1、畜禽养殖废弃物沼气工程中除砂技术研究摘要：本文就沼气项目中畜禽粪污除砂问题展开研究，具体分析了沉砂渠法、折板沉砂渠法、提升式除砂法和无轴螺旋除砂法等几种除砂方法的原理和效果，通过对它们的除砂率进行了实验分析，确定了各方法的适用范围和处理效果。 关键字：除砂，预处理 Abstract:Tht article analyze the remove the sediment of farming rejectamenta for methane production, analyze the principle and the effect of desilting canal technique,
2、 folded plate structure for desilting canal technique, remove the sediment by elevate the sediment technique, remove the sediment by the screw shaft. Find the applicability and effect of the four technique by analyzing the efficiency of remove the sediment form the experiment. Keywords: remove the s
3、ediment, pretreatment 中图分类号： S216 文献标识码： A 1 前言 近二十年，是我国全面推进农业现代化，加快社会主义新农村建设的关键时期，畜牧养殖业作为大农业中的重要组成部分，已经形成了区域化、规模化、产业化的格局，畜禽养殖业大规模发展的同时，也带来了养殖业粪便废弃物产量的迅速增长，成为我国面源污染的主要原因之一1。国家提出了控制农村生活污染和面源污染，科学规划畜禽饲养区域，鼓励建设生态养殖场和养殖小区，通过发展沼气、生产有机肥和无害化畜禽粪便还田等畜禽粪污综合利用方式，确保达标排放。 在沼气工程的建设和运行中，突出并困扰了很多大、中型沼气项目的问题就是畜禽粪便中固
4、体杂物的处理，同时也成为很多沼气项目不能连续稳定运行的主要原因之一。 11 畜禽粪便含砂的危害 在畜禽粪便厌氧制沼气过程中，一般的工艺类型是将干粪(或和粪尿混合物)加水搅拌均 匀后，送入厌氧发酵罐内进行发酵处理。处理后可进入二级发酵罐继续发酵或直接排出。排 出的液体经固液分离处理为沼液和沼渣。 厌氧发酵罐一直处于厌氧状态，密闭性良好。发酵过程前期菌种的培养是长期并困难的过程，因此，一旦启动，厌氧罐就保持此状态长期运行。因此，在进料前，对粪便的处理非常重要，要尽可能少的带入杂质。目前国内畜禽粪便中的主要杂质是泥砂。泥砂在厌氧罐内大量的堆积，会直接导致整个系统运行的失灵。主要的会导致以下问题： 杂
5、质会减少罐内的有效容积，直接影响产气率和发酵过程； 杂质堆积后，影响进料系统，堵塞管路； 厌氧罐内大多有搅拌系统，杂质会给搅拌系统带来极大的危害； 罐内泥砂和粪浆混合凝固，无法清砂，导致厌氧罐失效； 国内就出现过由于泥砂大量堆积而导致停产甚至设备完全损坏的事故。国内某沼气工程就因泥砂进入厌氧罐内的量过大，无法清砂，最后导致厌氧罐报废。其他如堵塞管道、将搅拌桨和搅拌轴磨坏等问题都出现过。这些事故给沼气工程带来了巨大的损失。 因此，必须在前期的预处理阶段就将粪便中的泥沙完全除去，保证厌氧发酵的过程连续稳定的运行。 12 畜禽粪便中砂的来源 畜禽粪便中砂的来源和很多大型养殖企业采用的养殖方式有关。很
6、多企业采用的方式是在土地或沙地上散养。另外一些企业虽然在室内养殖，但也会给畜禽保留一定的土地运动场所，主要是为提高其免疫力或提高肉、蛋的质量等。 在粪便的收集过程中，很难将泥砂和粪便分离。加上在动物排泄过程随机且活动量大，已将粪便和泥砂混合的很充分，给单独收集粪便也带来难度。因此，在收集的过程，是不可能完全将砂和畜禽粪便分开的。2 畜禽粪便除砂的方法 目前，国内沼气项目中除砂的方法主要有沉砂渠法、折板沉砂渠法、提升式除砂法和无轴螺旋除砂法等几种除砂方法2，为了更好的解决除砂的问题，有必要对这几种方法进行分析比较。 21 沉砂渠法 沉砂渠的基本结构如图 1。其主要原理是通过砂子本身的重力沉降作用
7、来除去畜禽粪便中的砂土。首先确定水流方向，沿水流方向设置挡水堰，在水流流动过程中，砂子由于重力作用沉降到渠的底部，被挡水堰拦截，保证溢流的上清液中不夹带泥砂，从而达到除砂的作用。 图 1 沉砂渠结构 Fig.1 Structure of desilting canal 沉砂渠的主要优点是建设成本较低，处理能力大，适用范围广、便于操作等。其主要缺点是占地面积大、处理效果差，往往在渠的末端，仍有大量泥沙通过，降低了使用效果。其中主要的原因是挡水堰高度、水流速度和处理量之间的合理配合较难确定。另外，沉砂后清砂也是困扰很多企业的难题。国外一些大型沼气项目也有采用沉砂渠方式来除砂的，由于其自动化程度高，
8、除砂多采用机械自动清砂，工人只需进行设备控制即可。在国内，由于目前各沼气项目的资金、成本等方面仍存在问题，沼气企业利润空间很小或根本没有利润，除砂后的清砂大多采用人工清理的方式，在沉砂渠工艺处理后，沉积在渠内的砂土主要是人工清理，因此，给工作带来了很大困难，也大大增加了工人的劳动强度。这给其应用带来较大制约。 目前，很多企业根据其空间往往较大，结构不复杂的特点，适当改变其结构，增加小型机械设备，使工人能够方便的采用一些简单的机械设备清砂，从而部分降低了清砂的劳动强度3，但如采用大型机械自动清砂，则需提供足够的空间，这也势必增大沉砂渠的空间和占地面积，增加了建设成本。 22 折板沉砂渠法 折板沉
9、砂渠是沉砂渠的一种，是一种改进型的沉砂渠，这里单独提出，是因为目前国内很多企业将传统的沉砂渠结构进行改进，采用折板式的占比例较大。其结构如图 2 所示。 图 2 折板沉砂渠结构 Fig.2 Structure of folded plate structure for desilting canal 折板沉砂渠的主要作用原理也是通过砂子本身的重力沉降作用来除去畜禽粪便中的砂土。当水流流入水渠中，遇到隔板，改变了水流方向，降低了流速，泥砂和水的密度不同，由于惯性作用能快速沉降，在隔板处沉积起砂堆，从而起到快速的沉砂作用。由于增加了隔板，折板沉砂渠大大提升了沉砂的效果，同时也减少了建筑面积，节约了
10、成本，节省了空间。 折板沉砂渠在提高沉沙效果的同时，在实际应用也存在一系列的问题。由于大量的泥沙沉积在隔板两侧，当处理量很大时，水位会不断提升，这就要求在设计时增加渠的深度。在使用一段时间后，前端的泥沙由于水流冲刷作用，也会向下游流动，砂堆会被逐渐推移到沉砂渠的末端，这样，水流会携带大量的泥沙进入到下一处理工艺或处理设备中，导致丧失作用4，所以为了满足使用，必须增加沉砂渠的长度。深度和长度的增加，就势必导致建筑成本的增加。 目前，困扰折板沉砂渠应用最大的问题是后续的清砂。由于增加了隔板，使沉砂渠的结构复杂化，通常的隔板间空隙较小，给机械化操作清砂带来难度。单靠人工清砂，工作量大，劳动强度巨大。
11、在运行时，前端的沉降度较大，往往在运行一段时间后，前端堆积大量的泥沙，如不及时清理，很容易堵塞进水口，降低处理能力5。因此说，清砂是在折板沉砂渠使用过程中必须解决的问题。 23 提升式除砂法 提升式除砂法的结构有很多种，其基本原理是利用高度差来解决除砂的问题。其结构如图 3 所示。 图 3 提升式除砂法原理图 Fig.3 Structure of elevate the sediment 提升式除砂法在国内应用较为广泛，尤其是生产能力大或处理量大的项目应用较为普遍，它的主要优点是处理能力大，除砂效果好，清砂方便，可直接采用机械化清砂。提升式除砂法是首先将畜禽粪便混合物提升到一定高度后，利用泥砂
12、的重力自然沉降，堆积在提升区的底部，然后定期开启底部排出泥砂或对底部泥砂进行抽取，处理后的畜禽粪便污水可直接溢流出去，从而达到除砂的目的。 提升式除砂法相对其他几种方法的缺点是耗能大，设备容易阻塞或损坏。由于提升是将畜禽粪污、水和泥砂一起提升，这部分需要消耗一定的能量，处理量越大，有效干物质越少，相对能耗就越高。不过这部分如果通过合理设计，和预处理、厌氧等部分总体设计，可降低部分高程差，来减少能量的消耗6。另外，在提升过程中，由于畜禽粪污中含有大量秸秆等纤维物质，泥砂的含量也比较高，对设备的磨损也是比较大的，并且容易造成泵、管道等的堵塞，经常遇到的情况是由于泵的叶片缠绕大量的纤维物质后，造成泵
13、的烧损。 24 无轴螺旋除砂法 无轴螺旋除砂法属于提升式除砂中的一种，它与提升式除砂法的主要区别是单一的提升式除砂法将泥水混合物完全提升后再利用沉降原理除砂，而无轴螺旋除砂法是只提升泥砂来达到除沙的目的。其结构如图4。 图 4 无轴螺旋除砂法结构图 Fig.4 Structure of screw shaft 无轴螺旋除砂法是在泥砂的重力沉降后，将位于池底的泥沙用无轴螺旋提升至池顶部，然后可直接用车辆或机械运输泥砂。它的主要优点是除砂效率高，效果好，能耗低，可省略人工清砂的步骤，节省大量人力资源7。其主要的缺点是设备容易磨损，安装角度有较高的要求。但只要有合理的设计，更换设备或调整角度问题均可
14、解决。 3 除砂效果分析 各种除砂法均有其自身特点和使用范围，工程上主要考虑的问题是是否满足工艺要求和效率。下面对各方案除砂效果进行分析。 实验中，分别选取采用这四种除砂工艺的畜禽养殖沼气工程项目。选取采用沉砂渠工艺的项目是铁岭大牛乳品有限公司大型沼气工程；采用折板沉砂渠工艺的是铁岭宏福肉类有限公司大型沼气工程；采用提升式除砂工艺的是黑龙江海林农场沼气工程；采用无轴螺旋除砂工艺的是调兵山天祥有限公司大型沼气工程，以上四个大型沼气工程畜禽粪污均为牛粪，其中铁岭大牛沼气工程和黑龙江海林农场沼气工程牛粪为奶牛粪，其余两家为肉牛粪。 实验采用的牛粪含水率均为 80-85%，质量含砂率为 6-8%，处理
15、量为鲜牛粪 5t/d，用水稀释至 50m，在调节池内混合均匀后通过沉沙装置，流量均为 25m/h8。实验分别在第 5，10，15，20 天的时候进行 4 次清砂，然后测量其除砂率。测量结果如图 6。 图 5 除砂率 Fig.5 Efficiency of remove the sediment 从图中可以看出，通过 20 天内 4 次进行测量，除砂效率高低顺序依次为提升式除砂法、无轴螺旋除砂法、折板沉砂渠法和沉砂渠法。其中，提升式除砂法的效率最高，能达到 90%左右。 在实验测量过程，发现各种除砂工艺仍存在的几个问题。对于提升式除砂法，在清砂过程中，排出的物质为粪污和泥砂的混合物，含水率高，并
16、且含有很多的有机物质，虽然除砂率高，但也降低了有机干物质的含量，也就相当于减少了进料。排出的粪污和泥砂的混合物在处理上也存在较大的问题，很难回流再利用，更不能不加处理直接排放。 无轴螺旋除砂法处理效果较好，系统运行也比较稳定。存在的问题是当含砂量较少时，很难将泥砂完全提升，容易被水流冲刷带入到下游工艺处。 折板沉砂渠处理效果较单一的沉砂渠要好，但运行稳定效果较差，从图表中可以看出，数值的波动较大，被水流冲刷带入到下游工艺风险较大。另外，在清砂过程中，工人劳动强度大。 沉砂渠的处理效果较差，但由于其工艺简单，针对不同的进料、预处理工艺，通过对设计进行部分改进或加入部分设备，可大幅度提高其除砂效果
17、。 4 结论 通过实验可以得出结论，提升式类型除砂法的效果比较理想，其中以无轴螺旋除砂法处理效果较好，其能耗低，运行稳定，劳动强度较小。而沉砂渠类型效果和稳定性都较差，但其有结构简单，成本低等特点，在某些工艺路线中，仍能发挥其优点。另外，本实验的畜禽粪便采用的是牛粪，可针对如猪粪、鸡粪等不同的畜禽粪便的处理效果进行分析，得出完善的实验数据、综合的处理效果和除砂率等，这在今后的工作中是值得深入研究之处。 禽畜粪便造成的环境污染是制约畜禽饲养发展的主要因素，大力发展沼气的畜禽粪污综合利用方式是我国提倡和发展的方向9。在沼气项目中，预处理工艺的除砂是保证沼气项目连续稳定运行的关键，针对不同工艺路线，
18、需制定经济、合理并适合自身特点的除砂方法，减少下游工艺的负担，提高效率，降低成本，保证整体工程的稳定运行。 参考文献 1 张克强畜禽养殖业污染物处理与处置 M北京:化学工业出版社,2004:3435 2 封俊畜禽粪便的固液分离方法与设备J农业工程学报称,1992,第 8 卷:9095 3 徐龙君预处理对城市固体有机垃圾厌氧发酵的影响 J环境污染与防治,2006,第 28 期:6263 4 成大先机械设计手册-4 版 M北京：化学工业出版社,2002 5 周孟津，张榕林，廉金印沼气实用技术 M化学工业出版社,2004,:5560 6 王晓冰畜禽养殖废弃物生物发酵前预处理系统设计J农机化研究,2009，第 7 期:118120 7 Alexander Bauer,Herwig Mayr,Katharina Hopfner-Sixt,Thomas AmonDetailed monitoring of two biogas plants and mechanical solidliquid J2009 8 许家忠黑龙江省畜禽养殖场能源环保站工艺设计D哈尔滨:东北农业大学,2002,1921 9 徐卫佳用厌氧发酵技术处理农村养殖场畜禽粪便 J可再生能源,2004,第 1 期:57 作者简介：包震宇（1981）男，工程师，硕士，有机固体废弃物资源化技术研究。工作单位：辽宁省环境科学研究院。
