼渣的處理方式較為完善，采用了人工濕地來處理沼氣工程中排放出來的沼液沼渣。凈化池中種植了苣苜草，這種植被可以有效的吸收沼液中的N，P元素。經(jīng)過凈化處理的沼液就可以用于畜禽養(yǎng)殖場的日常用水。這樣既解決了沼液、沼渣的處理問題，水資源也得到了循環(huán)使用。

調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)一種對沼液、沼渣處理而形成的“豬-沼液-蚯蚓-稻米”循環(huán)模式：沼氣工程產(chǎn)生的沼液流入田間沼液緩沖池中，用于400～500畝的稻米灌溉，沼渣供給養(yǎng)殖家庭農(nóng)場，用于蚯蚓和泥鰍養(yǎng)殖，蚯蚓糞便用于稻米肥料。此外沼液也可用于附近魚塘的養(yǎng)殖，經(jīng)管理人員介紹，沼液對魚塘的養(yǎng)殖效果很好。

2.5 討論

2.5.1 先進(jìn)沼氣工程介紹

德國和瑞典是歐洲沼氣工程發(fā)展最為迅速的國家之一，也是沼氣工程數(shù)量最多的國家之一。他們按照自己的國情需要發(fā)展了各自的沼氣工程工藝。

德國的沼氣工程主要以能源作物和畜禽糞便為原料；發(fā)酵的溫度根據(jù)發(fā)酵原料TS含量的高低選擇中溫或者高溫發(fā)酵，發(fā)酵效率高，受環(huán)境的影響??；沼氣工程所產(chǎn)沼氣主要用于發(fā)電或供熱；區(qū)域性的土地資源基本能消納所在地的沼氣工程產(chǎn)生的沼液、沼渣[10]。

瑞典沼氣工程原料主要是餐廚垃圾和市政污泥，以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的沼氣工程較少；使用中、高溫發(fā)酵工藝，原料經(jīng)過預(yù)熱工序進(jìn)入保溫良好的發(fā)酵罐，且沼液余熱經(jīng)過回收用于加熱冷物料，能量利用率高[11]；所產(chǎn)沼氣用于區(qū)域供暖、發(fā)電及提純制生物甲烷供車用燃?xì)?，沼氣利用率高?/p>

2.5.2 江蘇省沼氣工程與先進(jìn)工程的對比

從表5可以看出，江蘇省的沼氣工程與國外相比，本質(zhì)上的差異在于建設(shè)的目標(biāo)和沼氣工程規(guī)模，導(dǎo)致相應(yīng)的工藝不同，對沼氣、沼液和沼渣的利用要求和方式也不同。

表5 江蘇省與國外先進(jìn)沼氣工程的比較

2.5.3 江蘇省沼氣工程出路探討

江蘇的沼氣工程與先進(jìn)水平存在很大的差距，這主要還是由國情所決定。江蘇省的養(yǎng)殖業(yè)形式和規(guī)模決定了沼氣工程在很長一段時(shí)間以中小型為主，這就使得直接引入國外先進(jìn)的面向大型沼氣工程的工藝水土不服。因此必須推廣適合中小規(guī)模的沼氣工程工藝，如中溫發(fā)酵工藝，可以有效提高沼氣產(chǎn)氣率，提高COD的降解率。

筆者所在課題組之前的研究發(fā)現(xiàn)，若能使得江蘇的沼氣工程由現(xiàn)有的常溫發(fā)酵改為中溫發(fā)酵，利用撬裝式LNG(Liquefied Natural Gas,液化天然氣)液化車收集各中小型沼氣工程的沼氣，經(jīng)過分離提純轉(zhuǎn)化為LNG運(yùn)送至液化生物甲烷加氣站的模式，在經(jīng)濟(jì)性上是可行的[12]。這種模式可促進(jìn)江蘇的沼氣工程升級，實(shí)現(xiàn)新能源與環(huán)境治理的雙贏。

3 結(jié)論

江蘇省沼氣工程主要以畜禽糞便為原料；沼氣工程工藝層次低，發(fā)酵溫度以常溫發(fā)酵為主；發(fā)酵裝置工藝主要以完全混合式厭氧反應(yīng)器(CSTR)為主；攪拌方式常采用機(jī)械攪拌；受到工程規(guī)模的影響，沼氣利用方式存在差異，中小型的燃燒，大型的發(fā)電，普遍利用效率較低；對于沼液、沼渣處理，大多直接還田或用于附近的林園，且利用方式不規(guī)范。

江蘇省沼氣工程主要以畜禽養(yǎng)殖場為依托，規(guī)模以中小型為主，不適合直接引入國外先進(jìn)大型沼氣工程工藝技術(shù)，必須開發(fā)適合江蘇省特色的中小規(guī)模的沼氣工程工藝。將目前普遍采用的常溫發(fā)酵改為中溫發(fā)酵是可行的突破口之一。

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A Survey on Biogas Project in Jiangsu and the Technology Analysis /

WU Jia-jun1, ZHANG Shao-peng1, HAN Rui-ping1, ZHOU Jun2,3, WANG Chang-song1/

(1.State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering,Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China; 2.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816, China; 3.Bioenergy Research Institute,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

An on site survey for 32 biogas projects in Jiangsu province was made in this paper. It was found that the biogas projects in Jiangsu province mainly use livestock manure as substrate, ambient temperature (< 25℃), CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor) process with mechanical agitation. The way of biogas utilization depended on the project scale. For the small or medium scale projects, the biogas was mainly used for combustion, and for large scale projects, it was mainly used for power generation. Most of the slurries and residues were used as fertilizer. With the limitation of the breeding size and structure, the small or medium scale biogas project will still be in majority for a long time. Therefore, the advanced foreign technologies for large scale biogas project are not suitable at present, and so the characterized technologies for Jiangsu project need to be developed or optimized. One of the possible breakthrough could be mesophilic digestion instead of ambient digestion.

biogas plant; process; survey; Jiangsu province

2016-03-03

2016-06-12

項(xiàng)目來源： 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB733503); 江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程。

吳佳軍(1993- )，男，漢族，安徽省宣城市人，在讀碩士，研究方向?yàn)樾履茉囱芯?，E-mail:15852911807@163.com

王昌松，E-mail:wcs@njtech.edu.cn

S

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1000-1166(2017)02-0104-06