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CSTR在循环农业中的应用 ——以新余市罗坊沼气站为例

时间:2016-09-06来源: 作者: 点击: 510次


 

陈春飞1,万里平1,俞莹2,梁声明3,徐树明4

(1.江西正合环保工程有限公司,江西 南昌 330001;2.江西省农业环境监测站,江西 南昌 330001;3.永修县农业局能源站,江西 永修 330300;4.定南县农业和粮食局能源站,江西 定南 341900)

 

  要:针对农业有机废弃物处理问题,以江西新余罗坊沼气站为例,从工艺流程和主要工艺组成方面介绍了CSTR工艺(一种完全混合式厌氧发酵工艺)在循环农业中的应用及实际运行情况,并对工程产生的效益进行了分析。分析结果表明,CSTR工艺的应用能够有效提高农业生产中的社会、生态、环保和经济效益,从而为循环农业的建设和推广提供借鉴。

关键词:农业废弃物;CSTR;循环农业;沼气工程

中图分类号:S216.4     文献标识码:A      文章编号:

 

Application of CSTR in Circular Agriculture

—— A Case Study of Biogas Station in Luofang Town, Xinyu City

 

CHEN Chunfei1, WAN Liping1, XU Ying2, LIANG Shengming3, XU Shuming4

(1. Jiangxi Zhenghe Environmental Protection Engineering Co. Ltd, Nanchang 330001, China; 2. Agricultural Environmental Monitoring Station of Jiangxi Province, Nanchang 330001, China; 3. Energy station,

Agricultural Bureau, Yongxiu 330300, China; 4. Energy station, Bureau of agriculture and grain, Dingnan 341900, China)

 

Abstract: Aiming at the problem of agricultural organic waste disposal, taking biogas station in Luofang Town Xinyu City as an example, introduced the application and the operation result of CSTR (fully mixed anaerobic fermentation process) technology in circular agriculture from the process flow and the main process composition, and analyzed the benefits of project. Analysis results showed that the application of CSTR technology can effectively improve the social benefit, ecological benefit, environmental benefit and economic benefit of agricultural production, so as to provide reference for the construction and popularization of circular agriculture.

Key words: Agricultural waste materials; CSTR; Circular agriculture; Biogas engineering

 



本文以江西新余市罗坊沼气站为例,对CSTR工艺在循环农业中的应用及实际运行情况进行了系统分析,以期为循环农业的建设和推广提供借鉴。

1 基本情况

1.1 工艺流程

如图1所示,秸秆和畜禽粪便等农业废弃物经预处理系统处理后进入CSTR厌氧反应器发酵。发酵产生的沼气经脱硫脱水处理后储存于储气柜中,然后用于发电、民用和提纯压缩。发酵产生的沼渣液储存在出料池中,经固液分离产生的沼渣用于生产固态有机肥,部分沼液回用于预处理系统,其余沼液用于生产液态有机肥。


 

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图1 沼气工程工艺流程

Fig.1 Process flow of biogas project SHAPE  \* MERGEFORMAT  SHAPE  \* MERGEFORMAT


1.2 主要工艺组成

1.2.1 预处理进料系统

由于秸秆中纤维素、半纤维素和木质素等物质能够形成高聚合度和结晶度的晶体结构,使得秸秆在自然条件下难以被微生物分解[[6]];而畜禽粪便中往往含有砂砾等杂质。如果秸秆和畜禽粪便直接用于发酵,管道和反应器中易发生沉积和堵塞现象,从而致使工艺运行不便。因此进料前需分别对秸秆和畜禽粪便进行预处理,秸秆经破碎后进入水解池,采用复合纤维素水解酶对其进行催化水解;畜禽粪便进入匀浆池除杂。同时,对进料进行预加热,调节进料TS浓度在6 % ~ 12 %范围内。最后,利用螺杆泵将经预处理的物料输送至CSTR厌氧反应器。

1.2.2 CSTR厌氧反应器

厌氧反应器是沼气工程的的核心设备。目前常用的厌氧反应器主要有CSTR(完全混合式厌氧反应器)、USR(升流式固体反应器)和IC(内循环厌氧反应器)等[[7]]。不同类型的厌氧反应器各有其优缺点和使用范围。一定条件下,选择适当的厌氧反应器是厌氧处理的关键所在。CSTR反应器带有机械搅拌可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液,其特点是发酵浓度高、有机负荷高、容易启动、便于管理,适宜发酵高悬浮物的有机废弃物,具有其它反应器所无法比拟的优点,为欧洲等沼气工程发达地区广泛采用[[8]][[9]]

由于 CSTR工艺产气率高,费效比显著,大大降低了沼气生产成本。目前大多数规模化沼气工程项目均采用以高浓度有机废弃物联合消化为特点的 CSTR工艺,并配备沼气提纯压缩或热电联产系统[[10]]。这种全混式CSTR工艺是先对各类农业有机废弃物进行预处理,调整进料TS浓度在6 ~ 12%范围内,然后输送至带有机械搅拌的CSTR反应器,其容积产气率视原料和温度不同,通常在1.0 ~ 2.0 m3/m3·d之间[10]

1.2.3 沼气净化利用系统

厌氧发酵产生的沼气中往往含有大量的H2S气体和水蒸气,若直接利用,会形成二次污染和对设备产生腐蚀作用,因此在储存利用沼气前需对沼气进行脱硫脱水净化处理。目前常用的脱硫方法有生物脱硫、干法脱硫和湿法脱硫[[11]]。若采用生物脱硫,应设置在脱水装置前端;若采用干法脱硫,应设置在脱水装置后端。沼气脱水方法有冷干法、重力法和固体吸附法等[[12]]。净化工艺的选择需根据沼气的质量指标、用途、处理量和环境等因素,经技术经济比较后确定。经净化处理后的沼气储存于储气柜中,用于发电、民用和提纯压缩。

该系统包括脱硫器、脱水器、阻火器、泄压阀、计量器、增压装置、储气柜和危险报警器等。

1.2.4 沼渣液处理利用系统

经厌氧发酵后的残留物(沼渣液)是一种优质的有机肥[[13]]。残留物经管道输送至出料池储存,后经固液分离形成沼渣和沼液。由于沼渣中含有丰富的有机质、腐殖酸、蛋白质、氮、磷、钾及其它养分元素,可作为土壤修复剂,故可通过发酵生产固态有机肥,用于农业用肥。沼液中含有多种植物生长营养元素、丰富的氨基酸、多种生长激素和水解酶等物质,可用于防治病虫害、生产液态有机肥、畜禽饲料等。沼液还可回用于预处理系统做工艺稀释水。

2 应用实例

江西正合环保工程有限公司在江西新余市罗坊镇江西正合生态农业有限公司的循环农业示范园区内建设了江西首个利用畜禽粪便、农业秸秆等农业有机废弃物进行发酵产沼气的大型沼气集中供气工程[[14]]

2.1 工程简介

以循环农业理念做农村能源,以农业生产方式做农业环保。通过系统工程“N2N”区域生态循环农业园模式,以大型沼气工程为纽带,第三方治理为手段,结合互联网智慧农业平台,解决畜禽养殖、农业种植过程中的环保治理问题,将农业废弃物进行无害化、资源化利用,构建生态循环产业链,达到资源循环、环境保护和经济发展的多赢。

2.2 工程建设

工程分为一期和二期,占地总面积28.3亩。一期工程于2014年年底完成建设,主要有一级CSTR厌氧发酵罐(容积1550 m32座、二级一体化CSTR厌氧发酵罐(储液容积1250 m3,储气膜容积500 m31座、高压储气柜(0.8 Mpa,储气容积640 m33座、出料池(容积145 m31座、双层式生活办公楼(建筑总面积307.50 m21幢、3000户沼气供气设备和管网系统及其他附属设施;二期工程于2016410日正式开工建设,主要建设内容及规模为一体化CSTR厌氧发酵罐(容积2800 m3,储气膜容积1040 m31座、高压储气柜(0.8 Mpa,储气容积640 m33座、出料池(容积145 m31座及其他附属设施。至目前,一期工程已安全稳定运行18个多月,二期工程也已基本完成建设。

2.3 效益分析

2.3.1 社会效益

该工程已成为该区域综合利用农业有机废弃物的示范带动工程,可有效遏制因农业废弃物乱堆乱放而造成的面源污染,从而有利于净化环境,减少疾病的发生,提高广大公众保护生态环境意识,同时有利于发展循环经济,引导该区人民使用清洁能源,建设资源节约型、环境友好型社会,对促进资源综合利用和农村经济社会可持续发展也具有积极作用。

2.3.2 生态效益

通过推行有机肥的使用,将有效减轻农业种植环境的污染问题、生物多样性减少或消失的问题、土壤板结造成的自然肥力退化问题、地下水资源污染问题、食品安全问题。

2.3.3 环境效益

环保效益主要体现在区域范围内养殖场粪污及病死猪处理上,新余市罗坊镇打造“N2N”区域生态循环农业园项目采用区域第三方治理,集中处理区域内260家猪场30万头年出栏生猪的养殖粪污问题,集中无害化处理新余市90万头年出栏生猪的病死猪问题;集中收集资源化利用区域内10万亩农田产生的水稻秸秆;经计算可减少罗坊镇每年污染物排放量分别为:6725.49COD380.48NH3-N

2.3.4 经济效益


表1 用气对比

Table 1 Consumption of gas usage

用气类型

用气量

单价

月费用

年费用

沼气

12 m3

2.2/m3

26.4

317

液化气

0.5

100/

50

600


一期工程可年处理农业有机废弃物1.22t,日产沼气4100 m3,年产沼气149.65 m3,主要用于新余市罗坊镇3000户居民生活用气和沼气站内用气;年产固态有机肥0.29t,液态有机肥0.66t

1为以三口之家为例的用气对比表,由表可知,三口之家用沼气每月费用为26.4元,比用液化气便宜47.2%

通过水肥一体化技术,公司建立水稻田示范园1000亩,将辐射区19000亩,可达到减少化肥用量75%,减少农药用量35%,亩产绿色、优质水稻1000公斤,亩节本增效150元。

3 结论

CSTR具有工艺简单,管理方便和运行效果良好等优点。江西正合生态农业有限公司基于CSTR工艺的新余罗坊大型沼气集中供气工程,成功地解决了区域范围内水稻秸秆、畜禽粪污和病死猪的处理问题,实现了农业有机废弃物的资源化、减量化和无害化利用,同时产生了极大的社会、生态、环保和经济效益。为循环农业的建设和推广提供了依据。

 

参考文献




基金项目:国家科技支撑计划项目(2015BAD21B04)

作者简介:陈春飞(1988—),男,江西南昌人,硕士,主要从事沼气工程技术研究及应用。



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[[4]] Schneiter A A. Sunflower Technology and Production [M]. USA: American Society of Agronomy, 1997.

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