黑龙江省生猪养殖废水沼气工程最适运行温度模拟分析

2020-05-17史风梅裴占江佟启玉卢玢宇高亚冰

中国沼气 2020年5期

史风梅，刘娣，裴占江，王粟，佟启玉，卢玢宇，高亚冰，刘杰

(1.黑龙江省农业科学院农村能源与环保研究所, 哈尔滨 150086；2.农业部种养循环重点实验室，哈尔滨 150086；3.黑龙江省秸秆能源化重点实验室，哈尔滨 150086；4.黑龙江省农垦总局能源办公室，哈尔滨 150036)

近年来，随着南方生猪规模养殖的快速发展、环境压力的持续上升以及国家环保政策的不断收紧，国家出台了第一个生猪生产发展规划《全国生猪生产发展规划(2016～2020年)》，生猪养殖开始向北迁移。黑龙江省因具有优良的生态环境、冷凉的气候条件和丰富的饲料资源而成为重要的生猪养殖省份，生猪养殖发展迅速[1]。据统计，2018年，黑龙江省的生猪存栏量和出栏量分别为1353.2万头和1964.4万头[2]。然而，在生猪养殖过程中会产生大量由猪尿、部分猪粪和猪舍冲洗水等组成的养殖污水[3]。采用干清粪工艺和水冲工艺时，1头猪平均每天的污水排放量分别约为15和30 kg[4]。生猪养殖废水中的pH值，COD，BOD5，悬浮物SS和NH3-N分别在7.0～9.0，7000～11000 mg·L-1，6000～10000 mg·L-1，2000～4000 mg·L-1和800～1300 mg·L-1，处理难度较大，易引发一系列环境问题[5-7]。厌氧发酵技术是目前国内比较常用的处理养殖废水的技术之一[8-10]。温度是影响厌氧发酵进程和产气效率的重要因素[11-12]。与接种率、原料添加量和搅拌速率相比，温度对厌氧产气效率及过程的影响最为显著[13-14]。厌氧发酵温度过高或过低都会影响沼气工程的产气效率[15-16]。发酵温度越高就意味着越多的能量投入，尤其是在高纬度地区，冬季漫长，温度低，发酵温度过高会导致投入产出失衡，影响沼气企业的正常运营。产能与耗能的比值越大，沼气工程运行的能效就越高。而最大的产能与耗能的比值对应的厌氧发酵温度可视为最适经济运行温度。不管沼气工程建设的目的是为了环境保护还是为了尽可能获取最多的能量，都需要适宜的运行温度，以实现经济效益最大化。因此，本文利用黑龙江省近5年的日平均气温以及历史最低日平均气温，计算沼气工程的产能和耗能情况，从而得到黑龙江省生猪养殖废水沼气工程的最适经济运行温度，以及相应的保温层厚度，并在黑龙江省进行了沼气工程验证。该文可为已建的北方沼气工程节能增效以及新建沼气工程保温层敷设提供计算方法和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与方法

猪粪水厌氧发酵实验：新鲜猪粪和接种活性污泥分别由黑龙江省哈尔滨市某养殖场和黑龙江省哈尔滨市良大实业有限公司提供，其化学性质见表1。称取适量猪粪和接种物置于5000 mL实验瓶中，用去离子水调节至3000 mL，分别在14℃，17℃，20℃，23℃，26℃，29℃，32℃和35℃的水浴槽内进行厌氧发酵。待沼气中甲烷含量约达到60%开始每天进200 mL料，进料有机负荷3 gVS·L-1d-1，出上清液200 mL。利用Excel对所得数据进行统计分析、计算和作图。

表1 试验材料基本物化性质 (%)

1.2 最适经济温度计算

利用上述实验数据进行模拟计算，模拟的厌氧反应器材质为6 mm的不锈钢板，具体尺寸如图1和表2所示[17-18]。

图1 厌氧反应器图

表2 厌氧反应器尺寸[18]

沼气工程的能量可以分为产生能量和消耗能量两部分，寒区沼气工程需要的能量(Q)、主要有加热物料所需的热量(Q1)、厌氧反应器散失热量(Q2)、输热管道散失热量补偿(Q3)、沼气排出和水蒸气蒸发所带走的热量(Q4)[19-20]。沼气工程的进料管路一般都较短，而且有较好的保温措施，故管路热损失较罐体散失热量、加热物料所需热量而言可以忽略不计。Q3和Q4一般在工程上可不考虑[19]。

沼气工程需要的热量：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q为沼气工程需要的能量，kJ·a-1；Q1为加热物料所需的热量，kJ·a-1；Q2为厌氧反应器散失的热量，kJ·a-1。

1.2.1 产能计算

沼气工程每年产生总能量按下式计算[19-20]：

(2)

式中：E为年产沼气可提供的能量，kJ·a-1；TS为进料中总固体含量，%;Win为日进料量，t·d-1;q为原料产气率，m3·kg-1TS;e为甲烷热值，本文取20921 kJ·m-3。

1.2.2 耗能计算

在沼气工程实际运行过程中，其耗能主要为反应器主体热量损失、管道热量损失、进出料的热耗、气体带走能量以及搅拌等的能耗，其中沼气带走的能量及搅拌等的能耗可以忽略不计[18, 21]。

1.2.2.1 每天加热物料所需的热量

每天加热物料所需的热量见公式(3)：

(3)

式中：Q1为加热物料所需的热量，kJ·a-1；Win为日进料量，t·d-1;C为料液的比热容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2；T为发酵温度，℃；Ts为环境温度，℃，为黑龙江省近5年每日平均温度，当其小于0℃时，Ts取值为0[20]。

1.2.2.2 散热

罐体的散热按照公式[19]：

(4)

式中：Q2为厌氧反应器散失的热量，kJ·a-1；S为罐顶、罐壁和罐底的散热面积，m2；T为发酵温度，℃；Ts为环境温度，Ts 温度为近5年每日的平均温度，℃；K为罐顶、罐壁和罐底的传热系数，kJ·m-2h-1℃，按照公式(5)计算：

(5)

式中：K为罐顶、罐壁和罐底的传热系数，kJ·m-2h-1℃；α1为内表面传热系数，W·m-2h-1℃；α2为外表面传热系数，W·m-2h-1℃；σ为罐体各部分结构层和保温层厚度，m；λ为罐体各部分结构层和保温层导热系数，W·m-2h-1℃。

当E/Q值最大时对应的温度定义为最适经济运行温度。

1.3 保温层厚度计算

然后将最适经济运行温度和日平均最低温度Tmin代入公式(4)得到最高散热量Q2max，然后按照公式(6)[17]得到日最大温降ΔTmax，也可据此确定ΔTmax时的Q2max以及公式(4)和(5)得到保温层厚度，本文计算ΔTmax=0.5℃时的保温层厚度。

(6)

式中：ΔTmax为无加热时的最大温降，K；Q2max为根据日平均最低温度计算得到的厌氧反应器的散热，kJ·d-1；V为厌氧反应器的有效容积，m3；c为料液的比热容，kJ·kg-1K-1，本文取4.2。

计算中所涉及到的传热系数见表3[17,19]。

表3 相关导热系数[17,19]

2 结果

2.1 发酵温度与产气量之间的关系

厌氧发酵的过程是菌群生命活动的过程，而菌群的生命活动受温度的影响，因此厌氧反应受温度影响。图2为不同厌氧发酵温度条件下得到的原料产气率。由图2可知厌氧发酵温度升高，原料的产气率是增加的。经拟合得到原料产气率V与厌氧发酵温度T(14℃～35℃)的关系：

图2 原料产气率与温度的关系

V=-0.1722T2+19.14T-184.32R2=0.9836

公式均经过ANOVA检验，其Prob>F为0.00035, 该公式可表示原料产气率V与厌氧发酵温度T之间的关系。

2.2 能量平衡计算

根据图2中的实验数据，利用公式(1)～(4)计算得出产能E、加热所需要能量Q1和散热Q2，拟合得到产能E、加热所需要能量Q1和散热Q2与发酵温度T的关系分别符合公式：

E=616264T3-5×107T2+1×109T-1×1010(R2=0.995)

Q1=7×107T-5.0×108(R2=0.994)

Q2=8×107T-2×108(R2=0.994)

这3个公式均经过ANOVA检验，其Prob>F分别为0.00057，6.48×10-8和6.48×10-8。因此其可以表示产能E，加热所需要的能量Q1和散热Q2与发酵温度T之间的变化关系(见图3)。

图3 E，Q1和Q2与发酵温度变化关系曲线

2.3 最适温度的计算

E/Q～T的关系图见图4。由图4可以看出，E/Q的变化可以分为3个阶段：在13℃～20℃范围内，E/Q随厌氧发酵T的增加呈线性增加的趋势，在20℃达到了1.165，当温度从20℃升高到32℃，E/Q迅表现出下降的趋势；从32℃～35℃，E/Q又表现为增加的趋势，在35℃达到了1.105。因此，沼气工程最适运行温度在14℃～23℃之间。在该温度范围，对E/Q～T进行拟合，得到E/Q=-0.017T2+0.6958T-5.9629(R2=0.9999)。通过ANOVA检验，其Prob>F为0.00858。因此其可以表示E/Q与发酵温度T之间的变化关系。利用拟合公式计算得到在14℃～35℃范围内，适宜的厌氧发酵温度为20.6℃，此时的E/Q值可高达1.17。

图4 E/Q～T曲线

3 保温层厚度计算

黑龙江省的历史极端低温出现在该省的漠河市，温度达到了-52.3℃。本文以该温度计算保温层的厚度，得到日最大温降为0.5℃时PVC板和PS板的厚度分别为558和57 mm(见图5)，将其乘以修正系数1.5，分别为837和86 mm。将PS保温板厚度为86 mm这一计算结果在200 m3池容的沼气工程进行验证，结果见表4。因此，在北方地区，采用86 mm厚的PS保温板，可保持沼气工程运行温度波动不超过0.5℃，池容产气率高于0.5 m3·d-1L-1。