在厭氧條件下厭氧發(fā)酵裝置通過微生物的代謝活動消化降解大部分有機物并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣體，在養(yǎng)殖污水處理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)在厭氧消化工藝技術(shù)、型體結(jié)構(gòu)及主體材料、應(yīng)用效應(yīng)等方面做了大量的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新性研究[1-3]，推動了厭氧消化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，特別是在我國農(nóng)村能源建設(shè)和規(guī)?；B(yǎng)殖場大中型沼氣工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，為提供清潔能源和養(yǎng)殖污染物處理做出巨大貢獻。但是，厭氧消化環(huán)境條件要求高密封性、技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)性以及工藝運行的高效性和穩(wěn)定性，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新性應(yīng)用，針對厭氧發(fā)酵裝置建造基材及其相應(yīng)配套技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，已成為諸多專家學(xué)者和政府職能部門共同關(guān)注的熱點，以期突破厭氧消化技術(shù)應(yīng)用的高成本、低效應(yīng)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)短板。
但目前應(yīng)用的沼氣池、罐等厭氧裝置還有諸多缺點，如沼氣池建池成本高、浮渣易結(jié)殼導(dǎo)致原料利用率和產(chǎn)氣率低。為實現(xiàn)發(fā)酵裝置高效產(chǎn)氣，國內(nèi)外許多學(xué)者在攪拌系統(tǒng)和增溫系統(tǒng)方面開展了大量的研究工作-5]。呂建強等°設(shè)計了一種PJ一240型液殼破碎攪拌器，與沼氣池綜合服務(wù)車配套使用，對沼氣池日常使用中出現(xiàn)的浮渣結(jié)殼進行破碎，提高了沼氣池產(chǎn)氣量。李金平等研究了環(huán)境溫度在—19.8~～—10.0℃時，采用2.96 m2的全玻璃真空管太陽能熱水器加熱3 m3軟體沼氣池的產(chǎn)氣性能，平均日產(chǎn)沼氣1.380 m3，池容產(chǎn)氣率為0.46 m3- m-3 - dT'，甲烷平均體積分?jǐn)?shù)58.2% ,系統(tǒng)可保證4~5口農(nóng)戶的生活燃氣需求。然而，大部分的研究都是在小型試驗裝置上進行，個別中試研究造價不菲。為此，在課題組前期研究的基礎(chǔ)上[87，研發(fā)一種新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置,并在福建莆田某規(guī)?；B(yǎng)豬場開展示范應(yīng)用，并跟蹤監(jiān)測其應(yīng)用效果。
1規(guī)模化養(yǎng)豬場及糞污水質(zhì)概況
福建莆田某規(guī)?；B(yǎng)豬場是一家國家生豬儲備基地，母豬存欄5000頭，生豬存欄50000頭。豬場實行雨污分流，采用干清糞＋刮糞板的清糞工藝，糞污日排放量894 t，總固體50.2 t。
2新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置構(gòu)造
新型HDPE厭氧發(fā)酵裝置為本課題組的前期研究成果1(專利號:ZL.2016210744262)。該裝置以高密度聚乙烯膜(HDPE膜》為厭氧發(fā)酵裝置建造材料，充分保障了厭氧發(fā)酵裝置材料力學(xué)性能及密封性﹔在型體設(shè)計上采用橢球體結(jié)構(gòu)設(shè)計(a一Kb和c一b/K，所以V一4Tb/3，參數(shù)K值的選擇結(jié)合建設(shè)場地條件按c≤5 m條件確定，橢球體長軸半徑a、短軸半徑b、Z軸軸向半徑c);在進料管處設(shè)計90°叉形管形成雙向射流，實現(xiàn)厭氧裝置內(nèi)新舊料液的無動力均衡攪拌﹔在覆膜厭氧裝置內(nèi)設(shè)計螺旋式導(dǎo)熱管[10，熱能來源于沼氣發(fā)電余熱"，實現(xiàn)養(yǎng)殖污水處理厭氧消化附產(chǎn)物的高值化循環(huán)利用。HDPE裝置構(gòu)造示意圖如圖1所示。3新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置的應(yīng)用3.1新型HDPE裝置設(shè)計規(guī)模
福建莆田某規(guī)?；B(yǎng)豬場豬場糞污日排放量894 t，以HRT一35d計，依據(jù)厭氧消化反應(yīng)裝置的總有效容積計算公式:V-QT，式中V一厭氧反應(yīng)裝置的總有效容積(m3)、0一設(shè)計處理量(m3- d ')、T一設(shè)計水力停留期(d)，設(shè)計新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置總有效容積為894t - d' ×35 d=31290 m3，取K一4.0計算求得b一19.5、c=4.9、a=78。
3.2新型HDPE裝置選材
綜合建設(shè)要求、建設(shè)條件和建設(shè)所在地特點，選用由97.5%高密度聚乙烯及2.5%的炭黑組成的HDPE防滲膜,化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較高的剛性和韌性，機械強度好，耐環(huán)境應(yīng)力開裂與耐撕裂強度性能好，具有優(yōu)秀的抗老化、抗紫外線、抗分解能力，可裸露使用，材料使用壽命達30~50年，為環(huán)境滲透提供很好的材料保證。
為穩(wěn)定養(yǎng)殖有機廢水的處理規(guī)模與水質(zhì)，并綜合考慮HDPE膜成本，下覆膜選用1.5 mm 的HDPE防滲膜。上覆膜即在 HDPE裝置頂面覆蓋一層 HDPE膜漂浮在污水水面上，由于常年被太陽暴曬，必須含紫外線吸收劑等，因此，選擇2.0mm HDPE防滲膜保證其使用壽命。
3.3新型HDPE裝置建設(shè)方案
HDPE裝置施工過程簡單，包括土方開挖、基礎(chǔ)夯實、集氣管鋪設(shè)、底膜及邊坡鋪設(shè)、頂膜鋪設(shè)和沼氣利用設(shè)施安裝等過程。
3.3.1土方開挖挖設(shè)78 m×20 m×5 m(取整數(shù)）的半橢球形凹坑，在離凹坑邊緣1.0 m挖設(shè)錨固溝，溝的深度和寬度分別為1.0 m，清理坑內(nèi)及溝內(nèi)硬物并均勻碾壓夯實，碾壓密度達到《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T231—98)的要求。
3.3.2管道鋪設(shè)沼氣池開挖后，根據(jù)現(xiàn)場實際狀況，開挖盲溝，鋪設(shè)進水管、出水管、排渣管等，排渣管底部緊貼底膜，進料管位于離底部2/3高度之橢圓長軸頂端處，出料管高出進料管20~30mm。進料管端口安裝90"叉形管，叉形管的交叉點位于橢圓形長軸位置的1/16，叉形管的兩出料點連線中點位于橢圓形長軸的1/8位置。底膜內(nèi)側(cè)設(shè)計環(huán)形導(dǎo)熱管，呈倒錐形彈簧布置,其進端位于下部，導(dǎo)熱管的出端位于上部，導(dǎo)熱管的進、出端錯位180”。
3.3.3 HDPE膜鋪設(shè)采用1.5 mm厚度的HDPE防滲膜進行底部防滲，膜與膜之間接縫的搭接寬度不小于100 mm，使接縫排列方向平行于最大跛腳線，即沿坡度方向排列。HDPE膜焊接多使用楔焊機和擠壓熔焊機。接縫寬度范圍內(nèi)有兩道焊縫(雙保險)，每道焊縫寬度不小于10 mm，焊縫處HDPE防滲膜熔接為一個整體，不得出現(xiàn)虛焊、漏焊或過焊。避免邊坡膜面“起鼓”或“懸空”.沼氣池基礎(chǔ)設(shè)施、管道鋪設(shè)、底膜鋪設(shè)都完成后，采用2.0 mm厚度的HDPE膜進行整體焊接覆蓋頂部。HDPE底膜鋪設(shè)后，素土填20 cm厚，待鋪頂膜后，錨固溝用素土填平夯實。
3.4新型HDPE裝置建設(shè)成本概算
豬場常年存欄規(guī)模為母豬5000頭、生豬50000頭。經(jīng)核算，建設(shè)31290 m3HDPE厭氧發(fā)酵裝置的總投資為190萬元。其中，挖土方、焊接及工人工資等建筑工程費為135萬元;根據(jù)橢球體表面積公式S=4/3T (ab+ bc+ ac）及10%余量（錨固、搭接及漏補焊部分)，HDPE裝置所需的1.5 mmHDPE膜為35元·m2、2.0 mm HDPE膜為40元·m，加上 PE管、PVC管的少量費用，建筑材料費為55萬元。HDPE厭氧發(fā)酵裝置整體工程造價約為60元·m3，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土沼氣池的建造成本1200元·m3相比，節(jié)約建造成本3650萬元;與陳賀亮等12]計算的沼氣池整體工程造價149元·m3相比，節(jié)約建造成本278.5萬元。
4運行效果與經(jīng)濟效益分析
4.1水質(zhì)檢測結(jié)果
HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置運行效果較穩(wěn)定，在2017年1月至12月期間對該HDPE發(fā)酵裝置進出口多次采樣檢測，主要污水指標(biāo)參數(shù)CODcr、BODs、ss、大腸桿菌和蛔蟲卵見表1所示。糞便污水經(jīng)過HDPE裝置后，CODcr、BOD。去除率分別達到83.9% 、85.2%，懸浮物指標(biāo)SS去除率達到85.6%，大腸桿菌和蛔蟲卵去除率分別達到92.3%和94.7%。說明在厭氧發(fā)酵中HDPE裝置運行效果較好，也說明厭氧發(fā)酵是污水處理中的重要環(huán)節(jié)。
2017年1月至12月期間，HDPE裝置發(fā)酵溫度、CODe和容積產(chǎn)氣率隨時間變化情況運行效果如圖2、3所示。全年沼氣池平均進料CODer6 799.2 mg · LT，全年沼氣池平均出料CODer1099.2 mg · L-'，cODe去除率83.9 % ﹔全年沼氣發(fā)酵溫度平均35℃，沼氣容積產(chǎn)氣率為0.79
3.,
m m . d' ，比官雪芳等13設(shè)計的聯(lián)動沼氣池
發(fā)酵工藝沼氣容積產(chǎn)氣率(0.75 m3· m3. d ' )提高了5.3%，這與新型HDPE厭氧裝置的設(shè)計與HDPE防滲膜材料緊密相關(guān)，HDPE厭氧裝置的優(yōu)點主要體現(xiàn)在中溫動態(tài)發(fā)酵，由此提高了容積產(chǎn)氣率。
該HDPE裝置恒溫產(chǎn)氣系統(tǒng)可全年穩(wěn)定連續(xù)運行，容積產(chǎn)氣率為0.79 m3. m3 .d ' ,31290 m3HDPE厭氧發(fā)酵裝置全年累計產(chǎn)氣902.2萬m3;以1 m3發(fā)1.5度電，及每度電上網(wǎng)電價0.7元計，則年發(fā)電收益為812萬元，扣除建設(shè)成本190萬元，年盈利622萬元，具有顯著的經(jīng)濟效益。
5討論與結(jié)論
在莆田市氣候條件下，新型HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置內(nèi)設(shè)置熱交換系統(tǒng)，利用發(fā)電機產(chǎn)生的余熱對HDPE防滲膜厭氧發(fā)酵裝置進行加熱，并在進料管處設(shè)計90°叉形管，系統(tǒng)實現(xiàn)了35℃恒溫動態(tài)厭氧發(fā)酵，提高了HDPE裝置冬季的產(chǎn)氣效果。通過對HDPE厭氧裝置實際運行12個月情況的測試，結(jié)果表明:HDPE厭氧發(fā)酵裝置全年沼氣發(fā)酵溫度平均35℃，平均池容產(chǎn)氣率為0.79m3·m—3· d7'，比常規(guī)傳統(tǒng)沼氣池最高的 0.3m3-m-8· d―1提高了163% ,CODcr、BOD。去除率、懸浮物指標(biāo)SS去除率分別達到83.9%、85.2% 、85.6%，大腸桿菌和蛔蟲卵去除率分別達到92.3%和94.7%。這是由于厭氧裝置內(nèi)設(shè)計了新舊料液無動力均衡攪拌和恒溫裝置，在恒溫狀態(tài)下保證充分?jǐn)噭恿嗽撗b置中的厭氧菌，增加了甲烷菌和發(fā)酵原料的分布均勻度及接觸概率﹐保證沼氣池內(nèi)發(fā)酵溫度的均一穩(wěn)定，提高甲烷菌活動能力和繁殖能力，加快發(fā)酵原料中有機質(zhì)的分解速度以及甲烷氣體從液體中分離的速度，從而提高沼氣池產(chǎn)氣率;同時也有利于進一步提高厭氧產(chǎn)氣效率和出水水質(zhì)，并實現(xiàn)了養(yǎng)殖污水處理厭氧消化附產(chǎn)物的高值化循環(huán)利用。
作者：肖艷春， 黃 婧， 李 潔，陳 彪
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