2MW热电肥联产沼气工程在猪场粪污和秸秆废弃物资源化利用中的应用

华 磊

（河南畜牧规划设计研究院，河南 郑州 450008）

中粮家佳康（永城）有限公司是隶属于世界500强企业中粮集团旗下的中粮肉食投资有限公司投资建设的全资子公司。公司建有年存栏4800头母猪的繁殖场5座、年出栏11万头商品猪育肥场5座，每年出栏55万头育肥猪。猪场共分4个养殖区域，即养殖一场、养殖二场、养殖三场和养殖四场。由永城粮盈农业废弃物处理有限公司投资建设的沼气站紧邻养殖三场，距最远的养殖二场约900m，即四座养殖场在沼气站周边范围1km以内。养殖场猪粪采用漏粪地板工艺收集，日产粪污1600t，猪粪含固率约2%，猪场收集的粪污利用管道输送至沼气站。距离沼气站5km的范围内共有乔桩、万楼、赵楼、黄楼四个村，共有1666.7hm2耕地。越冬作物以小麦为主，夏熟作物以大豆为主。用于沼气发酵的粪污和秸秆原料供应量能得到充足保证。产生的沼气用于并网发电，发电机组产生的余热用于厌氧发酵罐增温，产生的沼渣沼液用作沼气站周边小麦、大豆种植的有机基肥。打造“生猪养殖—沼气工程—农作物种植”的种养结合循环发展链条，实现区域养殖废弃物和农作物秸秆的分散收集、集中处理和资源化利用。

1 工艺流程

永城粮盈农业废弃物处理有限公司建设的沼气工程工艺流程图如图1所示。

图1 沼气工程工艺流程图

2 主要建设内容

该工程包括预处理系统、厌氧发酵与沼气贮存系统、沼液贮存、沼气净化系统、沼气发电及余热利用系统、沼渣沼液还田利用系统等。

2.1 预处理系统

猪粪预处理单元：进料池，半地上钢砼，Φ18.5×7.0m，1880.7m3。

秸秆预处理单元：水解酸化池，钢砼，Φ8.5×6.5m，368.7m3。

2.2 厌氧发酵与沼气贮存系统

CSTR一体化厌氧发酵罐：搪瓷，Φ29.03×8.4m×4座，22200m3。

一体化储气膜：聚酯纤维，Φ29.03×2.88m×4座，7620m3。

2.3 沼渣沼液贮存

沼渣堆放间：轻钢，36.0×23.0×4.5m，828m2。

沼液贮存池：HDPE膜，110.0×50.0×5.5m，30250m3。

2.4 沼气净化系统

生物脱硫塔1座。

2.5 沼气发电及余热利用系统

沼气发电机组：1MW撬装式含余热利用系统，2台。

余热蒸汽锅炉：0.7t/h，2台。

热水罐：70m3，1个。

2.6 沼渣沼液还田利用系统

排污泵：0.75kW，2台。

沼液输送主管道：DN100UPVC管，20km。

沼渣运输车：15t，2辆。

沼液运输车：50t，1辆。

3 工艺特点

3.1 发酵原料

该项目秸秆TS浓度为80%，秸秆原料从田间收集后储存在秸秆存储区内，每天将秸秆投入至秸秆粉碎机中进行粉碎，粉碎粒径为10mm，粉碎后秸秆通过进料箱输送进入水解系统，停留约2d左右的时间。利用纤维素水解技术，经过微生物在兼氧环境下将纤维性原料转化为乙酸，实现纤维素由大分子多糖向小分子转变，使秸秆中结构性物料逐渐消失液化，大大缩短秸秆厌氧消化停留时间由50～90d至15～20d，极大提高秸秆的厌氧可及度。水解酸化后秸秆TS浓度为30%。

该项目采用先进的热电肥联产沼气技术，要求厌氧进料的TS浓度不低于8%。该项目猪场粪污通过漏缝板收集，经分析其TS浓度为6%，在进料池内和水解酸化后的秸秆调配匀浆后TS浓度为8%。经混合搅拌和预加热预处理后提升至厌氧反应系统进行发酵。

3.2 发酵工艺

该项目猪场采用漏缝板收集粪便和污水的方式，发酵原料为高浓度的混合物，因此选择全混合厌氧消化器（CSTR），建设4座搪瓷拼装一体化厌氧发酵罐。水力滞留期为15d，采用中温发酵工艺，发酵温度为35℃。为应对永城冬季寒冷天气，工程采取在厌氧反应器外壁设置增温盘管，利用沼气发电机余热对反应器进行增温。盘管外采用150mm厚聚苯乙烯保温材料。反应器采用低速节能的中心搅拌机，同时在出料浓缩池和反应器之间安装回流泵，将出料浓缩池的底部污泥回流至反应器，起到搅拌作用，减少有机物的流失。该工艺的物料平衡计算书见表1。

表1 物料平衡计算书

3.3 沼气净化

结合项目的产气规模及沼气用途，选用酸法脱硫。负责降解硫化氢的主要细菌是嗜酸菌群。细菌利用碳源和无机化合物，如硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）作为能源的增长源自养。生产作为新陈代谢的副产品硫酸和单质硫，从而降低液相的pH值。脱硫反应器内主要发生的反应如下。

第一步：2H2S+O2→2S+2H2O

第二步：2S+3O2+2H2O→2H2SO4

脱硫反应器为玻璃钢材质，脱硫塔负荷为8m3/（m3·h），由PLC实现成套系统运行的自动控制，安装就地在线清洗装置，保证沼气生物脱硫系统稳定高效运行。经过生物脱硫净化处理后，沼气中的H2S含量降至20mg/m3以下。

3.4 热电肥联产模式

3.4.1 沼气发电能力

项目达产后沼气甲烷含量达56%，在标准环境下，甲烷热值为35.87MJ/m3。该项目采用撬装式进口发电机组，沼气利用率为87%，每立方沼气可产电2.2kW·h。日产沼气25000m3，年发电量1675.00万kW·h（运行8400 h/a，以350d/a计），装机容量2兆瓦，项目最终配置2台×1.0MW撬装式发电机组，并网规模亦为2MW。

3.4.2 热能生产能力

发电机组在发电同时还供应大量热能，按照每天用于发电的沼气25000m3，沼气中甲烷含量为56%，甲烷热值为35.87MJ/m3计算，发电机余热回收率以41%计，则每日可回收热量为4917.69万kcal。主要用于厌氧反应器的增温。

该模式的能量平衡图见图2。

图2 能量平衡图

3.4.3 沼肥还田利用

项目每日输出沼液1585.39t，沼渣101.19t，年运行时间以350d计，则全年沼渣沼液产生量总计59.03万t。消纳沼肥所配套土地分别属于裴洼申、裴双楼、盆罐窑、裴燕庄、卞庄、东王庄、黄楼、陈庄、赵楼等九个村组，此九个村组坐落于沼气站周边5km范围内，土地较为集中，地形平坦，便于沼液输送管网铺设，交通便捷，均有机耕路通往田间，利于固态沼肥运输。通过对当地主要种植作物分析调查，以小麦和大豆轮作的种植模式来消纳有机肥料，施肥方案如下。

在夏季换茬时，每亩地施用10t沼肥作为大豆基肥，在大豆分枝拔节每亩地每次施用2t沼肥作为拔节肥和花荚肥，即大豆种植期间每亩地至少施用沼肥12t；在秋季换茬时，每亩地施用15t沼肥作为小麦基肥，在小麦越冬期每亩地每次施用2t沼肥作为冬腊肥，即小麦种植期间每亩地至少施工沼肥17t，以全年计，每亩地至少可施用沼肥29t，项目年沼肥产量59.03万t，所需配套土地1360hm2，项目配套1666.7hm2土地，可满足沼肥消纳需求。

4 结论与建议

项目依托专业的畜禽粪污处理企业永城粮盈农业废弃物处理有限公司，采用热电肥联产工艺，建设日产沼气25000m3大型沼气工程，对养殖场的粪便和污水以及农作物秸秆统一收集集中处理，进行高浓度厌氧发酵，沼气发电上网，沼渣沼液生产有机肥农田利用，减少规模养殖场粪污处理设施的投资。通过项目专业化运行，高效率资源化利用，确保废弃物得到有效处理和综合利用，实现以种植业为基础，畜牧业为动力的种养结合生态化可持续发展。为建设区域废弃物集中处理中心和建立长效运行机制示范。建议区域废弃物集中处理中心收集半径小于10km，以保证原料收集的稳定性和经济性；处理中心周边有足够的连片农田，便于产生的大量沼渣沼液能确实有效的还田利用。□