1、规模化养猪场粪污处理新工艺技术集成研究*徐庆贤 官雪芳 钱 蕾 林 斌(福建省农业科学院农业工程技术研究所，福州 350003)摘要:根据可持续发展的理念，以实现资源化利用最大化为原则，针对规模化养猪场，通过技术集成和装置创新，提出了“固液分离池上流序批式沼气池固液分离机”粪污处理工艺，结合沼气工程运行自动化监控技术，形成规模化猪场粪污处理新工艺技术。福建省新星种猪育种有限公司应用该工艺技术运行结果表明，该工艺技术能够实现有效资源再利用，避免粪污排放造成环境污染，有望为规模化猪场建立一种实用生态型技术模式。关键词:规模化养猪场;上流序批式沼气池;自动化控制;技术集成DOI:10. 13205/
2、j hjgc201501017RESEARCH ON NEW TECHNOLOGY INTERGRATION OF SWINE MANURETREATMENT IN LARGE-SCALE SWINE FARMXu Qingxian Guan Xuefang Qian Lei Lin Bin( Institute of Agricultural Engineering Technology，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 350003，China)Abstract: According to the concept of susta
3、inable development，and based on the principle of maximizing the utilization ofresources，through technology integration and devices innovation，a comprehensive route has been put foreword to controlsewage pollution on swine farm，including the solid-liquid tank，the upflow sequencing biogas digester，the
4、 solid-liquidseparator，combining with the automatic control system of large-scale biogas project The model was applied to Xinxing PigsBreeding Co，Ltd of Fujian Province，and the results showed that:the reusing of manure resources could be come true，andthe environmental pollution had been avoided The
5、comprehensive route was expected to establish a ecological technologymodel for sewage pollution controlling of large-scale swine farmsKeywords: scaled swine farm; upflow sequencing biogas digester; automatic control; technology integration* 福建省发改委农业“五新”推广项目(2010452);福建省自然科学基金(2013J01103)。收稿日期:2014 0
6、2 190 引 言随着农业结构的调整和生猪养殖技术的提高，规模化养猪越来越趋向集约化发展，养猪规模也越来越大。据统计，2009 年末，福建省生猪存栏数1 315. 79万头，生猪出栏数1922. 93 万头1。养猪场粪污属于高浓度有机废水2-3，是我国农村发生面源污染源之一4，如果得不到有效治理，将会影响养猪业的可持续发展。针对规模化养猪场，建立沼气池，不但能够有效处理养殖废弃物，避免环境污染，而且还可以通过沼气生产向周围用户提供清洁能源，对开发可再生能源及发展农业循环经济都具有重要意义5-6。福建省规模化养猪场沼气工程在应用过程中可能存在以下问题:1) 冬季山区气温低，沼气池产气低，甚至不产
7、气;2)沼气池工艺简单，效率低;3) 储气柜多采用钢制储气柜，使用寿命短，安装检修不方便;4) 沼液使用存在二次污染情况。为此，项目组根据可持续发展的理念，以实现资源化利用最大化为原则，进行技术集成，建立规模化养猪场粪污处理新工艺技术模式。本文通过在工程实例进行关键技术分析总结，以便为规模化猪场建立实用生态型技术模式提供参考。1 规模化养猪场概况福建省新星种猪育种有限公司养猪场位于建瓯市徐墩镇山边村杨墩自然村，注册资金1 000 万元，该公司现有占地面积约140 hm2，其中生猪生产区及污水处理区占地面积约7 hm2，鱼塘面积约4 hm2，种27环 境 工 程Environmental Eng
8、ineeringChaoXing植区及其他用地约129 hm2。目前生猪存栏数10 000 头，猪粪污水及职工生活污水日排放量约147 m3/d，其( COD)为13 500 19 700 mg/L，( BOD)5为 9 470 14 580 mg/L，( SS)为9 600 16 735. 1 mg/L，( NH3N)为975. 2 1 275 mg/L。2 粪污处理新技术工艺流程2. 1 新技术工艺流程本技术工艺特点主要包括以下几个方面:1) 工艺创新是将固液分离机置于厌氧发酵池后，实现资源最大化利用;2) 实现沼气工程运行自动化控制;3)装置创新是应用上流序批式沼气池，提高粪污沼气发酵效
9、率;4) 应用可调压玻璃钢储气柜，实现沼气供气压力可调;5) 其它技术创新点，包括在厌氧发酵池前设置固液分离池，应用太阳能集热器对厌氧发酵液进行加热，应用有机玻璃钢材料对沼气池进行保温，沼液利用沼液灌溉集水井实现沼液灌溉可调、可控，应用增压装置，实现沼气远距离集中供气。综上所述，根据循环经济原理，依据规模化养猪场粪污特性，本工艺技术采用沉渣池固液分离池酸化池厌氧发酵技术固液分离机沉淀池氧化塘蓄水池技术相结合以及沼气、沼渣、沼液的综合循环利用。其主要工艺流程见图1。图1 污水处理工艺流程Fig1 Schematic diagram of swine manure treatment proces
10、s2. 2 自动化控制策略针对福建省新星种猪有限公司的上流式沼气生产系统，开发智能化大型沼气池高效产气与远程监控系统软件，使系统具备参数采集、设备控制、自动监测、参数报警。系统总体控制策略示意如图2 所示。2. 3 取样和测定方法2. 3. 1 取样方法2010 年1 月1 日至2010 年12 月31 日期间，每天12:00 am 记录环境温度、沼气池发酵温度以及产气量，每月上、中、下旬分别对沼气池进出口发酵液进行多点取样检测料液中 COD 浓度。沼气池进出料COD月平均浓度为每月上、中、下旬 3 次多点测试COD浓度平均值，每次平行取4 个样品。采用塑料瓶保存，加硫酸酸化至pH 2，温度2
11、 5 冷藏保存(测定BOD5样品不加酸)。2. 3. 2 测定方法池温测量采用西安仪器厂防爆型 PT100 温度计深入沼气池出口液面下每隔1 m测量1 次，沼气池发酵温度为8 个不同发酵层平均温度。环境温度采用现场悬挂气温温度计测量。沼气产量采用上海华强浮罗仪表有限公司管道式涡街流量计进行测量。COD测定采用水和废水监测分析方法(第3版)中重铬酸钾法; pH 测定采用电子 pH 计; NH3N测定采用水和废水监测分析方法(第3 版)中纳氏试剂光度法; BOD5采用水和废水监测分析方法(第3 版)五日生化需氧量测定方法; TP 采用水和废水监测分析方法(第3 版)钼锑抗分光光度法;SS采用过滤烘
12、干法。3 粪污处理新工艺技术3. 1 预处理技术预处理设施主要包括格栅、沉砂池、固液分离池和酸化调节池。格栅结构为砖混凝结构，格栅槽0. 96 m3、格栅2 道、格栅集水井10 m3，格网尺寸以15 25 mm、格栅倾角以50 70为宜。格栅设置有37水 污 染 防 治Water Pollution ControlChaoXing图2 总体控制策略示意Fig2 Schematic diagram of overall control strategy工作平台，便于清除固态物和清洗。沉砂池设置有2个，尺寸为1. 5 m 1. 5 m 0. 6 m。固液分离池为砖混凝结构，尺寸为10. 0 m 5
13、. 0 m 1. 0 m。本系统固液分离池共2 个，上游污水从沉砂池通过两个入水管分别流入两个固液分离池，通过筛网实现固液分离。固液分离池筛网下部连通，分离后污水通过两个无堵塞立式阀分别控制污水流入酸化池。固液分离池侧端设粗格栅，防止污泥堵塞出水阀，固态粪渣通过人工定期清理进行粪渣处理。酸化调节池的结构采用钢筋混凝土结构，尺寸为10. 0 m 5. 0 m 2. 0m，体积为100 m3。3. 2 上流序批式沼气池及其附属设施3. 2. 1 上流序批式沼气池构筑及特征整个工程主体采用混凝土钢筋浇筑，体积700 m3，有效容积 670 m3，池体为圆柱体，池半径4. 6 m，池内高度12 m，池
14、体内外均涂刷有机玻璃钢材料进行密封和保温，并在池内设置气水分离器和排渣装置，在距池底2. 45 m高处设置聚乙烯填料层，填料层高2 m，填料间隔0. 1 m。距离厌氧发酵池底部2 m 处预埋热交换盘管，安装太阳能集热站300 m2，对发酵池底部循环管内水进行加热，通过热交换对厌氧发酵池内的污水进行温度调节。整个沼气池水力停留时间( HRT)为10 d。该上流序批式沼气池主要有以下4 个特征:1)反应器主体底部设置有用于输入畜禽粪便污水的进料管，反应器主体的内腔底部为反应室，反应器主体的内腔顶部为储气室，反应器主体的顶部经输气管路与可调压沼气储气柜装置的沼气储气罐相连接，反应器主体中上部外周壁上
15、连接有用于排出经厌氧发酵后的畜禽粪便污水的第一出水管路;2) 反应器主体与可调压沼气储气柜装置之间设置有沼气回流管路，以利将沼气储气罐中的沼气回流至反应器主体中对发酵料液进行搅拌;3) 反应器主体中部外周壁上连接有用于排出经回流沼气搅拌后的上层清液的第二出水管路;4) 反应器主体内没有设置三相分离器。为了便于控制，上述第一出水管路和第二出水管路上均设置有控制阀。3. 2. 2 上流序批式沼气池运行特点上流序批式沼气池运行主要有以下特点:1) 该上流序批式沼气池与上流式污泥床反应器相比，主要降低了反应器径高比，径高比控制在1. 5 以下，同时减少了三相分离器，另一方面，增加了出水管路，共有两种出
16、水口分别连接着第一出水管路和第二出水管路;2)在第一出水管路上设置竖向短管(增氧装置)，利用上流式沼气池出水口跟地面的高度差形成出水强大吸力，在出水口水封的最上端开一个口，然后在口上装一个长度30 50 cm的竖向短管，使空气可以和出水充分混合，形成束流，增加沼液溶解氧浓度。3. 2. 3 应用效果分析2010 年1 月1 日12 月31 日上流序批式沼气47环 境 工 程Environmental EngineeringChaoXing池运行效果如图3 所示。全年平均环境温度为25. 2，全年平均沼气发酵温度为27. 0 ;全年沼气池平均进料( COD)为7 886. 2 mg/L，全年沼气
17、池平均出料( COD)为1 343. 6 mg/L，COD 去除率为83. 0%;全年沼气池沼气产气率为0. 93 m3/( m3d)。a发酵温度; bCOD值;c池容产气率图3 上流序批式沼气池池温、COD浓度及产气效率随运行时间的变化Fig3 The fermentation temperature，COD level and biogas production ofthe upflow sequencing biogas digester changing with running time3. 3 固液分离机置于沼气池后工艺在传统的养殖场污水处理工艺中，添加固液分离机作为前处理设备，能
18、有效地降低污水排放浓度7，但同时，固液分离机也大量地去除污水中的粗纤维等有机物，减少了大量供后续沼气池厌氧发酵的能源原料，降低了能源利用效率。本工艺采用FZ-12 型固液分离机置于沼气池后，主要将厌氧发酵池发酵后的沼渣分离出来，直接添加营养物质，就可以生产有机肥，减少了堆肥占用的空间，同时可以减少堆肥过程中的恶臭气体产生，减少空气污染。3. 4 沼液和沼气综合利用3. 4. 1 沼气利用系统1)沼气利用系统包括贮气罐、脱硫器、阻火器、输配管道以及用能设备(如沼气发电机)。工艺流程如图4 所示。图4 沼气利用工艺流程Fig 4 Process flow diagram of biogas uti
19、lization2)沼气贮气罐采用分离浮罩贮气。整个贮气柜由两部分组成，半地下式的圆柱型水池和玻璃钢圆柱型浮罩。基础池底用混凝土浇制，两侧为进、出料管，池体呈圆柱状。浮罩由有机玻璃钢材料制成，浮罩外安装镀锌管，管内装水，通过开关来控制水位，从而控制浮罩重量，达到控制沼气压力的目的。沼气贮气罐罐体容积150 m3，设计基础压力800 1 500 mm 水柱。可调压玻璃钢贮气柜使用有机玻璃钢为主体结构材料，使用寿命长，容易检修，而传统的贮气柜使用铁制，容易被腐蚀，检修不方便。3)沼气应用:建设单位已经与建瓯市徐墩镇山边村民委员会签订供气协议，项目产生的沼气除了供养猪场内使用外，剩余部分向山边村15
20、0 户村民供气。沼气池至输配沼气管采用架空敷设，并以5%坡度输入配室，输配室至贮气罐及输气干管均埋地敷设，过路采用沟管，并在最低处安装凝水器，管道管径不小于 DN30，坡度不小于1%，管道采用 UPVC 管，总长达3 km 以上。沼气经干式阻火器后可用于发电。通过压力传感器检测，当沼气压力达到 80 kPa时，且在每天的早上6:307:30，中午11:0012:30和下午17: 3019: 00 三个时间段以外的时间段，PLC通过modbus总线向沼气发电机发送启动命令，使得沼气发电机启动运行。3. 4. 2 沼液利用系统1)沼液利用系统包括100 m3沉淀池和10 000 m3氧化塘。经过生
21、物氧化塘处理后的沼液进入集水井缓冲系统。该系统不仅实现雨污分流，还可以通过控制沼液的流量、流速和流向，实现远程灌溉。猪场周边有1 333 200 m2桔园和茶园，666 m2可浇灌150 kg沼液，可以实现沼液利用零排放。57水 污 染 防 治Water Pollution ControlChaoXing2)如果遇上雨季或者不需要太多沼肥的季节，沼液可能导致沼液二次污染，课题组提出了实施沼肥运输车运营新模式。该模式通过商业化运作，利用沼肥运输车，延伸了沼液应用范围，是沼液利用的有效补充。4 运行效果与分析福建省新星种猪育种有限公司沼气工程自2009 年3 月启用后，运行效果稳定，污水处理达到了
22、预定的设计目标，实现了粪污循环利用，避免了粪污排放造成环境污染。表1 显示 2010 年112月各主要单元处理效果。从污水水质主要指标参数SS、COD、BOD5和 NH+4N 来看，预处理系统对整个沼气工程起到了重要的减负作用，大大降低了后处理的负荷，上流序批式沼气池是整个工程中处理粪污的主要设施，沼气池后固液分离机去除 SS和 COD效果较好。表1 污水处理水质的检测结果Table 1 The quality of the sewage treatment项目( SS) /( mgL1)( COD) /( mgL1)( BOD5) /( mgL1)( NH+4N) /( mgL1)预处理系统
23、上流序批式沼气池固液分离机氧化塘进口 14 248. 3 17 896. 5 11 582. 3 1 165. 0出口 7 106. 2 7 886. 2 5 736. 4 859. 3去除率/% 50. 1 55. 9 50. 5 26. 2进口 7 106. 2 7 886. 2 5 736. 4 859. 3出口 1 563. 7 1343. 6 982. 3 715. 7去除率/% 78. 0 83. 0 82. 9 16. 7进口 1 563. 7 1 343. 6 982. 3 715. 7出口 916. 3 876. 4 679. 2 648. 0去除率/% 41. 4 34.
24、8 30. 9 9. 5进口 916. 3 876. 4 679. 2 648. 0出口 598. 2 545. 1 324. 8 282. 4去除率/% 34. 7 37. 8 52. 2 56. 4注:表中数据为2010年112 月36 次测量平均值;每次测量平行取4 个点。5 小 结本研究的规模化养猪场粪污处理新工艺集成技术，是能源生态型的集成工艺技术，主要通过物质流和能源流的循环利用进行规划设计。建瓯市新星种猪育种有限公司的应用结果表明，通过合理的技术改进、工艺流程的优化以及配套完整的废弃物利用设施和途径，能够有效避免粪污排放造成环境污染，实现有效资源再利用，解决规模化养猪场可持续发展
25、问题，有望为规模化养猪场建立一种实用生态型技术模式。1)工艺上增加了把固液分离机置于厌氧发酵池后，不但降低了后续污水处理负荷，而且增加了沼肥利用。2)预处理系统采用有机材料固液分离池，该分离池结构简单，建设费用低，不但能有效降低后续处理设施投资，并且能大量去除粗纤维等有机物，运行费用低且不易堵塞，提高了整个工艺系统的稳定性。3)上流序批式沼气池采用建立太阳能集热站对厌氧发酵液进行加热和夹套有机玻璃钢材料进行保温，保温性能和密封性能好，提高了粪污池容产气率。与上流式污泥床反应器相比，降低了反应器径高比，减少了三相分离器，并增加了出水管路，采取间歇式进出料方式。4)应用可调压玻璃钢储气柜，实现沼气
26、供气压力可调。通过增加增压装置，可以实现沼气远距离集中供气。可调压玻璃钢储气柜使后续沼气集中供气终端压力更稳定，有利于沼气利用商业化。5)应用沼液灌溉集水井，实现沼液果园灌溉可调、可控。同时还设计了生物氧化塘和储液池平衡沼液排放和种植需求。在雨季和农闲时，增加了沼液灌溉车作为沼液处理应急措施，实现养殖业、种植业的良性循环，保证了种植区域内部环境安全。对于果园如何长期安全科学施用沼液还有待进一步研究。6)规模化沼气工程对发展农业循环经济有重要意义，对沼气生产全过程进行自动化控制既可显著提高沼气产量，提升经济效益，又可以实现沼气、沼液零排放。参考文献1 国家统计局福建统计年鉴2010M 北京:中国
27、统计出版社，2010.2 汪植三，李其谦，廖新俤，等畜禽舍粪便污水及废气净化的研究J农业工程学报，1995，11(4):90-95.3 杜鸿章，尹承龙 难降解高浓度有机废水催化湿式氧化技术J水处理技术，1994，23(2):16-18.4 赵洪波，吴睿，卡林 养殖废水新型处理技术中试J 环境工程，2012，30(4):23-24，86.5 林代炎，叶美锋，吴飞龙，等 规模化养猪场粪污循环利用技术集成与模式构建研究J 农业环境科学学报，2010，29( 2):386-391.6 林斌 生物质能源沼气工程发展的理论与实践M 北京:中国农业科学技术出版社，2010.7 陈彪，陈敏，钱午巧，等规模化养猪场粪污处理工程设计J农业工程学报，2005，21(2):126-130.第一作者:徐庆贤(1979 )，男，硕士，助理研究员，主要研究方向为沼气工艺技术及其综合应用方面的研究与推广。xqx591126 com通讯作者:林斌(1964 )。linbin591126 com67环 境 工 程Environmental EngineeringChaoXing
