规模化养猪场沼气工程设计.docx

规模化养猪场沼气工程设计.docx

《规模化养猪场沼气工程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《规模化养猪场沼气工程设计.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

规模化养猪场沼气工程设计

规模化养猪场沼气工程设计（总34页）

本科毕业论文

规模化养猪场沼气工程设计

METHANEPROJECTDESIGNOFALARGEPIGFARM

学院（部）：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

2011年月日

规模化养猪场沼气工程设计

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最大化的利用，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

METHANEPROJECTDESIGNOFALARGEPIGFARM

ABSTRACT

Inrecentyearstheamountoflarge-scalelivestockandpoultryfarmskeepincreasing,theenvironmentaldegradationcausedbythemassoflivestockwasteisbecomingmoreandmoredigestion（biogasgenarateprocess）isoneofthemainmeanstosolvetheseissues.Basedonthecurrentsituationofquantitiesandfeaturesofdungcorruptandsewagefromlarge-scalelivestockandpoultryfarms,thisdesignanalysedandsummarizedthedecontaminationprocessing’spresentsituationandtheexistingproblemsofpigdungfromlarge-scaledpigfarms,.chosentheprocessofmuckwaterpretreatment,USRanaerobicdigestion,productscomprehensiveutilizationforprocessing.Thisdesignalsocalculatedandprovedthechoiceoftechnonogy,progressdesign,materialoutput,equipmentselection,ecnomicbenifitprogressofanaerobicfermentationnotonlymaximizedtheuseofdunguncleanresources,madebiogasintoelectricalenergy,madethewasteofanaerobicdigestionintogoodorganicfertilizer,butalsoprotectedtheenvironmentwhilealsobringcertaineconomicbenefitforthefarm.

KEYWORDS:

large-scalelivestockandpoultryfarms,pigmanurewater,livestockandpoultryfarmswaste,anaerobicdigestion,designofmethaneproject

绪论

20世纪90年代中期，规模化畜禽场污染问题日益受到关注，特别是近年来，随着我国经济的发展的人民生活水平的提高，我国的畜牧养殖业得到了迅猛发展，牛、猪、羊和家禽等的存栏量一直呈现上升趋势。

2005年，全国生猪出栏75913万头，羊出栏34586万只，肉牛出栏5265万头，奶牛存栏1267万头，猪、牛、羊三大家禽畜存（出）栏总量约亿头（只），鸡蛋、肉鸡存（出）栏量亿只。

2005年，畜禽粪便资源的实物量为亿吨。

畜禽养殖场粪污排放COD已超过工业废水和生活污水的总和。

我国的大中型沼气工程工艺技术已日趋成熟，配套设备接近国际水平。

在沼气工程的成套技术方面，可根据猪粪、鸡粪、牛粪等原料的差异，进行包括预处理、厌氧、沼气输配、制肥、消化液后处理的全部设计；在发酵工艺方面，已开展了生物厌氧发酵机理研究、不同粪便高效能发酵工艺的制定等；在配套设备方面，我国已研制成功了纯然沼气发电机组，工业化制罐、自动控制、脱硫脱水、固液分离等装置已基本形成系列化产品。

除此之外，根据我国的经济实力和具体国情，研制出两套以USB消化器和塞流式消化器为主的“能源生态型”和以高效厌氧消化器（UASB、EGSB）与好氧处理（SBR、MBR、水生植物塘）相结合为主的“能源环保型”典型废水处理工艺。

根据全国农村可再生能源统计，截至2005年底，在各种规模化畜禽养殖场已推广建设规模化养殖场沼气工程3556处，年处理农业废弃物万吨，年产商品肥料万吨，商品饲料万吨，生产沼气万米3，利用沼气发电万千瓦时，供气万户。

根据农业部2007年3月发布的《全国农村沼气建设规划》（2006~2010年），预计从2006~2010年，在现有规模化养殖场中新建大中型沼气工程4000处。

这些工程的设计、建造和运行都为进一步规模化推广大中型沼气工程奠定了基础。

如广东省板岭种猪场沼气工程自2000年投入使用以来，一直正常运行，年处理粪污约17万吨，年产沼气约29万米，除用于职工食堂炊事用气外，发电43万千瓦时，取得了较好的环境效益和一不定期的经济效益。

北京市巨山农场沼气工程自2005年投入使用以来，也一直正常运行，日处理奶牛粪污14t，日产沼气210m³，沼渣1t，沼液13t。

所产生的沼气用作巨山农场炊事燃料、温室加温及温室蔬菜的二氧化碳施肥，沼渣、沼液用于绿色食品基地及一墙之隔的1200亩无公害果园菜地。

本项目确保了特供农副产口质量的安全，确保了北京市香山环境保护区农业生态环境不受污染。

这些在不同地区、不同自然条件下并成功运行的沼气工程，从实践上验证了在我国开展大中型沼气工程的技术可行性。

1设计概述

项目概况

对某养猪场的粪污利用沼气工程进行综合处理。

该规模化养猪场成立于2002年1月，位于安徽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2002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。

原料名称

pH

COD（mg/L）

BOD5（mg/L）

SS（mg/L）

猪粪水

~

11000~26000

7000~13000

10000~60000

表1-1猪粪污水特性

设计内容

设计内容为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。

设计项目的意义

应用沼气技术对该养猪场的粪便进行资源化开发和多层次利用，既制取了优质气体燃料，又可开发再生饲料和优质有机肥料，同时治理了污染，净化了环境。

通过沼气这个纽带，把养猪场生产中的食物链与生物加工链有机的结合起来，多层次循环利用有机物资源，把养殖业、种植业和加工业各项生产中的能量转换和物质循环有机地结合起来，提高了能源和资源的利用。

使畜禽与饲料、燃料与粪便、作物与肥料在微生物作用下，形成协调、转化、再生、增值的良性循环，从而建立起以沼气为纽带的良性生态循环。

通过对该养殖场中的废弃物进行减量化、资源化、无害化处理利用，达到开发能源、回收资源、治理污染、净化环境之目的，并结合养殖场周围实际情况排放，从而实现生态养殖场可持续、健康和协调发展。

设计原则

在养殖场总体规划和沼气工程的可行性方案指导下，依据保护和改善环境、防止和减少污染，改善农村周边生态环境和本着环境效益、社会效益、经济效益兼顾的原则，在设计中能源开发与资源的回收利用有机的结合起来，使沼气工程产出大于投入，提高建设项目的社会效益、环境效益和经济效益。

同时，必须做到以下几个方面：

1、资源化

变废为宝。

粪尿收集后全部用于厌氧消化，产生的沼液首先固液分离，其中分离出的固体直接作为有机肥利用或销售，分离出的液体利用管道与灌溉水混合，调配成肥水一同流入田间灌溉，也可通过压力泵为无公害农作物作喷雾施肥。

厌氧发酵产生的优质、清洁的能源——沼气，用于发电或生产生活燃气，解决热能问题。

2、减量化

从源头抓起，对养殖场进行必要的改造，做到干湿分离、雨污分离、实施干清粪、少冲棚或不冲棚的工艺，使粪污总量控制在最低限度。

3、无害化

粪污经厌氧发酵后，出水中有害细菌指标达到卫生防疫要求，无臭味，并满足农田灌溉或喷施。

4、生态化

通过对粪污的治理，控制场区及周边水体污染，改善空气质量。

沼气通过厌氧发酵后所产生的沼液作为液态有机肥料进行农田施肥，可改善生产基地土壤生态环境。

实施无公害生产发展生态农业，促进土壤生态系统能量有效转化，全面提高生态环境质量。

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、《建设项目经济评价方法与参数》（第二版）

10、《中华人民共和国可再生能源法》2005年2月

11、《中华人民共和国畜牧法》2006年7月

12、其有关基础资料

设计范围

整个方案是以厌氧消化为技术核心，结合其它工艺技术的“生态循环经济”模式，其内容主要包括：

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

2沼气工程工艺流程设计

处理工艺选择

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。

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。

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。

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。

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，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。

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。

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。

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）

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着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。

污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。

自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。

液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。

UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上），较高的进水容积负荷率，从而大大提高了厌氧反应器单位体积的处理能力。

但是对于SS含量很高的污水，由于三相分离器泥、气、水分离能力的限制，不可避免地造成出水中含泥量很高，整个系统的投资费用也较大。

（5）膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）

EGSB是在UASB反应器的结构相似，所不同的是在EGSB反应器中采用相当高的上流速度，因此，在EGSB反应器中颗粒污泥处于完全或部分“膨胀化”的状态，即污泥床的体积由于颗粒之间的平均距离的增加而扩大。

为了提高上升速度，EGSB反应器采用较大的高度与直径比和很大的回流比。

在高速上升速度和产气的搅拌作用下，废水与颗粒污泥间的接触更充分，因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间，从而EGSB可以高速地处理浓度较低的有机废水。

（6）升流式厌氧固体反应器（USR）

升流式厌氧固体反应器是一种新型的专用以处理固体物含量较大的反应器，其构造特点是反应器内不设三相分离器和其它构件。

含高有机物固体含量（大于5%）的废液由池底配水系统进入，均匀地分布在反应器的底部，然后上升流通过含有高浓度厌氧微生物的固体床。

使废液中的有机固体与厌氧微生物充分接触反应，有机固体被液化发酵和厌氧分解，约有60%左右的有机物被转化为沼气。

而产生的沼气随水流上升具有搅拌混合作用，促进了固体与微生物的接触。

由于重力作用固体床区有自然沉淀作用，比重较大的固体物（包括微生物、未降解的固体和无机固体等）被累积在固体床下部，使反应器内保持较高的固体量和生物量，可使反应器有较长的微生物和固体滞留时间。

通过固体床的水流从池顶的出水渠溢流至池外。

在出水溢流渠前设置挡渣板，可减少池内SS的流失，在反应器液面会形成一层浮渣层，在长期稳定运行过程中，浮渣层达到一定厚度后趋于动态平衡。

不断有固体被沼气携带到浮渣层，同时也有经脱气的固体返回到固体床区。

由于沼气要透过浮渣层进入到反应器顶部的集气室，对浮渣层产生一定的“破碎”作用。

对于生产性反应器由于浮渣层表面积较大，浮渣层不会引起堵塞。

集气室中的沼气经导管引出池外进入沼气贮柜。

反应池设排泥管可将多余的污泥和下沉在底部的惰性物质定期排除。

2、几种典型的厌氧反应器适用性能比较

几种典型的厌氧反应器适用性能比较见表5-1。

表5-1厌氧反应器适用性能比较表

反应器名称

优点

缺点

适用范围

升流式固体反应器（USR）

a.工艺较简单，反应器内不设三相分离器不需要污泥回流，投资较省；

b.池形结构简单，操作简单，运行管理方便，维修量少；

c.无需搅拌，运行费用较低；

d.SRT和MRT较长，处理效率高。

a.对进料均布性要求较高，在设计施工中技术要求较高；

b.当含固量高时，要采取强化搅拌措施。

猪粪、鸡鸭粪等纤维含量少的粪种

完全混合厌氧反应器（CSTR）

a.投资省、运行管理简单；

b.具有搅拌装置，避免了浮渣结壳、堵塞、气体逸出不畅现象；

c.耐冲击负荷能力强.

a.由于该反应器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要反应器体积较大；

b.要有足够的搅拌，能量消耗较高；

c.底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。

各种粪种，主要适用于牛粪

厌氧接触反应器

a.投资较省、运行管理简单；

b.容积负荷率高，

c.耐冲击负荷能力强.

a.停留时间相对较长；

b.需要设置污泥回流装置；

c.需要外加一个沉淀池来收集污泥。

各种粪种

塞流式反应器（PFR）

a.不需搅拌装置，结构简单，能耗低；

b.适用于高SS废水的处理，尤其适用于猪粪的厌氧消化，用于农场有较好的经济效益；

c.运行方便，故障少，稳定性高

a.固体物容易沉淀于池底，影响反应器的有效体积，使HRT和SRT降低，效率较低；

b.需要固体和微生物的回流作为接种物；

c.因该反应器面积/体积比较大，反应器内难以保持一致的温度；

d.易产生厚的结壳；

e.需要搅拌，能耗高。

各种粪种

上流式厌氧污泥床（UASB）

a.除三相分离器外，消化器结构简

单，没有搅拌装置及填料；

b.较长的SRT及MRT使其实

现了很高负荷率；

c.颗粒污泥的形成使微生物天然固定

化，增加了工艺的稳定性；

d.出水SS含量低。

a.需要安装三相分离器；

b.需要有效的布水器，使进料能均匀分布于消化器底部；

c.要求进水SS含量低；

d.在水力负荷较高或SS负荷较高时易流失固体和微生物，运行技术要求较高。

适用于SS含量

低的有机废水

3、厌氧工艺的选择确定

从以上列表可知，各种类型的厌氧工艺各有其优缺点和使用范围，在一定的条件下选择适当的工艺型式是厌氧处理成功的关键所在。

对于本项目而言，由于需将全部猪粪和部分冲洗水一起混合均匀后进入厌氧罐进行厌氧发酵处理，其废水中含固量很高，因此，选择升流式厌氧固体反应器（USR）是较为合适的。

选择USR处理工艺，反应器的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT）远大于水力滞留期（HRT）。

厌氧罐顶部在出水溢流渠前设置挡渣板，可以减少罐内内悬浮固体物质的流失，提高了固体滞留期（SRT）。

固体有机物的分解率与SRT呈正相关，固体滞留期（SRT）加长，消化效率就大幅度提高；剩余厌氧微生物在重力的作用下沉淀下来，累积在固体床下部，使反应器微生物滞留期（MRT）加长，既提高处理效率，又降低微生物对外加营养物质的需求，减少污泥的量。

厌氧反应器结构选择

普通的厌氧反应器均采用钢砼结构。

近年来为了缩短施工周期，节省建筑材料，提高反应池的施工质量，建设美观大方的能环工程处理装置，也多有采用新材料、新技术建造的厌氧反应器。

典型的有德国的利普（Lipp）公司的利普罐和德国Farmetic公司的搪瓷拼装罐。

这些技术应用金属朔性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备将镀锌或搪瓷拼装建造成。

1、钢筋混凝土制罐技术

钢筋混凝土技术利用钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度上各自的优势，实现优势互补，通过现场浇注，可以得到较好的强度和防水性能的罐体，由于混凝土具有耐酸碱，耐温便等的性能，能够很好的保护内部钢筋，使之免受腐蚀，因此结构具有很好的防腐性能，结构成型后，进行简单的防腐和防渗处理就可以满足工程需要，使用寿命长，可达50年，后期维护和运行管理费用较低。

2、搪瓷拼装制罐技术

搪瓷拼装制罐技术使用软性搪瓷或其他防腐预制钢板，以快速低耗的现场拼装使之成型，预制钢板采用栓接方式拼装，栓接处加特制密封材料防漏。

此种预制钢板形成的保护层不仅能阻止罐体腐蚀，而且具有抗酸碱的功能。

拼装罐具有技术先进、性能优良、耐腐蚀性好、维修便利、外观美观，可拆迁等特点，其使用寿命达30年。

3、利浦制罐技术

利浦制罐技术利用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备，将一定规格的钢板，应用“螺旋、双折边、咬合“工艺来建造圆型的LIPP池、罐。

由于是机械化、自动化制作和采用薄钢板作为建筑材料，LIPP技术具有施工周期短，造价较低，质量好等优点。

结合本工程特点，主体厌氧反应器选择搪瓷拼装制罐，以方便使用和运行管理。

厌氧反应器配置选择

高浓度厌氧反应器内设置一套水力循环系统，使进料均匀分布于罐体底部并充分与厌氧微生物接触。

低浓度靠沼气产气过程以及进料过程并增加物料内循环泵实现物料的搅拌。

罐底设排渣系统，定期将罐底惰性污泥排出。

排出的污泥进入沼肥储存池，然后运送到下一个处理单元。

反应器上部设排水系统。

排水采用堰槽出水方式，溢流进入下一个处理单元。

保温与增温选择

厌氧消化反应过程受温度影响很大，本项目厌氧处理单元设计为中温，其最佳温度范围为30～35℃。

为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，必须对系统实施整体保温措施，同时还需对厌氧消化罐进水进行增温处理。

1、保温

系统整体保温包括管道、阀门保温；配料池、厌氧消化罐的保温。

对于各种管路能地埋的则地埋，地上管路采用常规保温方式实现；对厌氧消化罐、沼气储气柜，采用聚苯乙烯和聚氨酯等材料进行强化保温。

2、增温

增温能耗主要分为两部分，一部分为把参与反应物料的温度由常温提升到反应温度，这一过程主要在预热池中进行，另一部分是保证USR反应器在相对稳定的温度下运行，补偿其运