沼气池建设专家
丹麦沼气工程沼渣沼液的综合利用与管理
摘要:合理规划和妥善消纳沼渣沼液,是我国目前建设沼气工程和创建循环农业生产链的瓶颈问题。在这方面,欧洲国家积累了丰富的经验,为我们提供了很好的借鉴。本文根据实地考察和专家交流情况,重点介绍丹麦在沼气工程沼渣沼液的综合利用方面的技术及管理经验。
1、调研与规划
在丹麦,工业化沼气工程有了三十年的历史,许多沼气工程已成为城市与农村之间物质与能量交换的桥梁:城市获得能源,农村改善环境、获得肥料,城乡共同受益。处理农业废弃物的沼气工程的建设目标主要是以能源效益为主,绝大部分采用“热电联产”方式,即:沼气用于发电上网,CHP机组产生的热量除满足沼气工厂自身用热需要以外,富余热量以热水形式供给周边农庄、城镇满足生活所需。
在建设沼气工厂之初,通常要对收集的原料和沼渣沼液的消纳进行详细的考察,项目的前期论证和设计工作通常需要半年到一年时间。丹麦的农庄农场通常建有两个以上的储池(图1),其中一个用于集中收集粪污,另一个用于储存沼渣沼液,大部分沼气工程采取“以粪换肥”的方式,企业主用大型槽罐车将各农场粪污收集池的原料运送到沼气工厂进行资源化、无害化处理,再将沼气发酵后的残留物(沼渣沼液)运输注入到沼肥池贮存,在施肥季节,再由罐车运输到田间进行灌溉。
少数大型沼气工程的沼液也以还田为主,剩余的沼液实行固液分离,脱水后的沼渣制成有机固体肥料,清液按工艺要求部分循环回流入沼气池,部分经灭菌处理后用作畜舍的冲洗水或再经过深度处理后排放。
大多数沼气工厂由农场主独立或联合建设,使用沼气设备可以将大量的有机废弃物(除畜禽养殖粪污之外,还收集废油脂、化工厂有机废液、过期食品等)可以转化成电能和热能以及高质量的经济肥料。在丹麦,沼肥价格通常不到化肥的25%,但沼肥中氮、磷、钾肥效的性价比远远高于史丹利复合肥,1t沼液的肥效约相当于1.25kg尿素,施用沼肥的农作物平均增产20%以上。
丹麦的调查研究认为:1头500kg牛每天约产生45kg有机肥,通过对1头成牛每天产生的氮、磷肥素的物料平衡计算(图3),通过沼气工厂再实现牛粪牛尿转化成沼肥还田,营养元素的吸收利用率比粪污直接还田方式更高:对氮元素的吸收从40%提高到超过70%,对磷元素的吸收从30%增加到超过60%,替代化肥-增加土壤中有机质的含量恢复土养分。
1 1头牛在1年内产生的肥料元素
肥料成分 |
N(kg/year) |
P(kg/year) |
K(kg/year) |
固体粪便 |
55 |
20 |
35 |
尿液 |
75 |
2 |
85 |
总 量 |
130 |
22 |
120 |
通常粪污中的可利用氮(氨氮)在堆放、日晒雨淋中会散失掉相当一部分,而转化为沼肥后,营养元素更高更加稳定,由于颗粒更加细小,易渗透到土壤中,吸收情况会更好。从氮素的角度看:与沼渣相比,沼液营养成分较高,沼渣营养成分占20%,沼液则占80%;而磷主要含在沼渣中。
表2 几种肥料中可利用N的比较
种 类 |
可利用氮素(氨氮)在总氮(TN)中的比例(100%) |
牛 粪 |
60% |
猪 粪 |
70% |
固体粪肥 |
20% |
沼 肥 |
80% |
通过沼气工程的消化过程,降低了氮素的流失,改变了畜禽粪污作为肥料的特性(表3)。
表3 1头牛在1年内产生的肥料元素 (kg/year)
种 类 |
DM (%) |
TN (kg/t) |
NH4-N(kg/t) |
P (kg/t) |
K (kg/t) |
PH |
NH4-N (%) |
猪粪 |
5.0 |
4.8 |
2.9 |
1.1 |
2.3 |
7.1 |
74 |
牛粪 |
7.5 |
3.9 |
2.4 |
0.9 |
3.5 |
6.9 |
61 |
沼肥 |
4.8 |
4.4 |
3.5 |
1.0 |
2.3 |
7.6 |
81 |
有关机构通过对1公顷农田冬麦施用氮肥计划的比较得出结论:施用沼肥的量比直接使用牛粪肥节省34kg。更重要的是,消化过程可以实现杀灭寄生虫卵、实现无害化。丹麦的沼气工程多采用高温厌氧消化工艺,研究表明:经过高温厌氧消化,大肠杆菌菌群可从6~13×104个/ml降到5个/ml以下,还可以消除臭味,减少温室气体排放。
综上所述,沼肥应用在农业生产上具有以下优势:
提高了(氮素)的肥效;
平衡了原料中P和K含量;
颗粒细化,更容易吸收,施用量可减少;
营养更均衡、全面;
实现了灭菌消毒,并杀灭了草种;
运输成本降低。
丹麦还在沼肥施用方式上进行了实践和改进,为了避免氨氮的挥发散失,目前已不主张采用喷灌方式,而是改进了施肥设备,改为车载移动式触地施肥方式(图4)。除了施肥季节(每年四月)外,还在秋冬时节一次性施灌,再翻地实现土地增肥涵养,消除气味,更加卫生。丹麦的主要农作物是冬麦,使用沼渣沼液的施用量通常为20~35kg/亩·年。
在运输方式上,丹麦多采用20~30吨大型槽罐车进行原料和沼肥的运输,通常运输半径在15公里以内。沼肥施灌采用的专用车辆通常以大型农田拖拉机为主,施肥机械展臂一般为2~3米,适合丹麦种植土地广阔、大面积高效施肥需要。
丹麦沼气工厂厂址的选择多位于多个农场或养殖场中间,有利于集中处理,并通过科学规划运输路径,以求降低运输成本;同时从消防、防爆、防溢流、防气味扩散等方面考虑,大多选址在地势低洼处。而沼液储池的选址、分布和尺寸设计,则是根据种植种类、土地面积、作物分布、当地气候和地势等因素综合考虑,原则上是:化整为零、因地制宜、就地消化。
2、设计与设备
丹麦沼气工程沼渣沼液贮存期约4~6个月,施于周围农田。从原料收集、投料、发酵、产气、脱硫、发电、出料、沼渣沼液贮存、运输等全过程目前已全部实现机械化和自动化管理。
近年来,丹麦在沼液储池的设计上遵照欧盟标准对沼液池采用行三层膜结构,设置两层底膜,在沼液上面还覆盖一层顶膜,防止氨氮和气味散失散发,并在底膜以下设置放渗漏检测管道和监测井,避免对地下水源造成二次污染。
在储池顶膜的覆盖材料上,除采用0.5mm的HDPE防渗膜以外,丹麦还有专业公司开发了多种形式的柔性覆盖材料。
在沼渣沼液的固液分离上,主要有丹麦阿法拉法公司生产的卧螺式分离机、意大利维艾姆公司的螺杆挤压式分离机等设备,也有少数工厂采用浓缩设备对沼液进行减量提浓,但因成本过高,目前基本不再运行。
3. 操作与管理
由于丹麦政府严格控制畜牧业与种植业的协调发展,区域性的土地资源基本能消纳所在地沼气工程产生的沼渣沼液。相对于工程建设而言,沼气工程围绕原料收集、储存、运输进场和沼肥外运消纳的运行管理更加重要。多年来丹麦已积累了很好的经验,主要有以下几个经验:
3.1养殖场粪污管理
要保证沼气工程良好的运行,必须从源头控制做起,因此对养殖场的粪污收集就十分重要。在丹麦,主要从新鲜粪污及时收集、减少营养元素散失等方面加强管理。对于养殖场,如果不收集尿液,不仅会丢失营养,还会造成重大环境问题;如果无任何遮盖式存放,蒸发会使肥效降低,需要收集尿液并存放到池子中,通常在集污池液面上还覆盖一层稻草,起到防止臭味散发、蚊蝇滋生、保护环境卫生的作用。奶牛场内的粪污最多滞留一个月就必须清理走,否则会产生重大卫生隐患。
3.2粪污存放、收集与运输
养殖场内的粪污存放方式上,注重经常收集废物,防止氨氮的挥发和潜在沼气资源流失;粪污必须遮盖,防止太阳暴晒和雨淋;尽量采用混凝土地面,防止渗到地下水中;粪污收集池要方便存放和收集。沼气工厂通常配备大型罐装车辆或自卸卡车、人工装车的小型卡车,以一星期为周期,制定轮流时间表。在丹麦一般是由沼气工厂负责原料的运输,并根据路况确定卡车的类型和吨位。
3.3沼肥出厂方案
从沼气工厂运输沼液到各田间沼液池通常是由沼气工厂管理方负责完成,而从各田间沼液池运沼肥到农田则是由农场主自行负责。沼液的TS浓度在4%~7%之间,直接采用20~30吨的大型槽罐车运输,运输半径通常在30公里以内。
3.4沼肥还田方案
将沼液从沼气工厂运到田间沼液池,首先需要确定沼气工厂外运沼液的数量,且沼液池尽量靠近大路,方便大吨位的卡车运输沼液。对使用沼液的农田的调查主要包括农田面积、作物种类、种植季节、地形、土质等。需要给分散存放沼液池周围的田块面积和作物做出地图,并准备沼肥施肥计划(MFP);使用MFP确定分散存放沼液池的具体地点;根据MFP确定施肥方法;根据田块大小、土壤类型和路况,确定采用哪种方法,把沼液从田间沼液池运到田地和如何施肥;沼液施用的设备主要采大型农田拖拉机,施肥机械展臂一般为2~3米,适合丹麦种植土地广阔、大面积高效施肥需要。
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