存栏500头基础母猪的沼气工程设计方案
申报科研
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55.73kg/人，其中猪肉36.17kg/人，超过世界猪肉人均的15.74kg/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。
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。
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。
1.3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64.2～96.4m3/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0.92t/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5.196.49.110%4.192.3
冬季5.164.29.110%4.160.1
2.1.3沼气产量计算
考虑2%的干物质损耗率，每天投TS902kg，产沼率为0.28～0.32m3/kgTS，取值0.30m3/kgTS，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316kg，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)
9.20.9265%0.600.320.080.24
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1.15t/d；沼液干物质含量为0.24t/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
1.150.0893%7.790.2496.90%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270m3，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1500～2500kg，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
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%。追施沼肥有机肥的小麦亩产增产20kg，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5.01kg，速效磷5.99kg，速效钾10.10kg。如果以一季作物施用氮肥（N）150～180kg/hm2、磷肥（P2O5）45～75kg/hm2、钾肥（K2O）60～120kg/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0.03hm2，磷0.08～0.13hm2，钾0.08～0.17hm2。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/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、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5.1t，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。
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
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）
（2）厌氧接触工艺反应器
（3）厌氧滤器（AF）
（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）
（6）升流式厌氧固体反应器（USR）
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
完全混合厌氧
反应器（CSTR）投资小、运行管理简单容积负荷率低，效率
较低，出水水质较差适用于SS含量很
高的污泥处理
厌氧接触反应器投资较省、运行管理简
单，容积负荷率较高，
出水水质相对较差适用于高浓度、高
悬浮物的有机废水
厌氧滤器（AF）处理效率高，耐负荷能
力强，出水水质相对较
好投资较大，反应器容
易短路和堵塞适用于SS含量较
低的有机废水
上流式厌氧污
泥床反应器
（UASB）处理效率高，耐负荷能
好投资相对较大，对废
水SS含量要求严格适用于SS含量适
膨胀颗粒污泥
床反应器
（EGSB）处理效率较高，负荷能力
强，出水水质相对较好投资相对较大，对废
水SS含量要求严格适用于SS含量较
少和浓度相对较低
的有机废水
升流式厌氧固
体反应器
（USR）处理效率较高，投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高。对进料均布性要求高，当含固率达到一定程度时，必须采取强化措施。适用于含固量高
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。
本项目设计含固率为10%。对于高含固率来料，为避免进料分布不均匀问题，必须强化其进料的局部混合性。设计上底部配置搅拌机，以间歇混合搅拌方式来实现。我们定义该方式为USR-PM。
本设计方案选择USR-PM为厌氧处理工艺。
5.1.2.3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
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
结合本工程特点，主体厌氧反应器选择钢筋混凝土结构，以方便使用和运行管理。
5.1.2.4厌氧反应器配置选择
高浓度厌氧反应器内设置一台搅拌器，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。
5.1.2.5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35～38℃。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、厌氧消化罐以及储气柜的保温。
对于各种管路能地埋的则地埋，地上管路采用北方地区常规保温方式实现；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。另外，在厌氧反应器旁边设置一个沼气净化间，尽可能地将管路、阀门设置在该房间内，起到保温作用。
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，这一过程主要在进料池中进行，另一部分是保证USR反应器在相对稳定的温度下运行，补偿其运行过程中散失到环境中的能量。为降低反应过程中的能耗，在本设计中一方面采用较高的物料浓度，在保证有机负荷不变的情况下，降低水的含量，降低物料增温能耗，另一方面，在反应器池体外增设一层保温层，以降低反应器的热量散失。
为保证反应器的正常启动以及热源的稳定性，本系统中采用自厂区燃煤锅炉产生的热水作为热源。
5.2沼气应用系统工艺选择
5.2.1沼气净化工艺选择
厌氧反应器刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有气体燃料CH4和惰性气体CO2外，还含有H2S和悬浮的颗粒状杂质。H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。因此新生成的沼气不宜直接作燃料，还需进行气水分离、脱硫等净化处理，其中沼气的脱硫是其主要问题。
对于畜禽粪污产生的沼气，其中H2S气体含量约为2000mg/m3，而沼气作为燃气要求沼气中含H2S气体含量小于100mL/m3，沼气的脱硫净化处理是必须的。
沼气脱硫主要有生物脱硫、化学脱硫两种方法。
生物脱硫法是利用无色硫细菌，如氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等，在微氧条件下将H2S氧化成单质硫。这种脱硫方法已在德国沼气脱硫中广泛使用，在国内某些工程已有采用，其优点是：不需要催化剂、不需处理化学污泥，产生很少生物污泥、耗能低、可回收单质硫、去除效率高。这种脱硫的技术关键是如何根据H2S的浓度来控制脱硫塔中氧化还原反应过程。
化学脱硫是将沼气通过脱硫剂床层，沼气中的H2S与活性氧化铁接触，生成三硫化二铁，然后含有硫化物的脱硫剂与空气中的氧接触，当有水存在时，铁的硫化物又转化为氧化铁和单体硫。这种脱硫再生过程可循环多次，直至氧化铁脱硫剂表面的大部分空隙被硫或其它杂质覆盖而失去活性为止。再生后的氧化铁可继续脱除沼气中的H2S。上述均为放热反应，但是，再生反应比脱硫反应要缓慢。为了使硫化铁充分再生为氧化铁，工程上往往将上述两个过程分开进行。
本工程拟采用生物脱硫的方法对沼气进行脱硫处理。
厌氧罐中输出的含饱和水蒸气的沼气经过生物脱硫塔、气水分离器和凝水器等专用设备净化处理后贮存在储气柜中。
5.2.2沼气储存工艺选择
由于沼气产用速率之间的不平衡，所以必须设置储气柜进行调节。沼气主要用于锅炉燃烧使用，储气柜的容积按日产量的60%设计。储气柜结构形式有多种，包括混凝土结构、压力容器、膜结构等，本工程选择钟罩结构储气柜。
5.2.3沼气输配工艺选择
5.3沼肥利用工艺选择
沼肥有三个去向：第一个是在农耕施肥季节，沼肥输送（管道、车辆）至果园、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，将沼肥输送至农田附近的大型储存池，以备施肥季节使用；第二个是将沼肥运至有机肥生产区，与常规农用肥料如尿素、复合肥等按一定营养比例配比混合后，加工成高肥效的商品肥出售。
5.4工艺流程设计
见附图初设方案：1--工艺流程框图；2--分区定位图；3--平面布置图；4--工艺高程图。
5.5工艺流程描述
5.5.1预处理阶段描述
集粪池由猪场清理出来的猪粪，运输到集粪池，并通过集粪池由集水池内污水冲洗到进料池。
进料池将由集粪池流过来的猪粪及污水进行调配，使物料达到10％的干物质浓度，以供应高浓度厌氧反应器使用。配料池内配有加温设施，实现冬季时的物料加温。
5.5.2厌氧消化处理阶段描述
产沼物料进入厌养反应器与厌养活性污泥混合接触，通过厌养微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使有机污染物转化为CH4和CO2为主的气体（沼气）。厌氧反应器内设置一台搅拌机，使物料与厌养活性污泥充分混合。厌氧罐罐体外部设增温管网系统以及保温层。
集气厌氧反应器产生的沼气由集气室收集，经沼气输送管路送入后续沼气净化处理单元。
排料厌氧罐采用上部益流出水方式，出水自流进入沼肥储存池。
排渣排渣系统定期排渣，保持反应器内污泥活性。沼渣排放可以是每天一次，或者是数天一次，将根据实际情况确定。
5.5.3沼气净化储存阶段描述
沼气净化系统厌氧消化罐产出的沼气经集气室收集进入沼气净化系统。沼气经过生物脱硫塔、气水分离器、凝水器等专用设备净化处理后贮存在湿式储气柜中。
沼气储存柜用于贮存净化后的沼气。柜体结构钟罩式储气柜。
沼气输配系统用于沼气的输送。主要通过调压阀、管路等完成沼气的输配。
沼气利用系统沼气全部作为燃料使用。
5.5.4沼肥处理阶段描述
厌氧反应器出水溢流进入沼肥储存池，然后运输车辆在农耕季节将沼肥运输至农田或蔬菜大棚使用，在非农耕季节，运输至储存池待农耕时节使用。
第六章工艺参数设计
6.1物料负荷
平均设计物料流量：Q平＝9.2m3/d
6.2预处理阶段工艺参数设计
6.2.1格栅槽
（1）功能：用于安装格栅，拦截水中大的悬浮物质
（2）结构：地下钢砼结构
（3）尺寸：0.5mx0.8m
（4）池数：1池
6.2.2人工格栅
（1）设备宽度：W0＝500mm
（2）渠宽：W1＝500mm
（3）有效栅隙：b＝10mm
（5）设备台数：1
6.2.3集水池
（1）功能：储存补充水
（2）池体结构：地下钢砼结构
（3）尺寸：0.90mx2.08mx2.00m
（4）有效容积：3.74m3
（5）池数：1池
6.2.4集水池污水提升泵
（1）功能：将补充水从集水池提升至配比软化池
（2）流量：20m3/h
（3）扬程：7m
（4）电机功率：0.75kW
（5）设备类型：潜污泵
（6）设备数量：2台（1用1备）
6.2.5集粪池
（1）功能：暂存由猪场输送来的猪粪
（3）尺寸：1.30mx2.08mx0.5m
（4）容积：1.35m3
6.2.8进料池
（1）功能：猪粪与来水充分搅拌混合后进料
（4）高度：2.0m
（5）容积：9.68m3
（6）池数：1池
6.2.9配料池搅拌机
（1）功能：将配料池内粪与水搅拌、混合
（2）功率：7.5Kw
（3）数量：1台
6.3厌氧消化处理阶段工艺参数设计
6.3.1厌氧消化罐1
（1）功能：低浓度厌氧消化处理主体反应器
（3）有效水深：6.60m
（4）有效容积：187m3
（6）发酵温度：常温
（7）材质结构：钢筋混凝土结构，外设保温层，圆台形保温顶结构
（8）数量：1座
6.3.2厌氧反应器进料泵
（1）功能：将粪污从调节池提升至厌氧反应器
（2）流量：10m3/h
（3）扬程：15m
（4）电机功率：3.0kW
（5）设备类型：螺杆泵
6.4沼气净化储存阶段工艺参数设计
6.4.1沼气净化系统
功能：沼气净化。设计参数和主要设备参数：
（1）生物脱硫塔
脱硫效果：大于90%
处理能力：20m3/h
数量：2套
（2）气水分离器
型号：非标
数量：2台（1用1备）
（3）水封
数量：1台
（4）凝水器
数量：2台
（5）干式阻火器
（6）沼气流量计
6.4.2沼气贮存系统
（1）钟罩储气柜
功能：贮存厌氧消化罐产生的沼气
构造形式：碳钢焊接结构
有效容积：165.79m3
数量：1个
（2）储气柜水封
构造形式：钢筋混凝土结构
有效容积：231.00m3
6.5沉淀池参数设计
6.5.1沉淀池
（1）功能：沼液沉淀
（2）构造形式：钢筋混凝土结构
（3）尺寸：1.00mx4.38mx2.0m
（4）有效容积：8.76m3
第七章其它设计
7.1建筑与结构设计
7.1.1设计原则
1、根据工艺流程的要求，在满足厂区内工艺要求、交通运输、环保、防火等前提下，使厂区建筑物、构筑物、道路、绿化有机地结合在一起。
2、注重环境保护，使能环工程成为环境优美的示范项目。
7.1.2工程地质情况
项目所在地的地质情况为杂地，要求项目所在地原土承载力不小于8吨/m2。以钻探地质报告为准。
本沼气工程项目的主要构筑物厌氧消化罐的体积较大，高度较高，对不均匀沉降极为敏感，在地基处理当中要选择合适的持力层。
当场地空间开阔时，基坑可以按一定坡度进行放坡开挖。当构筑物距离很近且埋深不同时，可采用一些措施进行临时支护。对深基坑，施工中还应考虑降水及护坡处理。
7.1.3主要构（建）筑物结构设计
7.1.3.1构筑物
主要构筑物名称、尺寸、结构形式等见下表。
表7-1主要构筑物尺寸表
序
号构筑物名称结构尺寸
（mm）规模
（m3）数量总规模
（m3）结构形式
1格栅集水池900*2080*20003.7413.74钢砼结构
2集粪池1300*2080*5001.3511.35钢砼结构
3进料池2200*2200*20009.6819.68钢砼结构
6沉淀池1000*4380*20008.7618.76钢砼结构
7泵房3300*2800*200018.48118.48钢砼结构
其他构筑物体积不大，拟采用普通钢筋混凝土结构或砖混结构。所有构筑物的抗渗问题，均以混凝土本身的密实性来满足抗渗要求。根据构筑物的重要性及水力梯度来确定其抗渗标号，混凝土强度等级一般不小于C25，抗渗等级不小于S6，水灰比不大于0.55。宜采用普通硅酸盐水泥，骨料应选择良好级配，严格控制水泥用量。为提高混凝土的抗渗能力，满足工艺使用要求，尽量减少伸缩缝。建议在混凝土中加入适量的添加剂，用以补偿混凝土的收缩变形，提高混凝土的密实度及抗渗能力。
7.1.3.2建筑物
主要建筑物名称、尺寸、结构形式见下表。
表7-2主要建筑物尺寸表
（m2）数量总规模
（m2）结构形式
1沼气净化间3000*3000*33009.0019.00砖混结构
2办公控制室3000*6000*330018.00118.00砖混结构
3宿舍3600*3000*330010.80110.80砖混结构
4卫生间3600*3000*330010.80110.80砖混结构
7.1.4抗震设计
7.1.5反应器设计
表7-2反应器结构尺寸表
号反应器名称结构尺寸
7.2机械设备设计
机械设备设计及选型设计原则如下：
（1）各设备的选型力求经济合理满足工艺的要求，并配合土建构筑物形式的要求。
（2）潜水电机的防护等级不低于IP68，其它配套电机和就地控制箱防护等级不低于IP55。
（3）考虑到污水介质的特性，设备材料选用的原则是与介质接触部分采用耐腐蚀的不锈钢材料或铸铁和高强度塑料材料，其余材料可以是碳钢材料但必须防腐处理。
主要设备见下表：
表7-3主要设备表
序号设备名称功率单位数量
1人工格栅1
2集水池污水提升泵0.75台2
3进料池搅拌机15台1
4进料池热交换器
5厌氧反应器进料泵台2
6厌氧反应器混合搅拌机台1
7生物脱硫塔台2
8气水分离器台2
9水封台1
10凝水器台2
11干式阻火器台1
12沼气流量计台1
7.3电气设计
7.3.1设计依据
（1）《低压配电设计规范》GB50054-95
（2）《建筑物防雷设计规范》GB50057-942001版
（3）《建筑设计防火规范》GBJ16-872001版
7.3.2设计范围
本沼气工程电气设计包括以下内容：
（1）用电设备供电及控制设计
（2）厌氧消化罐防雷设计
7.3.3供电电源
沼气站供电电源接自养殖场内总电源配电箱。
7.3.4负荷计算
沼气站所有用电设备电压等级均为380/220V，全场用电设备总装机容量110KW，用电负荷45KW左右。
7.3.5供电系统
7.3.5.1电气系统
低压电源接自场内总配电箱，单路供电。380V低压供电系统采用单母线分段运行。
7.3.5.2控制方式
7.3.5.3设备选择
户内电缆采用电缆沟敷设，电缆采用聚氯乙烯护套电缆。
户外电缆采用直埋敷设、桥架明敷或电缆沟，电缆采用铠装电缆。
7.3.6保护方式
7.3.6.1继电保护
低压进线总开关设过负荷长延时、短路速断保护、低压用电设备及馈线设短路及过载保护。
7.3.6.2接地保护
接地系统均利用建筑物基础采用共用接地系统，其接地电阻应小于1欧姆，低压馈线距离超过50m时，设重复接地装置，其接地电阻不大于10欧姆。同时各单体金属管道均应作为等电位联结。
7.3.6.3防雷保护
厌氧消化罐需按二类防雷建筑设防，采用共用接地系统接地电阻小于1欧姆。
7.3.7启动方式
全部用电设备均采用直接启动。
7.3.8计量方式
在配电间场内总配电箱上设有电度表。
7.4控制及仪表设计
7.4.1控制系统
全场控制均采用在管理房内现场控制柜上现场控制的方式。
7.4.2仪表
厌氧消化罐上附设温度计，并在管理房内显示厌氧消化罐内的料液温度。
7.5平面设计
7.5.1平面布置原则
沼气站平面布置应遵循以下原则：
（1）功能分区明确，构筑物布置紧凑，减少占地面积。
（2）流程力求简短、顺畅，避免迂回重复。
（3）建筑物应尽可能布置在南北朝向。
（4）厂区内绿化面积不小于35%，总平面布置满足消防的要求。
（5）交通顺畅，使施工、管理方便。
7.5.2建筑单体设计
站内建筑物应本着符合工艺要求为主的原则确定，在满足功能要求的情况下，各建筑力求美观。
7.5.3道路
站内道路系统能满足防火及运输要求，车行道采用混凝土路面。
7.5.4绿化
大面积绿化并配有适当绿篱，绿化面积达到并超过规范标准。
7.5.5建筑物装修标准
建筑物装修按与周围环境相协调为唯一目标。
7.5.6建筑防火
整个厂区建筑物防火均严格按照国家标准《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）进行设计。厂区内建筑物均为二级耐火等级，相互之间的防火间距应符合防火规范。各建筑物单体设计也均按照国家标准《建筑设计防火规范》进行设计。
7.5.7高程设计
7.5.8给水
沼气站内生产、生活、消防用水接自养殖场内给水管网。沼气站内进水管由DN25镀锌钢管引入用水点，消防、生产、生活水管共用。
7.5.9排水
生产、生活污水经污水管道收集后排入调浆池一并处理。
厂区内雨水经雨水管道收集后排出场外。
7.5.10运输
考虑到沼肥固体肥料的运输，养殖场内统一配备运输车辆，承担固体肥料的外运。
7.5.11通讯
7.6消防、劳动生产保护与人员编制设计
7.6.1消防
（1）沼气站内按照《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）2001进行设计。
（2）站内道路满足消防车行驶要求。
（3）所有建筑物均按二级耐火等级设计，建筑材料均采用非燃烧体材料。
（4）在管理房内按要求配置干粉灭火器和砂箱。
7.6.2劳动保护和安全生产
（1）在沼气站运转以前应对操作人员进行培训，制定必要的安全操作规程和管理制度，使其牢记安全规程，将不安全因素消灭在萌芽状态。
（2）各处理构筑物的平台走道和临空天桥均应设置保护栏杆，栏杆高度和强度应符合国家劳动保护规定。
（3）所有电气设备的安装和防护必须满足电气设备有关安全规定。
7.6.3沼气站建设与环境保护
7.6.3.1选址与绿化隔离
沼气站由围墙和绿化带将站区与外界相对分离，有效地减少气味对周围外部环境的影响。
7.6.3.2固体废弃物
沼气站内所产生的固体废弃物在运行管理中应按要求堆放，外运时采用半封闭专用运输车辆，运送到指定位置处理。
7.6.4沼气站对外部环境的影响
7.6.4.1对土壤环境质量的影响
目前，由于畜禽粪便和污水未经处理直接排放，直接对土壤和周围水域造成污染。本项目使用经过厌氧处理的沼肥施于土壤，可去除有害的病菌和虫卵，增加土壤的有机质含量，改善土壤的环境质量；此外，沼肥还可代替部分化肥和农药，从而减轻土壤的硝酸盐污染和农药残留。
7.6.4.2对农作物品质的影响
使用沼肥后，由于土壤污染的减轻，有机质的增加，化肥和化学农药使用量的减少，农作物抗病能力的增强，使得作物的品质改善，为发展无公害食品、绿色食品创造了有利条件，促进农业可持续发展。
7.6.4.3对人体健康的影响
由于污染物得到大大降解，有利于企业职工和周围农民的健康。使用沼气代替煤炭，可减少烟尘和二氧化硫的排放。使用沼肥作为肥料和饵料，发展绿色食品，有利于消费者的身体健康。
7.6.4.4对大气环境的影响
使用沼气作为能源，一方面，由于畜禽粪便得到一定程度的处理，可大大减轻空气中的恶臭；另一方面，沼气用户使用沼气代替部分煤，可减少向大气中排放二氧化碳、烟尘和二氧化硫，为减少温室气体的排放作出贡献。
7.6.4.5对水环境的影响
项目的实施，将使畜禽场排放的粪便和污水进行治理，使污水中的各种污染物降低到一定的范围内，大大改善水环境的质量。
7.6.5人员编制
沼气站运行操作管理人员编制为3人，日夜轮流值班。
第八章投资估算与经济分析
本工程项目经济分析是按照原国家计划委员会、建设部《建设项目经济评价方法与参数》及《给水排水建设项目经济评价细则》的要求，结合业主的实际情况进行分析。
8.1估算依据
8.1.1工程规模
本工程产沼气300m3/d，全年生产天数以360天计，全年沼气量为10.80万m3。
8.1.2估算范围
估算内容包括：土建投资、反应器投资、设备投资、工艺电气投资、安装、调试、、税金；不包括厂区外给水管道、运输车辆、输配电、通讯、消防等以及绿化、厂区道路、围墙等费用。
8.1.3估算依据
本估算主要按照《北京市建设工程预算定额》（2001版），同时参照山西市场实际价格。
8.2投资估算
8.2.1土建投资估算
土建投资①=367083元。
具体构成项目见表8-1。
表8-1土建投资估算表
序号建（构）筑物名称结构尺寸
（mm）规模（m3/m2）数量单价（元）合价（元）结构形式
1格栅集水池900*2080*2000416002246钢砼结构
2集粪池1300*2080*2000516003245钢砼结构
3进料池2200*2200*20001016005808钢砼结构
4泵房3300*2800*20001815009240钢砼结构
7沉淀池1000*4380*2000914003504钢砼结构
8沼气净化室3000*3000*390035170024570砖混结构
9卫生间3600*3000*33001118008640砖混结构
10宿舍3600*3000*330018180014400砖混结构
11办公控制室3000*6000*330018180014400砖混结构
12建筑给排水8211209840
13建筑暖通8211008200
14建筑配电821806560
15管道沟槽6011509000
16管道检查井5115007500
17三通井215000.010000
18合计367083
8.2.2设备电气投资估算
设备投资○3=638400元。具体构成项目见表8-2。
表-2
序号设备名称功率数量单位单价（元）总价（元）
1人工格栅台126002600
2污水提升泵0.75台226005200
3配料池搅拌机7.5台16500065000
4物料提升泵4台22340046800
5厌氧反应器排渣泵4台21755035100
6厌氧反应器混合搅拌机5.5台22600052000
7生物脱硫塔台21560031200
8钟罩座1169000169000
9气水分离器台2780015600
10水封台165006500
11凝水器台232506500
12干式阻火器台165006500
13沼气流量计台11950019500
14厌氧罐操作平台与爬梯套178007800
15反应罐监测仪0.55套165006500
16工艺管道套13900039000
17阀门管件10套11300013000
18配电系统套16500065000
19小计0592800
20安装0.1045600
21合价638400
8.2.3其它直接投资费估算
其它直接费○4=90493.47元。
其它直接投资主要包括设计费、厌养菌种采购和运输费、系统调试费、操作培训费等。其它直接投资计算见表8-3。各项取费规则说明如下：
1、设计费：按定额直接费的3.5%取费；
2、厌养菌种采购：定额直接费的1.5%；
3、调试费：按定额直接费的3.0%取费；
4、培训费：按定额直接费的1.0%取费。
表8-3其他直接费投资估算表
序号项目名称单位数量工程造价（元）
计费基数费率金额
1设计费套110054833.50%35191.905
2菌种采购运输10054831.50%15082.245
3系统调试费套110054833.00%30164.49
4人员培训费套110054831.00%10054.83
5合计90493.47
8.2.4间接费和工程总投资估算
间接费用主要包括企业管理费、利润、税金三项，具体见表8-5。
各项取费规则说明如下：
1、企业管理费：按《北京市建设工程费用定额》（2001版）市政工程中排水项目确定的费率5.2%取费，以直接费为计算基数；