爱华网一、国外沼气工程技术的研究与应用进展
自50年代起，发达国家开始进行大规模的集约化养殖，在城镇郊区建立集约化畜禽养殖场。由于每天有大量粪便及污水产生，难以处理利用，造成了严重的环境污染。与此同时，许多发达国家迅速采取措施加以干预和限制，并通过立法进行规范化管理。如：规定每个生产点允许饲养的畜禽数；建场时必须有粪便和污水的储存、处理和利用设施；未经许可不得将污水排入河流和自己挖的粪池；粪便未经无害化处理不得施入耕地。同时还制定了相应的处罚条例。由于畜禽养殖业污染重、影响范围广，而且存在安全卫生和流行疫病隐患，因此一直是各国政府重点管控的领域。从政策法律、技术手段、预防管理等多个层面进行了综合整治，并取得了显著成效。
美国在联邦水污染法中的规定侧重于畜禽养殖场建设管理，超过一定规模的畜禽养殖场，建场必须通过环境许可。美国现有处理市政污水的土地和稳定塘处理系统2万多个，约为该国污水处理厂的13倍。该技术也可以处理一定量畜禽养殖场排出的粪污，它保证养殖场在获得利润的同时，保持良好的环境。此项技术是有占地面积少，维护保养要求少的优点，但建造人工湿地所需的一次性投资费用较高。美国已将畜禽粪污的处理利用作为一门“粪便科学”开展了深入研究，对畜禽养殖场粪污的管理和要求都比较严格，尤其对大规模畜禽养殖场。从政府、科研单位到生产者都十分重视环境保护问题建议加强“环保型”饲料和粪污处理利用技术方面的研究，为畜牧业可持续发展提供有力的技术支撑。其畜禽养殖场多采用防渗的氧化塘(污水塘)处理和贮放粪污，但应防止氧化塘满溢而造成地表渗流污染(如在雨季)及注重粪污的利用，同时也运用现代微生物技术和生物发酵工艺。如：利用发酵塔和造粒机等加工设施，对畜禽粪便通过快速发酵、脱臭和添加复合微肥等生产工艺进行工厂化生产；以及将畜禽粪便加工成系列复合有机肥料。
加拿大对畜禽污染的治理以畜禽粪便的综合利用为主。加拿大由于禁止将畜禽养殖场污水排放到河流中，而是必须将液体肥料还田使用，无需花费大量的资金投入到污水处理上，故堆肥发酵处理方法在加拿大广泛使用。堆肥发酵处理首先要建堆肥处理场，但堆肥场必须建防渗层，地面正常是水泥结构，也可用粘土层作为防渗层。发酵的填料可用锯末、树叶、碎木片、秸秆等。定期翻动，并不断通气和控制水分含量，整个发酵过程约需2－3个月。对畜禽粪便环境污染的管理主要从畜牧业与农业的高度结合，由充足的土地进行消化作为解决畜禽污染的出发点。
日本在70年代发生严重的“畜场公害”后，政府制定了《废弃物处理与消除法》、《防止水污染法》和《恶臭防止法》等7部法律，对畜禽污染管理作了明确的规定。日本多采用干清粪工艺，大大降低了处理投资和成本。
新加坡政府规定，养猪场的污水排放必须小于250毫克／升。为此，养猪场需付出相当高的代价，相当于每销售一头猪分摊7.45美元。
欧洲在畜禽养殖污染防治和沼气能源工程技术的开发研究和应用实践方面，其技术水平和管理经验在世界上位居前列，欧洲也是世界上大中型沼气厂最普及的地区。欧洲沼气技术发展开始于上世纪七十年代，当时人们开始重视可再生能源和绿色能源。到1982年，欧洲已经建成546处厌氧消化设施，总沼气池容为296000m3，这批沼气装置普遍存在有管道堵塞、配套设备质量差、沼气利用方式落后、效率不高等问题，从而导致沼气工程经济效益差，部分沼气池停止使用。从1980年代末到1990年代期间，欧洲建造的沼气工程数量相对较少，但消化工艺和装备质量都明显提高，工程造价也相对降低。这些装置主要采用全混合或推流式厌氧工艺，中温发酵，HRT为20~30天，消化处理单一原料，沼气主要用于室内供暖或热电联用。在技术上，中温和高温下的产气率可达5m3/m3·d，百千瓦量级的沼气发电机组每立方米沼气发电量可达1.4－2.6kWh，发电效率高达40%左右。
欧洲的沼气工厂在90年代进入快速发展期，到2000年以后欧洲的沼气产业更是得到了迅猛发展。在1997年，欧洲仅有沼气工厂767座，2004年发展到4000多座。以德国为例，德国在1997年拥有沼气厂500座，2000年发展到1000座，截至2006年，已经突破3500座。欧洲的沼气工程得到迅速发展的根本原因，在于欧洲各国对可再生能源的鼓励政策（各国政府相继制定了发电上网优惠政策）、严格的环保法律和政府引导下的经济效益驱动。
图1 丹麦沼气工厂的发展历程
近十年来在欧洲建造的大多数农场沼气池都类似于集中厌氧消化系统，既处理畜禽养殖粪便，也处理周边的有机废物。区别在于经营者为个体，而不是农民合作协会或社区经营；装置规模也较小。新建设的厌氧消化装置多采用55~70℃的消化温度，这样有利于消毒和灭活杂草种子。
集中厌氧消化系统代表了目前欧洲沼气工程的发展趋势。即将一定区域内相邻的农场畜禽粪便和其他有机废物收集、运输到一处沼气站集中处理，集中厌氧消化装置的优点是有一定的规模经济效益，可采用较先进的厌氧消化工艺和装置，从而处理效率更高，装置由当地农民合作协会或社区投资和经营。其他有机废物包括市政污泥、农业加工厂废物等。集中厌氧消化系统是沼气技术发展到今天，是顺应环境可持续行动的结果，将更有利于对有机废物的管理和循环利用。集中厌氧消化系统发展较快的欧洲国家主要是丹麦、德国、英国和瑞典。
图2 德国典型的沼气工厂
图3 丹麦典型的沼气工厂
集中厌氧消化系统最早于在1980年代末从丹麦开始运作。消化装置规模在2000~4000m3，采取中温或者高温厌氧，消化工艺主要是CSTR和推流式消化工艺，停留时间在12~20天。沼气一般用于当地社区集中供热，或热电联用。沼渣或者直接撒播还田，或者经过固液分离后，制作肥料。
图4 欧洲典型的沼渣沼液施肥还田方式
下表是对欧洲和中国的沼气工程技术进行的简要分析比较。
表1 欧洲和中国的沼气工程技术
项目 | 中国 | 欧洲 |
工业化沼气能源 工程发展历程 | 刚起步——近3-5年 | 成熟期——25年的经验 |
当前主要驱动力 | 政府压力——解决环境污染 | 企业自发——商业化 |
政府支持力度 | 逐步加大，制定优惠政策 | 已过高峰期，支持弱化 |
技术类型 | 常温、中温消化 | 中温、高温消化 |
技术水平 | 初级阶段 | 高级阶段 |
管理水平 | 不重视、低下 | 自动化、无人值守 |
原料来源 | 单一——粪污 | 组合——粪污、废物、废水等 |
原料投加 | 人工、效率低 | 机械化、效率高 |
产气量 | 1.0-1.8m3/ m3 | 5.0-15m3/ m3 |
沼气利用 | 炊用、发电 | CHP、村镇利用 |
沼液利用 | 应用与设计分离，原始手段 | 与设计一并考虑， 机械化 |
当前，欧洲在沼气能源工程领域几个主要的技术发展方向如下：
（1）增加单位生物原料的沼气产量；
（2）提高固体物质的减少量；
（3）强化预处理，在70℃及133℃杀菌消毒；
（4）减少停留时间（嗜热细菌减少4-6天，嗜温细菌减少7-10天）；
（5）注重设计，减少移动设备和机电消耗；
（6）全过程监控和无人值守管理；
（7）降低运行成本。
二、我国沼气工程技术的现状与应用进展
我国于1979年召开了全国沼气工作会议，1980年成立了沼气工程协会，大中型畜禽养殖场沼气工程技术在近几年得到快速发展。到2005年底，全国已建成养殖场沼气工程3500处。
经过近年来大中型沼气工程的实践和探索，证明比较成功的技术有上流式厌氧污泥床（UASB）、全混式厌氧工艺（CSTR）、上流式污泥床（USR）和塞流式反应器（HCF）等工艺。
UASB工艺是上世纪70年代开发的一种适用于低SS工业有机废水的厌氧处理工艺，并被应用于畜禽养殖场的污水处理，其原理是先对养殖场污水进行固液分离，污水进入UASB反应器进行厌氧反应，产生沼气，出水往往需进一步好氧处理达标排放，是一种以环保治理为主，生产能源为辅的能源环保型沼气工程工艺；USR工艺采用上流式污泥床原理，无内部机械搅拌，产气率在中温条件下，视原料不同在0.8-1.2m3/m3之间；HCF工艺是一种全混式工艺，80年代从欧洲引进，其原理是将粪污按照TS浓度8-12%调配，直接进入带搅拌器的HCF反应器进行厌氧反应，产气率在中温条件下视原料不同在0.8-1.2m3/m3之间，产生的沼渣沼液直接用于农田施肥，也是典型的能源生态型沼气工程工艺。CSTR工艺的进料TS浓度在6-12%范围内，原料泵入带有机械搅拌的CSTR反应器，其容积产气率视原料和温度不同，通常在1.0-5.0m3/m3之间，运行稳定性好，产气率较高。
对于农产品深加工高浓度有机废水处理工艺的核心技术而言，主要有上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）、厌氧内循环反应器（IC）、厌氧过滤器（AF）和厌氧复合床（UFB）等工艺，受进料中的悬浮物（SS）浓度的限制，这些工艺只适用于单纯的废水处理，不适宜用于养殖粪污的处理和综合利用。
图5 国内某万头奶牛场大型沼气发电工程
三、沼气工程的设计原则和工艺选择
根据我国国情，在沼气工程的工艺选择时，一定要结合粪污原料量、沼渣沼液消纳等情况，因地制宜，选择最佳的工艺技术路线。畜禽养殖大中型沼气工程设计的指导思想是以循环利用为基本立足点，以“减量、廉价、实用”为原则，合理规划，防止结合，综合治理。应遵循以下设计原则：
（1）资源化原则
（2）无害化原则
（3）经济性原则
（4）设备成套化原则
基于此，应对常用的沼气工程工艺进行分析比较，结合需要选择合适的工艺技术。
表3 国内外沼气工程主要工艺应用调查表
调查要素 | 常用工艺 | |
沼气规模 | 小型：≤50m3/d | HCF、USR |
中型：50～300m3/d | UASB、USR、CSTR | |
大型：≥300m3/d | CSTR 、USR | |
原料种类 | 猪粪 | CSTR、USR |
牛粪 | CSTR | |
鸡粪 | HCF、USR | |
原料浓度 | ≤1% | UASB |
3-6% | HCF、USR | |
8-12% | CSTR | |
设计温度 | 常温 （25～30℃） | UASB、HCF、USR |
中温 （ 35℃左右） | UASB、USR、CSTR | |
高温 （55℃左右） | CSTR | |
表4 沼气工程常用工艺分析比较表
类别 | CSTR | UASB | HCF | USR |
原料范围 | 所有畜禽原料 | 高COD污水 畜禽污水 | 所有畜禽原料 | 猪粪、鸡粪 |
原料TS浓度 | 6-12% | <1% | 8-12% | 3-5% |
水力停留时间 | 15-30天 | 1-5天 | 10-30天 | 8-15天 |
单位能耗 | 高 | 高 | 低 | 中等 |
单池容积 | 500-4000m3 | 200-5000m3 | 100-300m3 | 200-2000m3 |
操作难度 | 高 | 高 | 低 | 中等 |
产气率 | 1.0-15.0 m3/m3 | 不定  | 0.8-2.0 m3/m3 | 0.4-1.2 m3/m3 |
经济效益 | 较佳 | 较低或负效益 | 中等 | 偏低 |
经过以上对比分析可以看出几种工艺各有所长，USR工艺作为国内较成熟的工艺，尤其适用于中部和南部养猪场粪污处理和集中供气沼气工程，在北方地区冬季运行经济效益不佳；HCF工艺适合各类小型粪污处理沼气工程，有较广阔的应用空间；UASB工艺适用于养猪场的污水处理能源环保型沼气工程，应用范围较窄；应用范围广、适应性强，效益高的工艺是CSTR工艺，有很大的发展潜力。
通常，业主可根据自身的畜禽养殖规模来初步判断和选择沼气工程的工艺和方案，下表可提供这方面的参考。
表5 利用畜禽养殖规模选择沼气工程工艺的参考方法
目前常规的流行工艺系统一般由以下部分组成，即：
①预处理单元。包括预处理池、调配池、增温装置和固液分离设备等装置。这些设备设施对于保证沼气工程系统的稳定运行具有重要作用。
②厌氧消化单元。是工艺的核心组成部分，如CSTR、USR等消化装置已被广泛应用，决定了系统的产气性能和运行方式。
③沼气收集、贮存及输配单元。它包括气水分离、净化脱硫、贮气输气和沼气燃烧等设备。
④沼气利用单元。结合实地需要，沼气可用于发电、户用、大棚增温以及深加工作为车用燃气等。
⑤沼渣沼液处理单元。包括沼渣沼液储存、固液分离和深加工作有机肥等的设备设施，有利于改善整个工程的经济性和实现资源的综合利用。
典型的沼气工程工艺流程如下：
图6 沼气工程的工艺流程及组成单元
四、沼气工程的核心设备
（1）沼气工程预处理单元
图7 沼气工程的部分原料预处理装置
图8 沼气工程的部分原料输送装置
图9 沼气工程的部分增温保温设施
（2）沼气工程厌氧消化单元
图10 沼气工程常用的厌氧消化装置
（3）沼气工程储气单元
图11 沼气工程常用的储气柜
（4）沼气工程沼气净化单元
图12 沼气工程常用的沼气净化装置
（5）沼气工程沼气发电单元
图13 沼气工程常用的沼气发电机组
（6）沼气工程固液分离单元
图14 沼气工程的固液分离装置
参考文献：
1、世界沼气技术研究与应用进展简述
2、国内外大中型沼气工程的调研现状报告
3、中国沼气技术发展与展望
4、中国沼气技术研究与开发进展情况综述
5、中国沼气产业化发展关键技术研究
6、畜禽场沼气工程技术目前情况及前景分析
7、德国沼气技术考察报告（沼科所）
8、丹麦沼气技术考察报告（天人公司）
9、德国沼气工程技术考察及思考
10、大中型畜禽养殖场沼气工程发展的障碍因素分析
