猪场废水处理中的沼气热电联产工程案例分析.pdf

第 9 卷第 6 期环 境 工 程 学 报Vol 9，No 62 0 1 5 年 6 月Chinese Journal of Environmental EngineeringJun 2 0 1 5猪场废水处理中的沼气热电联产工程案例分析戴若彬1陈小光1*姬广凯2吴赛明3袁良平3向心怡1曾祥柳1(1.东华大学环境科学与工程学院，国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心，上海 201620;2.东华大学教务处，上海 201620;3.杭州清城能源环保工程有限公司，杭州 310004)摘要中高浓度畜禽废水处理中的沼气热电联产是保障沼气工程常年稳定运行的有效手段。以典型猪场废水处理沼气热电联产工程为案例，在工程介绍的前提下，引入相关数学模型，对沼气热电联产相关工艺参数进行了计算分析，结果表明，该工程沼气产量最高为1 678 m3/d，沼气发电机组发电效率为 31.3%，发热效率为 38.8%，总发电效率为 70.1%，该沼气工程投资回报期为3.6 年;CST 厌氧罐秋季可达温度为24.3，冬季为 15.9，CST 厌氧罐内温度分布为秋季罐内平均温度 T5.4(换热器顶部温度)=25.4，平均温度梯度grad1=1.83/m，grad2=0.80/m;冬季 T5.4=19.6，grad1=1.44/m，grad2=1.06/m;通过参数分析，搅拌器宜尽可能置于换热器所在区域，并控制进水量稳定以保证 CST 厌氧罐的消化效果。关键词猪场废水厌氧消化沼气工程热电联产温度梯度中图分类号X703.1文献标识码A文章编号1673-9108(2015)06-2755-06Case analysis of biogas heat and power cogenerationin piggery wastewater treatmentDai uobin1Chen Xiaoguang1Ji Guangkai2Wu Saiming3Yuan Liangping3Xiang Xinyi1Zeng Xiangliu1(1.State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China;2.Office of Teaching Affairs，Donghua University，Shanghai 201620，China;3.Hangzhou Qingcheng Energy Environmental Protection Engineering Co.Ltd，Hangzhou 310004，China)AbstractThe biogas heat and power cogeneration in middle and high concentration livestock and poultrywastewater treatment is an effective means to keep the stable operation of biogas engineering over the whole year.Atypical biogas heat and power cogeneration engineering in the piggery wastewater treatment was chosen as a case.Onthe premise of the engineering introduction，the related process parameters in biogas heat and power cogeneration werecalculated and analyzed via the establishment of the mathematical models.The results show that the highest biogasyield in this project is 1 678 m3/d.The efficiency of power generation is 31.3%.The heating efficiency is 38.8%.The total power generation efficiency is 70.1%.The investment return period of this biogas engineering is 3.6 years.The average temperature of CST anaerobic tank is 24.3 in autumn under the ideal condition such as heat transferuniformly，as it is 15.9 in winter.The temperature in the top of the heat exchanger T5.4and the temperature gradientgrad were put forward to characterize the temperature distribution in CST anaerobic tank.In autumn，T5.4=25.4，grad1=1.83/m，grad2=0.80/m.In winter，T5.4=19.6，grad1=1.44/m，grad2=1.06/m.By means ofparameter analysis，to keep digestion efficiency of CST anaerobic reactor，the stirrer should be put in the area of theheat exchanger as far as possible，the input quantity should be stable.Key wordspiggery wastewater;anaerobic digestion;biogas engineering;heat and power cogeneration;temperature gradient基金项目:国家青年科学基金项目(51208087);上海自然科学基金项目(12Z1400800);教育部新教师基金(20120075120001);中央高校基金项目(2232012D3-08)收稿日期:2014 04 30;修订日期:2014 07 14作者简介:戴若彬(1993)，男，本科生，研究方向:废水生物处理工艺及设备。E-mail:*通讯联系人，E-mail:cxg 我国是养猪大国，猪场废水的达标处理已成为制约规模化养猪场发展的主要因素之一。猪场废水具有有机物浓度高、氨氮含量高、悬浮物多、臭味大等特点1，倘若直接排放会造成恶劣的影响，包括引起水体富营养化、污染大气环境、可能造成疾病蔓延等2。同时，将中高浓度畜禽废水有机污染物的厌氧消化已成为沼气能源的重要来源之一3-6。因环境工程学报第 9 卷此，猪场废水作为畜禽废水的典型代表，它的有效治理和沼气资源化具有环保和节能双重效益。近几年，国内外污水处理行业已呈现朝强化污染物削减功能、低碳处理和资源回收方向发展的态势7，诸多大型污水处理厂(如青岛麦岛污水处理厂8、海口市污水处理厂9 等)秉承可持续发展理念，在建设污水处理设施的同时也设立了污泥消化与沼气回用热电联产系统，不仅削减了污染物，并且获得了较好的社会效益与经济效益，这对我国环境的保护与生物质能开发也有一定促进作用510。然而，有关畜禽废水处理中沼气热电联产的工程却鲜见报道。鉴于此，本文在介绍某猪场废水处理工程概况的基础上，引入相关数学模型，对厌氧生物处理沼气热电联产相关工艺参数进行计算分析，目的是为同行提供相关参数与经验参考。1材料与方法1.1工程概况浙江杭州某规模化养猪场存栏 16 000 余头，每日由于猪排泄、猪舍清洗等产生大量的废水(夏季约为 350 m3，冬季约为 120 m3)，采用二级厌氧-序批式活性污泥法(SB)-氧化塘工艺处理，其中厌氧生物处理所产生的沼气经脱硫后进行热电联产(该工程于 2013 年底建成投产，目前运转正常)。设施占地约 8 000 m2，工艺设计处理水量 400 m3/d。工艺流程见图 1(虚线框内为沼气热电联产工段，中间配水池未画出)。图 1工艺流程Fig.1Process flow1.1.1预处理设置细格栅 4 道，每台宽0.8 m，高2.5 m，倾角约 65。集水酸化池尺寸 20 m 10 m 4.4 m，有效容积 800 m3，起调节水质及预酸化作用。1.1.2厌氧处理厌氧处理首先设置 CST 厌氧罐 2 座，13.0m，高 13.4 m，单座有效容积 1 500 m3，设计容积负荷 3.0 kg COD/(m3 d)，设 计 水 力 停 留 时 间(HT)夏季 8 d，冬季 30 d。CST 厌氧罐配有 2 个搅拌器，相互错开180。厌氧罐内设置 8.7 m，h=5.4 m 的 DN65 不锈钢蛇管式换热器增温，管内循环水下进上出。罐体由碳钢制成，外设 2 层厚度 50mm 的聚苯乙烯泡沫保温层，由彩钢板包裹固定。CST 厌氧罐后接上流式厌氧污泥床反应器(UASB)1 座，12.2 m，高 14.5 m，有效容积 1 500m3，设计容积负荷 5.0 kg COD/(m3d)，设计 HT夏季 4 d，冬季 15 d。保温方式同 CST 厌氧罐。后接二沉池，有效容积 1 000 m3。1.1.3SB 及后续处理SB 池 2 座，尺寸 13.0 m 12.3 m 5.0 m，有效容积共 1 200 m3，设计 HT 夏季 3.0 d，冬季 12d，SB 池配有 2 台功率 30 kW，流量 30 m3/min 的鼓风机(1 用 1 备)，采用微孔曝气。SB 池运行周期包括进料，曝气，搅拌及静止沉淀等过程，根据出水状况适当调节各阶段时间。SB 池出水直接进入氧化塘，氧化塘占地约2 000 m2，深度约1.5 m，塘中种植水生植物，形成人工生态系统，其内微生物、水生植物及动物等协同作用降解有机物，使出水达标排放。1.1.4沼气收集沼气经 2 座 CST 罐和 1 座 UASB 反应器的沼气收集管收集进入净化室，室内设脱硫塔与气水分离器，脱硫方式采用干法脱硫，经脱硫后的沼气被贮藏于一个容积为 500 m3的双膜气柜中。双膜气柜采用干式膜封结构替代水封，可消除冬季冰冻隐患，具有无需额外防腐、维护造价低、安装快捷等优点。1.1.5沼气利用沼气发电机房与双膜气柜连接，内设 1 台沼气压缩机和 1 台额定功率为 150 kW 的沼气发电机，配有热回收单元及机组冷凝塔，冷凝塔对机组进行强制冷却，满足发电机散热要求，冷凝塔内循环水经热回收单元加热后用于 2 座 CST 厌氧罐增温，从而实现热电联产。1.2计算方法1.2.1发电效率沼气发电机组发电量与燃烧沼气产生的热值之比称为发电效率。发电效率可以由每小时发电量与6572第 6 期戴若彬等:猪场废水处理中的沼气热电联产工程案例分析沼气燃烧热值的比值计算:1=150 3.6VCe 100%(1)式中:1为发电效率，%;V 为发电机消耗沼气量，m3/h;C 为沼气中甲烷浓度，经测得在此工程中其值为 0.6;e 为甲烷热值，35.9 MJ/m3。1.2.2发热效率沼气发电机组发热量与燃烧沼气产生的热值之比称为发热效率。发热效率可由每小时循环水获得热量与沼气然后热值的比值计算:2=WhcphTVCe 100%(2)式中:2为发热效率，%;Wh为循环水的质量流量，kg/h;cph为水的比热容，4.2 kJ/(kg);T 为循环水进出发电机组温差。1.2.3经济性分析以投资回报期表征沼气热电联产的经济性(图1 虚线框内，不包括 UASB 和 CST 厌氧罐)。投资回报期 E(单位:年)是沼气发电机组发电收益补偿初始投资所需的时间，其数学表达式如下:E=C+PEA(3)式中:C1为沼气工程初投资费用，包括土建费、设备购置费、安装费及其他费用，万元;P 为年总成本，包括运行费、人工费及设备维修费等，万元;A 为每年沼气发电收益，万元。1.2.4CST 厌氧罐可达温度11-14 CST 厌氧罐在换热均匀、忽略管道热损失的条件下其罐内料液的温度称为可达温度。理想换热条件下，CST 厌氧罐体系中存在如下方程:tWhcphT=24 1.2(T1 T2)KiSi+Gc(T1 T2)(4)式中:t 为发电机组每日运行时间，h;T1为罐内温度，;T2为外界温度，;Si为罐顶，罐壁及罐底的传热面积，罐顶传热面积为 300 m2，罐壁传热面积为 1 050 m2，罐底传热面积为 265 m2;G 为每日处理水量，m3;为进水密度，取 1 000 kg/m3;c 为进水比热容，取 4.2 kJ/(kg);Ki为罐顶，罐壁及罐底的传热系数，kJ/(m2h)。Ki=111i+bii+12i(5)式中:1i为罐体内壁导热系数，污泥传至罐壁为1 256 kJ/(m2h)，沼气传至罐顶壁为 31.4kJ/(m2h);bi为罐顶及罐壁保温层厚度，由于钢板导热系数大且较薄，可忽略，取0.1 m;i为保温层热导率，其材料为聚苯乙烯，取0.288 kJ/(mh);2i为外壁与介质传热系数，介质为大气取23.0 kJ/(m2h)，为地面取4.2 kJ/(m2h)。环境温度变化对 Ki值有一定影响，但该简化算法与试算法误差通常在 1%以内14，可满足工程上对误差的需求，故采用此简化算法。1.2.5CST 厌氧罐温度梯度温度梯度可表征 CST 厌氧罐内温度变化趋势。CST 厌氧罐内置了蛇管式换热管(高为 5.4m)，CST 厌氧罐有效高度 13.1 m。忽略边界效应，假设厌氧罐内料液任一横截面均为等温面，罐内传热方式为一维稳态热传导，即沿发酵罐轴向方向存在温度梯度 grad(/m)。由于轴向方向0 至5.4m 内置了换热管，而 5.4 m 至 13.1 m 没有换热管，故两区域的温度梯度存在差异令 0 至 5.4 m 的温度梯度为 grad1，令 5.4 至 13.1 m 的温度梯度为grad2，相应的数学表达式为:grad1=t1h1(6)grad2=t2h2(7)式中:t1为 CST 厌氧罐内 0 m 处与 5.4 m 处的温差，;h1为 0 m 处与 5.4 m 处高度差，5.4 m;t2为 CST 厌氧罐内 5.4 m 处与 13.1 m 处的温差，;h2为 5.4 m 处与 13.1 m 处高度差，7.7 m。2结果与讨论经调试，该工程厌氧工段处理效果已经达到预期效果，厌氧工段各构筑物出水水质及去除率(化学需氧量 COD)见表 1。表 1厌氧工段构筑物出水水质及去除效果(COD 指标)Table 1Effluent water quality and removal efficiency(index:COD)in structures of anaerobic process项 目COD(mg/L)COD 去除率(%)格栅出水16 000CST 厌氧罐出水7 60052.5UASB 反应器出水1 70077.62.1沼气发电沼气发电机组于 2013 年 10 月投入使用，每日7572环境工程学报第 9 卷图 2启动期间沼气产量、发电量与天数的关系Fig.2elationships of biogas production，generated and days during startup沼气产量与发电量如图 2 所示，图中发电量是指发电机组所发电量中用于污水处理站的部分。由图 2可知，随着工艺启动，沼气产量最高可达 1 678 m3/d，结合表 1 数据可知该日沼气产率为 0.38 m3/kgCOD(当日处理水量约 310 m3)。沼气发电机组每小时可产生 150 kWh 的电能，根据记录每小时污水处理站所消耗的最大电能为 90 kWh，可见，在沼气发电机组开启时其发电完全能满足污水处理站用电需求，且有较多盈余(在图 2 中可见 10 月 13、14、18、19 日发电量较低，这是由于操作工换班操作出现失误，未准时开关沼气发电机组造成的)。因此，每日沼气发电机组发电量占污水处理站所需电量的百分比取决于其工作时间。根据操作工记录，沼气发电机组每小时消耗约 80 m3的沼气，秋季平均沼气产量在 1 550 m3/d 左右，每日可保证供给污水处理站 80%以上的电力;冬季平均沼气产量稳定在600 m3/d 左右，每日可保证供给污水处理站 40%以上的电力(选择在耗电量较大时开启，如厌氧罐进水时)。根据每小时消耗 80 m3的沼气，将相关参数代入式(1)，可得沼气发电机组发电效率 1=31.3%。2.2沼气余热利用沼气余热单元利用烟气热量加热循环水，已知循环水流量为 5 300 kg/h，温度记录秋季循环水加 热 前 与 加 热 后 水 温 平 均 分 别 为 26 和56，冬季水温平均分别为 20 和 50，平均温差为 30，将相关参数代入式(2)可得沼气发电机组 发 热 效 率 2=38.8%，则 能 量 总 利 用 率为 70.1%。2.3沼气工程经济性沼气热电联产的经济性是业主投资与否的关键之一。沼气热电联产初投资 C(图 1 虚线框内，不包括 UASB 和 CST 厌氧罐)约 200 万元，年总成本 P为 15 万元，由沼气发电机组每小时消耗 80 m3的沼气，秋季平均沼气产量约 1 550 m3/d，发电机组额定功率150 kW，可知秋季发电量为2 900 kWh/d，按照每度电价格 0.8 元计算，该系统秋季由发电节省电费约 2 325 元/d;冬季平均沼气产量为 600 m3/d，则冬季由发电节省 900 元/d。若春、夏季发电量按照秋季计算，每年按 365 d 计，则每年沼气发电收益约72 万元，将相关参数代入式(3)，可得投资回报期为3.6 年。2.4CST 厌氧罐温度分布温度是影响厌氧消化速率的关键因素之一，在换热均匀等理想条件下，CST 厌氧罐内温度分布均一，此时罐内温度即前文提及的可达温度。当地秋季平均气温为 15，冬季平均气温为 8，将相关参数代入式(4)与式(5)，可得 CST 厌氧罐秋季可达温度为 24.3，冬季可达温度为 15.9。实际中由于换热器内循环水进出水温度不同、换热器位置等因素影响，CST 厌氧罐内温度呈一定梯度分布，故采用 CST 厌氧罐内两区域(0 5.4m 和 5.4 13.1 m)温度梯度及两区域交界面(5.4m)温度 T5.4对其内温度分布进行表征，代入相关参数至式(6)与式(7)，得秋冬季厌氧罐内温度分布如下图(选取 11 月份代表秋季，因其平均温度与当地秋季均温相同;选取 12 月中旬至 1 月中旬代表冬季，因其平均温度与当地冬季均温相同;图中各参数平均值的直线均已画出)。由图 3 可得，当外界平均温度为 14(秋季)时，罐内 5.4 m 处平均温度 T5.4=25.4，平均温度梯度grad1=1.83/m，grad2=0.80/m。由图 4可得，当外界平均温度为 6.3(冬季)时，T5.4=19.6，grad1=1.44/m，grad2=1.06/m。可见，秋、冬季的grad1均大于grad2，即 CST 厌氧罐内0 5.4 m 区域的温度变化较 5.4 13.1 m 区域的大，可见在设计 CST 厌氧罐时应将搅拌器尽可能置于换热器所在区域，可减小温度梯度，改善换热器所在区域菌群代谢的环境条件。由图 3 和图 4 可以发现，由于厌氧罐聚苯乙烯泡沫层的保温作用，当外界温度小幅改变时，T5.4趋于稳定;但厌氧罐聚苯乙烯泡沫层的保温作用有一8572第 6 期戴若彬等:猪场废水处理中的沼气热电联产工程案例分析图 3秋季 CST 厌氧罐内温度分布Fig.3Temperature distribution in CST anaerobicreactor in autumn图 4冬季 CST 厌氧罐内温度分布Fig.4Temperature distribution in CST anaerobicreactor in winter定限度，因此当外界温度大幅变化时(如换季)，T5.4随着温度降低而降低。另由图中数据发现，秋冬季grad1波动幅度大于 grad2，究其原因，温度梯度的变化与对应区域内横截面温度关系密切，由式(4)推断厌氧罐内 0 5.4 m 区域的温度取决于循环水的温度差(供热量)与进水量，因为循环水温差稳定，所以 grad1的变化极可能是由进水量的变化引起的，而由于 5.4 13.1 m 区域无换热器，则 grad2的变化应主要取决于厌氧罐内外的温差。可见，若要使 CST 厌氧罐 grad1波动幅度减小，应尽量保持每日进水量稳定。3结论(1)猪场废水采用二级厌氧-SB-氧化塘工艺处理，经调试厌氧工段处理效果已达预期水平，秋季沼气产量最高可达 1 678 m3/d，沼气产率为 0.38m3/kg COD。(2)厌氧工段所产沼气经沼气发电机组可实现沼气热电联产，沼气发电机组发电效率为 31.3%，秋季沼气发电占污水处理站总用电的 85%以上，冬季占45%以上。机组余热被利用至加热 CST 厌氧罐，余热利用效率为 388%，总能量利用率 达70.1%，沼气热电联产的投资回报期为 3.6 年。(3)CST 厌氧罐秋季可达温度为 24.3，冬季可达温度为 15.9。CST 厌氧罐温度呈一定梯度分布，秋季 T5.4=25.4，grad1=1.83/m，grad2=0.80/m。冬季 T5.4=19.6，grad1=1.44/m，grad2=1.06/m。(4)通过温度梯度对比发现，为保证 CST 厌氧罐处理效果，搅拌器宜尽可能置于换热器所在区域，且控制进水量稳定。参 考 文 献 1Kornboonraksa T.，Lee H.S.，Lee S.H.，et al.Appli-cation of chemical precipitation and membrane bioreactorhybrid process for piggery wastewater treatment.Biore-source Technology，2009，100(6):1963-1968 2李淑兰，吴晓芙，刘英，等.猪场废水处理技术.中南林学院学报，2005，25(5):132-138Li Shulan，Wu Xiaofu，Liu Ying，et al.Summarization forpiggery wastewater treatment technology.Journal of CentralSouth Forestry University，2005，25(5):132-138(in Chi-nese)3余一，郑平，陈小光，等.三种生物质能的发酵利用模式.科技通报，2009，25(6):854-859Yu Yi，Zheng Ping，Chen Xiaoguang，et al.Three typicalfermentation utilization modes of 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