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武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计吴全舟（武汉工业学院化学与环境工程学院，武汉430023）摘要针对目前我国规模化畜禽养殖场的粪污、污水的数量和特征，分析总结了规模化养猪场粪污处理的现状和存在的问题，从处理工艺设计、设备选型和运行管理等方面给出了对策和建议。并针对养猪场废水量、水质特点和对资源充分利用的要求，设计了一套方案。本设计采用粪水预处理+USR厌氧消化+产品综合利用的工艺进行处理。经处理后，CODCr，BOD5，SS都得到有效的去除和转化，其中CODCr的去除率为60%，BOD5的去除率为65%，SS的去除率为70%。通过厌氧发酵将粪污资源昀大化的利用，沼气转化为电能，沼肥为良好的有机肥料，粪污全部资源化，无污染、零排放。关键词：养猪场粪水；高浓度废水处理；养殖业废弃物；厌氧消化；沼气工程3武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计1概述1.1设计题目某规模化养猪场大型沼气工程1.2设计内容养猪场粪污综合处理，工艺的选择与设计，各处理单元的设计，包括：建设猪粪污水的预前处理单元，生产沼气的厌氧发酵消化反应器单元、沼气净化系统、沼气发电系统单元等的设计与建设。1.3项目概况某规模化养猪场成立于2001年1月，位于湖北省东南部某市农场内，主要经营种猪、商品育肥猪。该养殖场项目占地200亩总投资1000万元。项目报批、基建工程已经全面完成，各项配套设施已逐步完善，于2001年6月全面投产，年出栏种猪、商品育肥猪1万余头。该养猪场为规模化标准万头养猪场，猪场每天产生粪便约13t，产生废水约40t。表1-1猪粪污水特性】【1原料名称pHCOD(mg/L)BOD5(mg/L)SS(mg/L)猪粪水7.0~7.811000~260007000~1300010000~600002项目资源/产物计算2.1沼气产量计算2.1.1干物质量计算该规模化养猪场为标准化万头猪场，年出栏育肥猪数量超过一万头，根据该养殖企业提供的资料和实际经验确定猪场总存栏量为6500头。设计采用干清粪工艺，根据经验值每天冲冲栏废水大约为40m3。根据工程经验值取每头猪日产猪粪便为2kg，粪便收集率为95%，猪粪便含固率为20%，则】【1粪便总量=6500头×2kg/（头/d）×0.95=12350kg=12.35t/d5武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计粪便固体总量TS=12.35t/d×0.2=2.47t/d2.1.2物料总量和补充水量计算本设计中采用高浓度反应器设计，养殖场产生的12.35t/d鲜猪粪全部投放到高浓度反应器，并调配成6％干物质浓度，约需要42m3污水。2.1.3沼气产量计算考虑5%的干物质损耗率，每天投TS2346.5kg，产沼率为0.28～0.32m3/kgTS，取值0.30m3/kgTS，则可产沼气704m3。表2-1日沼气产量计算表干物质量产量(kg/d)干物质损耗率干物质投产量(kg/d)产沼率(m3/kg)产沼量(m3/d)污水量（m3/d）2346.55%2346.50.3070424.72.2沼肥产量估算2.2.1干物质减量化计算全天输入干物质量为2346.5kg，厌氧阶段消耗量为TS的65%为1.53t，该部分TS消耗是生物质能转化、沼气生产的主体。厌氧阶段TS的输出量为0.82t，其中0.24t由厌氧反应器底部作为沼渣排出，进入沼渣储存池；0.58t与厌氧反应器上部出水一并排出。】【3.2表2-2干物质减量化计算表物料量(t/d)TS量(t/d)生化消耗率生化消耗量(t/d)TS剩余量沼渣TS含量(t/d)沼液TS含量(t/d)12.352.3565%1.530.820.240.582.2.2沼肥产量估算一般情况下沼渣含水率为93%，沼液含水率为97%。沼渣干物质含量0.24t/d，按93%含水率计算，沼渣产量为3.43t/d；沼液干物质含量为0.58t/d，按97%含水率计算，沼液产量为19.33t/d。详见表2-5。表2-3沼肥产量计算表产量(t/d)干物质(t/d)含水率(%)沼渣3.430.2493沼液19.330.58976武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计3产物供需平衡分析和解决方案选择3.1沼气利用方案沼气工程日产沼气704m3，计划部分作为锅炉加热系统燃气使用，部分用于发电。3.2沼肥种养平衡和有效利用解决方案沼气工程日产沼渣3.43吨（含水率93%）、沼液19.33吨。消纳该部分沼肥必须有相应量的土地承载，据提供的资料显示该养殖场周围有大量农田和山场林地供消纳该部分沼肥。3.2.1沼肥优势分析沼肥是沼气发酵的残余物，含有较全面的养分和丰富的有机质，是具有改良土壤功效的优质有机肥料。沼肥中含有丰富的氮磷钾等大量营养元素和多种微量营养元素，据测定，沼肥中含有全氮（N）0.03%～0.08%，全磷（P2O5）0.02%～0.06%，全钾（K2O）0.05%～1.0%，而且这些营养元素基本上是以速效养分形式存在的.因此，沼肥的速效营养能力强，能迅速被作物吸收，养分可利用率高，是多元的速效复合液体肥料。另外，沼肥中还富含多种氨基酸和维生素等，因此，沼肥也是畜禽饲料的良好添加料。沼肥不仅养分全、肥效快，而且易吸收，残留少，便于改良土壤的根际环境，疏松土壤，是无公害栽培的首选肥料。沼肥作为一种优良的有机肥料可以部分或全部代替化学肥料，大量试验说明沼肥是一种优质、全效的液体有机肥料。在生产中，沼肥有机肥可以用作基肥、追肥和叶面肥。沼肥用作基肥浇灌果树，使其结果大，果实色鲜、味美、甜度好。沼肥用于稻田，作物生长强壮，植株挺拔翠绿，分蘖多、苗高且根系粗壮发达，有效穗、穗粒数、结实率都有所提高。据四川农业科学院在水稻、玉米、棉花等作物上的试验表明，亩施沼肥1500～2500kg，可增产9.0%～26.4%，每100kg沼肥增产水稻1.38kg，玉米2.0kg，棉花0.65kg】【2沼肥用作追肥，效果也很明显。根据肥料养分含量计算，每100kg沼肥的N、P、K养分总含量相当15：15：15的三元素复合肥60kg。按照科学配方，合理施肥的原则，一般作物每亩每次追施三元素复合肥20kg左右，折合施沼肥330kg，一般7～15天追施一次，顺水追施效果好。和同等养分含量的无机肥料相比，沼肥作追肥的作物，长势强健，病虫害少，果实大且有光泽，品质好，产量和产值分别高出对照10%～20%。】【57武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计4工程设计范围和处理能力4.1设计依据1、《中华人民共和国水污染防治法实施细则》（环发[1999]214号)）2、《污水处理设施环境保护监督管理办法》（(88)国环水字第187号）3、《畜禽养殖污染防治管理办法》（国家环境保护总局，2001年5月发布）4、《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》（NY/T1222-2006）5、《大中型畜禽养殖场能源环境工程建设规划》（农业部，1999）6、《蓄禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）7、《污水综合排放标准》（GB8978-1996）8、《给水排水设计手册》9、其它有关基础资料4.2设计原则1、资源化原则畜禽粪污是一种有价值的宝贵资源，充分利用畜禽粪污资源是污染防治的重要原则。畜禽粪污经处理后，可以产出再生能源（沼气）、有机肥（固态、液态），具有较好的经济价值。2、生态化原则遵循循环经济指导思想，依据物质循环、能量流动的生态学基本原理，强化种养平衡，促进种植业与养殖业结合，实现生态系统的良性循环。3、综合效益原则兼顾环境效益、社会效益、经济效益，将治理污染与资源开发有机结合起来，使猪场粪污治理工程产出大于投入，提高污水处理工程的综合效益。4、可靠性原则遵循技术先进、工艺成熟、质量可靠的原则，在设计中吸取国内外先进的处理工艺和施工技术，使工程达到国际先进水平。4.3设计范围本设计范围包括：沼气工程工艺设计；机械设备选型与设计；建筑与结构设计；平面与高程设计；人员编制设计。4.4粪污处理量总资源量为含固率20%的粪污总量12.35t，变化幅度较小，因此，高浓度厌氧反应器有机负荷变化较小。8武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计5沼气工程工艺流程设计5.1处理工艺选择5.1.1预处理工艺选择预处理包括格栅、集水池、集粪池、配料池、等处理单元。为了真正做到减量化、资源化、无害化，达到处理结果零排放的目标，本工程采用将粪污收集后投放到预处理单元，与其它污染物一起进入厌氧消化罐进行厌氧发酵处理。这条工艺路线不仅能获得较大的生物质能转化资源，同时，实现了粪污减量化、无害化处理。粪污水由汇集管网运送至预处理单元，经与场区冲刷水混合后进行厌氧处理。5.1.1.1格栅格栅的作用是去除废水中的大粒径固体物质，如悬浮物、漂浮物、纤维物质和固体颗粒物质，以保证后续处理单元和水泵的正常运行。5.1.1.2集水池集水池的功能是储存沼气工程中需要的补充水，该水来自养殖区冲刷水。集水池水由提升泵泵入进料池。5.1.1.3集粪池集粪池用来暂存猪场输送来的猪粪，通过集水池污水冲洗到进料池。5.1.1.4进料斗进料池的功能是将猪粪配比为含固率在6%左右的混合液。进料料时间阶段安排有几种选择，昀好的时间安排为全天24小时均匀分配，但客观上几乎不可能实现。我们选择批次配比方式，每天24小时内分2批完成配比操作，每次1小时进行。5.1.2厌氧消化处理工艺选择厌氧消化工艺包括进料单元、厌氧消化单元、保温增温单元、以及沼肥运输管网等构成。5.1.2.1进料方式选择进料池内物料由提升泵向厌氧消化单元进料。由于物料浓度高，提升泵采用单螺杆泵。进料方式有若干种选择，可以采用均匀进料，也可采用分批进料方式。进料方式与沼气释放量密切相关，通过进料方式可以调控沼气释放阶段，一般情况下，强进料阶段沼气释放量会大幅度增大。本工程设计采取分2批轮流进料方式。5.1.2.2厌氧处理工艺选择1、各类厌氧工艺性能概述（1）完全混合厌氧工艺（CSTR）9武汉工业学院2010届本科毕业设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计传统的完全混合厌氧工艺（CSTR）是借助消化池内厌氧活性污泥来净化有机污染物。有机污染物进入池内，经过搅拌与池内原有的厌氧活性污泥充分接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解，使废水中的有机污染物转化为沼气。完全混合厌氧工艺池体体积较大，负荷较低，其污泥停留时间等于水力停留时间，因此不能在反应器内积累起足够浓度的污泥，一般仅用于城市污水厂的剩余好氧污泥以及粪便的厌氧消化处理。（2）厌氧接触工艺反应器厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。（3）厌氧滤器（AF）厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS含量较高时，容易发生短路和堵塞。（4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB）待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附