大中型沼气池技术资料

畜禽养殖场大中型沼气工程基本工艺流程包括哪些部分？

一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程，原料

的收集、预处理，消化器、出料的后处理，沼气的净化、储存和输配以及利用等环节。

（1） 原料的手机。充足而稳定的原料供应是沼气发酵工艺的基础，不少沼气工程因

原料来源的变化被迫停止运转或报废。原料的收集方式又直接影响原料的质量，如一个

猪场采用自动化冲洗，其TS 浓度一般只有1.5%--3.5%，若采用刮粪板刮出，则原料浓度

可大5%--6%，如手工清运则浓度可达20%左右。因此，在畜禽场或工厂设计时就应根据

当地条件合理安排废物的收集方式及集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。收集的原

料一般要进入调节池储存，因为原料收集的时间往往比较集中，而消化器的进料常需要

在一台你内均匀分配。所以调节池的大小一般要能储存24h 废水量。在温暖季节，调节

池常可兼有酸化作用，这对改善原料性能和加速厌氧消化有好处。

（2） 原料的处理。原料中常混有各种杂物，如牛粪中的杂草，鸡粪中的鸡毛和吵砾

等。为了便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，

有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。酒精和丙酮丁

醇发酵，有条件时可采用固液分离机将固体残渣分出用做饲料，有较好的经济效益。

（3） 消化器（沼气池）。消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备，微生物的生长

繁殖、有机物的分解转化、沼气的生产都是在消化器里进行的，因此消化器的结构和运

行情况是一个沼气工程设计的重点。

消化器的工艺类型，根据消化器水力滞留期（HRT ）、固体滞留期（SRT ）和微生物

滞留期(MRT)相关性的不同，分为三大类。在一定HRT 条件下，设法延长SRT 和MRT

是厌氧消化器科技水平提高的主要方向。不同的厌氧消化器适用于处理不同的有机废水

和废物，根据所处理废气物的理化性质的不同，采用不同的消化器是大中型沼气工程提

高科技水平的关键。

（4） 出料的后处理。出料的后处理为大型沼气工程所不可缺少的构成部分，有些工

程未考虑出料的后处理问题，造成出料的二次污染，白白浪费了可作为生态农业建设生

产用肥料的物质资源。

出料后处理的方式多种多样，最简便而有经济效益的方法是直接用作肥料施如土壤或池

塘。但施肥有季节性，不能保证连续的后处理。可靠的方法是将出料进行沉淀后再将沉

淀进行固液分离，固体残渣用作肥料或配合适量化肥做成适用于农作物的复合肥料，很

受市场欢迎，并有较好的经济效益。清液部分可经曝气池、氧化塘等好氧处理而排放，

出水可用于灌溉或再回用为生产用水，目前采用的固液分离设备有沙虑式干化槽、卧螺

式离心机、水利筛、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。

（5） 沼气的净化、储存和输配。沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，水的冷凝会造

成管路堵塞，有时气体流量计中也会充满了水。由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的

还原作用也会有一定量硫化氢气体生成并进入沼气。硫化氢是一种腐蚀性很强的气体，

它可引起管道及仪表的快速腐蚀。硫化氢本身及燃烧时生成的SO2对人也有毒害作用。

因此，大中型沼气工程，特别是用来进行集中 供气的工程必须设法脱除沼气中的水和硫

化氢。中温35度运行的沼气池，沼气中的含水量为40g/m3，冷却到20度时沼气中的含

水量只有19g/m3，也就是说每立方米沼气在从35度降到20度的过程中会产生21g 冷凝

水。脱水通常采用脱水装置进行。沼气中的硫化氢含量在1—12g/m3之间，蛋白质或硫

酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的硫化氢含量就较高。根据城市煤气标准，煤气中硫

化氢含量不得超过20mg/m3。硫化氢的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫。因

脱硫剂使用一定时间后需要再生或更换，所以脱硫塔最少要有两个轮流使用。

沼气的储存通常用浮罩式储气柜，以调节产气和用气的时间差别，储气柜的大小一般为

日产沼气量的1/3—1/2，以便稳定供应用气。

沼气的输配是指将沼气输送分配至各用户，输送距离可达数千米。输送管道通常采用

金属管，近年来采用高压聚乙烯塑料管作为输气干管已试验成功。用塑料管输气不仅避

免了金属管的锈蚀，并且造价较低。气体输送所需的压力通常依靠沼气产生所提供的压

力即可满足，远距离输送可采用增压措施。

畜禽养殖场大中型沼气工程是如何分类的？

对工艺，从不同角度，有不同的分类方法。根据沼气工程的目的和周边环境

条件的不同，大中型沼气工程可分为能源生态模式和能源环保模式两种类型。所谓能源

生态模式，即沼气工程周边的农田、鱼塘、植物塘等能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣、

沼液，使沼气工程成为生态农业园区的纽带。如畜禽粪便沼气工程，首先要将养殖业与

种植业合理配置，这样既不需要后处理的高额花费，又可促进生态农业建设，所以说能

源生态模式是一种理想的工艺模式。

能源环保模式，即沼气工程周边环境无法消纳沼气发酵后的沼渣、沼液，必须将沼渣

制成商品肥料，将沼液经后处理达标排放。该模式不能使资源得到充分利用，并且工程

和运行费用较高，应尽量避免使用。

在沼气工程工艺设计中考虑酸化或相分离的情况

∙ 在过程中，应尽量避免酸化，但下列情况下，酸化则对沼气发酵有利：

① 当采用预酸化可去除或改变对甲烷菌有毒或抑制性化合物的结构时；

② 当废水存在有较高的Ca 2+时，部分酸化可避免颗粒污泥表面产生CaaCO 3结垢；

③ 当处理高含悬浮物或采用高负荷，对非溶解性组分去除有限时。

在调节池中取得部分酸化效果可以通过调节池的合理设计取得。

沼气工程预处理系统设计的主要内容

∙ 一般预处理系统包括粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调节（酸化）池、营养盐和

PH 调控系统。

格栅和沉砂池的目的是去除粗大固体物和无机的可沉降固体。为了使各种类型厌氧消

化器的布水管免于堵塞，格栅和沉砂池是必需的。当污水中含有砂砾等不可生物降解的

固体时，必须考虑并设计性能良好的沉砂池，因为不可生物降解的固体在厌氧消化器内

的积累会占据大量的池容，反应器池容的不断减少将使厌氧消化系统的效率不断降低，

直觉完全失效。

由于厌氧反应对水质、水量和冲击负荷较为敏感，所以对工业有机废水质、水量，为

厌氧反应稳定运行提供保障。调节池的主要作用是均质和均量，还可考虑兼有沉淀、混

合、加药、中和和预酸化等功能。如果在调节池中考虑沉淀作用时，其容积设计应扣除

沉淀区的体积；根据颗粒化和PH 调节的要求，当废水碱度和营养盐不够而需要补充碱度

和营养盐等时，可采用计量泵自动投加酸、碱和药剂，并通过调节池中的水力或机械搅

拌以达中和作用。

酸化池或两相系统主要作用是去除和改变对厌氧过程有抑制作用的物质并改善生反

应条件和可生化性，这也是厌氧预处理的主要手段之一。在发酵原料仅为溶解性废水时，

一般不需要考虑酸化作用。对于复杂废水，可在调节池中取得一定程度的酸化，但是完

全的酸化是没有必要的，甚至是有害处的，这是因为达到完全酸化后，污水PH 值会下降，

需采用投药调整PH 值，另外有证据表明完全酸化对UASB 反应器的颗粒化过程有不良

的影响。

沼气工程工艺设计的主要内容

∙ 工艺主要包括发酵原料的收集、前（预）处理、沼气生产、沼气净化、储存、

输配与利用及沼渣与沼液的综合利用（或进一步深度处理达标）等。

主要设计内容有：整体工艺技术流程的选择、确定及设计；各个处理单元的工艺技术

参数的选择与确定；全系统的物料及能量的变化和平衡计算；各构筑物、建筑物、设施

及设备单元的工艺设计。同时设计文件还应包括工艺设计总说明、工艺平面布置图，工

艺纵向流程图、各处理构（建）筑物及设备的工艺条件图等。

畜禽养殖场“能源生态型”沼气工程

∙ 畜禽养殖场“能源生态型“是指畜禽场污水经厌氧消化处理后消化液不直接

排入自然水体，而是作为农作物的有机液体肥料的工程，这类沼气工程适用于畜禽场周

边有足够的农田、鱼塘、植物等，能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣、沼液，使沼气工

程成为生态农业园区的纽带。目前，“能源生态型”沼气工程已经成为比较成熟的、适用的，

以综合利用为主的沼气生产工艺。

采用能源生态型的沼气工程建设项目建设的目标是尽可能多生产沼气，并实现沼渣、

沼液的综合利用。畜禽粪便、废水在经厌氧消化，后再经沉淀或固液分离，剩余的沼渣、

沼液作为优质有机肥料，用于绿色食品生产，使粪便得到能源、肥料等多层次资源化利

用，最终达到区域内畜禽场粪污的“零排放”。这种工艺遵循了循环农业原则，具有良好的

经济、环境和社会效益。

“能源生态型”沼气工程工艺适宜的条件为：

① 养殖业和种植业的合理配置，即养殖场周围有足够的农田或市场能够消纳厌氧发酵

后的沼液、沼渣，使沼气工程成为能源生态农业的纽带；

② 原则上畜禽场日污水排量不在于日粪便排放量的3倍；

③ 项目建设点周边环境容量大，排水要求不高。

“能源生态型”的工艺特点有：

① 畜禽场污水、粪便可全部进入厌氧池；

② 沼气产量在、沼液产量相对较少；

③ 运行费用低；

④ 操作简单、管理方便。

“能源生态型”沼气工程的工艺流程如图3-3所示。畜禽场鲜粪通过上料系统投入厌氧消化

器（或在计量池内混合后泵入厌氧消化器）。畜禽舍冲洗水汇集到计量池，直接泵入厌

氧消化器的前部，在消化器内搅拌装置作用下，配置成高浓度的发酵液（TS 浓度在9%

左右）。、

为保持沼气池内的温度在36℃左右，沼气池内设有盘管装置，热源为太阳能和锅炉。

粪污经厌氧消化，产生的沼气经脱硫、脱水、脱杂净化后进贮气柜，供居民使用或用于

发电等。

沼渣、沼液经平板滤池过滤脱水，分离的沼渣作为有机肥，分离的沼液汉入贮存池，作

为液体有机肥可直接施用于农田。通过综合利用， 实现了污染物的零排放。

UASB 上流式厌氧污泥反应工艺 (2010-01-15 11:35:44)

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杂谈

一、引言

厌氧生物处理作为利用厌氧性微生物的代谢特性，在毋需提供外源能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气体。厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，进水BOD 最高浓度可达数万mg/l，也可适用于低浓度有机废水，如城市污水等。

厌氧生物处理过程能耗低；有机容积负荷高，一般为5－10kgCOD/m3.d，最高的可达30-50kgCOD/m3.d；剩余污泥量少；厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高；耐冲击负荷能力强；产出的沼气是一种清洁能源。

在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床，以及第三代厌氧工艺EGSB 和IC 厌氧反应器，发展十分迅速。 而升流式厌氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，注：以下简称UASB ）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源——沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，

造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。

本文试图就UASB 的运行机理和工艺特征以及UASB 的设计启动等方面作一简要阐述。

二、UASB 的由来

1971年荷兰瓦格宁根（Wageningen ）农业大学拉丁格（Lettinga ）教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥床（UASB ）反应器的雏型。1974年荷兰CSM 公司在其6m3反应器处理甜菜制糖废水时，发现了活性污泥自身固定化机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥（granular sludge ）。颗粒污泥的出现，不仅促进了以UASB 为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展，而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。

三、UASB 工作原理

UASB 由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中

在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。

基本出要求有：

（1）为污泥絮凝提供有利的物理、化学和力学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能；

（2）良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，保持特定的微生态环境，能抵抗较强的扰动力，较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度；

（3）通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床内。

四、UASB 内的流态和污泥分布

UASB 内的流态相当复杂，反应区内的流态与产气量和反应区高度相关，一般来说，反应区下部污泥层内，由于产气的结果，部分断面通过的气量较多，形成一股上升的气流，带动部分混合液（指污泥与水）作向上运动。与此同时，这股气、水流周围的介质则向下运动，造成逆向混合，这种流态造成水的短流。在远离这股上升气、水流的地方容易形成死角。在这些死角处也具有一定的产气量，形成污泥和水的缓慢而微弱的混合，所以说在污泥层内形成不同程度的混合区，这些混合区的大小与短流程度有关。悬浮层内混合液，由于气体币的运动带动液体以较高速度上升

和下降，形成较强的混合。在产气量较少的情况下，有时污泥层与悬浮层有明显的界线，而在产气量较多的情况下，这个界面不明显。有关试验表明，在沉淀区内水流呈推流式，但沉淀区仍然还有死区和混合区。 UASB 内污泥浓度与设备的有机负荷率有关。是处理制糖废水试验时，UASB 内污泥分布与负荷的关系。从图中可看出污泥层污泥浓度比悬浮层污泥浓度高，悬浮层的上下部分污泥浓度差较小，说明接近完全混合型流态，反应区内污泥的颁，当有机负荷很高时污泥层和悬浮层分界不明显。试验表明，污水通过底部0．4－0．6m 的高度，已有90％的有机物被转化。由此可见厌氧污泥具有极高的活性，改变了长期以来认为厌氧处理过程进行缓慢的概念。在厌氧污泥中，积累有大量高活性的厌氧污泥是这种设备具有巨大处理能力的主要原因，而这又归于污泥具有良好的沉淀性能。

UASB 具有高的容积有机负荷率，其主要原因是设备内，特别是污泥层内保有大量的厌氧污泥。工艺的稳定性和高效性很大程度上取决于生成具有优良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是颗粒状污泥。与此相反，如果反应区内的污泥以松散的絮凝状体存在，往往出现污泥上浮流失，使UASB 不能在较高的负荷下稳定运行。

根据UASB 内污泥形成的形态和达到的COD 容积负荷，可以将污泥颗粒化过程大致分为三个运行期：

（1）接种启动期：从接种污泥开始到污泥床内的COD 容积负荷达到5kgCOD/m3．d 左右，此运行期污泥沉降性能一般；

（2）颗粒污泥形成期：这一运行期的特点是有小颗粒污泥开始出现，当

污泥床内的总SS 量和总VSS 量降至最低时本运行期即告结束，这一运行期污泥沉降性能不太好；

（3）颗粒污泥成熟期：这一运行期的特点是颗粒污泥大量形成，由下至上逐步充满整个UASB 。当污泥床容积负荷达到16kgCOD/m3．d 以上时，可以认为颗粒污泥已培养成熟。该运行期污泥沉降性很好。

五、外设沉淀池防止污泥流失

在UASB 内虽有气液固三相分离器，混合液进入沉淀区前已把气体分离，但由于沉淀区内的污泥仍具有较高的产甲烷活性，继续在沉淀区内产气；或者由于冲击负荷及水质突然变化，可能使反应区内污泥膨胀，结果沉淀区固液分离不佳，发生污泥流失而影响了水质和污泥床中污泥浓度。为了减少出水所带的悬浮物进入水体，外部另设一沉淀池，沉淀下来的污泥回流到污泥床内。

设置外部沉淀池的好处是：

（1）污泥回流可加速污泥的积累，缩短启动周期；

（2）去除悬浮物，改善出水水质；

（3）当偶尔发生大量漂泥时，提高了可见性，能够及时回收污泥保持工艺的稳定性；

（4）回流污泥可作进一步分解，可减少剩余污泥量。

六、UASB 的设计

UASB 的工艺设计主要是计算UASB 的容积、产气量、剩余污泥量、营养需求的平衡量。

UASB 的池形状有圆形、方形、矩形。污泥床高度一般为3－8m ，多用钢

筋混凝土建造。当污水有机物浓度比较高时，需要的沉淀区与反应区的容积比值小，反应区的面积可采用与沉淀区相同的面积和池形。当污水有机物浓度低时，需要的沉淀面积大，为了保证反应区的一定高度，反应区的面积不能太大时，则可采用反应区的面积小于沉淀区，即污泥床上部面积大于下部的池形。

气液固三相分离器是UASB 的重要组成部分，它对污泥床的正常运行和获良好的出水水质起十分重要的作用，因此设计时应给予特别的重视。根据经验，三相分离器应满足以下几点要求：

1、混和液进入沉淀区之关，必须将其中的气泡予以脱出，防止气泡进入沉淀区影响沉淀；

2、沉淀器斜壁角度约可大于45度角；

3、沉淀区的表面水力负荷应在0.7m3/m2.h以下，进入沉淀区前，通过沉淀槽低缝的流速不大于2m/m2.h；

4、处于集气器的液一气界面上的污泥要很好地使之浸没于水中；

5、应防止集气器内产生大量泡沫。

第2、3两个条件可以通过适当选择沉淀器的深度－面积比来加以满足。 对于低浓度污水，主要用限制表面水力负荷来控制；对于中等浓度和高浓度污水，在极高负荷下，单位横截面上释放的气体体积可能成为一个临界指标。但是直到现在国内外所取得的成果表明，只要负荷率不超过20kgCOD/m3.d，UASB 高度尚未见到有大于10m 的报道，第三代厌氧反应器除外。

污泥与液体的分离基于污泥絮凝、沉淀和过滤作用。所以在运行操作过

程中，应该尽可能创造污泥能够形成絮凝沉降的水力条件，使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能，不仅对于分离器的工作是具有重要意义，对于整个有机物去除率更加至关重要。

特别要注意避免气泡进入沉淀区，要使固——液进入沉淀区之前就与气泡很好分离。在气——液表面上形成浮渣能迫使一些气泡进入沉淀区，所以在设计中必须事先就考虑到：

（1）采用适当的技术措施，尽可能避免浮渣的形成条件，防范浮渣层的形成；

（2）必须要有冲散浮渣的设施或装置，在污泥反应区一旦出现浮渣的情况下，能够及时破坏浮渣层的形成，或能够及时排除浮渣。

如上所述，UASB 中污水与污泥的混合是靠上升的水流和发酵过程中产生的气泡来完成的。因此，一般采用多点进水，使进水均匀地分布在床断面上，其中的关键是要均匀——匀速、匀量。

UASB 容积的计算一般按有机物容积负荷或水力停留时间进行。设计时可通过试验决定参数或参考同类废水的设计和运行参数。

七、UASB 的启动

1、污泥的驯化

UASB 设备启动的难点是获得大量沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。最好的办法加以驯化，一般需要3－6个月，如果靠设备自身积累，投产期最长可长达1－2年。实践表明，投加少量的载体，有利于厌氧菌的附着，促进初期颗粒污泥的形成；比重大的絮状污泥比轻的易于颗粒化；比甲烷活性高的厌氧污泥可缩短启动期。

2、启动操作要点

（1）最好一次投加足够量的接种污泥；

（2）启动初期从污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特别轻的和细碎污泥跟悬浮物连续地从污泥床排出体外，使较重的活性污泥在床内积累，并促进其增殖逐步达到颗粒化；

（3）启动开始废水COD 浓度较低时，未必就能让污泥颗粒化速度加快；

（4）最初污泥负荷率一般在0.1－0.2kgCOD/kgTSS.d左右比较合适；

（5）污水中原来存在的和厌氧分解出来的多种挥发酸未能有效分解之前，不应随意提高有机容积负荷，这需要跟踪观察和水样化验；

（6）可降解的COD 去除率达到70—80％左右时，可以逐步增加有机容积负荷率；

（7）为促进污泥颗粒化，反应区内的最小空塔速度不可低于1m/d，采用较高的表面水力负荷有利于小颗粒污泥与污泥絮凝分开，使小颗粒污泥凝并为大颗粒。

八、UASB 工艺的优缺点

UASB 的主要优点是：

1、UASB 内污泥浓度高，平均污泥浓度为20－40gVSS/1；

2、有机负荷高，水力停留时间短，采用中温发酵时，容积负荷一般为10kgCOD/m3.d左右；

3、无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动；

4、污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵赛问题；

5、UASB 内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备。

主要缺点是：

1、进水中悬浮物需要适当控制，不宜过高，一般控制在100mg/l以下；

2、污泥床内有短流现象，影响处理能力；

3、对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差。

九、结语

UASB 工艺近年来在国内外发展很快，应用面很宽，在各个行业都有应用，生产性规模不等。实践证明，它是污水实现资源化的一种技术成熟可行的污水处理工艺，既解决了环境污染问题，又能取得较好

奶牛养殖场粪污处理沼气工程技术与模式 （农业部沼气科学研究所成都 610041）

摘要 本文综述了国内外奶牛养殖场沼气工程技术应用现状，分析了牛粪沼气发酵潜力和三种主要沼气发酵工艺的技术特点。

关键词 奶牛场; 粪污; 处理; 沼气工程技术

发达的畜牧业是现代农业的标志，乳及乳制品占畜产品的比重是衡量畜牧业发达与否的重要指标。规模化养殖业在为发展农村经济，提高城乡居民生活水平做出巨大贡献的同时，随着粪污和冲洗水相对集中排放，也带来系列的环境问题。据有关资料，2002年全国奶牛饲养量为679万头，年产生的粪尿总量近亿吨。由于技术和经济的原因，我国有相当数量的奶牛养殖场粪污没有得到有效处理，粪污处理问题已经严重影响了自身的持续发展, 粪污综合治理迫在眉睫。由于沼气技术（厌氧消化）在实现奶牛粪污资源循环利用、改善农村能源、环境、卫生条件和有利于温室气体减排方面的独特作用，日益受到世界各国政府的重视，诸多因素将使沼气技术有更好的发展空间。

（一）奶牛粪组分、对环境的污染特点及其产沼气潜力

1 奶牛粪组分和环境的污染特点

奶牛鲜粪浓度一般在12％~18％TS 范围，挥发性固体约占80％。

未经处理的牛场粪污会产生大量硫化氢、醇类、酚类、醛类、氨、酰氨类等污染物, 而粪尿中含有的大量病原菌极易传播疾病, 细菌和有害气体随风扩散, 使污染范围扩大。粪尿聚集区, 易于蚊蝇等昆虫滋生, 严重地影响了周围地区的卫生。

未经处理的奶牛场粪污经雨水冲刷或直接流入江河，使水中硝态氮、硬度和细菌总数超标，水质恶臭。奶牛场粪污中含有较高的氮、磷养分，如果过量还田，进入土壤后会转化为硝酸盐、磷酸盐，破坏土质。另外，目前在饲养牛时大量使用添加剂。添加剂中含有重金属，奶牛食用后只有少量被吸收，大多数随粪便排出，如未经处理直接进入土壤被农作物吸收，人食用后在体内产生富集，影响健康。 奶牛场粪污产生的恶臭气味会影响人和动物的生理机能, 刺激嗅觉神经与三叉神经对呼吸中枢发生作用, 影响人、动物的呼吸机能。刺激性臭味会使血压与脉搏发生变化, 产生不愉快的感觉。对于奶牛场恶臭气味的治理也是环境综合治理的重要内容。

2 奶牛粪产沼气潜力

奶牛粪是非常好的发酵原料，据研究表明，奶牛粪的原料转化率高于猪粪和鸡粪，奶牛粪的产气特点见表1。

表1奶牛粪的产气特点

发酵原料总固体（TS ）产沼气潜力M3/KgTSM3/吨新鲜料实际转化率％牛粪18~200 25~0 3048~6085

（二）国内奶牛场粪污沼气工程

我国早期的中小型奶牛养殖场沼气工程是在户用水压式沼气池技术的基础上发展的，地埋式、50~200m3，由数个单池组合而成，无单独的储气柜。如绵阳市农科所农场沼气工程（1980年），以牛粪为原料，12个单池，总容积1 519m3，常温发酵，沼气以集中供气的方式，解决了近百户职工生活燃料。

1982年建成的成都凤凰山畜牧园艺场沼气工程我国最早的农场大型沼气工程。该工程可以说是我国畜禽粪便处理工程的开端，即使从目前的国内技术水平来讲，该工程的综合水平也不落后。该工程由农业部沼气科学研究所设计，采用射流搅拌的全混合发酵工艺。工程日处理1 000头奶牛粪污，装置总容积

4×300m3，隧道式，中温发酵，进料浓度6％TS ，HRT60天，有机负荷1 0kgTS/m3 d, 池容产气率0 238m3/m3 d 。日产沼气1 000m3，其中300m3用作沼气发电（50KW4125C 沼气-柴油发电机），其余用于1吨锅炉和职工生活燃料。

从20世纪80年代中期开始，上海农垦系统建设了一批我国数量最多的牛场沼气工程，多数采用全混合发酵工艺。由于上海工业微生物研究所和上海交通大学等单位的介入，也研发了一些新的发酵工艺和装备。如上海交大在上海“五四”农场建成同心圆折流反应器，由于增加了原料在装置中的流程，提高了牛粪原料的降解率，在近中温发酵条件下，装置池容产气率达到1 1m3/m3 d 。

1991年建成的上海星火农场大型奶牛场沼气工程是当地的标志性工程，也是20世纪90年代国内最大的畜禽场沼气工程。该工程由上海市工业微生物研究所和上海城乡建筑设计院共同设计。处理系统包括6×450m3厌氧消化塔、7×200m3储气柜和固液分离机（HWL-400型8~10m3/hr）。装置日处理来自2000多头牛的80吨粪污和20余吨其他粪污。装置平均产气率1 2m3/m3 d ，最高达到2 0m3/m3 d 。其发酵装置内部设置有软性纤维填料，发酵工艺类似于UBF 反应器；针对奶牛粪中草多、浮渣多的特点，装置设计中尤其考虑了除浮渣装置。发酵温度28～30℃。进料COD 浓度37 673mg/l，出料COD 7 723mg/l，去除率79 5％。进料TS5 2％，出料TS3 4％，TS 分解率35％。HRT14天，容积负荷3 7KgTS/ m3·d 。装置平均沼气产率为1 2m3/m3·d ，最高2 0m3/m3·d ，所产沼气供应2 868户职工家庭作生活燃料使用。沼渣用制花肥，经处理沼液或喷洒还田，或再经过鱼塘处理后排放，出水COD 在100mg/l以下。

近年来随着集约化奶牛养殖业的快速发展，沼气工程发展较快，但是客观来讲工程技术进步不明显。以下是农业部沼气科学研究所在四川一处720头奶牛场沼气工程的设计方案，试图在处理流程上有所创新，见图1。奶牛场污染物包括牛粪和圈舍冲洗水两类。前者浓度高，但是量仅为冲洗水的约1/7。如果将两类粪污放在一起发酵处理，基建投资和运行费用将很高，发酵条件也很难满足，比如要将冲洗水采用中温发酵就很满足。而且由于牛粪和冲洗水的污染程度不一样，无害化的处理要求也不一样。为此，我们在处理工艺设计中，对于奶牛场废水实行干清粪工艺，干粪和冲洗水清污分流、分别处置，综合利用，分别达标，将解决这一问题。高浓度粪污（7％TS ），来自牛粪和冲洗水沉淀粪浆，每天约50m3，粪污中COD 、BOD 、NH-N 、TP 、粪大肠菌值等的浓度均很高，属于容易生化的废水，主要通过高浓度发酵罐处理。牛舍冲洗水（0 2％TS ）每天约144m3，主要通过冲洗水处理系统处理，经过沉淀、厌氧池和兼氧滤池处理后，COD 将降低到400mg/L以内，再经过几十天滞留期以上的氧化塘处理，将能够全部满足《畜禽养殖业污染物排放标准》要求。

图1720头奶牛场粪污处理工艺流程图

（三）国外奶牛场粪污处理沼气工程技术与模式

在欧洲、美国等养殖业发达国家，奶牛粪污最常规的处理方法是囤集较长时间后还田（半年以上），称为自然处理。但是近年来调查发现，污染问题并没有很好解决。据资料显示，在养殖业集中的区域，附近农田的氮、磷和重金属元素超标的情况已经非常普遍。在欧洲国家，如德国、荷兰、比利时，25％以上的地下水的硝酸盐超过50mg/L。在美国虽然有较多的农田供粪污消纳，但是50％以上的湖泊和27％以上的河水养分超标。一旦雨季，地表水被畜禽养殖粪污污染，导致BOD 超标的现象比比皆是。尤其引起发达国家加强畜禽养殖污染治理的原因是卫生问题。近年来由于人畜共传病，如疯牛病、禽流感、血吸虫病的猖獗传播，促使这些国家加强污染治理力度，而沼气技术被认为是一种符合循环经济发展的有效模式。

欧洲是目前农场沼气工程技术最发达、推广数量最多，技术最成熟的地区。欧洲沼气工程数量较多的国家是德国、丹麦和英国。欧洲处理农村废物的沼气装置分为两类。一类称为农场沼气池（on farm AD plants）, 另一类称为集中厌氧消化系统（Centralized Anaerobic Digestion, 简称CAD ），后一类近年来发展很快。集中厌氧消化系统代表了目前欧洲沼气工程的发展趋势。即将一定区域内相临的农场畜禽粪便和其他有机废物收集、运输到一处沼气站集中处理，集中厌氧消化装置的优点是具有规模经济效益、可采用较先进的厌氧消化处理工艺和装置设备从而处理效率更高。

集中厌氧消化系统最早于在1980年代末从丹麦开始运作，目前已经建成20座大型的CAD 沼气装置，运行良好。每座装置规模在2 000~4 000m3，中温或者高温，厌氧消化工艺主要是全混合沼气发酵（CSTR ）和推流式发酵工艺（Plug flow ），停留时间在12~20天，在对发酵原料预处理或后处理中，还包括一个巴氏灭菌高温消毒过程，以防止处理过程中病菌传播。沼气一般用于当地社区集中供热，或热电联用（CHP ）。

美国发展沼气工程起步较晚，目前约有40个农场沼气工程投入运行（主要是处理奶牛场粪污。

印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家，已经建成约300万口户用沼气装置。此外还实施了近2000个大中型沼气工程。印度的户用沼气装置主要用作生

产农村能源，以牛粪为主要原料，沼渣沼液用作有机农肥。

国外奶牛场沼气工程发酵装置主要采用以下三种工艺：

1 推流式发酵工艺

近年来美国农场沼气工程发展很快，多数是采用的推流式发酵工艺。这类沼气装置多数采用半地埋式、上部用复合橡胶袋覆盖，主要用于处理干清粪式的奶牛粪污。沼气装置容积一般为2 5m3/头奶牛左右。进料浓度在10％~13％TS ，HRT20天以上。沼气发酵后的沼液经过固液分离后，固体部分用于堆肥，液体部分经过氧化塘处理后排放或用于农业灌溉。处理工艺见图2。目前在美国北方寒冷地区（纽约州、明尼苏达州，这里冬季平均气温低于摄氏零度）运行良好的6座奶牛场沼气工程中，有5座采用的是推流式发酵工艺，处理规模分别是1 000-2 400头牛，多数是2001年后建成的。全部采用了热电联用技术，发电机的规模在130-200kW ，发电余热用于发酵装置增温。被认为，关于寒冷地区沼气装置的设计有几个要点，（1）原料池要防冻；（2）要有热电联用系统；（3）可以通过原料加温和罐体热交换两种方式加温、保温；（4）要加强进出水管道保温。 图2推流式沼气发酵处理系统流程示意图2 全混合发酵工艺

德国和丹麦的农场沼气工程大多数采用全混合发酵工艺、装置为钢板结构、热电联用为主要沼气利用形式。由于解决了搅拌、输送等机械设备问题，现在欧洲沼气装置的发酵浓度越来越高，可以达到11％TS 以上。为了提升沼气装置的卫生效果，新建设的沼气装置多数采用高温发酵，HRT5天以上，这样有利于对人畜共患病菌的消毒和灭活杂草种子。中温发酵装置的最短HRT 为15天。

美国奶牛场沼气装置采用全混合发酵工艺的不多，被认为主要适用于处理水冲式粪污，原料浓度在3％~8％TS 范围。装置造价比推流式发酵装置高。在纽约的Matlink 奶牛场2001年建设了一座全混合沼气发酵装置，中温发酵，HRT20天。除了处理700头奶牛粪污外，还有部分原料来自食品加工废水。该装置配置了1套130kW 的发电机组，从2001年启动以来一直运行良好。发酵后出水的后处理方法与推流式发酵装置相似。

加拿大近年来也建造了处理几千头牛粪污的大型全混合沼气发酵装置。 3 厌氧过滤器发酵工艺

奶牛粪污水质的特点是悬浮物（SS ）含量很高。如果沼气发酵前先经过固液分离，则可以采用厌氧滤器（AF ），甚至采用UBF 、UASB 等发酵工艺。采用这些高效工艺可以缩短原料HRT ，从而提高发酵效率，但是也存在一些问题，比如能源化程度不高（部分原料未进入装置），卫生效果不好（滞留时间太短）。 在美国弗罗里达州有一处500头奶牛场粪污沼气处理工程，455m3厌氧滤器、进料浓度大约为1％, HRT≤3d, COD去除率≥50％。

(四）结语

我国的农村大中型沼气工程数量已经达到1500处，其中相当一部分是处理奶牛场粪污。与国外相比，我国的奶牛场粪污处理沼气技术还有一定差距，主要问题包括，（1）沼气工程的沼气发电率很低，不到2％，热电联用（CHP ）更几乎是空白。热电联用技术既可以提高沼气工程的经济效益，同时也解决了沼气装置的增温问题，这对于在北方推广沼气工程技术尤其重要。（2）我国沼气工程装备技术方面还有一些技术瓶颈，比如固液分离机械的效率、耐用性，高浓度输送和搅拌机械等等。

我国奶牛养殖中有相当高的比例是小型养殖场或养殖专业户，每处几头到几十头，要重视对这类规模养殖场粪污处理的沼气技术研究和开发。

规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范 (2010-01-12 14:05:45)

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标

签：

杂谈

1 范围 本标准规定了规模化畜禽养殖场沼气工程的设计范围、原则以及主要参数选取等。 本标准适用于新建、改建和扩建的规模化畜禽养殖场沼气工程(参见NY/T667-2003)的设计。畜禽养殖区沼气工程的设计可参照执行。

2 规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB12801 生产过程安全卫生要求总则

GB18596 畜禽养殖业污染物排放标准

GB50028 城镇燃气设计规范

GB50052 供配电系统设计规范

GB50057 建筑物防雷设计规范

GB50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范

GBJ14 室外排水设计规范

GBJ16 建筑设计防火规范

GBJ65 工业与民用电力装置接地设计规范

CJJ31 城镇污水处理厂附属建筑和附属设备设计标准 CJJ55 污水稳定塘设计规范

CJJ64 城市粪便处理厂设计规范

NY/T667-2003 沼气工程规模分类

3 术语和定义

GB18596-2001、NY/T667-2003中确立的以及下列术语和定义适用于本标准。

3.1沼气工程 biogas plant

以规模化畜禽养殖场粪便污水的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产、资源化利用为一体的系统工程。

3.2 “能源生态型”处理利用工艺 Process of “energy ecological” disposing and using

畜禽养殖场污水经厌氧消化处理后作为农田水肥利用的处理利用工艺。

3.3 “能源环保型”处理利用工艺 Process of “energy environment” disposing and using

畜禽养殖场的畜禽污水处理后达标排放或以回用为最终目标的处理工艺。 4 总则

4.1 沼气工程的设计应该符合当地总体规划，与当地客观实际紧密结合，能够正确处理集中与分散、处理与利用、近期与远期的关系。

4.2 沼气工程的设计应在不断总结生产实践经验和吸收科研成果的基础上，积极采用新技术、新工艺、新材料、新设备，以提高自动化水平、降低劳动强度、降低投资和运行费用。

4.3 沼气工程的设计应以减量化、无害化、资源化为目标，应首先考虑养殖场改进生产工艺，实行清洁生产，从源头上减少粪污排放量。

4.4 畜禽养殖场污染物的特性及其技术参数，以实际测定数据为准。

4.5 沼气工程的原料应是养殖场的污水和粪便，应有充足和稳定的来源，严禁混入其它有毒、有害污水或污泥。

4.6 沼气工程的设计应充分利用沼气，充分利用附近的农田消纳沼液、沼渣。

4.7 沼气工程的设计应由具有相应设计资质的单位承担。

4.8 在进行工艺设计时，应首先根据沼气工程的建设目标选定工艺类型。

4.9 沼气工程主要由以下四个环节组成：前处理、厌氧消化、后处理、综合利用。

4.10 单元处理技术应先易后难，以节省投资和降低运行费用。

5 工程选址和总体布置

5.1 工程选址

沼气工程的选址应符合养殖场整个生产系统的规划和要求，并应根据以下因素综合考虑确定：

a ） 在畜禽养殖场和附近居民区主导风向的下风侧；

b ） 在畜禽养殖场的标高较低处；

c ） 有较好的工程地质条件；

d ） 满足防疫要求；

e ） 有方便的交通运输和供水供电条件。

5.2 总体布置

5.2.1 沼气工程的总体布置应考虑到养殖场远期生产规模扩展的可能性，如必要，应依此作出分期建设方案。

5.2.2 总体布置应满足沼气工程工艺的要求，布置紧凑，便于施工、运行和管理。应结合地形、气象和地质条件等因素，经过技术经济分析确定。

5.2.3 竖向设计应充分利用原有地形坡度，并达到排水畅通、降低能耗、土方平衡的要求。

5.2.4 构筑物的间距应紧凑、合理，并应满足施工、设备安装与维护、安全的要求。

5.2.5 附属建筑物宜集中布置，并应与生产设备和处理构筑物保持一定距离。

5.2.6 厌氧消化器、贮气柜、输气管道的设计及防火要求见GBJ16中的相关规定。

5.2.7 各种管线应全面安排，避免迂回曲折和相互干扰，输送污水、污泥和沼气管线布置应尽量减少管道弯头，以减少能量损耗和便于清通。各种管线应用不同颜色加以区别。

5.2.8 应设置废渣等物料堆放及停车的场地。

5.2.9 平面布置应留有汽车进出通道，各建筑物间应留有连接通道，其设计应符合下列要求：

a ） 主要车行道的宽度：单车道为3m ，双车道为5m ，并应有回车道。车行道转弯半径不小于6m ；

b ） 人行道的宽度为1m ～1.5m ；

c ） 通向建筑物顶端的扶梯与水平面夹角不大于40°,其宽度0.8 m～1.0 m； d ） 高架物上不经常通行的部位可设置爬梯, 其宽度为0.4m ；

e ） 绿地面积不宜小于总面积的30％。

5.2.10 沼气工程应设围墙(栏) 。

5.2.11 各建筑物和构筑物群体效果应与周围环境相协调。

5.2.12 主要畜禽污水处理设施应设置溢流口、排泥管、排空阀和检修人孔。厌氧消化器和贮气柜应设有安全窗，确保装置正常运转。

5.2.13 应设置给水和排水系统，拦截暴雨的截水沟和排水沟应与场区排水通道相连接。

5.2.14 应配置简单的化验设备和必要的仪器、仪表、自动控制设备及沼气流量计。

5.2.15 处理构筑物和贮气柜应设置护栏等安全设施，护栏高度不宜低于1.1m 。

5.2.16 沼气工程应有保温防冻措施。

5.2.17 沼气工程供电应按三类负荷设计，厂区内设置操作控制间、独立的动力和照明配电系统。

5.2.18 沼气工程的安全、防爆、防雷与接地参照GB12801、GB50028、GBJ16 、GB50057、GBJ65等的相关规定执行。

5.2.19 控制室应有良好的照明，设有监控所有设备运转、故障、程序操作、显示的控制屏（台），操作应具有集中与就地操作的功能。应有紧急状态报警装置。应采用可靠的自动控制系统进行自动控制、自动检测。并应设有值班人员休息室。

5.2.20 化验室应配有动力电源、给排水系统、排风措施及良好的照明。

6 工艺

6.1 工艺流程

沼气工程基本可分为“能源生态型”和“能源环保型”两类。

6.1.1 工艺流程

贮气柜 生产或生活用能

沼气净化器

沼气

畜禽粪污 前处理 厌氧消化器 沼渣 有机肥

沼液

后处理

农田利用或达标排放

图1沼气工程工艺流程图

6.1.2 “能源生态型”沼气工程

“能源生态型”沼气工程其厌氧出水(沼液) 依靠土地处理系统。要求周围有足够的农田消纳厌氧发酵后的沼液、沼渣，养殖业与种植业的规模要配套。可采用以下工艺。

养殖场污水通过排水沟自流到调节池，调节池前设置格栅，以清除污水中较大的杂物。人工清出的粪便运到调节池内，与污水搅拌后流入计量池，计量池内设泵，定时定量地将料液送进厌氧消化器。为保持厌氧消化器内的温度控制在35℃左右，在计量池内有蒸汽加热系统，蒸汽由锅炉房引入。计量池和厌氧消化器内设有温度传感器，调整进入调节池的蒸汽量。也可使用其它加热方式。产生的沼气经脱硫、脱水、脱杂净化后进贮气柜，作为生产或生活用能。沼渣根据情况定期排出并可干化，作为有机肥使用。沼液进入后处理系统，作为农田的液体有机肥使用。

6.1.3 “能源环保型”沼气工程

“能源环保型”沼气工程要求最终出水达到一定的标准后排放到自然水体。可采用以下工艺。

养殖场污水经管道自流入调节池，在调节池前设置格栅，去除污水中较大的杂物。调节池内设提升泵，将污水抽至分离机，分离的粪渣人工清走作有机肥原料，分离的污水自流入沉淀池。沉淀池的上清液自流入集水池，集水池内设提升泵，将污水提升至厌氧消化器的布料装置并在池内均匀布水。厌氧消化器的出水自流入后处理系统。后处理以好氧处理为主要技术手段，处理的出水可达标排放或回用。

6.2 工艺设计内容

工艺设计包括生产工艺、流程、设备的选择，参数和物料、能量平衡及配套公用工程的计算等。工艺设计应包括以下几个方面：

6.2.1 工艺技术流程的选择和确定

通过多方案的比较、选择最佳的生产工艺方案和制定生产流程。生产流程反映由原料到产品的生产过程中，物料和能量的流向、变化以及所经历的设备、仪器和工艺过程。

6.2.2工艺参数计算和物料衡算

工艺参数是生产过程中应控制的各种技术数据，包括各个工艺单元的进料、出料有机物浓度，有机物去除率，污水量，厌氧工艺产沼气量，沼气的含硫量，等等。 计算正常生产所需要的原材料、辅助材料、公用工程的用量，以及产生的主、副产物及废料量。

6.2.3 产装置和设备的确定

比选各设备方案对建设规模的满足程度，对产品质量和生产工艺要求的保证程度，设备使用寿命，物料消耗指标，操作要求、备品备件保证程度，安装试车技术服务，以及所需的设备投资等确定机器设备，及其型号、规格和数量。

6.2.4 工艺设计图

包括：工艺流程图，工艺平面布置图，水力高程图，各个处理工艺单元的条件图。

7 前处理

7.1 前处理工艺类型

7.1.1 “能源生态型”沼气工程

污水通过管道自流入调节池，在调节池前设有格栅，以清除较大的杂物，人工清出的粪便运至调节池，与污水充分地混合，然后流入到计量池，计量池的容积根据厌氧消化器的要求确定。当以鸡粪为原料时，应在调节池后设沉砂池。粪便的加入点与厌氧消化器类型有关，一般在调节池加入，带有搅拌装置的塞流式反应器也可直接加入到厌氧消化器。

7.1.2 “能源环保型”沼气工程

污水通过管道自流入调节池，在调节池前设有格栅，以清除较大的杂物，调节池的污水用泵抽入到固液分离机，分离的粪渣用作有机肥原料，分离出的污水流入沉淀池，沉淀的污泥进入污泥处理设施，上清液自流入集水池。

7.2前处理的一般规定

7.2.1 “能源生态型”沼气工程前处理的一般规定

a 、 前处理的目的是将粪便污水调质均化，为厌氧产沼气创造条件；

b 、 污水进入固液分离机前应通过格栅清除污水中较大的杂物；

c 、 以鸡粪为原料时宜设沉砂池；

d 、 以牛粪为原料时应有粪草分离装置；

e 、 沟渠坡度应确保污水自流入沉砂池或计量池。其设计按GBJ14中第三章的相关规定。

7.2.2 “能源环保型”沼气工程的前处理的一般规定

a 、 前处理的目的是用物理方法尽量清除粪污中的固形物；

b 、 污水进入固液分离机前应通过格栅清除污水中较大的杂物；

c 、 应在排污后3h 内进行污水的固液分离；

d 、 沉淀池应设在固液分离机后；

e 、 沟渠坡度应确保污水自流入沉砂池、集水池。其设计按GBJ14中第三章的相关规定；

f 、固液分离机是否需要与污水中SS 浓度和污水量有关，当SS 浓度不大于2000mg/l和污水量小于50m 3/d时可不用。

7.3 格栅

格栅的设计应符合以下要求：

a ） 格栅应设于集水池前，其数量不宜少于二道，一道粗格栅栅条间隙为20mm ～40 mm去除大型杂物，一道细格栅栅条间隙为5mm ～15mm 去除中小型杂物。格栅应便于清除杂物和清洗；

b ） 污水过栅流速一般为0.5 m/s～0.8 m/s，格栅倾角为45°～75°；

c ） 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0.5 m。采用格栅机时，参照设备说明书。

7.4 调节池

7.4.1 在进水口处应设置调节池。

7.4.2 调节池容积应按式(1)计算：

V=Q/n„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1）

式中：

V —调节池有效容积，单位为立方米（m 3）；

Q —畜禽养殖场每日排污水量，单位为立方米每日（m 3/d）；

n —畜禽养殖场每日排污次数。

7.5 固液分离机

选用固液分离机时，应遵守下列规定：

a ） 应根据被分离物料的性质、流量、脱水要求，经技术经济比较后选用； b ） 污水进入固液分离机的含水率一般不应小于98％；

c ） 固液分离机的设置应考虑到废渣的贮存、运输。

7.6 沉淀池

7.6.1 沉淀池设计见GBJ14中6·4相关规定。

7.6.2 畜禽污水滞留时间应大于1h 。

7.6.3 沉淀池应设排泥管道。

7.6.4 当以鸡粪为原料而前面未有沉砂池时应有沉砂功能。

7.7 集水池

7.7.1 畜禽养殖场污水厌氧处理系统前，应设置集水池。

7.7.2 集水池容积不应小于该池水泵30min 的出水量。

7.8 泵与泵房

7.8.1 泵的选择应根据其用途和输送介质的种类、流量、扬程和工作性质等因素确定，应符合下列要求：

a ） 泵应尽量选用同一型号；

b ） 进料泵应设置一台备用泵与工作泵并联。

7.8.2 泵房及室内机组基础布置、设计按GBJ14中4·3相关规定执行。

8 厌氧消化

8.1 一般规定

8.1.1 厌氧消化器的选择和设计应根据粪污种类、工程类型和工艺路线确定。

8.1.2 厌氧消化器设计，应符合下列规定：

a ） 根据发酵原料选用适宜的厌氧消化器；

b ） 厌氧消化器应设有取样口和测温点；

c ）厌氧消化器在设计上要有防止超正、负压的安全装置及措施。其防止超正、负压力装置的安全范围，应满足工艺设计的压力及池体安全的要求；

d ） 厌氧消化器的下部管道凡有阀门处应设计为串联式双阀门，内侧阀门为常开； e ） 池体侧面下部应设有检修人孔、排泥管（其管径不小于100 mm ），人孔中心与池外地平的距离不大于1 m。直径不宜小于600 mm；

f ） 厌氧消化器必须达到抗渗和气密性要求，并应采取有效的防腐蚀措施和保温措施。

g) 厌氧消化器应有沉降检测点。

8.2 “能源生态型”沼气工程所用厌氧消化器

8.2.1 厌氧消化器主要反应器有升流式固体反应器(USR)、全混合厌氧消化器(CSTR)和塞流式反应器（PFR ）；

8.2.2 厌氧消化宜采用中温消化(35℃左右) ，也可采用近中温消化(25～30℃)，或采用高温消化(55℃左右) 。

8.2.3 中温发酵主要设计参数宜符合表1的规定。

表1 中温发酵厌氧消化器主要设计参数

序号 项目 升流式厌氧固体床 全混合厌氧消化器

1 温度(℃) 35℃左右 35℃左右

2 水力滞留期 (d) 8～15 10～20

3 TS 浓度(%) 3～5 3～6

4 COD cr 去除率(%) 60～80 55～75

5 COD cr 负荷5～10 3～8

(kg/(m3·d)) 塞流池 35℃左右 15～20 7～10 50～70 2～5

6 投配率(%) 7～12 5～10 5～7

8.2.4 厌氧消化一般采用一级厌氧消化。

8.2.5 对于投配率(%)，进料COD cr 高时宜用下限值，进料COD cr 低时宜用上限值。

8.2.6 厌氧消化器的总有效容积，可按式(2)计算：

V=TQ„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(2）

式中：

V －厌氧消化器的总有效容积，单位为立方米（m 3）；

Q -设计处理量，单位为立方米每天（m 3/d）；

T －设计水力滞留期，单位为天（d ）（中温，PFR 取15d ～20d 、USR 取8d ～15d ）；

8.2.7沼气产量

理论上每去除1kgCOD cr 可产0.35 m3甲烷。

8.2.8 不同厌氧消化器装置的几何尺寸

a) 升流式固体反应器一般采用立式圆柱形，有效高度6m ～12m ；

b ）塞流式高浓度厌氧消化器，大多采用半地下或地上建筑。

8.2.9 厌氧消化器内的溢流管可采用倒U 型管、溢流堰方式，应设有水封器和通气管。

8.2.10 升流式反应器应选用合理的布水方式，以保证液体均匀上升，避免短路、勾流。其设计应满足下列要求：

a) 布水器的喷水孔应朝池底与水平面夹角不大于40º；

b) 布水器设置于厌氧消化器底部，距池底的距离应不大于1m ；

8.3 “能源环保型”沼气工程所用厌氧消化器

8.3.1 厌氧消化器主要有升流式厌氧污泥床(UASB)、复合厌氧反应器(如UBF) 。

8.3.2 厌氧消化一般采用常温消化，但最低温度不宜低于15℃。

8.3.3 主要设计参数宜符合表2的规定。

表2厌氧消化器主要设计参数

序号 项 目

1 温度(℃)

2 水力滞留期(d)

3

4

5 TS 浓度(%) COD cr 去除率%)

COD cr 负荷

(kg/(m3·d)) 参 数 25 1.5～3 ＜1 70～85 3～5 参 数 备注 15 12℃以上 2～4 温度高时宜用下限值，温度低时宜用上限值 ＜1 70～85 1～2 温度高时宜用上限值，温度低时宜用下限值

8.3.4 厌氧消化器的总有效容积，可按下式计算：

按容积负荷计算：

V=24(So -S e )Q/(Uv )„„„„„„„„„„„„„„„„（3）

式中： V ——厌氧消化器的总有效容积，单位为立方米（m 3）； S o ——厌氧消化器进水化学需氧量，单位为克每升（g/L）；

S e ——厌氧消化器出水化学需氧量，单位为克每升（g/L）；

Q ——厌氧消化器的设计流量，单位为立方米每小时（m 3/h）；

U v ——厌氧消化器的化学需氧量容积负荷，单位为公斤COD cr 每立方米

(kgCODcr /m3) ；

8.3.5 厌氧消化器沼气产量的计算

理论上每去除1kgCOD cr 可产0.35 m3甲烷。

8.3.6 升流式厌氧污泥床(UASB)

a) UASB反应器平面形状有矩形和圆形，高度不宜超过10m ；

b) 反应器的设备有三相分离器、布水系统、排泥装置及沼气收集系统等。

8.4 加热保温

沼气工程一般应有加热保温措施。

8.4.1 对采用中温（或高温）发酵的厌氧消化器加热，宜采用蒸汽直接加热，蒸汽通入点宜在计量池内，也可采用厌氧消化器外热交换或池内热交换。对大型消化器也可将几种加热方式结合使用。

8.4.2 对采用常温发酵的厌氧消化器应保证池内料液温度不低于12℃。当料温不够时，宜采用蒸汽直接加热，蒸汽通入点宜在集水池内，也可采用厌氧消化器外热交换或池内热交换。

8.4.2 消化器应有保温措施，宜采用外保温。

8.5 沼气净化

8.5.1 沼气净化系统包括：气水分离器、砂滤、脱硫装置。

8.5.2 经过净化系统处理后的沼气质量指标，应符合下列要求：

a ）甲烷含量55%以上；

b ）硫化氢含量小于20 mg/m3。

8.5.3 沼气净化见GBJ16、GB50028中相关规定。

8.5.4 沼气中水蒸汽一般采用重力法脱水。对产量大于1000 m3/d的沼气工程，也可采用冷分离法、固体吸附法、溶剂吸收法等脱水工艺处理。

8.5.5 重力法沼气气水分离器可按以下参数设计：

a ） 进入气水分离器的沼气量应按日产沼气量计算；

b ） 气水分离器内的沼气供气压力应大于2kPa ；

c ） 气水分离器的压力损失应小于100 Pa；

d ） 气水分离器筒体高度为直径的4～6倍；

e ） 气水分离器应设有自动排水装置。

8.5.6 沼气管的最低点必须设置冷凝水集水器。

8.5.7 沼气脱硫

a) 沼气中硫化氢含量主要由发酵原料决定。可以同一地区、同一畜种类似沼气工程所产沼气中的硫化氢含量为参照；

b) 脱硫技术方案应根据工程具体情况作经济分析后再做确定。干法脱硫法可参照表3确定；

表3 沼气干法脱硫法选择

沼气中硫化氢含量

2g/m3～5g/m3 脱硫方法 一级脱硫法 二级脱硫法

c) 脱硫装置（罐、塔）应设置两个，一备一用，应并联连接；

d) 脱硫装置宜在地上架空布置。在南方地区可设置在室外，但需要保温。在寒冷地区应设在室内，一般应设置脱硫间。

8.6 沼气贮存

8.6.1 沼气贮存系统包括：贮气柜、流量计等。

8.6.2 一般采用低压湿式贮气柜、低压干式贮气柜和高压贮气罐。应根据具体情况作经济分析后确定。

8.6.3 贮气柜容积应根据沼气的不同用途确定：

a ） 沼气主要用于炊用时，贮气柜的容积按日产量的50%～60%设计；

b ） 沼气作为炊用和发电（或烧锅炉）各占一半左右时，贮气柜的容积按日产量的40%设计；

c ） 沼气主要用于烧锅炉、发电等工业用气时，应根据沼气供求平衡曲线确定贮气柜的容积。

8.6.4 贮气柜贮气压力

根据GB50028-1993和贮气柜形式确定贮气柜的贮气压力。沼气用具前的沼气压力应是其额定压力的2倍。

8.6.5 贮气柜宜布置在气源附近。

8.6.6 贮气柜必须设有防止过量充气和抽气的安全装置。放空管应设阻火器。阻火器宜设在管口处。放空管应有防雨雪侵入和杂物堵塞的措施。

8.6.7 湿式贮气柜水封池采用地上式，尽量避免地下式。当采用地下式时，应设置排水放空设施。建造材料一般为钢板或钢筋混凝土。

8.6.8 湿式贮气柜应设置上水管、排水管和溢流管；钟罩应设置检修人孔，直径不小于600mm ，钟罩外壁应设置检修梯。

8.6.9 在寒冷地区，湿式贮气柜应设置供热系统。

8.6.10 当湿式贮气柜钟罩与水封池均为钢板制造时，须做防腐处理，采用环氧沥青、氯化聚乙烯涂料、聚丁胶乳沥青涂料等防腐材料。

8.6.11 贮气柜安全防火距离

a ）干式贮气柜之间的防火距离应大于较大贮气柜直径的2/3，湿式贮气柜之间的防火距离应大于较大贮气柜直径的1/2；

b ） 贮气柜至烟囱的距离，应大于20 m；

c ） 贮气柜至架空电缆的间距，大于15 m；

d) 贮气柜至民用建筑或仓库的距离，应大于25 m。

8.6.12 沼气贮气柜出气口处应设阻火器。

8.6.13 沼气计量

沼气流量计应根据厌氧装置最大小时产气量选择流量计, 见表4。

表4 沼气流量计选择表

小时沼气量

户内

20 m3～30 m3

>30 m3 流量计 皮膜表 膜式流量计 腰轮（罗茨）流量计、涡轮流量计等

8.6.13 贮存系统见GBJ16、GB50028中相关规定。

9 后处理

9.1 “能源生态型”沼气工程后处理

9.1.1 “能源生态型”沼气工程的厌氧出水进贮液池后作液态有机肥用于农田。

9.1.2 “能源生态型”沼气工程厌氧消化后的沼渣、沼液需做进一步的固液分离，分离出的沼液进贮液池后作液态有机肥用于农田，干化后的沼渣是良好的固态有机肥。固液分离有多种方法：

a) 沉淀池+干化场；

b) 机械分离+沉淀池。

9.2 “能源环保型”沼气工程后处理

9.2.1 后处理一般采用以下工艺：

a) 好氧处理系统；

b) 稳定塘；

c) 好氧处理系统+稳定塘；

d) 其他处理方法，如膜分离法、人工湿地等。

9.2.2 好氧处理系统

a) 畜禽粪水中的N 、P 含量较高，好氧处理应选择有较高脱氮除磷能力的工艺，如SBR 、氧化沟等；

b) 有关设计参数、设施和设备参考GBJ14-1997的相关规定。

9.2.3 好氧塘、兼性塘、水生植物塘

a) 好氧塘、兼性塘、水生植物塘可用于处理“能源环保型”沼气工程的好氧出水或厌氧出水，用于去除污水中的氨氮和有机物；

b) 水生植物主要有凤眼莲等，设计参数可参见附录B 。

c) 好氧塘、兼性塘

当用于后续处理时，主要作用是去除水中的N 、P ，其工艺参数见表5。

表5稳定塘工艺设计参数(“能源环保型”工艺)

附 录 A

（资料性附录）

沼气工程规模分类

A·1 沼气工程规模分类

沼气工程规模分类宜按沼气工程的厌氧消化装置容积、日产沼气量以及配套系统的配置等综合评定，可分为大型、中型和小型沼气工程。表A·2列出了沼气工程分类的主要指标。

表A·1 沼气工程规模分类指标

工程 单体装置 总体装置 日产沼气 配套系统的配置

规模 容积V(m3) 容积V(m3) 量(m3/d)

大型 ≥300 ≥1000 ≥300 完整的发酵原料的预处理系统；沼渣、沼

液综合利用或进一步处理系统；沼气净

化、储存、输配和利用系统

中型 300＞1000＞≥50 发酵原料的预处理系统；沼渣、沼液综合

V≥50 V≥100 利用或进一步处理系统；沼气储存、输配

和利用系统

注：日产沼气量指标是指厌氧消化温度控制在25℃以上(含25℃)总体装置的最低

日产沼气量

污泥厌氧消化沼气安全系统的工艺设计 (2010-01-12 13:55:36)

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杂谈

污泥厌氧消化沼气安全系统的工艺设计

摘要：本文以典型的污泥厌氧消化沼气安全利用系统为例，着重从系统角度介绍了流程的设计、安全装置的设置以及系统压力的设定和控制。

摘要：本文以典型的污泥厌氧消化沼气安全利用系统为例，着重从系统角度介绍了流程的设计、安全装置的设置以及系统压力的设定和控制。

关键词：沼气利用安全系统工艺设计

污泥厌氧消化是一种使污泥达到稳定状态的非常有效的处理方法。污泥中的有机物在厌氧条件下，在产酸细菌和甲烷细菌的先后作用下，经酸性消化阶段和碱性消化阶段分解为甲烷和二氧化碳为主要产物的消化气。大中型污水处理厂对消化产生的沼气进行回收利用，可以达到节约能源、降低运行成本的目的。

沼气由55％～70％的甲烷、25％～40％的二氧化碳和1％～5％的氮硫化物和硫化氢组成。沼气与空气以1：5～14混合时，如遇明火会引起爆炸。混合比超过此值时，是燃烧热值约4500～6000千卡／米3的燃料。空气中沼气含量到达一定浓度会具有毒性。因此，沼气是具有很高利用价值同时假如系统设计操作不当也有一定危险性的能源。

图图2所示是一典型的污水处理厂污泥厌氧消化沼气利用系统的流程图。 流程图2所示为常规低压系统。

1沼气系统工艺流程设计及安全装置的设置

沼气从消化池流入管道，首先经过冷凝水去除罐和脱硫装置，其目的是净化沼气。 1沼气净化

1冷凝水及杂质的去除

沼气是高湿度的混合气。沼气自消化池进入管道时，温度逐渐降低，管道中会产生大量含杂质的冷凝水。假如不从系统中除去，轻易堵塞、破坏管道设备。 沼气管道最靠近消化池的位置，沼气温降值最大，产生的冷凝水最多，在此点设置了冷凝水去除罐。在沼气系统中，管线一般都设计为1％左右或更大的坡度，低点设置冷凝水去除罐。较长的管线非凡考虑一定的距离设置了一个去除罐。另外，在重要设备如沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器、脱硫塔等设备沼气管线人口，在干式气柜的进口和湿式气柜的进出口处都设置冷凝水去除罐。有时在某些设备如沼气压缩机出口处还需要设置高压水去除罐。

正常运行时，操作人员天天检查时，都会发现一些去除器有大量的冷凝水排出。当构筑物和设备检修时，还可以向冷凝水去除器中注水，作为水封罐。 2硫化氢的去除

城市污水产生的污泥中温消化产生的沼气中含有0.005～0.01％的H2S ，以粪便为原料消化产生的沼气中H2S 约占总体积的0.5～0％。一般沼气利用设备要求沼气中H2S 的含量低于0009％，所以，城市污水产生的污泥为原料产生的沼气利用时，可以不设脱硫装置，但是，以粪便为原料的消化沼气利用系统必须设置脱硫装置。 2沼气安全利用

沼气净化后进入贮气柜，贮气柜对整个系统具有气量调蓄和稳压的作用。 1火焰消除及爆炸防护

在贮气柜进口管线上设置了消焰器，此外，在所有沼气系统与外界连通部位以及沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机等设备的进出口处、废气燃烧器沼气管进口处都安装了消焰器。消焰器内部填充了金属填料，当火焰通过消焰器填料间缝隙

时，热量被吸收，气体温度降低到燃点以下，达到消焰目的。沼气与空气一定的混合比和遭遇明火是沼气爆炸或燃烧两个条件。消焰器的设置有效地防止了外部火焰进入沼气系统及火焰在管路中传播，进而防止了系统产生爆炸。从消化池流出的沼气中常带有泡沫和浮渣等杂质，轻易堵塞填料，阻碍气体通过，增加管路阻力。处理厂操作人员可以测量记录沼气通过不同部位消焰器的压力变化以确定检查清洗填料的周期，实际运行中经常会由于消焰器清洗不及时出现的系统压力波动和运行问题。设计时，在消焰器的前后一般设置阀门以便维护。

2沼气利用

净化后的沼气从贮气柜进入后续沼气利用系统，一般有三个分支：

沼气搅拌系统

沼气由沼气压缩机送回消化池用以对消化污泥进行搅拌。

沼气利用系统

沼气利用系统一般有：使用沼气锅炉直接为消化池或其他建筑物提供热能；使用沼气发电机发电提供电能处理厂内部使用，余热还可为消化池或其他建筑物提供热能；使用沼气发动机提供直接带动处理厂的某些设备，余热还可为消化池或其他建筑物提供热能；直接作为可燃气体供给。

废气燃烧系统

当沼气利用设备不能完全消耗消化池产生的沼气时，为防止沼气量不断增加致使系统压力超出正常范围，多余的沼气将被废气燃烧器烧掉。

3压力安全防护装置沼气利用系统是一个压力系统，假如沼气收集和使用不平衡，系统压力可能升高超过答应值；污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出可能引起构筑物内部的真空状态；为防止系统超压或处于真空状态对构筑物和设备可能造成的破坏性影响，保证系统的操作压力，使沼气不会经常排放到空气中，在消化池和气柜顶部都设置了真空压力安全阀。

因为真空压力安全阀安装在沼气系统与外界大气连通的部位，需要与消焰器同安，以避免外部的火焰进入沼气系统。在真空压力安全阀和消焰器与消化池连接处设置了常开的阀门，便于检修设备。

不同位置的压力安全阀的设定应在系统工作压力的基本值上根据各构筑物间的管路损失设定相应值。操作人员同样需要定期清理超压排气口和真空进气口的密封面。

在沼气压缩机和脱硫装置的人口处安装了负压防止阀，防止阀门前部系统沼气量不够的情况下，后部使用系统依然继续抽吸气体。

2沼气系统压力的设计及构筑物、设备间的连锁控制

沼气系统的硬件实施完成后，接下来需要完成系统安全操作的软件部分，即系统整体压力的设定及各构筑物、设备之间的连锁控制。

1系统工作压力的设定

整个沼气系统工作压力的设定需要综合考虑以下几个因素：

①沼气系统保证在正压情况下运行。

②贮气柜自重情况下的静压。

③计算出从消化池至贮气柜最终到沼气利用设备的管路损失，保证正常工况下，气体至沼气利用设备增压机或废气燃烧器人口处压力满足设备要求。

④消化池中气相压力尽可能低，使沼气能够最大量地从污泥中释放出来。

综合上面的限定可以得到消化池正常工作压力，系统中其余各点的压力根据不同的管路损失可以分别计算出。运行时，一般通过改变贮气柜顶部的配重来设定和调节消化池的工作压力。

2构筑物及设备自身系统的压力保护

消化池、贮气柜、沼气压缩机及各种沼气利用设备在系统工作压力下正常运行，在此值的基础上压力会有波动，但各设备及构筑物自身系统的控制及安全装置保证了某一设备及构筑物处的压力变化不会影响整个系统。

①沼气压缩机将沼气送入消化池进行污泥搅拌。沼气压缩机自身系统应具有保护功能。进气压力低到一定设定值警，继续降低时，停机；出气压力高过一定设定值警，继续升高时，停机。压缩机自身系统的这些设置可以避免在系统压力低于正常值时过分抽吸沼气造成负压，或使后部系统压力超过答应值。

②沼气锅炉、沼气发电机、沼气

发动机等设备进气端也有相同的保护设置。

③消化池、贮气柜顶部安装了真空压力安全阀，防止过高压力破坏构筑物的气密性及负压可能对结构造成的毁坏。

④高压系统中使用的球罐顶部同样需要安装过压排气阀。

3系统中设备、构筑物之间的连锁控制

沼气系统中构筑物及设备之间有管线连通，使之不是彼此孤立而是可以连锁控制的。

低压系统的总气量体现在贮气柜高度值变化上，贮气柜对整个系统具有气量调蓄和稳压的作用，系统内部可以互相补气以平衡压力。同时，贮气柜的高度值被传送到中控室，既便于监视，又使系统中各设备开停可以根据贮气柜高度进行如下连锁控制：

①贮气柜高度在总高度5％～90％之间为正常运行区域。

②贮气柜高度低于5％时，停止沼气压缩机，停止沼气使用设备如锅炉、发电机、发动机。假如系统控制出现故障，压力降低到真空安全阀的设定值时，真空安全阀动作，防止负压可能对结构造成的毁坏。

③贮气柜高度高于90％时，启动废气燃烧器。由于废气燃烧器的使用，贮气柜高度将开始降低，当贮气柜高度低于90％时，停止废气燃烧器。

④假如废气燃烧器出现故障，贮气柜高度继续升高到93％时，假如气柜顶部设有机械排气阀时，打开排气阀排气。即机械排气阀动作设定值可为贮气柜高度的93％。

⑤假如机械排气阀排气量不足，贮气柜高度机械升高至95％时，中控室显示信号警。

⑥如贮气柜高度依然继续升高到顶点时，系统压力开始升高，到达压力安全阀的设定开启值时，消化池和贮气柜顶部的压力安全阀开启以保护构筑物免受毁坏。应该注重到压力安全阀的动作压力值必须低于贮气柜气密性保护的最高压力值。 沼气系统各构筑物和设备之间通过连锁控制，真正联合成一整体系统，更进一步确保了系统的正常运行。

参考文献

［1］《给水排水设计手册》第5册－城市排水，中国建筑工业出版社 ［2］金儒霖主编，《污泥处置》，中国建筑工业出版社

［3］申丘澈，名取真合著，吴自迈译，《污水污泥处置》，中国建筑工业出版社 ［4］杨振沂译，《厌气消化设备设计手册》，中国市政工程西南设计院，香港艺高工程有限公司