1.1原料收集
充足穩(wěn)定的原料供應(yīng)是厭氧消化工藝的基礎(chǔ)。原料的收集方式又直接影響原料的質(zhì)量，如一個(gè)豬場采用自動(dòng)化沖洗，其污水TS濃度一般只有1.5%～3.5%，若采用喬糞板刮出，則原料濃度可達(dá)5%～6%，如手工清運(yùn)濃度可達(dá)20%左右。因此，在養(yǎng)殖場或工廠設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件合理安排畜禽糞污的收集方式和集中地點(diǎn)，以便就近進(jìn)行沼氣發(fā)酵處理。
1.2原料預(yù)處理
原料?；祀s有生產(chǎn)作業(yè)中的各種雜物，為便于用泵輸送及防止發(fā)酵過程中出現(xiàn)故障，或?yàn)榱藴p少原料中的懸浮固體含量，有的在進(jìn)入消化器前還要進(jìn)行升溫或降溫等，因而要對原料進(jìn)行預(yù)處理。
在預(yù)處理時(shí)，牛和豬糞中的長草、雞糞中的雞毛都應(yīng)去除，否則極易引起管道堵塞。采用攪龍除草機(jī)去除牛糞中的長草，可以收到較好的效果，再配用切割泵進(jìn)一步切短殘留的較長纖維和雜草可有效地防止管路堵塞。雞糞中含有較多貝殼粉和砂礫等，必須進(jìn)行沉淀清除，否則會很快大量沉積于消化器底部，不僅難以排除，而且會影響沼氣池容積。
1.3厭氧消化系統(tǒng)
1、厭氧消化原理
厭氧消化是一個(gè)復(fù)雜的過程，可概括為三個(gè)階段。
第一階段，糞污在水解與發(fā)酵細(xì)菌的作用下，使碳水化合物、蛋白質(zhì)與脂肪經(jīng)水解和發(fā)酵轉(zhuǎn)化為單糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、二氧化碳和氫等。
第二階段，是在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，把第一階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成氫、二氧化碳和乙酸。
第三階段，通過兩組生理物性上不同的產(chǎn)甲烷菌的作用，將氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷或?qū)σ宜崦擊犬a(chǎn)生甲烷發(fā)酵階段，脂肪酸在專性厭氧菌-產(chǎn)甲烷菌的作用下轉(zhuǎn)化為CH4和CO2。
2、厭氧消化工藝的分類
1）按消化溫度的不同可以分為中溫消化（適應(yīng)溫度區(qū)為30-38℃）和高溫消化（適應(yīng)溫度區(qū)為50-57℃）。
中溫厭氧消化條件下，揮發(fā)性有機(jī)物負(fù)荷為0.6-1.5kg/(m3d),產(chǎn)氣量約1-1.3m3/(m3d),消化時(shí)間約20-30天；高溫消化條件下，揮發(fā)性有機(jī)物負(fù)荷為2.0-2.8 kg/(m3d)，產(chǎn)氣量約3.0-4.0m3/(m3d)，消化時(shí)間約為10-15天。
2）按運(yùn)行方式的不同可分為一級消化和二級消化。
一級消化，即在一個(gè)消化裝置內(nèi)完成全過程的消化。在消化的前8天里，產(chǎn)生的沼氣量約占全部產(chǎn)氣量的80%，據(jù)此將消化池一分為二，先在一級消化池中（設(shè)有加溫、攪拌裝置、并有集氣罩收集沼氣）進(jìn)行消化，經(jīng)過約7-12天旺盛的消化反應(yīng)后，把排出的廢水送入第二級消化池。第二級消化池中不設(shè)加溫和攪拌裝置，依靠來自一級消化池廢水的余熱繼續(xù)消化，消化溫度約為20-26，產(chǎn)氣量約占20%，由于不攪拌，第二級消化池兼具有濃縮的功能。
3、厭氧消化反應(yīng)器的選擇
（1）塞流式反應(yīng)器(Plug Flow Reactor，簡稱PFR)
塞流式反應(yīng)器也稱推流式反應(yīng)器，是一種長方形的非完全混合式反應(yīng)器。高濃度懸浮固體發(fā)酵原料從一端進(jìn)入，從另一端排出，原料在消化器內(nèi)的流動(dòng)呈活塞式推移狀態(tài)。
實(shí)踐表明，由于牛糞質(zhì)輕、濃度高、長草多、本身含有較多產(chǎn)甲烷菌、不易酸化，所以，用該反應(yīng)器處理牛糞非常適宜。該消化器要求進(jìn)料粗放，不用去除長草，不用泵或管道輸送，使用絞龍或斗車直接將牛糞投入池內(nèi)即可。但由于雞糞沉渣較多，易生成沉淀而形成大量死區(qū)，嚴(yán)重影響消化器的效率，故該反應(yīng)器不適用于雞糞的發(fā)酵處理。
（2）升流式固體反應(yīng)器(Upf low Solids Reactor，簡稱USR)
升流式固體反應(yīng)器是一種結(jié)構(gòu)簡單、適用于高懸浮固體原料的反應(yīng)器。原料從底部進(jìn)入消化器內(nèi)，與消化器里的活性污泥接觸，使原料得到快速消化。未消化的生物質(zhì)固體顆粒和沼氣發(fā)酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內(nèi)，上清液從消化器上部溢出，這樣可以得到比水力滯留期高得多的固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)，從而提高了固體有機(jī)物的分解率和消化器的效率。
USR工藝先對各類畜禽糞便其它有機(jī)物進(jìn)行預(yù)處理，除去大顆粒和粗纖維物質(zhì)（進(jìn)料TS濃度3-5%）后，進(jìn)入U(xiǎn)SR厭氧反應(yīng)器，采用上流式污泥床原理，不使用機(jī)械攪拌。首都師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)人員將USR反應(yīng)器用于雞糞廢水的中溫厭氧消化，負(fù)荷達(dá)10.5kgCOD/（m3.d），產(chǎn)氣率高達(dá)4.9kgm3/（m3.d）。因此，該反應(yīng)器非常適用于雞糞、豬糞的消化處理。
因此，可根據(jù)處理糞污的種類不同，可選擇適用于糞污自身消化的最佳反應(yīng)器。
4、消化池的結(jié)構(gòu)
厭氧消化系統(tǒng)中消化池是主要的核心設(shè)備，消化池的外形有矩形、方形、圓柱形、蛋形等。
矩形池用于現(xiàn)場條件受限制的情況。它的造價(jià)最省，但操作很困難，主要是因?yàn)榉叫谓Y(jié)構(gòu)攪拌不均，易形成死區(qū)。
圓柱形池:過去普遍使用的構(gòu)造是帶圓錐底板的低圓柱形，該圓池一般由鋼筋混凝土制成。垂直邊高度6-14m，直徑8-40m.圓錐形底便于清掃。北方地區(qū)部分消化池采用磚砌外表，中間有空氣夾層，內(nèi)填土，聚苯乙烯塑料，玻璃纖維和絕熱板材料等。
蛋形池：目前較廣泛使用的是蛋形消化池。上部的陡坡和底板的錐體有得于減少浮渣和砂粒造成的問題，從而減少消化池清掏的工作量。蛋形消化池與傳統(tǒng)矮圓柱形池相比攪拌要求要少，后者大部分的攪拌能量用于維持砂粒懸浮和控制浮渣形成。
消化池
1.4出料（沼渣、沼液）的后處理
出料后處理的方式多種多樣，最簡便的方法是直接用作肥料施入農(nóng)田土壤或排入魚塘，但施肥有季節(jié)性，而且單位面積有施肥限制，因此這類工程需養(yǎng)殖場周邊有足夠的農(nóng)田、魚塘、植物塘等，能夠完全消納經(jīng)厭氧發(fā)酵后的沼渣、沼液，使沼氣利用工程成為生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)的紐帶。
1.5沼氣儲存及凈化系統(tǒng)
沼氣是一種混合氣體，它的主要成分是甲烷，其次還含有二氧化碳、硫化氫、飽和水蒸氣、高碳烴等（從乙烷C2H6到庚烷C7H16）；有時(shí)還含有一氧化碳、氮?dú)?、氦氣、氫氣、硅氧烷、鹵代烴及固體顆粒物等雜質(zhì)。
由于沼氣含有以上雜質(zhì)且沼氣的流量、壓力、溫度、濃度等都很不穩(wěn)定，直接用于燃?xì)獍l(fā)電勢必造成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的設(shè)備腐蝕、研磨等問題，從而嚴(yán)重縮短燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的壽命，所以在利用之前，必須對沼氣進(jìn)行凈化處理以解決上述問題。
沼氣凈化系統(tǒng)由貯氣袋、過濾器、脫水器、脫硫塔、精濾器、阻火器等組成。
1、預(yù)處理基本功能
降低氣體的露點(diǎn)溫度，減少水蒸氣含量、自動(dòng)排水；
降低氣體的硫化物、氨等雜質(zhì)氣體的含量；
降低粉塵、硅氧烷等固體雜質(zhì)的含量；
自動(dòng)增壓和超壓保護(hù)功能，穩(wěn)定系統(tǒng)氣體出口壓力、溫度和流量；
在線監(jiān)測、報(bào)警功能，保證系統(tǒng)安全可靠的長期運(yùn)行；
全自動(dòng)運(yùn)行，具備自身數(shù)據(jù)采集、顯示和遠(yuǎn)程通訊的功能。
沼氣處理連續(xù)運(yùn)行工況，所有在線儀表都能滿足連續(xù)運(yùn)行的要求。
控制系統(tǒng)滿足自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)報(bào)警、無人職守等連續(xù)運(yùn)行工況。
儲氣罐
1.6沼氣發(fā)電系統(tǒng)
養(yǎng)殖場糞污厭氧消化過程中會產(chǎn)生大量的沼氣（主要成分是CH4和CO2），將沼氣進(jìn)行收集、凈化后送入沼氣發(fā)電機(jī)組，在收集、凈化、輸送系統(tǒng)上布置有溫度、氣體濃度、流量等測量元件，并布置有安全閥、阻火器等安全設(shè)施。進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的沼氣經(jīng)防爆電磁閥和調(diào)壓閥進(jìn)入機(jī)組氣缸、由火花塞點(diǎn)火，混合氣體燃燒作功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。所發(fā)電力經(jīng)變壓器升壓后并入城市電網(wǎng)，做功后的廢氣經(jīng)機(jī)組排氣口排出，每臺機(jī)組設(shè)有一個(gè)排氣口，排氣管道上設(shè)有切換蝶閥，正常運(yùn)行時(shí)，排氣經(jīng)余熱鍋爐回收熱能降溫后排出，余熱鍋爐故障維修時(shí)，也可直接排放。經(jīng)過余熱鍋爐回收的熱能首先用于消化系統(tǒng)加溫，還可用來制冷或供熱。
目前，在沼氣發(fā)電項(xiàng)目中，進(jìn)口品牌和國產(chǎn)品牌的沼氣發(fā)電機(jī)組均有應(yīng)用。其中進(jìn)口品牌有顏巴赫（GE）、卡特比勒、美國庫伯、道依茨等。進(jìn)口機(jī)組的突出優(yōu)點(diǎn)在于效率較高，單位沼氣的發(fā)電效率高，但是投資成本和維護(hù)維修成本高。而國產(chǎn)品牌有勝動(dòng)、濟(jì)柴等，國產(chǎn)機(jī)組近年來技術(shù)水平有很大提升，尤其是在對CH4濃度適應(yīng)方面和每KW的造價(jià)方面都具有比較明顯的優(yōu)勢，具有較好的性價(jià)比，但故障率相對高些，機(jī)組在線率相對較低。
沼氣發(fā)電機(jī)
在進(jìn)口品牌中沼氣發(fā)電機(jī)組常用功率約為800KW-1250KW/臺。
進(jìn)入沼氣發(fā)電機(jī)組的沼氣一般應(yīng)滿足以下條件：
機(jī)組調(diào)壓閥前進(jìn)氣壓力3-5kPa；
CH4含量不低于30%；
進(jìn)氣溫度≤35℃；
氣體無游離水；
H2S含量≤50mg/m3，總硫含量≤480mg/m3，顆粒雜質(zhì)粒徑不大于5μm，總含量不超過50mg/ m3。
沼氣發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)電網(wǎng)的電壓的頻率來控制發(fā)電機(jī)的電壓和頻率，以與電網(wǎng)相適應(yīng)。
在沼氣發(fā)電機(jī)組選型中需要綜合考慮以下因素：
（1）根據(jù)沼氣產(chǎn)量選擇合適的裝機(jī)容量，避免設(shè)備閑置或沼氣浪費(fèi)；
（2）發(fā)電效率高意味著在消耗相同的燃?xì)鈺r(shí)能發(fā)出更多的電；
（3）在線率高意味著停機(jī)時(shí)間少，浪費(fèi)的沼氣少，發(fā)電量多；
（4）氣體純凈時(shí)，或者氣體處理得當(dāng)時(shí)，機(jī)組一個(gè)大修期可達(dá)50000—60000小時(shí)，一般可達(dá)30000—40000小時(shí)。但有些機(jī)組只達(dá)10000—20000小時(shí)；
（5）機(jī)油是一種主要的消耗品，在運(yùn)行成本中占有一定份額。而不同品牌機(jī)組的機(jī)油耗量差異較大；
（6）零配件價(jià)格有數(shù)倍之差，特別注意耗材，比如火花塞價(jià)格。直接關(guān)系到運(yùn)行費(fèi)用；
（7）齊全的零配件儲備可大大縮短停機(jī)時(shí)間，增加發(fā)電量；
（8）維修隊(duì)伍能否短時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場，對保證運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要；
1.7余熱利用系統(tǒng)
燃發(fā)電機(jī)組排放的尾氣溫度很高，約為450-550℃，800KW進(jìn)口機(jī)組小時(shí)尾氣排放量約為3100m3,若直接排入大氣，不僅造成能源浪費(fèi)，還減少了不可再生能源的利用率，并且將會對附近環(huán)境造成影響。
為了充分和合理地利用這部分余熱，在尾氣排放管道上設(shè)置余熱利用鍋爐，有效吸收高溫?zé)煔庵械臒崃俊Ｓ酂徨仩t吸收排煙的熱量后加熱軟化水，被加熱的軟化水再去加熱消化部分，確保消化池內(nèi)維護(hù)35℃的中溫消化時(shí)所需要的溫度。
1.8電氣及控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要用于沼氣發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，將各在線儀表所采集到的信號通過控制系統(tǒng)在上位機(jī)上顯示，操作人員可通過上位機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。
電氣系統(tǒng)分高壓配電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)：
高壓配電系統(tǒng)：高壓配電系統(tǒng)主要由高壓開關(guān)、變壓器、同步控制裝置、繼電保護(hù)裝置等。沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過0.4/10KV升壓變壓器后并入城市電網(wǎng)。在沼氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中有自動(dòng)同步裝置、通過采集城市電網(wǎng)的相序、電壓、頻率和相位角等同步參數(shù)，并調(diào)整沼氣機(jī)的相關(guān)參數(shù)與城市電網(wǎng)相適應(yīng)后方可并入城市電網(wǎng)。
低壓配電系統(tǒng)：低壓配電系統(tǒng)由低壓開關(guān)、母線、電纜及相關(guān)儀表組成。將母線電源通過低壓開關(guān)送至各低壓負(fù)載。
具體接入系統(tǒng)方案需與政府相關(guān)部門及電力主管部門共同商定。
2.1、厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行
因?yàn)轲B(yǎng)殖場沼氣發(fā)電在中國屬于相對較新的行業(yè)，氣體凈化、沼氣發(fā)電系統(tǒng)已基本成熟，但厭氧發(fā)酵的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)難點(diǎn)。
通過對蒙牛和德清源兩個(gè)規(guī)?；B(yǎng)殖場沼氣發(fā)電工程運(yùn)行情況的檢討，影響厭氧發(fā)酵的主要問題包括堵塞、溫度控制。在未來的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，可通過前端增加凈化裝置、運(yùn)營中更準(zhǔn)確控制溫度來解決。
2.2、沼渣沼液的處理
厭氧發(fā)酵之后的沼渣沼液需得到妥善處置，否則將會造成二次污染。
沼渣沼液的處理有三種模式：
A、農(nóng)用：沼氣工程周邊配套有較大面積的農(nóng)業(yè)作物、魚塘等，能夠就地消納沼氣發(fā)酵的殘留物（沼液）。
該方式的優(yōu)勢是投資和運(yùn)行成本均較低，是一種最為經(jīng)濟(jì)的工程模式，目前世界上養(yǎng)殖場沼氣發(fā)電最發(fā)達(dá)的德國基本采用此方式（通過嚴(yán)格控制畜牧業(yè)與種植業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展來保障）。
B、自然處理：對沼液采用部分還田或分季節(jié)還田，多余的沼液進(jìn)行低能耗或無動(dòng)力的自然處理（氧化溝、氧化塘、人工濕地等），達(dá)到控制污染物總量減排的目的。
該方式成本也較低，但對周圍環(huán)境可能造成影響，需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況來考慮是否適用。
C、處理達(dá)標(biāo)：將沼液進(jìn)行固液分離，分離出來的沼渣制成商品固體有機(jī)肥料，分離后的清液經(jīng)過好氧或物化等深度處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后直接排放。
該方式的工程投資和運(yùn)行費(fèi)用都較高，除了沼氣發(fā)電之外，應(yīng)以處理養(yǎng)殖場污水達(dá)標(biāo)為主要建設(shè)目標(biāo)。
在目前階段實(shí)施養(yǎng)殖場沼氣發(fā)電，最好能選擇有足夠農(nóng)作物面積配套的項(xiàng)目（方式一），以降低投資、運(yùn)營成本。
2.3、機(jī)組規(guī)模及電力輸出方式的確定
需要根據(jù)各項(xiàng)目情況，決定配備凈化設(shè)備和沼氣發(fā)電機(jī)組的規(guī)模，避免能源或設(shè)備的浪費(fèi)或閑置；根據(jù)實(shí)際需要確定電氣線路電力的輸出方式（養(yǎng)殖場自用或上網(wǎng)）。
