在厭氧條件下厭氧發酵裝置通過微生物的代謝活動消化降解大部分有機物并產生甲烷和二氧化碳等氣體，在養殖污水處理領域中得到廣泛應用，國內外諸多研究機構在厭氧消化工藝技術、型體結構及主體材料、應用效應等方面做了大量的基礎研究和創新性研究[1-3]，推動了厭氧消化技術的推廣和應用，特別是在我國農村能源建設和規模化養殖場大中型沼氣工程建設中的廣泛應用，為提供清潔能源和養殖污染物處理做出巨大貢獻。但是，厭氧消化環境條件要求高密封性、技術應用的適應性以及工藝運行的高效性和穩定性，隨著材料科學技術的發展和創新性應用，針對厭氧發酵裝置建造基材及其相應配套技術的開發應用，已成為諸多專家學者和政府職能部門共同關注的熱點，以期突破厭氧消化技術應用的高成本、低效應等產業發展技術短板。
但目前應用的沼氣池、罐等厭氧裝置還有諸多缺點，如沼氣池建池成本高、浮渣易結殼導致原料利用率和產氣率低。為實現發酵裝置高效產氣，國內外許多學者在攪拌系統和增溫系統方面開展了大量的研究工作-5]。呂建強等°設計了一種PJ一240型液殼破碎攪拌器，與沼氣池綜合服務車配套使用，對沼氣池日常使用中出現的浮渣結殼進行破碎，提高了沼氣池產氣量。李金平等研究了環境溫度在—19.8~～—10.0℃時，采用2.96 m2的全玻璃真空管太陽能熱水器加熱3 m3軟體沼氣池的產氣性能，平均日產沼氣1.380 m3，池容產氣率為0.46 m3- m-3 - dT'，甲烷平均體積分數58.2% ,系統可保證4~5口農戶的生活燃氣需求。然而，大部分的研究都是在小型試驗裝置上進行，個別中試研究造價不菲。為此，在課題組前期研究的基礎上[87，研發一種新型HDPE防滲膜厭氧發酵裝置,并在福建莆田某規模化養豬場開展示范應用，并跟蹤監測其應用效果。
1規模化養豬場及糞污水質概況
福建莆田某規模化養豬場是一家國家生豬儲備基地，母豬存欄5000頭，生豬存欄50000頭。豬場實行雨污分流，采用干清糞＋刮糞板的清糞工藝，糞污日排放量894 t，總固體50.2 t。
2新型HDPE防滲膜厭氧發酵裝置構造
新型HDPE厭氧發酵裝置為本課題組的前期研究成果1(專利號:ZL.2016210744262)。該裝置以高密度聚乙烯膜(HDPE膜》為厭氧發酵裝置建造材料，充分保障了厭氧發酵裝置材料力學性能及密封性﹔在型體設計上采用橢球體結構設計(a一Kb和c一b/K，所以V一4Tb/3，參數K值的選擇結合建設場地條件按c≤5 m條件確定，橢球體長軸半徑a、短軸半徑b、Z軸軸向半徑c);在進料管處設計90°叉形管形成雙向射流，實現厭氧裝置內新舊料液的無動力均衡攪拌﹔在覆膜厭氧裝置內設計螺旋式導熱管[10，熱能來源于沼氣發電余熱"，實現養殖污水處理厭氧消化附產物的高值化循環利用。HDPE裝置構造示意圖如圖1所示。3新型HDPE防滲膜厭氧發酵裝置的應用3.1新型HDPE裝置設計規模
福建莆田某規模化養豬場豬場糞污日排放量894 t，以HRT一35d計，依據厭氧消化反應裝置的總有效容積計算公式:V-QT，式中V一厭氧反應裝置的總有效容積(m3)、0一設計處理量(m3- d ')、T一設計水力停留期(d)，設計新型HDPE防滲膜厭氧發酵裝置總有效容積為894t - d' ×35 d=31290 m3，取K一4.0計算求得b一19.5、c=4.9、a=78。
3.2新型HDPE裝置選材
綜合建設要求、建設條件和建設所在地特點，選用由97.5%高密度聚乙烯及2.5%的炭黑組成的HDPE防滲膜,化學穩定性好，具有較高的剛性和韌性，機械強度好，耐環境應力開裂與耐撕裂強度性能好，具有優秀的抗老化、抗紫外線、抗分解能力，可裸露使用，材料使用壽命達30~50年，為環境滲透提供很好的材料保證。
為穩定養殖有機廢水的處理規模與水質，并綜合考慮HDPE膜成本，下覆膜選用1.5 mm 的HDPE防滲膜。上覆膜即在 HDPE裝置頂面覆蓋一層 HDPE膜漂浮在污水水面上，由于常年被太陽暴曬，必須含紫外線吸收劑等，因此，選擇2.0mm HDPE防滲膜保證其使用壽命。
3.3新型HDPE裝置建設方案
HDPE裝置施工過程簡單，包括土方開挖、基礎夯實、集氣管鋪設、底膜及邊坡鋪設、頂膜鋪設和沼氣利用設施安裝等過程。
3.3.1土方開挖挖設78 m×20 m×5 m(取整數）的半橢球形凹坑，在離凹坑邊緣1.0 m挖設錨固溝，溝的深度和寬度分別為1.0 m，清理坑內及溝內硬物并均勻碾壓夯實，碾壓密度達到《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術規范》(SL/T231—98)的要求。
3.3.2管道鋪設沼氣池開挖后，根據現場實際狀況，開挖盲溝，鋪設進水管、出水管、排渣管等，排渣管底部緊貼底膜，進料管位于離底部2/3高度之橢圓長軸頂端處，出料管高出進料管20~30mm。進料管端口安裝90"叉形管，叉形管的交叉點位于橢圓形長軸位置的1/16，叉形管的兩出料點連線中點位于橢圓形長軸的1/8位置。底膜內側設計環形導熱管，呈倒錐形彈簧布置,其進端位于下部，導熱管的出端位于上部，導熱管的進、出端錯位180”。
3.3.3 HDPE膜鋪設采用1.5 mm厚度的HDPE防滲膜進行底部防滲，膜與膜之間接縫的搭接寬度不小于100 mm，使接縫排列方向平行于最大跛腳線，即沿坡度方向排列。HDPE膜焊接多使用楔焊機和擠壓熔焊機。接縫寬度范圍內有兩道焊縫(雙保險)，每道焊縫寬度不小于10 mm，焊縫處HDPE防滲膜熔接為一個整體，不得出現虛焊、漏焊或過焊。避免邊坡膜面“起鼓”或“懸空”.沼氣池基礎設施、管道鋪設、底膜鋪設都完成后，采用2.0 mm厚度的HDPE膜進行整體焊接覆蓋頂部。HDPE底膜鋪設后，素土填20 cm厚，待鋪頂膜后，錨固溝用素土填平夯實。
3.4新型HDPE裝置建設成本概算
豬場常年存欄規模為母豬5000頭、生豬50000頭。經核算，建設31290 m3HDPE厭氧發酵裝置的總投資為190萬元。其中，挖土方、焊接及工人工資等建筑工程費為135萬元;根據橢球體表面積公式S=4/3T (ab+ bc+ ac）及10%余量（錨固、搭接及漏補焊部分)，HDPE裝置所需的1.5 mmHDPE膜為35元·m2、2.0 mm HDPE膜為40元·m，加上 PE管、PVC管的少量費用，建筑材料費為55萬元。HDPE厭氧發酵裝置整體工程造價約為60元·m3，與傳統鋼筋混凝土沼氣池的建造成本1200元·m3相比，節約建造成本3650萬元;與陳賀亮等12]計算的沼氣池整體工程造價149元·m3相比，節約建造成本278.5萬元。
4運行效果與經濟效益分析
4.1水質檢測結果
HDPE防滲膜厭氧發酵裝置運行效果較穩定，在2017年1月至12月期間對該HDPE發酵裝置進出口多次采樣檢測，主要污水指標參數CODcr、BODs、ss、大腸桿菌和蛔蟲卵見表1所示。糞便污水經過HDPE裝置后，CODcr、BOD。去除率分別達到83.9% 、85.2%，懸浮物指標SS去除率達到85.6%，大腸桿菌和蛔蟲卵去除率分別達到92.3%和94.7%。說明在厭氧發酵中HDPE裝置運行效果較好，也說明厭氧發酵是污水處理中的重要環節。
2017年1月至12月期間，HDPE裝置發酵溫度、CODe和容積產氣率隨時間變化情況運行效果如圖2、3所示。全年沼氣池平均進料CODer6 799.2 mg · LT，全年沼氣池平均出料CODer1099.2 mg · L-'，cODe去除率83.9 % ﹔全年沼氣發酵溫度平均35℃，沼氣容積產氣率為0.79
3.,
m m . d' ，比官雪芳等13設計的聯動沼氣池
發酵工藝沼氣容積產氣率(0.75 m3· m3. d ' )提高了5.3%，這與新型HDPE厭氧裝置的設計與HDPE防滲膜材料緊密相關，HDPE厭氧裝置的優點主要體現在中溫動態發酵，由此提高了容積產氣率。
該HDPE裝置恒溫產氣系統可全年穩定連續運行，容積產氣率為0.79 m3. m3 .d ' ,31290 m3HDPE厭氧發酵裝置全年累計產氣902.2萬m3;以1 m3發1.5度電，及每度電上網電價0.7元計，則年發電收益為812萬元，扣除建設成本190萬元，年盈利622萬元，具有顯著的經濟效益。
5討論與結論
在莆田市氣候條件下，新型HDPE防滲膜厭氧發酵裝置內設置熱交換系統，利用發電機產生的余熱對HDPE防滲膜厭氧發酵裝置進行加熱，并在進料管處設計90°叉形管，系統實現了35℃恒溫動態厭氧發酵，提高了HDPE裝置冬季的產氣效果。通過對HDPE厭氧裝置實際運行12個月情況的測試，結果表明:HDPE厭氧發酵裝置全年沼氣發酵溫度平均35℃，平均池容產氣率為0.79m3·m—3· d7'，比常規傳統沼氣池最高的 0.3m3-m-8· d―1提高了163% ,CODcr、BOD。去除率、懸浮物指標SS去除率分別達到83.9%、85.2% 、85.6%，大腸桿菌和蛔蟲卵去除率分別達到92.3%和94.7%。這是由于厭氧裝置內設計了新舊料液無動力均衡攪拌和恒溫裝置，在恒溫狀態下保證充分攪動了該裝置中的厭氧菌，增加了甲烷菌和發酵原料的分布均勻度及接觸概率﹐保證沼氣池內發酵溫度的均一穩定，提高甲烷菌活動能力和繁殖能力，加快發酵原料中有機質的分解速度以及甲烷氣體從液體中分離的速度，從而提高沼氣池產氣率;同時也有利于進一步提高厭氧產氣效率和出水水質，并實現了養殖污水處理厭氧消化附產物的高值化循環利用。
作者：肖艷春， 黃 婧， 李 潔，陳 彪
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