1、大中型沼气工程设计和建造,大中型沼气工程建设范围和内容,集约化畜禽养殖场沼气工程工业有机废水沼气工程沼气民用：集中供气-炊事沼气供热：锅炉沼气发电：,2,（1）总固体(total solid，TS)：又称干物质，是指原料中除去水分以后剩下的物质。（2）挥发性固体（volatile solid，VS）：原料中总固体中除去灰分以后剩下的物质。（3）化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）:指用强氧化剂重铬酸钾，在强酸溶液中将有机物氧化为CO2、H2O所消化的氧量，用CODCr 以一般写成COD，其单位为mg/L。（4）生物需氧量（biochemical oxygen de
2、mand，BOD）：指在有充足氧气存在的条件下，由于微生物的活动，降解有机物所需的氧量，其单位为mg/L。COD和BOD是目前国际上普遍采用的用来表示水中有机物浓度的指标。BOD/COD的值称为可被生化指标，用来衡量废弃物是否适宜于采用生物化学法进行处理。比值越大，表示越容易被生化处理，一般认为BOD/COD0.3的废弃物才适用于采用生化处理。,基本概念（1）常用反映原料有机物含量的指标,厌氧处理方法的很多，按消化器的类型分，可分为常规型、污泥滞留型和附着膜型。常规型消化器包括常规消化器（也称常规沼气池）、完全混合式消化器（也称高效消化器）和塞流式消化器（也称推流式消化器）。污泥滞留型消化器包
3、括厌氧接触工艺、升流式固体反应器（USR）、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、折流式反应器等。附着膜型反应器包括厌氧滤器（AF）、流化床（FBR）和膨胀床（EBR）等。常规型消化器一般适宜于料液浓度较大、悬浮物固体含量较高的有机废水。污泥滞留型和附着膜型消化器主要适用于料液浓度低、悬浮物固体含量少的有机废水。,基本概念（2）厌氧消化器的分类：,厌氧处理的方法很多，但目前国内在养殖场应用最多的还是完全混合式消化器和UASB工艺两种：完全混合工艺可使畜禽粪水全部进行厌氧处理，优点是处理量大，浓度高，产沼气量多，便于管理，易起动，运行费用低；缺点是需消化器容积大，投资多，后处理麻烦。一般适宜于以产
4、沼气为主，有使用水肥习惯的地区。UASB工艺是先将粪水进行分离，只处理有机废水，优点是需消化器容积小，投资少，处理效果好；缺点是产沼气量相对较少，起动漫，管理复杂，运行费用稍高，一般适宜于以废水达标排放，减少环境污染为目的的地方。,升流式厌氧污泥床（UASB）,有反应区、沉淀区和集气室三部分组成。废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，微生物分解废水中的有机物产生较强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区
5、上部排出，沉淀区下部的污泥沿着斜壁返回到反应区内。在一定的水力负荷下，绝大部分污泥颗粒能保留在反应区内，是反应区具有足够的污泥量。,UASB设计主要考虑的几个参数：（1）废水水质厌氧污泥的颗粒化：COD含量；总固体浓度TSS高蛋白，高脂肪含量的废水：消泡设施和装置（2）反应器容积负荷废水浓度、不溶性COD比率、出水TSS浓度确定能否采用UASB。表7-5，7-6 UASB容积负荷推荐值 P176（3）水流上升速度主要取决于反应器的进水流量和反应器的水平截面积。允许出现短时间6m/h和2m/h的高峰值。,（4）反应器容积和其他尺寸Vn=QS0/LorgVn：反应器液体部分的有效容积，m3Q：进液
6、流量，m3/hS0：进水COD浓度，kgCOD/m3Lorg：反应器有机负荷率，kgCOD/(m3.d)VL=Vn/EVL反应器液体部分总容积；E：有效系数，在0.80.9之间选取。HL=VL/AHL：反应器液体部分高度：HT=HL=HGHT ：反应器总高度，m;HG :反应器集气部分高度，m。,（5）布水器保证污水和污泥之间充分接触，一般采用多点进水方式。布水点数量的设计：表7-8 UASB反应器布水点数量的计算依据。进水方式设计：分为连续进水和脉冲进水（6）三相分离器功能：1.收集从分离器下的反应区产生的沼气；2.使在分离器之上的悬浮物沉淀下来。目前所采用三相分离器多为专利产品。,升流式厌
7、氧污泥床工艺 优点：（1）除三项分离器外消化器结构简单，没搅拌装置及填料；（2）长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率；（3）颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性；（4）出水SS含量低。缺点：（1）需要安装三项分离器；（2）需要有效的布水器，使进料能均匀布于消化器底部；（3）进水要求低SS含量；（4）在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，运行技术要求较高。,内循环厌氧反应器（IC）,1986年由荷兰派克公司研究成功并用于生产内循环厌氧反应器，是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和流化床反应器的优点于一身，利用反应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内
8、循环的一种新型反应器。,IC厌氧反应器的基本构造如同把两个UASB反应器叠加在一起，反应器高度可达16-25m，高径比可达4-8。在其内部增设了沼气提升管和回流管，上部增加了气液分离器。该反应器启动时，投加了大量颗粒污泥。运行过程中，用第一反应室所产沼气经集气罩收集并提升管上升作为动力，把第一反应室的发酵液和污泥提升至反应器顶部的气液分离器，分离出的沼气从导管排走，泥水混合液沿回流管返回第一反应室内，从而实现了下部料液的内循环。,集约化禽畜场沼气工程,利用畜禽粪便制取沼气的全套工程设施 ，包括原料的预处理、厌氧消化、沼气净化及输配、发酵残留物后处理以及工艺流程的控制、监测五个部分组成。,技术特
9、点,1.技术模式：热、电、肥联产，零排放模式冬季发电机余热增温，中温发酵，无需外加热源。TS 8%: 冬季余热80%用于增温；TS 10%: 冬季余热60%用于增温；TS 12%: 冬季余热40%用于增温。多余热量还可用于蔬菜大棚的供暖。夏季利用余热烘干沼渣；沼液、沼渣全部用于有机肥料，实现零排放。,热、电、肥联产，零排放模式,2.发酵工艺：高浓度、全混合、中温发酵、有搅拌TS 8%-12%：节省投资、节约增温能源、降低运输能耗、产气率高，池容产气率可达到1-1.5m3/m3.d。有搅拌装置，解决含固率高，物料不均，易结壳的问题。3.装置结构：大型沼气工程，宜采用分体式厌氧罐和双模干式贮气装置
10、；中小型沼气工程，宜采用发酵、贮气一体化沼气装置。,4.关键设备,工艺设计1.分体式沼气工程,生物脱硫塔,双膜干式贮气柜,沼气增压风机,沼气发电机组,余热锅炉,热水贮藏,余热利用,发电并网,沼气火炬,鸡粪收集,冲洗污水,集水池,水解沉沙池,一级厌氧反应罐,二级厌氧反应罐,后发酵罐,固液分离,固态有机肥,液态有机肥,沼液池,某鸡场沼气发电工程流程图,沼气,冷水,热水,（1）预处理水解除砂工艺,蛋鸡粪中砂含量8%，分离难度大。通过中温水解工艺除砂后可去除80-90%的砂，避免贝壳粉和砂在厌氧罐和管道内的沉积、堵塞，保证后续工艺正常运行。,（2）发酵工艺,a.厌氧发酵罐完全混合厌氧反应器（CSTR）
11、高浓度发酵原料：TS 8-12%有搅拌装置发酵原料和微生物完全混合处理量大，停留时间长，产沼气多,b.进料浓度大中型沼气工程进料TS浓度较高，在8%-12%之间：（1）可以提高装置利用率和产气率；（2）减少反应器容积，节省工程投资；（3）减少冬季增温能耗；（4）减少沼液、沼渣的运输量，降低运输成本。c.停留时间中温发酵为20-25d，高温发酵10-15d。d.发酵温度（1）高温发酵：最佳温度范围50-55；（2）中温发酵：温度范围为32-42。发酵温度每升高10，厌氧反应速度约增加1倍。,（3）沼气生物脱硫技术采用生物脱硫工艺，可使沼气中的H2S含量降至200ppm以下，脱硫效率95%。脱硫成
12、本0.03元/m3，比传统化学脱硫降低70%。生物脱硫原理H2S+1/2O2S+H2OH2S+3/2O2H2SO3,沼气生物脱硫装置,（4）双膜干式贮气柜,双层膜干式贮气柜由外膜、内膜和底膜组成，外膜构成贮气柜外部球体形状，内膜与底膜围成内腔贮存沼气。贮气柜可抵抗强风、积雪、冰冻等恶劣天气的影响，在寒冷地区冬季也能安全运行。,工艺设计2.一体化沼气工程,脱硫塔,沼气发电机组,民用燃气,余热利用,发电并网,换热水箱,粪便及污水收集,匀浆水解池,发酵、贮气一体化厌氧反应罐,固液分离,沼液池,固态有机肥,液态有机肥,沼气,冷水,热水,沼气发酵、贮气一体化反应器,（1）主要优势：适合于各种高浓度发酵原
13、料；占地面积小，节省占地面积30%；节省工程造价15%；建设工期短，缩短工期50%；寒冷第七冬季也能正常运行；产气率高：1.0-1.5m3/m3.d；安全可靠，检修维护方便。,（2）结构特点：装置下部为发酵部分，上部贮气。罐体常用径高比为2：1-3：1。中温发酵，常年稳定运行罐内安装侧搅拌器或斜搅拌器生物脱硫罐底和罐壁上安装增温管。,（3）工作原理：通过支撑鼓风机的充气，调整并维持内外膜之间夹层的空气压力，以保护维持贮气柜的结构，并将内膜的沼气送入输气管道。,平整地面,为建造发酵罐进行挖掘,水养护,第一次灌浆,铺设地热管道,布的热管道线顺到墙外,使用松木，可以不被硫腐蚀；木条有轻微的间隔，气可
14、以缓慢的透过。,使用防护材料防止混凝土被沼气腐蚀。在墙上制作空洞为管线，传感器，透视窗等用。宽21米，高6米，共28排加热管线，在集气层没有热管线。,罐顶和中心柱注浆稳固,美观，提供线路，内部安全观察保护。,斜搅拌机,贮气外膜：具有良好的抗紫外线、耐老化的性能，起到保护内膜、保持结构的作用。内膜具有良好抗甲烷渗透性能，防火性能良好，耐磨，乃褶并且耐硫化氢腐蚀。,工艺设计（3）秸秆厌氧发酵制取车用沼气工程技术,机械收获,秸秆青储,蒸汽爆破,两相高效厌氧发酵,压缩脱二氧化碳,高压储存,加气机,秸秆蒸汽爆破原理,汽爆的物理学基础是气体膨胀做功降温，利用气体膨胀功去分离纤维素、半纤维素、木质素、糖链等
15、，达到生物预处理目的。汽爆过程是将植物（被爆物）置于一直径相等、径高比为1：3-4的耐高压容器内，充入3.5MP、220-250度的蒸汽，保压90秒，在内外压差的作用下爆炸，完成膨胀做功，破坏植物组织内部结构，从而完成木质素、纤维素、半纤维素等组织及糖链的分离。物料的物理形态、特性和结构发生了重大变化，物料温度也由250度降到了20度左右。,物料首先要脱水自然干燥，约14-17%针式粉碎机效率2-4t/h，每吨耗电2-4度。粉碎颗粒可调整。,针式粉碎机,斗式升料机,斗式生料上部连接汽爆仓，下部连接粉碎机。,反应器,工程设备（1）钢结构的厌氧消化器,工程设备（2）钢筋混凝土结构厌氧消化装置,工程
16、设备（3）各种专用配套设备,工程设备（3）各种贮气装置,湿式钢结构贮气柜,球冠型贮气柜,工程设备（4）沼气发电机组及余热回收装置现阶段，中国生产的沼气发电机组规格：24KW,80KW,100KW,120KW,180KW,200KW,300KW，500KW,潜水搅拌泵,进料泵,切碎机,粪草进料装置,增温保温装置钢筋混凝土罐体的增温管一般安装在罐壁内侧的下部。钢结构罐体的增温管一般安装在罐壁外侧。,气暖热电肥联产的沼气工程,典型案例（1）北京德青源健康养殖生态园2MW沼气发电工程（2007）,1.鸡粪资源量：212t/d，TS 30%；2.工程规模：3,000m3厌氧罐4座；3.设计沼气产量：20
17、,000m3/d4.设计发电量：40,000kW.h/d5.沼肥18万吨/年，供4万亩果园、饲料地。6.年减排温室气体80,000tCO2当量。7.现该项目已并网发电。,（2）内蒙古蒙牛澳亚牧场1MW沼气发电工程（2700）,1.牛粪资源量：280t/d，TS20%2.工程规模：2,500m3厌氧罐4座3.设计沼气产量：10,000m3/d4.设计发电量：20,000kw.h/d5.年产有机肥：沼渣8,000吨，沼液18万吨。6.年减排温室气体30,000tCO2当量。7.该项目现已并网发电。,（3）厌氧自然处理达标示范工程,新农村沼气集中供热工程,秸秆沼气集中供气示范工程,杭州灯塔养殖总场沼
18、气与废水处理工程技术简介,设计建造大中型沼气工程的公司：杭州能源环境工程有限公司北京兴星伟业工程有限公司青岛天人工程有限公司,背景 Background,养殖场地处城郊，环境敏感年出栏200,000头猪，存栏120,000头猪日排放185t猪粪和3,000t污水 污水性质：CODcr=10,000mg/L， SS=4,000mg/L， NH3-N=900mg/L排放标准：畜禽养殖业污染物排放标准GB18596-2001 1999年列入UNDP/GEF工业化沼气与水处理示范项目。,设计原则 Design principle,减量化 清洁生产，将猪粪污染物的排放量减少到最小， 实现固体物的充分利用
19、 资源化 沼气：锅炉燃气、食堂用气 猪粪和分离后的固形物：生产复合有机肥无害化 厌氧出水：进行生物脱氮和好氧生物处理，并进行深度净 化，使最终出水达到排放标准，并对处理后的出水回用。,气水分离器,脱硫塔,贮气柜,稀污水集水池,输气泵、阻火器,猪粪污水,稀污水,烧锅炉或发电,鼓风机,SBR池,配水池,厌氧消化池,水解调节池,沉淀池,浓污水集水池,格栅,去复合肥料厂,达标排放,沉淀池,污泥浓缩池,污泥池,脱水机,运泥机,SBR生物反应池,主要工艺单元的技术介绍-1The technological characteristics of main units,实行清洁生产，改进饲养工艺。 优点：1、
20、减少工程投资和运行费用； 2、减少猪舍的冲洗水量，节省水费； 3、新鲜猪粪生产的有机肥肥效高，可提 高资源化利用程度。,主要工艺单元的技术介绍-2The technological characteristics of main units,猪粪生物堆肥制作复合有机肥 生产工艺：新鲜猪粪+生物菌群 特点： 1、可机械化连续生产 2、发酵周期：15d 3、能量释放多，堆肥温度达650900 C， 足以杀灭病原菌 4、有机物总量35%，氮磷钾养分含量6%， 水分200C常温发酵，冬季增温； 包括：布水系统、循环系统、三相分离器、溢 流系统等； 有效容积：6000m3； HRT=2d； CODcr去
21、除率：85%； 日产沼气biogas：8500m3 /d,厌氧池（UASB）,主要工艺单元的技术介绍-4The technological characteristics of main units,SBR生物反应池 aerobic digester 包括：布气系统、污泥搅拌器、滗水器等 有效容积：每座1500m3，共4座， PLC控制，交替运行 运行周期：8h，进水1h，搅拌、曝气4h，沉淀1h， 排水1h。 去除效率：CODcr: 90%，NH3-N: 99.2%,SBR生化反应池,主要工艺单元的技术介绍-5The technological characteristics of main
22、 units,沼气的利用 biogas usage 沼气（Q=8500m3/d）经气水分离、脱硫后，主要用于： 1、锅炉燃气（ 67%） 2、肥料烘干（24%） 3、食堂炊事（3%） 4、猪舍生产用能（6%）,沼气利用 biogas usage,项目技术经济指标 index of technology and economy,沼气产量(biogas product ) ：3,100,000m3/a削减COD：18450t/a复合有机肥(compost)：40,000t/a收益benefit： 1、民用燃气：6000 m3/天0.6元/ m3365天=131万元/年 2、有机肥原料：142吨/天
23、40元/吨365天=207万元/年 吨污水运行费用：2.27元工程总投资：1497万元,最终出水 Final effluent,我国大中型沼气工程发展主要障碍,初始投资大，自我融资能力不够万头猪场沼气工程初始投入150-200万元工业2500池容沼气工程400-500万元治理成本和沼气产品成本高工业废水 2.50元/m3废水，发电 0.35元/kWh养殖场 7.5元/m3粪水，发电0.7元/kWh,市场风险大禽畜产品和食品产品不确定因素大，风险大难以吸引各方投资者环保政策执行缺乏力度三同步排污费低于治理费能源产品缺乏法律保障和政策扶持沼气、电力市场准入和上网经济激励政策,与国外存在一定差距,规
24、模和速度与形势发展的要求很不适应：- 德国在仅仅过去的3-5年期间，沼气工程就发展到了约2000处，并且都是商业化运行 - 德国的经验：为实施可持续发展、治理污染、减少温室气体排放制定了鼓励发电上网的法律优惠电价；优惠投资低息、贴息贷款；环保和资源利用法律保障 - 农场主的积极性：新的收入来源,沼气是有机物质在厌氧条件下经微生物的发酵作用而生成的一种可燃性气体，其主要产品是沼气、沼液、沼渣（简称“三沼”）。,沼气发酵产物利用,沼气利用,沼肥利用,沼液,沼渣,贮存粮食,电灯做饭,保鲜水果,提供气肥,孵化,喷施防治病虫害,无土栽培,养蚯蚓,作物栽培,种菇,喂猪,养鱼,浸种,养花,育秧,沼气是约含6
25、0%甲烷、40%二氧化碳和少量氮、氢、氧、氨、一氧化碳、硫化氢等气体的混合气体 。甲烷和一氧化碳是可以燃烧的气体，人类主要是利用它们来获得能量。,1.沼气综合利用,炊事和照明； 供热和烘干； 加工与发电； 果菜二氧化碳施肥； 贮粮与果品保鲜；,沼气主要用途,沼气做饭,沼气照明,沼气养蚕,沼气炒茶,沼气二氧化碳施肥,沼气贮粮,沼气贮粮,沼液是沼气发酵后的水溶性物质，其中存留了丰富的氨基酸、水解酶、生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子，以及氮、磷、钾和微量元素等。,2.沼液综合利用,农作物浸种；果菜叶面肥；淡水养殖饵料；畜禽饲料添加剂；,沼液主要用途,沼液水稻浸种的工艺流程,沼液浸种,沼液施肥,沼液施肥,沼液施肥,沼液施肥,沼液养殖,沼渣是沼气发酵剩余的半固体物质，含有丰富的有机质、腐殖酸、氨基酸、氮、磷、钾和微量元素。,3.沼渣的综合利用,土壤改良剂 农作物基肥和追肥； 配制花卉和蔬菜育苗土； 养殖蚯蚓、黄鳝等； 栽培食用菌。,沼渣主要用途,沼渣施肥,沼渣种果,沼渣养殖,沼渣栽培,作业：1.户用水压式沼气池的结构和原理。2.上流式厌氧污泥床反应器（UASB）的原理。,
