存栏500头基础母猪的沼气工程设计方案
前 言
随着经济发展和人民生活水平的提高，全国各地的畜禽养殖业得到了迅猛的发展。但由于畜禽养殖场产生的粪污等污染物对环境的不利影响，使我国畜禽养殖业面临着发展与环保的双重压力。在不以牺牲环境质量为代价的前提下，实现畜禽养殖的快速增长，改变传统的能源生产方式和消费方式，利用畜禽粪水开发利用生物质产生清洁的能源是最好的选择之一。利用厌氧消化技术处理畜禽养殖废水，制取清洁能源——沼气，在治理污染的同时变废为宝，减少温室气体的排放量，从而实现国民经济的可持续性发展。
受居民的饮食结构、畜禽产品的增殖性能、生产投资等因素影响，中国猪肉食用量在肉食消费中一直占有重要地位，养猪业在畜禽养殖中占有很大的比重。1983年到2005年猪肉消费占肉食品比例均大于60%。2004年中国肉猪存栏48189.1万头，出栏61800.7万头，猪肉产量4701.6万吨，居世界第一位，肉类人均占有量达55.73 kg/人，其中猪肉36.17 kg/人，超过世界猪肉人均的15.74 kg/人。2004年我国全年畜禽养殖业粪便废弃物的产生量为25.76亿吨，其中猪年排泄粪便为12.31亿吨，占总粪便量的47.8%，随着养猪业的发展，必然导致更大量的粪便废弃物，因此猪场粪污水的治理成为畜禽污染治理的关键。
随养殖数量的增多，我国规模化养殖场的数量和规模不断扩大，“十五”期间，畜牧业的规模化、区域化和产业化进程呈现出加快发展的趋势。2005年生猪规模化达饲养水平达到37.2%。在“十一五”畜牧业发展目标中预计，畜牧业规模化、标准化、产业化程度将进一步提高，畜牧业继续向集约型、资源高效利用型和环境友好型转变，到2010年主要畜禽品种适度规模以上的标准化养殖场的产品比例分别提高10个百分点。
养猪业的发展为人们提供了大量高品质的肉食来源，提高了人们的生活品质；同时带动了地方农牧副业的发展，吸引了大量社会劳动力，增加了社会就业，实现了农民增收；大型养殖场的建设提高了养猪业的整体科技水平，带动了养猪业的发展。
然而，养猪生产过程中产生大量有机废弃物，这些有机废弃物中含有大量的生物质能和有机肥资源，如不进行处理和综合利用而直接排放，不仅严重污染了水源、生态自然环境，对生产产生不利影响，也造成资源的极大浪费；同时，粪水四溢，将导致病菌传播，对企业扩大再生产和安全生产也将产生限制。因此，必须对大中型养猪场生产过程中产生的废弃物、废水进行综合利用和有效处理。开发生物质能源，回收有机肥资源，将治理污染、净化环境、回收能源、综合利用、改善生态环境有机的结合起来，走生态畜牧业产业化可持续发展的道路，在正常生态环境条件下组织畜牧生产，使之成为绿色生态型养猪场。通过该项目的实施，发挥当地龙头企业的示范和辐射作用，逐步将项目所在的地区建设成为“自然环境优美、人民生活满意、绿色畜牧业兴旺、农村经济发达”的现代化生态畜牧业和绿色食品生产的示范地区。
本工程项目的目的就是在国家政策的鼓励下，采用科学与全面的处理方法对养殖场的废弃物进行有效的处理，使其转化为有用的资源，实现无害化、资源化处理的最终目标，为该地区养猪场废弃物的处理树立一个样板。
第一章 项目背景和设计思想
1.1项目设计思想
1.1.1循环经济思想
循环经济，本质上是一种生态经济，它要求运用生态学规律来指导人类社会的经济活动。随着上个世纪50、60年代以来生态学的勃兴，使人们产生了模仿自然生态系统的愿望，按照自然生态系统物质循环和能量流动规律重构人类的经济系统，使得经济系统和谐地纳入到自然生态系统的物质循环过程中，建立起一种新形态的经济。
传统经济与循环经济的不同之处在于：传统经济是一种由“资源—产品—消费—污染排放”所构成的物质单向流动的线形经济。在这种经济中，人们以越来越高的强度把地球上的物质和能源开采出来，在生产加工和消费过程中又把污染和废物大量地排放到环境中去，对资源的利用常常是粗放的和一次性的，通过把资源持续不断地变成废物来实现经济的数量型增长，导致了许多自然资源的短缺与枯竭，并酿成了灾难性环境污染后果。与此不同，循环经济倡导的是一种建立在物质不断循环利用基础上的经济发展模式，它要求把经济活动按照自然生态系统的模式，组织成一个“资源—产品—消费—再生资源”的物质反复循环流动的过程，使得整个经济系统以及生产和消费的过程基本上不产生或者只产生很少的废弃物，其特征是自然资源的低投入、高利用和废弃物的低排放，从而根本上消解长期以来环境与发展之间的尖锐冲突。
从提倡一些废弃资源回收和综合利用到循环经济的提出，是经济发展理论的重要突破，它打破了传统经济发展理论把经济和环境系统人为割裂的弊端，要求把经济发展建立在自然生态规律的基础上，促使大量生产、大量消费和大量废弃的传统工业经济体系转轨到物质的合理使用和不断循环利用的经济体系，为可持续发展的经济提供了新的理论范式。
在西方国家，循环经济已经成为一股潮流和趋势，有些国家甚至以立法的方式加以推进。循环经济是实施可持续发展战略必然的选择和重要保证，而在世界上呼声很高的清洁生产，则是实现循环经济的基本形式。
生态农业是以物质循环和能量转化规律为依据，以科学技术为支撑，以经济、生态、社会效益有机统一为目标的良性循环的新型农业综合系统。发展生态农业，一是抓好无公害农产品生产基地建设。应通过科学规划、突出重点、成片开发、综合治理，把农业产业化基地建成农业生态园；二是积极发展有机农业；三是积极探索循环农业。根据生态循环再利用、再生产的循环链原理发展农业，不仅可以净化生活环境，解决能源与照明问题，而且还可以有效转化利用废弃物，促进种养业的良性循环，实现农业生产无害化。
1.2.2“猪——沼——农”三位一体经济模式架构
为满足人们对肉食品的需求，拟建立万头猪场，常年向市场供应优质商品猪。而为实现养殖发展与环境保护的协调发展，本养殖场建设中引进能源生态工程思想，采用沼气工程技术治理养猪场粪污水，利用污水处理过程中的主要产物沼气作为能源供应养殖场利用，副产物沼肥供应四季茶园使用，建立“猪——沼——农”三位一体生态系统，实现猪场粪污水的综合利用。
1.3沼气工程节点功能
沼气工程作为三位一体生态农业系统的纽带，其功能主要有两点。一是以生物质能转化技术为核心，将养殖业粪污资源充分利用，并将有机质转化为能源（沼气）；第二，保留污水中对植物生长有利的成分，使之转化为优质有机肥（固态、液态）。
第二章 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
猪场基础母猪存栏量500头，猪场总存栏量为5354头，设计采用干清粪工艺，按《畜禽养殖业污染物排放标准》计算，夏季污水排放量为1.8m3/（百头•d），冬季污水排放量为1.2m3/（百头•d），则排放污水量为64.2～96.4 m3/d。
日产粪便量为5.1t/d，猪粪含水率按82%设计，干物质（TS）量计算见表2-1。本项目中，干物质量按照0.92 t/d进行设计。
表2-1 猪粪干物质量计算表
猪粪产量（t/d）（含水率78%） 1.13
猪粪产量（t/d）（含水率80%） 1.03
猪粪产量（t/d）（含水率82%） 0.92
猪粪产量（t/d）（含水率84%） 0.82
猪粪产量（t/d）（含水率86%） 0.72
猪粪产量（t/d）（含水率88%） 0.62
干物质量（t/d） 0.92
含固率10%粪污总量（t/d） 9.2
2.1.2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5.1t鲜猪粪全部投放到高浓度反应器，并调配成10％干物质浓度，约需要4.1m3污水，余下猪场排放的污水经过水力筛，将部分存留在污水中的猪粪渣筛除，投入到配料池，与鲜猪粪一同调配（该部分物料包含在5.1t鲜猪粪中），过筛后污水进入储肥池，进行厌氧处理储存。物料总量和水量分配计算见表2-2。
表2-2 补充水量计算表
季节 粪便筛渣量（t/d） 污水总量
（m3/d） 高浓度物料量（t/d） 含固率 高浓度污水量
（t/d） 低浓度污水量
（m3/d）
夏季 5.1 96.4 9.1 10% 4.1 92.3
冬季 5.1 64.2 9.1 10% 4.1 60.1
2.1.3沼气产量计算
考虑2%的干物质损耗率，每天投TS 902kg，产沼率为0.28～0.32 m3/kg TS，取值0.30 m3/kg TS，可产沼气271m3。
表2-3 日沼气产量计算表
干物质量(t/d) 920
干物质损耗率 2%
干物质投产量(kg/d) 902
产沼率(m3/kg) 0.30
产沼量(m3/d) 271
污水量（m3/d） 4.1
2.2 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902kg。厌氧阶段消耗量为586kg，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316 kg，其中0.17吨由厌氧反应器底部作为沼渣排出，进入沼渣储存池；0.67吨与厌氧反应器上部出水一并排出。干物质减量化计算详见2-4。
表2-4 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
(t/d) 沼渣TS含量(t/d) 沼液TS含量(t/d)
9.2 0.92 65% 0.60 0.32 0.08 0.24
2.2.2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0.08t/d，按93%含水率计算，沼渣产量为1.15 t/d；沼液干物质含量为0.24 t/d，按97%含水率计算，沼液产量为7.79t/d。详见表2-5。
表2-5 沼肥产量计算表
沼渣 沼液 水消耗(t/d)
沼渣量(t/d) 干物质(t/d) 含水率 沼液量(t/d) 干物质(t/d) 含水率
1.15 0.08 93% 7.79 0.24 96.90% 0.26
第三章 产物供需平衡分析和解决方案选择
3.1沼气利用方案
能环工程日产沼气270 m3，计划全部作为燃气使用。
3.2沼肥种养平衡和有效利用解决方案
能环工程日产沼渣1.15吨（含水率93%）、沼液7.79吨。消纳该部分沼肥必须有相应量的土地承载。
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。
根据有关研究表明，沼肥作为优质有机肥料与化肥或其它有机肥相比，能显著提高作物的产量和品质，并防病抗逆，其机理在于沼肥的养分结构易于吸收，有改土培肥、营造良性土壤微生态系统作用，其生命活性物质有助于提高抗逆能力。一般沼肥主要有两个处理去向：第一个是在农耕施肥季节，沼肥直接输送（管道、车辆）到果园、苗圃、农田等施肥用地，作为液态有机肥使用；第二个是在非农耕施肥季节，沼肥进入有机肥生产区，与畜禽粪便混合后加入50%左右的作物秸秆、稻壳等，加工成固体有机肥储存销售。
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1500～2500 kg，可增产9.0%～26.4%，每100 kg沼肥增产水稻1.38 kg，玉米2.0 kg，棉花0.65 kg
沼肥用作追肥，效果也很明显。根据肥料养分含量计算，每100 kg沼肥的N、P、K养分总含量相当15：15：15的三元素复合肥60 kg。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20 kg左右，折合施沼肥330 kg，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%。追施沼肥有机肥的小麦亩产增产20 kg，用沼肥浇灌大白菜，较化肥对照提前5～7天包心，增产30%。
沼肥内含有作物需要的多种营养物质，微量元素、生长素、抗生素，极宜作叶面追肥使用，效果有时比单纯的化肥还要明显。特别是在日光温室蔬菜、果树、花卉等反季节的栽培中使用，有明显的壮秧、保果增产优质效果。能给作物补充营养，调节代谢，促进生长，增强光合作用，有利花芽分化，保花保果，果实膨大，产品光亮度好，品质优秀。作叶面肥，沼肥可单用也可与农药化肥混用。在作物上，可用温室大棚内栽培的反季节蔬菜、黄瓜、西红柿、青椒、茄子、豆角、西胡等，保花、保果效果明显。叶菜可用于芹菜、韭菜、甘蓝，生长迅速；果树可用于油桃、樱桃、杏、李等，口感极佳，糖度增加；花卉方面的非洲菊、百合、玫瑰，表现花朵大、鲜艳、枝粗等。
长期使用沼肥有机肥可以促进土壤团粒结构的形成，改良土壤结构，增强土壤保水保肥能力，提高土壤温度，改善土壤的理化特性，提高土壤中有机质、全氮、全磷以及土壤速效养分的含量，从而提高了土地肥力，并且减少化肥对环境的污染，降低用肥成本。根据试验研究，施用沼肥有机肥的土地与施用普通化肥的土地比较，土壤有机质含量增加1.0%～2.0%，全氮含量增加0.1%左右，土壤速效氮、速效钾的含量分别提高60%左右，其中，沼肥有机肥对土壤速效磷增加最为明显，施用沼肥有机肥的土壤速效磷含量是施用普通化肥的7～8倍。
3.2.2 沼肥承载土地量分析
根据有关资料，猪粪沼肥的养分组成与含量分别为：氨氮 0.056%，速效磷0.067%，速效钾0.113%，在沼肥产量为每天8.94吨的情况下，每天产出的沼肥所含有的氮、磷、钾养分量分别为：氨氮5.01 kg，速效磷5.99 kg，速效钾10.10 kg。如果以一季作物施用氮肥（N）150～180 kg/hm2、磷肥（P2O5）45～75 kg/hm2、钾肥（K2O）60～120 kg/hm2来计算的话，每天8.94吨沼肥所含养分需要的承载土地量分别为：氮0.03 hm2，磷0.08～0.13 hm2，钾0.08～0.17 hm2。按双季耕作，如冬小麦和夏玉米或大豆轮作来计算，则所需消纳这些沼肥的土地量将减少一半。
根据试验，沼肥用水稀释5～10倍后，可以直接灌溉农田，且具有一定的增产作用。基于此，土肥专家在设计设施蔬菜营养液肥料、滴灌肥料和蔬菜、果树专用液体肥料的浓度时，稀释倍数一般为10～20倍。目前，国内具有较成熟的设施蔬菜有机活性基质无土栽培技术、滴灌栽培的技术和敞穴施肥技术；掌握各类蔬菜、果树和农作物的养分需求规律和施肥的最佳养分配比；完全可以把沼肥转化为各种肥料。
第四章 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8日发布）
4、《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》（NY/T 1222-2006）
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》（GB 8978-1996）
8、《给水排水设计手册》
9、业主提供的有关基础资料。
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。
5、管理简便原则
合理处理人工操作和自动控制的关系，对不便人工操作，且人工成本较高的工艺，采用自动化技术，提高系统运行管理水平。
4.3 设计范围
本设计范围包括：能环工程工艺设计；机械设备设计；建筑与结构设计；电气设计；控制及仪表设计；平面与高程设计；消防、劳动生产保护与人员编制设计。
本设计范围不包括场区所有道路铺设、绿化等。
本工程污水汇集管线、自来水管线、电线电缆均由业主送至项目界区内。
4.4 粪污处理量
总资源量为含固率18%的粪污总量5.1 t，变化幅度较小，因此，高浓度厌氧反应器有机负荷变化较小。
第五章 能环工程工艺流程设计
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能环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 进料池
进料池的功能是将猪粪配比为含固率在10%左右的混合液。
进料料时间阶段安排有几种选择，最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。
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