馬玉新， 趙文軍， 賈學(xué)斌， 馬維超， 陶 冉

（1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱150080；2.黑龍江大學(xué) 黑龍江省村鎮(zhèn)飲水安全工程技術(shù)研究中心，哈爾濱150080）

0 引 言

近年來，在國家政策引導(dǎo)下，黑龍江省禽畜養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速［1-3］。畜禽養(yǎng)殖會產(chǎn)生大量的糞污，成為主要的污染源之一，如處理不當(dāng)會引發(fā)環(huán)境污染［4-6］。厭氧發(fā)酵是禽畜養(yǎng)殖廢水處理的一個重要工藝單元［7-9］。厭氧處理受多種環(huán)境因素的影響，其中溫度是影響沼氣發(fā)酵的重要因素［10-12］。溫度波動同樣會影響厭氧發(fā)酵過程中微生物菌群的活性，從而對產(chǎn)氣效率產(chǎn)生影響［13］。而黑龍江省冬季漫長寒冷，氣溫較低，反應(yīng)體系內(nèi)外溫差大，在無增溫措施時其溫度會降低或溫度波動過大，造成沼氣產(chǎn)量低，甚至無法維持發(fā)酵系統(tǒng)本身的運(yùn)行［14-15］。沼氣工程多采用熱源來提供系統(tǒng)維持溫度穩(wěn)定需要的能量［16-17］。根據(jù)能量平衡估算，當(dāng)發(fā)酵溫度為35℃時，物料加熱的耗能占總能耗的90%以上，發(fā)酵溫度每提高1℃，則用于物料加熱的能耗和反應(yīng)器通過熱輻射損失的能量就要增加4%左右［18-19］。為了降低系統(tǒng)冬季運(yùn)行的費(fèi)用，同時保證其在冬季運(yùn)行的穩(wěn)定性，可適當(dāng)?shù)亟档桶l(fā)酵溫度。目前，該方面計算和研究較少。因此，本文以運(yùn)行溫度為出發(fā)點(diǎn)，兼顧能量獲取和環(huán)境保護(hù)兩個方面，以生豬養(yǎng)殖廢水作為處理物質(zhì)，利用黑龍江省近5年的日平均氣溫數(shù)據(jù)來計算沼氣工程的產(chǎn)能和耗能情況，從而得到黑龍江省沼氣工程在最大原料產(chǎn)氣率和最大容積產(chǎn)氣率兩種運(yùn)行模式下的最適運(yùn)行溫度，為已建的禽畜養(yǎng)殖廢水厭氧反應(yīng)器運(yùn)行的節(jié)能增效提供技術(shù)和計算方法支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文分析采用的生豬養(yǎng)殖糞水的厭氧處理運(yùn)行工藝參數(shù)如表1所示［20］。以黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)某沼氣工程的一次厭氧反應(yīng)器為例進(jìn)行能量平衡估算，厭氧反應(yīng)器的材質(zhì)為6 mm的不銹鋼板，尺寸如圖1所示。每日進(jìn)水量和濃度根據(jù)最大容積產(chǎn)氣率和最大原料產(chǎn)氣率所對應(yīng)的工藝條件進(jìn)行計算。

表1 生豬養(yǎng)殖廢水厭氧發(fā)酵運(yùn)行數(shù)據(jù)[20]Table 1 Anaerobic experimental data of swine slurry[20]

1.2 最適運(yùn)行溫度計算

1.2.1 產(chǎn)能計算

厭氧反應(yīng)每年總產(chǎn)能E為［19，21］：

式中：E為年總產(chǎn)能，kJ·a-1；TS為料液總固體含量，%；Win為每日進(jìn)料量，t·d-1；q為原料產(chǎn)氣率，m3·（kg·TS）-1；e為沼氣熱值，kJ·m-3，本文取21 000 kJ·m-3。

1.2.2 耗能計算

在沼氣工程實(shí)際運(yùn)行過程中，其耗能主要為反應(yīng)器主體散熱、管道散熱、出料帶走的熱量、氣體帶走的能量、物料加熱的耗能以及攪拌等的能耗，其中沼氣帶走的能量及攪拌等的能耗可以忽略不計［15，22］。

（1）每天加熱物料所需的熱量為：

式中：Q1為用于加熱物料的能量，kJ·a-1；Win為每日進(jìn)料量，t·d-1；C為厭氧發(fā)酵液的比熱容，kJ·（kg·K）-1，本文取4.2 kJ·（kg·K）-1；T為厭氧發(fā)酵溫度，℃；Ts為環(huán)境溫度，℃，如Ts≤0℃時，令Ts=0［21］。

（2）散熱

厭氧反應(yīng)器的散熱損失為［18，20］：

圖1 厭氧反應(yīng)器示意圖Fig.1 Diagram of anaerobic reactor

式中：Q2為厭氧反應(yīng)器的散熱量，kJ·a-1；S為厭氧反應(yīng)器頂、壁和底的散熱面積，m2；T為厭氧反應(yīng)器運(yùn)行溫度，℃；Ts為環(huán)境溫度，℃；K為厭氧反應(yīng)器頂、壁和底部的傳熱系數(shù)，kJ·（m2·h·℃）-1，其計算公式為：

式中：K為厭氧反應(yīng)器頂、壁和底的傳熱系數(shù)，kJ·（m2·h·℃）-1；α1為厭氧反應(yīng)器內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kJ·（m2·h·℃）-1，污泥和沼氣傳到不銹鋼罐壁導(dǎo)熱系數(shù)分別為1 256和31.4 kJ·（m2·h·℃）-1；α2為厭氧反應(yīng)器外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kJ·（m2·h·℃）-1，罐外壁到空氣和土壤的導(dǎo)熱系數(shù)分別為23和4.2 kJ·（m2·h·℃）-1；σ為厭氧反應(yīng)器各部分結(jié)構(gòu)層和保溫層厚度，m；λ為厭氧反應(yīng)器各部分結(jié)構(gòu)層和保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，kJ·（m2·h·℃）-1，本計算設(shè)定保溫層厚度為0，反應(yīng)器材質(zhì)為不銹鋼，厚度為6 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為58 W·（m·K）-1。

將E/Q值最大對應(yīng)的溫度定義為最適運(yùn)行溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 以原料產(chǎn)氣率計算

2.1.1 基于最大原料產(chǎn)氣率的產(chǎn)能和耗能計算

在原料產(chǎn)氣率較高時，COD的去除率也相應(yīng)較高，廢水處理程度提高。因此，從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，以最大原料產(chǎn)氣率及相應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷計算最適經(jīng)濟(jì)溫度，此條件下的COD去除率較高。根據(jù)表1中的最大原料產(chǎn)氣率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［20］擬合得到產(chǎn)能E、加熱所需要能量Q1和散熱Q2與發(fā)酵溫度T的關(guān)系分別符合公式：E=1.07×107T2-2.132×108T+9.52×108（R2=0.97）、Q1=2.32×107T2-5.85×108T+3.84×109（R2=0.997）和Q2=1×106T2+3×107T+4×108（R2=0.999），如圖2所示。這三個公式均經(jīng)過ANOVA檢驗(yàn)，其Prob＞F分別為0.004 33、0.000 09和0.000 004。因此，其可以表示產(chǎn)能E、加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與發(fā)酵溫度T之間的變化關(guān)系。

2.1.2 最適溫度的計算

E/Q～T的關(guān)系如圖3所示，可以看出，E/Q的變化可以分為3個階段：在10℃～20℃，E/Q隨厭氧發(fā)酵溫度的增加呈線性增加的趨勢，且增長速度緩慢；當(dāng)溫度從20℃升高到25℃，E/Q迅速升高；在25℃～35℃，E/Q呈先降低后增加的趨勢。因此，以最大原料產(chǎn)氣率計算，在10、15、20、25、30和35℃這6個發(fā)酵溫度中，25℃是最適宜的發(fā)酵溫度。當(dāng)厭氧發(fā)酵溫度為25℃時，有機(jī)負(fù)荷為4.0 g TS·（L·d）-1時，生豬養(yǎng)殖廢水的COD的去除率可達(dá)到87.0%，兼顧了產(chǎn)能和污水處理效果［20］。

圖2 E～T、Q1～T和Q2～T曲線Fig.2 Curves of E～T，Q1～T and Q2～T

圖3 E/Q～T曲線Fig.3 Curve of E/Q～T

2.2 基于最大容積產(chǎn)氣率的最適經(jīng)濟(jì)溫度計算

2.2.1 基于最大容積產(chǎn)氣率的產(chǎn)能和耗能計算

如果利用沼氣工程處理生豬養(yǎng)殖廢水主要是為了最大化的獲取能量，那么最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度應(yīng)采用最大容積產(chǎn)氣率進(jìn)行計算。根據(jù)表1中的最大容積產(chǎn)氣率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［20］擬合得到產(chǎn)能E、加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與溫度T的關(guān)系分別符合公式：E=4×107T2-6×108T+2×109（R2=0.990）、Q1=4×107T2-8×108T+4×109（R2=0.999）和Q2=1×106T2+3×107T+4×108（R2=0.999），如圖4所示。這三個公式均經(jīng)過ANOVA檢驗(yàn)，其Prob＞F分別為0.000 96、0.000 038 3和0.000 004。因此，其可以表示產(chǎn)能E、加熱所需要的能量Q1和散熱Q2與溫度之間的變化關(guān)系。

Q1/Q隨溫度的變化如圖5所示。由圖可知，當(dāng)沼氣工程無論是按照最大容積產(chǎn)氣率還是原料最大產(chǎn)氣率運(yùn)行時，加熱物料所需的熱能均隨著發(fā)酵溫度的升高而增加，按最大容積產(chǎn)氣率運(yùn)行時的Q1/Q比按原料最大產(chǎn)氣率運(yùn)行時的Q1/Q約高30%。例如在25℃時，沼氣工程以最大容積產(chǎn)氣率和最大原料產(chǎn)氣率運(yùn)行時，Q1/Q的值分別為85.7%和67.0%，增加了27.9%。究其原因是由于最大原料產(chǎn)氣率和最大容積產(chǎn)氣率兩種模式下沼氣工程運(yùn)行的有機(jī)負(fù)荷不同，最大容積產(chǎn)氣率模式沼氣工程的有機(jī)負(fù)荷相對較高。文獻(xiàn)［20］采用進(jìn)料VS不變、改變進(jìn)料體積（不同停留時間）來改變有機(jī)負(fù)荷。最大原料產(chǎn)氣率模式對應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷為4.0 g TS·（L·d）-1，水力停留時間（HRT）為2.5 d，而最大容積產(chǎn)氣率模式對應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷為6.0 g TS·（L·d）-1，水力停留時間為1.7 d。因此，最大容積產(chǎn)氣率模式，由于料液停留時間短，加入的料液量較最大原料產(chǎn)氣率模式多了1/3，故所需要的加熱能量也相應(yīng)增加了約30%。

圖4 E～T、Q1～T和Q2～T曲線Fig.4 Curves of E～T，Q1～T and Q2～T

圖5 Q1/Q隨溫度的變化Fig.5 Curves of Q1/Q～T

2.2.2 最適溫度的計算

圖6 E/Q～T曲線Fig.6 Curve of E/Q～T

以最大容積產(chǎn)氣率為沼氣工程的運(yùn)行條件時，其E/Q～T的關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯?，E/Q呈隨厭氧發(fā)酵溫度先增高后降低，然后再升高的趨勢。當(dāng)溫度從10℃升高到25℃，E/Q迅速升高；在25～30℃，E/Q呈降低趨勢；30℃之后，E/Q又開始升高。因此，以最大容積產(chǎn)氣率計算，在10、15、20、25、30和35℃這6個發(fā)酵溫度中，25℃最為適宜。當(dāng)厭氧發(fā)酵溫度為25℃，有機(jī)負(fù)荷為6.0 g TS·L-1，水力停留時間1.7 d時，生豬養(yǎng)殖廢水的COD的去除率可達(dá)50.9%以上，但產(chǎn)能是最大原料產(chǎn)氣率的4倍。

當(dāng)有機(jī)負(fù)荷和水力停留時間相同時，沼氣工程運(yùn)行溫度為25℃和30℃的能量值如表4所示。由表可知，當(dāng)其他操作條件相同時，發(fā)酵溫度越高，產(chǎn)能與耗能之間的差值越大。兩種運(yùn)行模式下，沼氣工程運(yùn)行溫度由25℃升高到30℃，其產(chǎn)能增加約6.0%，但能量需求增加30%左右。因此，提高發(fā)酵溫度意味著需要投入更多的資金來維持沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，黑龍江省已經(jīng)建設(shè)的沼氣工程有10多萬處，大部分發(fā)酵溫度在30℃左右。如果現(xiàn)有的沼氣工程按照最適經(jīng)濟(jì)溫度運(yùn)行，那么耗能可下降20%，而產(chǎn)能僅下降6%左右。因此，冬季可節(jié)省大量的運(yùn)行成本。

表4 產(chǎn)能、耗能計算表Table 4 Value of E and Q under 30℃and 25℃

3 結(jié) 論

利用生豬養(yǎng)殖廢水半連續(xù)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)黑龍江省近五年的逐日平均氣溫數(shù)據(jù)，計算了黑龍江省沼氣工程的最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度，結(jié)果如下：

（1）在10℃～35℃，黑龍江省的沼氣工程的最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度為25℃。

（2）在按最大容積產(chǎn)氣率計算得到的最適經(jīng)濟(jì)溫度及相應(yīng)的工藝條件下，生豬養(yǎng)殖廢水COD的去除率可達(dá)到50.9%以上，但產(chǎn)能是最大原料產(chǎn)氣率的4倍；在按最大原料產(chǎn)氣率計算得到的最適經(jīng)濟(jì)溫度及相應(yīng)的工藝條件下，生豬養(yǎng)殖廢水COD的去除率可達(dá)到87%以上，兼顧了產(chǎn)能和污水處理效果。

（3）沼氣工程運(yùn)行溫度由30℃下降到25℃，耗能可下降約20%，而產(chǎn)能僅下降6%左右，達(dá)到了節(jié)能增效的目的。