1、第 38 卷 第 1 期2021 年 2 月 黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报JOURNAL OF NATURAL SCIENCE OF HEILONGJIANG UNIVERSITY Vol.38No.1February,2021 DOI:10.13482/j.issn1001-7011.2021.01.101投稿网址:https:/收稿日期:2020-07-17基金项目:国家科技支撑计划项目(2014BAD12B01)通讯作者:马玉新(1973-),男,副教授,博士,主要研究方向:水处理功能材料与技术,E-mail:引文格式:马玉新,赵文军,贾学斌,等.生猪养殖废水厌氧处理最适运
2、行温度估算 J.黑龙江大学自然科学学报,2021,38(1):61-66.生猪养殖废水厌氧处理最适运行温度估算马玉新1,2,赵文军1,2,贾学斌1,2,马维超1,2,陶 冉1(1.黑龙江大学 建筑工程学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 黑龙江省村镇饮水安全工程技术研究中心,哈尔滨 150080)摘 要:厌氧反应器是生猪养殖废水厌氧处理系统中的关键处理单元。在冬季,东北地区的厌氧反应器需要消耗大量的能量以保证其正常运行以及较高的产气效率。为解决上述问题,提高沼气企业经济效益,本文利用猪粪水半连续厌氧产沼气运行数据和黑龙江省近五年的逐日平均气温,估算了黑龙江省厌氧反应器按照最大原料产气率和
3、最大容积产气率两种模式运行时的最适运行温度,探讨了厌氧反应器低温运行的可行性。结果表明,在 10 35 条件下,黑龙江省生猪废水厌氧反应器的最适运行温度均为 25;按照最大原料产气率和最大容积产气率相应的工艺操作,最适运行温度下生猪养殖废水的 COD 去除率可分别达到 87.0%和 50.9%。该研究可为寒区其他禽畜养殖废水厌氧反应器的发酵运行温度估算提供方法和技术支持,同时可为已建厌氧反应器的节能增效提供新的思路。关键词:最适运行温度;厌氧反应器;生猪养殖废水;保温层中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号:1001-7011(2021)01-0061-06Evaluation of
4、the optimum operation temperaturesfor swine slurry anaerobic treatmentMA Yuxin1,2,ZHAO Wenjun1,2,JIA Xuebin1,2,MA Weichao1,2,TAO Ran1(1.College of Civil Engineering,Heilongjiang University,Harbin 150080,China;2.Engineering Research Centerof Rural Water Safety of Heilongjiang Province,Heilongjiang Un
5、iversity,Harbin 150080,China)Abstract:Anaerobic reactor is the key unit in the anaerobic treatment system of swine slurry.The anae-robic reactors in Northeast China need to consume much energy to ensure their stable operation and highergas yield in winter.In order to solve above problems and improve
6、 the economic benefits of biogas enter-prises,the operating data of sequencing batch anaerobic fermentation of swine slurry and the daily aver-age temperatures of Heilongjiang Province in recent five years were used to estimate the optimum opera-tion temperatures of biogas plants according to the ma
7、ximum biogas yield rate of fermentation substrateand the maximum volumetric biogas production rate and the feasibility of its operation at low temperatureswas discussed.The results showed that the optimum operation temperatures of the anaerobic reactors with-out thermal insulation layer in Heilongji
8、ang Province running in two modes were both 25 when the op-eration temperatures were in the range of 10 35.Under the corresponding technological conditionsof the two modes at optimum operation temperatures,the removal rates of COD from swine slurry couldreach 87.0%and 50.9%,respectively.The study co
9、uld provide methods and technical support for theestimation of fermentation operating temperatures of other livestock wastewater anaerobic reactors in coldarea.And it could also provide new ideas to increase the energy saving and efficiency of the establishedanaerobic reactors at the same time.Keywo
10、rds:optimum operation temperature;a naerobic reactor;swine slurry;insulation layer0 引 言近年来,在国家政策引导下,黑龙江省禽畜养殖业发展迅速1-3。畜禽养殖会产生大量的粪污,成为主要的污染源之一,如处理不当会引发环境污染4-6。厌氧发酵是禽畜养殖废水处理的一个重要工艺单元7-9。厌氧处理受多种环境因素的影响,其中温度是影响沼气发酵的重要因素10-12。温度波动同样会影响厌氧发酵过程中微生物菌群的活性,从而对产气效率产生影响13。而黑龙江省冬季漫长寒冷,气温较低,反应体系内外温差大,在无增温措施时其温度会降低或
11、温度波动过大,造成沼气产量低,甚至无法维持发酵系统本身的运行14-15。沼气工程多采用热源来提供系统维持温度稳定需要的能量16-17。根据能量平衡估算,当发酵温度为 35 时,物料加热的耗能占总能耗的 90%以上,发酵温度每提高 1,则用于物料加热的能耗和反应器通过热辐射损失的能量就要增加 4%左右18-19。为了降低系统冬季运行的费用,同时保证其在冬季运行的稳定性,可适当地降低发酵温度。目前,该方面计算和研究较少。因此,本文以运行温度为出发点,兼顾能量获取和环境保护两个方面,以生猪养殖废水作为处理物质,利用黑龙江省近 5 年的日平均气温数据来计算沼气工程的产能和耗能情况,从而得到黑龙江省沼气
12、工程在最大原料产气率和最大容积产气率两种运行模式下的最适运行温度,为已建的禽畜养殖废水厌氧反应器运行的节能增效提供技术和计算方法支持。1 材料与方法1.1 数据来源本文分析采用的生猪养殖粪水的厌氧处理运行工艺参数如表 1 所示20。以黑龙江省哈尔滨市双城区某沼气工程的一次厌氧反应器为例进行能量平衡估算,厌氧反应器的材质为 6 mm 的不锈钢板,尺寸如图 1所示。每日进水量和浓度根据最大容积产气率和最大原料产气率所对应的工艺条件进行计算。表 1 生猪养殖废水厌氧发酵运行数据20Table 1 Anaerobic experimental data of swine slurry20温度/1015
13、20253035最大原料产气率/(LCH4(gTSd)-1)0.1280.2570.3510.360.4190.388对应有机负荷/(g TS(Ld)-1)0.250.751.04.03.04.0水力停留时间 HRT/d4013.3102.53.32.5最大容积产气率/(LCH4(Ld)-1)0.0710.2711.1751.9482.1962.871对应的有机负荷/(gTS(Ld)-1)1.01.54.06.07.09.0HRT/d106.72.51.71.41.11.2 最适运行温度计算1.2.1 产能计算厌氧反应每年总产能 E 为19,21:E=365i=1TS Win q e 1 00
14、0(1)式中:E 为年总产能,kJa-1;TS 为料液总固体含量,%;Win为每日进料量,td-1;q 为原料产气率,m3(kgTS)-1;e 为沼气热值,kJm-3,本文取 21 000 kJm-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散热、管道散热、出料带走的热量、气体带走的能26黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第 38 卷 图 1 厌氧反应器示意图Fig.1 Diagram of anaerobic reactor量、物料加热的耗能以及搅拌等的能耗,其中沼气带走的能量及搅拌等的能耗可以忽略不计15,22。(1)每天加热物料所需的热量为:Q1=3
15、65i=1Win C (T-Ts)1 000(2)式中:Q1为用于加热物料的能量,kJa-1;Win为每日进料量,td-1;C 为厌氧发酵液的比热容,kJ(kgK)-1,本文取4.2 kJ(kgK)-1;T 为厌氧发酵温度,;Ts为环境温度,如 Ts0 时,令Ts=021。(2)散热厌氧反应器的散热损失为18,20:Q2=365i=1S K (T-Ts)1.2(3)式中:Q2为厌氧反应器的散热量,kJa-1;S 为厌氧反应器顶、壁和底的散热面积,m2;T 为厌氧反应器运行温度,;Ts为环境温度,;K 为厌氧反应器顶、壁和底部的传热系数,kJ(m2h)-1,其计算公式为:K=1(11+12)(4
16、)式中:K 为厌氧反应器顶、壁和底的传热系数,kJ(m2h)-1;1为厌氧反应器内表面传热系数,kJ(m2h)-1,污泥和沼气传到不锈钢罐壁导热系数分别为 1 256 和 31.4 kJ(m2h)-1;2为厌氧反应器外表面传热系数,kJ(m2h)-1,罐外壁到空气和土壤的导热系数分别为 23 和 4.2kJ(m2h)-1;为厌氧反应器各部分结构层和保温层厚度,m;为厌氧反应器各部分结构层和保温层导热系数,kJ(m2h)-1,本计算设定保温层厚度为 0,反应器材质为不锈钢,厚度为 6 mm,导热系数为 58 W(mK)-1。将 E/Q 值最大对应的温度定义为最适运行温度。2 结果与讨论2.1 以原料产气率计算2.1.1 基于最大原料产气率的产能和耗能计算在原料产气率较高时,COD 的去除率也相应较高,废水处理程度提高。因此,从环境保护角度出发,以最大原料产气率及相应的有机负荷计算最适经济温度,此条件下的 COD 去除率较高。根据表 1 中的最大原料产气率的实验结果20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=1.07 107T2-2.132
