牲畜养殖厂污废水资源化利用研究

课题研究的背景

近年来, 随着农业结构调整和农业产业化进程的逐步推进, 中国集约化，规模化养猪场快速的发展,由于大多数养殖场的污水处理系统并不完善， 产生的大量粪便污水排入周围的水系中, 给原来就比较脆弱水环境带来了严重污染压力,导致农村生态环境问题日益突出。因此, 加强集约化，规模化养猪场水污染防治已成为我国目前环境保护中亟待解决的问题。

目前我国牲畜养殖场污水处理现状

根据调查，我国规模化养猪场污水处理方式一般为 :人工清除干粪后冲洗污水进入沼气池发酵, 产生的气体作为燃料利用, 沼渣排入三级化粪池作进一步处理后排入排水渠或自然池塘, 其中有一大部分作为农肥利用 。规模较小的养猪场污水处理模式比较简单, 一般是人工除干粪后, 冲洗污水进入沼气池或三级化粪池经一道处理后即排入排水渠或自然池塘, 相当一部分作为农肥利用。

目前国内养猪场水污染治理存在 不少问题

1污水预处理不到位, 增加后续处理压力 。大部分养猪场的冲洗粪便的污水进入沼气池或化粪池前未能做到很好的固液分离。 虽人工清除干粪, 但污水还含有大量的猪粪, 没有进一步沉降分离, 增加后续处理设施处理的压力。养猪场还存在全水冲式清粪,若不进行固液分离，其处理设施进水浓度更大, 有机负荷量更高, 处理效果更差。

2 污水处理工艺比较简单, 无法满足要求。规模化养猪场污水虽然经过 2～3 道处理工艺 (沼气池+化粪池+ 自然池塘) , 但没有进一步深化处理(如曝气或气浮) , 经处理后污水 中 CODcr 的浓度仍比较高, 无法达到 GB18596- 2001 《畜禽养殖业污染物排放标准 》, 更不符合 GB5084-92农《田灌溉水质标准》, 不能直接作为农田灌溉水 。规模化养猪场饲养量多, 污水集中产出, 如果集中排放流失量大, 对环境造成的污染比分散排放严重

3综合利用途径少, 浪费现象严重 。养猪场污水综合利用 以作为有机肥料农田灌溉为主, 而农灌受季节限制明显, 造成污水季节性富余 。大部分养猪场因未建贮存池, 富余的污水只能排放, 既污染环境, 又浪费优质的有机肥料 。此外, 养猪场区域分布不均衡也是污水富余排放的一个因素 。

牲畜养殖场污水的来源

据统计， 1头生猪从出生到出栏平均每天排放粪尿 5.5 kg ，一个万头规模猪场生猪每年排放粪尿20 075 t，加上饲养的种猪及冲栏污水，每年规模化养猪场产生的粪水和废气若不经处理直接排放的话会给自然环境造成了水体污染、空气污染、土壤污染和危害人类健康等。

规模，集约化的养殖场的污水来源主要是畜禽的尿液，冲刷粪便的污水，进入粪沟的雨水等。。。

粪水主要通过以下几种途径进入水体

1 在清洗猪圈的过程中粪便随冲洗的水流入

2随尿液冲入污水中

3粪便的堆放储存过程中，由于管理不善或降雨等问题而进入水体中。

每只猪的粪便排泄量

周国安 吴恩勤 严建刚 规模养殖场污水减量化与无害化处理的探索 《 中国畜牧杂志》

根据上表推算，一个存栏6000头的猪场，每天消耗饲料约12吨，约产生猪粪12吨，猪尿19吨，污水约70~150吨。

设计养猪场污水资源化利用系统的要求为

养猪场的污水属于高浓度的有机污水，排放量相对集中，悬浮物多且水量波动大。若是用一般的还田法或自然法处理，已无法满足大规模养殖场的排放需求 。根据养殖场污水排放的特性，我们采用固液分离—厌氧生物技术的处理方法来对规模化养猪场的污水进行治理。

经查阅资料，5000头存栏育肥猪场粪水为原料、以产气为主的大型沼气工程一天可产600m3左右的沼气，可用于猪场的生活用能供热、猪舍保温、烧锅炉等多种用途若经过管网集中输配，可供500～600户居民1d的生活用气。如果利用沼气进行发电，通常采用热电联产技术，即用输出的电能满足场区自身及周边居民的用电，同时对发电机废热进行有效回收用于沼气生产原料的增温。

以沼气为纽带，对养猪场的污水综合利用是比较可行的方案。采用的处理和工艺及技术的主要要求有：

1 遵循以废水资源化利用并且能以达标排放为治理的原则。

2，综合利用污水中可以回收的物质，经过处理后转化为能源。有害的粪便等污染物经过格栅分离及固液分离机处理后可直接用于还田处理或者再进行加工成为有机的肥料。厌氧发酵产生的沼气可以作为日常取暖或做饭的能源，沼液也可以用来还田，避免了二次污染。

3工艺流程的配置要因地制宜，运行的模式要有良好的封闭性，防止气味对空气的污染。结构要紧凑，整体性好，便于管理，能达到较好的处理效果和经济效益。

沼气发酵的原理

沼气发酵的过程实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的一个生理反应。沼气发酵的过程一般可分为3个阶段。

第一阶段是液化阶段，通过微生物对有机物进行体外的酶解，把固体有机物转变为可溶于水的物质。

第二阶段是产酸阶段，上述的水解产物进入微生物细胞后，在胞内酶作用下，进一步将它们分解成小分子化合物。

第三阶段是产甲烷阶段。

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沼气产生的过程

沼气的主要成分

沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体,由于这种气体通常产生于沼泽地和池沼中,因此称为沼气]。沼气同时是一种可燃性混合气体，它的主要成分是甲烷（CH4），其次有二氧化碳、硫化氢(H2S)、氮、氢气、氧气、氨及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃的成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为0.034%。

沼气是一种无色、有味、有毒、有臭味的气体，其主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味 、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54。甲烷的溶解度很少，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。

甲烷为简单的有机化合物，是一种优质的气体燃料。燃烧时火焰呈蓝色，最高温度可达到1400 ℃左右。纯甲烷每立方米发热量约为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦，这相当于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出来的热量。从热效率分析，每立方米沼气能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤能利用的热量。

沼气发酵原料

每吨干牛粪、鸡粪和猪粪(中温发酵)分别可产生沼气约300m3,490m3 和420m3 。沼气的热值为18 017~ 25 140 KJ/m- 3, 相当于1 kg 原煤或0. 74 kg标准煤所产的热量[13]。因此, 利用畜禽粪便生产清洁能源, 对于保护环境和发展可再生能源都有着重要的意义。沼气发酵的原料既是生产沼气的物质基础，又是沼气微生物进行正常生命活动所需的营养和能量的物质来源。为了保证沼气发酵过程中有充足而稳定的发酵原料，同时使池内发酵既不结壳，又容易进料和出料，达到管理方便，产气率高的目的，须认真选择好沼气发酵原料。本设计采用6000头猪的粪便作为发酵原料。

工艺流程图

设计的污水资源化利用系统是由三部分组成的，分为预处理系统，达标排放处理系统和资源化利用系统。其中以厌氧消化为主要的处理环节，结合粪便的资源化综合利用，充分的消纳污水。同时还要配套建设一定容量的贮肥池，用于存储富余的污水，调节季节性的需求，尽量做到零排放，做到对环境的无害化处理。

工艺流程图简介

畜禽养殖污水内大量固态物含有各种病原菌和寄生虫卵，未经处理直接利用的话，会对农作物及环境造成污染。由于养猪厂一般在清除干粪后，会采用水冲式清粪工艺，这样会导致废水中含有较多的悬浮物，因此有必要对废水进行初次沉淀，这样可以使废水中的有机物物含量降低，固液分离可以将近一半的SS和COD去除。所以在工艺流程中，固液分离和沉淀是必不可少的，也是一种节省投资和增强处理效果的好办法。

对养殖场排出的高浓度的有机废水，必须采用厌氧消化（沼气发酵）工艺，只有这样才能去除大量的可溶性的有机物，还能杀死传染病源，有利于防疫。

要提高厌氧消化效率，要设计合理的池型和结构，科学的布水方式，填料选择和安装，是保证污水处理成功的关键。一般根据不同的地形或池容设计厌氧池，采用钢筋混凝土结构，造价低，耐久性好。

深化污水后处理。因各种条件的限制，污水经厌氧处理后还不能达到排放的标准，由于自然处理需要大量的用地，因此可以采用推流式曝气池工艺，将污水处理达标后排放。

表 1 原水及设计出水水质

格栅的设计要符合以下的要求。

养殖场污废水在未处理之前，含有一些固体的杂质，如粪便，饲料残渣，毛发等，若不进行处理，会对后续处理构建物增加处理压力，因此对废水进行格栅预处理是十分必要。

格栅要建在集水池前，其数量至少要有两道，一道粗格栅栅条间隙为20mm~40mm，以便去除大型的杂物，一道细格栅栅条间隙为5mm~15mm，用来去除水中小型的杂物。格栅应有良好的去处杂物的能力还要便于清洗。

污水过栅流速一般为0.5~0.8m/s，格栅的倾角为45度~75度。格栅处应设置工作平台，其高度应高出格栅前最高设计水位0.5m。

堆肥工艺的处理。

将粪便转化为有机肥料的机制，是利用有益土壤微生物处理牲畜的粪便，通过控制水分等条件来控制发酵的过程，另有机物在初期大量分解并产生的高热来杀死有害的微生物，害虫卵及杂草的种子，然后再以适宜的温度来缓慢分解为半熟肥，并同时利用其能量来培养大量有益的微生物群，大量有益微生物群将硫化氢，氨气等有害物质转化为有用的肥分，同时有益的微生物群能抑制有害菌的繁殖，使有机物成分通过有益微生物的吸收，利用转化为植物可以吸收的有效成分。这样就可以达到提高粪便肥效和改善动物的生活环境及生态环境的多重目标。

现代的堆肥过程一般是前期处理，主发酵，后发酵，后期处理等。

前期处理就是对一些结块的粪便进行粉碎处理，使其达到一定的均匀度。原料的颗粒度变小后，使比表面积变大，有利于微生物的繁殖，大大提高堆肥的效率。为了使堆肥物料的料堆能够均匀的通风供氧，堆肥原料的粒径也不能太小了，否则会使透气性太差，这样不利于好氧堆肥，一般粒径保持在12~60mm死比较合适的。为了保持在堆肥的过程中具有较高的发酵速率，原料水分的含量也要保持在合适的范围。由于牲畜粪便含水量比较高，还需要前期的预处理来调节。

原料经过预处理之后，就可以进行主发酵过程了，其主要由升温阶段和高温阶段组成。在发酵的初期，中温细菌将分解一些可溶性的物质并放出热量。使料堆的温度上升到30~40度。堆肥物料的升温阶段一般为1~3d。随着温度的升高嗜热细菌将取代嗜温细菌，将残存的，或新形成的可溶性有机物继续分解转化，一些复杂的有机物也开始被分解，这个过程需要3~8d，然后堆肥物料进入降温阶段，此时微生物的活动减弱，产生热量减少，料堆的温度开始逐渐下降，使堆肥的过程进入了腐熟的阶段，到此，堆肥的过程结束 。

经过堆肥处理后的牲畜粪便能成为天然的有机肥料，其不但能够增加土壤的肥性，还能改善过度使用化肥后使土壤板结的问题。

堆肥的一些条件要求

（1）PH，PH值在5.5~8.0是比较适合堆肥发酵的，PH值太低会使温度下降，通常PH值会在堆肥初期下降，其后渐升至中性或微碱性，PH值过低时可以添加少量的石灰。

（2）水分的调节，水分能够影响温度的升降，适量的水分能使堆肥的温度上升，但是过多的水分会造成厌氧的状态而降低温度，如果水分过多的时候，可以添加石灰，草木灰等，并增加翻堆的次数。

（3）通气调整，利用鼓风机打气能促进好氧发酵，如果水分充足又打气的话，温度将会上升，温度太高时容易脱氨发臭，甚至燃烧炭化，故应减少打气以作调节。

（4）C/N比，好氧堆肥发酵的最佳C/N比为20~25之间，在发酵时将猪粪中的C/N调节到合适的比例，有利于提高堆肥的效率。

厌氧发酵方法的选择

养猪场废水制沼产能技术建池类型决定于猪场饲养规模和饲养方法。在生猪水冲式或干湿分离清粪饲养方法下，猪场规模越大 ，粪水排放量越多，对粪水处理能力要求就越高。厌氧发酵池是规模猪场粪水处理能力的核心，厌氧发酵池池容越大，对粪水处理能力越强。所以在设计污水资源化利用系统是粪水处理能力与养殖规模形成匹配。

养殖场废水中有机物、悬浮物及氨氮浓度较高, 因此对该类废水的处理, 考虑宜采用厌氧好氧为主的处理工艺。先用厌氧消化的方式处理废水中较高浓度的有机物，后经曝气处理进一步处理污水，使水质能达标排放。

升流式厌氧污泥床（UASB）在结构上的特点是集生物反应和沉淀于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器。

一， 采用UASB反应器不但占地面积大大减小，而且处理效率大大提高，UASB 反应器以其特殊的结构和其中的颗粒污泥的综合作用造就了它的高效率和高产气率的特点 。

二，采用曝气池法对UASB 的出水做好氧处理保证了废水水质的进一步的优化，

UASB反应器工作的原理。

其主要由以下几个部分组成。

1进水分配系统，配水系统设在UASB反应器的底部，其功能是把废水均匀的分配到整个反应器，同时具有搅拌的作用，使有机物能在反应区均匀分布，有利于废水和微生物充分的接触。

2， 反应区，反应区主要是包括污泥床和污泥悬浮床，是UASB 反应区的核心，是培养和富集微生物的区域，废水和厌氧污泥在这里充分接触，产生强烈的生化反应，有机物主要在这里被厌氧分解。

3， 气，固，液分离器。其又称为三相分离器，由沉淀区，集气室和气封组成，其功能是把气体，固体和液体分离。首先气体被分离后进入集气室，然后，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固体借重力由回流缝返回反应区，三相分离器分离效果的恶好坏直接影响反应器的处理效果。

4， 出水系统，其作用是把沉淀区液面的澄清水均匀的收集起来，排出反应器外，出水的是否均匀对处理效果有很大的影响。

5， 排泥系统，其作用是定期均匀地排除反应区剩余的厌氧污泥。

影响厌氧消化的因素（温度，C/N, PH等）

一般认为控制厌氧处理效率的基本因素有两类，一类是基础因素，包括微生物量，营养比，混合接触状况，有机负荷。另一类是环境因素，如温度，pH值，有毒物质等。产甲烷菌是一群非常特殊的，严格厌氧的细菌，它们对生长环境的条件要求比不产甲烷菌更加的严格，因此，产甲烷菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。

温度

在厌氧消化过程 中，温度是一个至关重要的控制条件，一方面，随着温度的改变 ，系统中的微生物种类会发生改变，从而影响有机物质的水解过程，随着发酵温度的升高，有机物质的水解速度也不断提高。另一方面，游离氨分布和液相 pH 也都受到温度的影响，也一定程度影响发酵的效果，当温度升高时，有机物质的水解速度也不断提高。另一方面，游离氨分布和液相 pH 也都受到温度的影响，也一定程度影响发酵的效果，当温度升高可能对产甲烷菌构成抑制。但是从能耗的角度考虑，高温发酵热能成本过高，经济效益不高，其工程应用相对 较少。除此之外，对养殖场废水而言，温度的控制还影响到致病菌的寄生虫卵的杀灭效果。

一般而言，厌氧发酵过程的温度控制在中温35℃和高温 55℃左右，有时室温 20 ℃左右也因其无需热能消耗应用于小规模发酵中。

C:N

C:N是厌氧消化的一个重要影响因素。厌氧工艺降解含固率较高的废水时，最佳的C:N比为25~30。当C:N低于这个范围时，微生物对有机碳的利用减少，导致发酵产气量的减少，并且当N浓度高达一定的数值时，会产生大量的氨氮抑制产甲烷微生物的生长。当C:N高于这个范围时，厌氧酸化产生大量脂肪酸来不及被产甲烷细菌利用，形成积累，最终导致系统的酸化，使产气受到了抑制。

PH值

PH值是废水厌氧消化最重要的影响因素之一，每一种微生物都有一定的PH值活动范围，产甲烷菌对PH值比较敏感，需要一个相对稳定的PH值范围，要求环境介质PH值在中性附近。最适合的PH值为7.0~7.2。在厌氧处理废水中，由于产酸和产甲烷大多在同一构建物内进行，为了维持平衡，避免过多的算积累，常保持反应器内的PH值在6.5~7.5。如果生长环境中的PH过（>8.0）高或过低( <6.0),产甲烷菌的生长和繁殖都会受到抑制，从而对整个厌氧消化过程产生不利的影响。所以废水在进行厌氧发酵之前要设调节池，调节PH等条件，使发酵能顺利的进行。

厌氧消化的处理效果

UASB反应器稳定运行时处理猪场废水，出水BOD平均浓度为145mg/l，平均去除率为90.61%，出水SS平均浓度为39.7mg/l，平均去除率为90.12%。但对于氨氮和总磷，效果不明显，氮，磷等 营养物质在厌氧处理过程中基本不能得到有效的去除，必须经过后续处理工艺来进一步改善厌氧处理出水的水质。

规模化养殖厂每天排放的废水量大，集中，并且废水中含有大量的污染物，如重金属，残留的兽药和大量的病原体等，据统计，一万头猪场平均每天产生的污水量为100~150m3，如此大量的污水不经过合理的处置的话，会对环境造成很大的压力。

沼气的脱硫

厌氧发酵产生的沼气需要进行脱水和脱硫的处理，一般来说沼气中H2S的质量浓度在1~12g/m3，当原料中蛋白质或硫酸盐的含量较高时，产生沼气中的H2S质量浓度就较大。H2S对管道、燃烧器以及其它金属设备、仪器仪表等有很强的腐蚀性,因此,影响了沼气的回收利用[。H2S具有极强毒性，当空气中浓度为140mg/m3（标况）时，就会引起结膜炎和角膜炎，当浓度约为280 mg/m3（标况）时，会造成昏迷，呼吸困难甚至死亡。低浓度的H2S气体会引起头痛、呕吐、乏力、失眠以及角膜发炎等。因此在使用沼气之前，必须首先对沼气进行脱H2S的处理。沼气直接脱硫方法按原理一般可分为湿式法和干式法两大类，化学脱硫技术常运用的是常温Fe2O3 干式脱硫法 ,它是将Fe2O3 屑和木屑混合制成脱硫剂,以湿态(含水40%左右)填充于脱硫装置内。在湿式脱硫法中一般使用碱性液体来吸收H2S。消化后的沼气从底部进入塔中，与吸收剂逆流接触反应后从塔顶部排除。沼气干法脱硫适用于含硫量较低的燃气，日处理量较小。该法工艺简单、成熟可靠、造价低，能达到较高的净化程度。本设计采用脱硫塔反应装置脱硫。

储气装置

沼气的生产基本上是连续的，而沼气的使用通常是间歇的，为保证各用气点正常供气，因此标准化养猪场所建的沼气工程必须有配套的储气装置。各类储气容积按产气量的50%～60%计算；民用、发电或烧锅炉各一半时，按产气量的40%计算。

储气方式 特点

湿式储存 压力稳定，运行安全费用低，但冬天易结冰

干式低压储存 储气不受温度影响，但有电耗，需有备用电源

干式高压储存 储气不受温度影响，储气容积小；但有电耗，运行费用高

养殖厂的污水经过厌氧发酵后产生沼气，通过沼气收集装置，脱硫装置，气水分离装置经过输送系统后，作为养殖厂内生产或生活的补充能源。在沼气工程设计中，沼气收集装置一般采用浮罩式储气柜，钟罩内设置安全的卸压孔，罐内安全的工作压力为350mm。

厌氧发酵后的废水后续处理（推流式曝气池）

推流式曝气池，所谓推流，就是污水（混合液）从池的一段流入，在后续水流的推动下，沿池长度流动，并从池的一段流出池外。在设计曝气池时，要考虑以下的问题：

1， 曝气系统与空气扩散装置。

2， 曝气吃的数目和廊道的 排列组合。

3， 廊道的长度，宽度，和深度。

4， 曝气池内设横向分室问题。

5， 曝气池的底部和顶部。

6， 曝气池的进水，进泥及出水设备。

流程示意图

活性污泥法工艺能从污水中去除溶解性的和胶体的可生物降解的有机物，以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他的一些物质。曝气设备的作用是传递氧气进入混合液，同时还起到了搅拌作用而使混合液呈现出悬浮状态，随后混合液流入沉淀池，混合液中悬浮固体在沉淀池中进行固液分离，流出沉淀池的为净化水。沉淀池中的污泥大部分回流至曝气池，此过程称为污泥回流，目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体浓度，即保持一定的微生物浓度。在本设计中经过处理后的剩余污泥可作为农肥二次利用。

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养猪场污水资源化利用设计思路资料