沼气工程毕业设计.pdf

武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 吴全舟吴全舟 武汉工业学院化学与环境工程学院 武汉 武汉工业学院化学与环境工程学院 武汉 430023 摘摘 要要 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 3 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 1 概概 述 述 1 1 设计题目设计题目 某规模化养猪场大型沼气工程 1 2 设计内容设计内容 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 1 3 项目概况项目概况 某规模化养猪场成立于 2001 年 1 月 位于湖北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 2001 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 13 t 产生废水约 40 t 表 1 1 猪粪污水特性 1 原料名称 pH COD mg L BOD5 mg L SS mg L 猪粪水 7 0 7 8 11000 26000 7000 13000 10000 60000 2 项目资源项目资源 产物计算产物计算 2 1 沼气产量计算沼气产量计算 2 1 1 干物质量计算干物质量计算 该规模化养猪场为标准化万头猪场 年出栏育肥猪数量超过一万头 根据该养殖 企业提供的资料和实际经验确定猪场总存栏量为 6500 头 设计采用干清粪工艺 根 据经验值每天冲冲栏废水大约为 40m3 根据工程经验值取每头猪日产猪粪便为 2kg 粪便收集率为 95 猪粪便含固率 为 20 则 1 粪便总量 6500 头 2 kg 头 d 0 95 12350 kg 12 35 t d 5 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 粪便固体总量 TS 12 35 t d 0 2 2 47t d 2 1 2 物料总量和补充水量计算 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 12 35 t d 鲜猪粪全部投放到高 浓度反应器 并调配成 6 干物质浓度 约需要 42 m3污水 2 1 3 沼气产量计算沼气产量计算 考虑 5 的干物质损耗率 每天投 TS2346 5kg 产沼率为 0 28 0 32 m3 kgTS 取值 0 30 m3 kg TS 则可产沼气 704 m3 表 2 1 日沼气产量计算表 干物质量产量 kg d 干物质损 耗率 干物质投产量 kg d 产沼率 m3 kg 产沼量 m3 d 污水量 m3 d 2346 5 5 2346 5 0 30 704 24 7 2 2 沼肥产量估算沼肥产量估算 2 2 1 干物质减量化计算干物质减量化计算 全天输入干物质量为 2346 5kg 厌氧阶段消耗量为 TS 的 65 为 1 53t 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 0 82t 其中 0 24t 由厌氧反应器底部作为沼渣排出 进入沼渣储存池 0 58t 与厌氧反应器 上部出水一并排出 3 2 表 2 2 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 沼渣 TS 含量 t d 沼液 TS 含量 t d 12 35 2 35 65 1 53 0 82 0 24 0 58 2 2 2 沼肥产量估算沼肥产量估算 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 24t d 按 93 含水率计算 沼渣产量为 3 43 t d 沼液干物质含量为 0 58t d 按 97 含水 率计算 沼液产量为 19 33t d 详见表 2 5 表 2 3 沼肥产量计算表 产量 t d 干物质 t d 含水率 沼渣 3 43 0 24 93 沼液 19 33 0 58 97 6 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 3 产物供需平衡分析和解决方案选择产物供需平衡分析和解决方案选择 3 1 沼气利用方案沼气利用方案 沼气工程日产沼气 704 m3 计划部分作为锅炉加热系统燃气使用 部分用于发 电 3 2 沼肥种养平衡和有效利用解决方案沼肥种养平衡和有效利用解决方案 沼气工程日产沼渣 3 43 吨 含水率 93 沼液 19 33 吨 消纳该部分沼肥必 须有相应量的土地承载 据提供的资料显示该养殖场周围有大量农田和山场林地供 消纳该部分沼肥 3 2 1 沼肥优势分析沼肥优势分析 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 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 2500 kg 可增产 9 0 26 4 每 100 kg 沼肥增产水稻 1 38 kg 玉米 2 0 kg 棉花 0 65 kg 2 沼肥用作追肥 效果也很明显 根据肥料养分含量计算 每 100 kg 沼肥的 N P K 养分总含量相当 15 15 15 的三元素复合肥 60 kg 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 20 kg 左右 折合施沼肥 330 kg 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 5 7 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 4 工程设计范围和处理能力工程设计范围和处理能力 4 1 设计依据设计依据 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 T 1222 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 GB 8978 1996 8 给水排水设计手册 9 其它有关基础资料 4 2 设计原则设计原则 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 4 3 设计范围设计范围 本设计范围包括 沼气工程工艺设计 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 4 4 粪污处理量粪污处理量 总资源量为含固率 20 的粪污总量 12 35t 变化幅度较小 因此 高浓度厌氧 反应器有机负荷变化较小 8 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 5 沼气工程工艺流程设计沼气工程工艺流程设计 5 1 处理工艺选择处理工艺选择 5 1 1 预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 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 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 5 1 2 厌氧消化处理工艺选择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 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 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 9 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 10 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 11 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 12 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 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 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 13 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 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 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 本系统中采用沼气站内自建气煤 两用锅炉产生的热水作为热源 5 2 沼气净化与利用工艺选择沼气净化与利用工艺选择 5 2 1 沼气净化工艺选择沼气净化工艺选择 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 100 ml 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 14 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 本工程拟采用化学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化学脱硫塔 气水分离器和凝水器等 专用设备净化处理后送入发电机房发电使用 5 2 2 沼气储存工艺选择沼气储存工艺选择 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 于锅炉燃烧使用和沼气发电 储气柜的容积按日产量的 30 40 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 本工程选择膜结构储气 柜与厌氧反应器一体化建设 5 5 3 沼肥利用工艺选择沼肥利用工艺选择 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 15 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 5 4 工艺流程设计工艺流程设计 沼液回流 保温 猪粪污水 沼气 加热盘管 计量加热池 提升泵 USR一体化反应器 气水分离器 脱硫塔 输气管道 加热系统 沼液塘 变频增压系统 调浆沉砂池 格栅 进料斗 热水 沼液贮存池 水封器 沼液泵 集污池 沼气发电 施肥 田间管网 图 5 1 工艺流程图 5 5 工艺流程描述工艺流程描述 5 5 1 预处理阶段描述预处理阶段描述 猪舍冲洗污水由污水汇集管网 或污水渠 经人工格栅汇集到集污池 提升泵 按配比时间安排将其提升至沉砂池和预热池 将由集污池流过来的猪粪及污水进行调配 使物料达到 6 左右的干物质浓度 以供应高浓度厌氧反应器使用 预热池内配有加温设施 实现冬季时的物料加温 5 5 2 厌氧消化处理阶段描述厌氧消化处理阶段描述 进料 搅拌 反应循环过程 物料经提升泵提升进入厌氧反应器 进行厌氧消 化处理 本工程设计采取分 2 批轮流进料方式进行 进料时间根据猪场清粪方式安 排 一般间隔不小于 6 小时 两组进料先后进行 1 小时以内完成进料过程 进料 结束后启动搅拌 搅拌 1 小时后停止 厌氧罐按进料 1 小时 搅拌 1 小时 反应 4 小时 搅拌 1 小时 反应 4 小时 这个循环过程进行 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 器外设置一水力循环系统 使物料与厌养活性污泥充分混合 厌氧罐罐体外部设置 保温层 厌氧反应器产生的沼气由集气室收集 存储在膜式气囊内 经沼气输送管路送 16 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 入后续沼气净化处理单元 厌氧罐采用上部益流出水方式 出水自流进入沼液储存池 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 沼气净化储存利用阶段描述沼气净化储存利用阶段描述 厌氧消化罐产出的沼气经集气室收集进入沼气净化系统 沼气经过化学脱硫塔 气水分离器 凝水器等专用设备净化处理后送往发电机房 6 工艺参数设计工艺参数设计 6 1 物料负荷物料负荷 平均设计物料流量 Q平 40 m3 d 6 2 预处理阶段工艺参数设计预处理阶段工艺参数设计 6 2 1 格栅槽格栅槽 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 9m 0 8m 4 池数 1 池 6 2 2 人工格栅人工格栅 1 设备宽度 W0 900mm 2 渠宽 W1 900mm 3 有效栅隙 b 10mm 4 设备台数 1 6 2 3 集水池集水池 1 功能 储存补充水 2 池体结构 地下钢砼结构 3 尺寸 8 00m 3 20m 5 00m 4 有效容积 128 m3 5 池数 1 池 6 2 4 集水池污水提升泵集水池污水提升泵 1 功能 将补充水从集水池提升至沉砂池 2 流量 20 m3 h 3 扬程 7m 4 电机功率 2 2kW 17 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 5 设备类型 潜污泵 6 设备数量 2 台 1 用 1 备 6 2 5 集粪池集粪池 1 功能 暂存由猪场输送来的猪粪 2 池体结构 地下钢砼结构 3 尺寸 3 00m 3 20m 3 00m 4 容积 28 8 m3 5 池数 1 池 6 2 8 进料斗进料斗 1 功能 猪粪与来水充分搅拌混合后进料 2 池体结构 地上钢砼结构 3 尺寸 1 80m 1 50m 4 高度 0 8m 6 2 9 调浆沉砂池调浆沉砂池 1 功能 猪粪与来水充分搅拌混合 去除废水中的砂石 2 池体结构 地下钢砼结构 3 尺寸 3 60m 3 00m 4 容积 30 52 m 3 5 池数 1 池 6 2 10 计量预热池计量预热池 1 功能 调节控制进料浓度 对进料进行预热 2 池体结构 地下钢砼结构 3 尺寸 3 60m 3 00m 4 容积 30 52 m 3 5 池数 1 池 6 2 11 配料池搅拌机配料池搅拌机 1 功能 将沉砂池 预热内粪与水搅拌 混合 2 功率 5 5 kW 3 数量 2 台 6 3 厌氧消化处理阶段工艺参数设计厌氧消化处理阶段工艺参数设计 6 3 1 厌氧反应器厌氧反应器 1 功能 高浓度厌氧消化处理主体反应器 2 规格 9 93 m 9 60m 3 有效容积 741 m 3 4 停留时间 18 d 18 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 5 发酵温度 中温 30 35 6 材质结构 搪瓷钢板结构 外设聚苯板保温层 7 数量 1 座 6 3 2 厌氧反应器进料泵厌氧反应器进料泵 1 功能 将粪污从调节池提升至厌氧反应器 2 流量 10 m3 h 3 扬程 15 m 4 电机功率 3 0kW 5 设备类型 潜污泵 6 设备数量 2 台 1 用 1 备 6 4 沼气净化储存阶段工艺参数设计沼气净化储存阶段工艺参数设计 6 4 1 沼气净化系统沼气净化系统 功能 沼气净化 设计参数和主要设备参数 1 化学脱硫塔 脱硫效果 大于 90 型号 STL 6 处理能力 30 m3 h 数量 2 套 2 气水分离器 型号 STS 6 数量 2 台 3 水封器 型号 SF 500 数量 1 台 4 沼气流量计 型号 JLQ 50 数量 1 台 6 4 2 沼气贮存系统沼气贮存系统 膜式储气柜 功能 贮存厌氧消化罐产生的沼气 构造形式 聚酯纤维 尺寸 9 93 3 84m 有效容积 250 m3 数量 1 个 19 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 6 5 沼液沼渣池的设计沼液沼渣池的设计 6 5 1 沼液池沼液池 1 功能 短时存储沼液 2 构造形式 半地上式钢筋混凝土结构 3 尺寸 10 00m 5 00m 5 00m 4 有效容积 250 m3 5 池数 1 池 6 5 1 沼渣池沼渣池 1 功能 短时存储沼渣 2 构造形式 半地上式钢筋混凝土结构 3 尺寸 2 00m 5 00m 5 00m 4 有效容积 50 m3 5 池数 1 池 7 其它设计其它设计 7 1 建筑与结构设计建筑与结构设计 7 1 1 设计原则设计原则 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 使沼气工程成为环境优美的示范项目 7 1 2 主要构 建 筑物结构设计主要构 建 筑物结构设计 7 1 2 1 构筑物 主要构筑物名称 尺寸 结构形式等见下表 表 7 1 主要构筑物一览表 序号 构筑物名称 结构尺寸 m 数量总规模 m 3 结构形式 1 格栅 0 90 0 80 1 不锈钢 2 集水池 8 00 3 20 5 00 1 128 钢砼结构 3 集粪池 3 00 3 20 5 001 28 8 钢砼结构 4 进料斗 1 80 1 50 1 3 24 钢砼结构 5 调浆沉砂池 3 60m 3 00m 1 30 52 钢砼结构 6 计量预热池 3 60m 3 00m 1 30 52 钢砼结构 7 USR 厌氧反应器 9 93 9 60 1 741 搪瓷拼装罐 20 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 8 USR 厌氧反应器基础 10 93 0 50 1 46 89 钢砼结构 9 沼液池 10 00 5 00 5 00 1 250 钢砼结构 10 沼渣池 2 00 5 00 5 00 1 50 钢砼结构 11 膜式气囊 9 93 3 84 1 250 聚酯纤维 7 1 2 2 建筑物 主要建筑物名称 尺寸 结构形式等见下表 表 7 2 主要建筑物尺寸表 序号 构筑物名称 结构尺寸 m 数量 总规模 m 2 结构形式 1 值班室 5 1 4 2 4 0 1 21 42 砖混结构 2 发电机房 6 0 4 2 4 0 1 25 20 砖混结构 3 净化间 6 0 4 2 4 0 1 25 20 砖混结构 4 锅炉房 5 1 4 2 4 0 1 21 42 砖混结构 5 堆煤间 2 4 4 2 4 0 1 10 08 砖混结构 7 1 4 厌氧反应器设计厌氧反应器设计 本设计的厌氧消化装置采用地上搪瓷钢板拼装密封罐结构 反应器采用的厌氧 发酵工艺是升流式厌氧消化反应器 USR 中温 30 35 发酵后液下出料方式 发酵罐采用柔性搪瓷拼装结构 搪瓷用钢板 钛合金专用钢板 厚度为 3mm 8mm 根据罐体 的大小选用不同厚度的钢板 钢板先经过酸洗 碱洗 打砂等特殊的工艺处理 将钢板表面的氧 化皮 锈及油除干净 再在钢板的内外两面喷上 底釉和面釉 烘干后经过电炉 900 高温加热 使钢板表面形成 0 3mm 厚的搪瓷层 搪瓷层和钢 板之间形成很强的结合力 使搪瓷涂层形成的保 7 1 搪瓷钢板局部示意图 护层不仅能阻止罐体腐蚀 而且具有抗强酸强碱的功能 搪瓷涂层同样具有极强的 抗磨损性 如图所示 根据计算式 V M HRT TS 其中 V 为反应器容积 m M 为 3 3 干物质日产量 t d HRT 为水力停留时间 d TS 为污水总固体浓度 则 USR 反应器体积为 V 2 47t d 18d 6 741 m 3 根据我国现在搪瓷拼装罐主要生产厂家的产品目录中选取相应规格 9 93 9 60m 即直径为 9 93m 高度为 9 60m 的搪瓷拼装罐 21 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 表 7 3 搪瓷拼装罐基本参数 名 称 直径 m 高度 m 罐体 层数 单圈钢 板量 张 总钢板 数 张 池容 m 3 钢板厚度 mm 量 值 9 93 9 60 8 13 0 104 0 741 1 3 层为 6mm 4 5 层为 5mm 6 7 层为 4mm 8 层 为 3mm 7 1 5 增温与保温系统设计增温与保温系统设计 7 1 5 1 增温系统的设计 增温采用锅炉供热方式 在锅炉供热中常用模式有两种 蒸气锅炉加热 常压热水 锅炉循环间接加热 蒸气加热锅炉因是高压方式 在使用的安全系数上存在有隐患的地 方 且每年要报检 热水锅炉采用热水盘管循环间接加热方式不仅可以有效利用且安全 性高 并可以使用沼气 煤二者加热方式 不仅能充分利用沼气燃烧的热能 达到节能 高效利用的目的 确保在恶劣自然条件下 如长期阴雨天 以及冬季对反应系统的供热 保证了发酵系统温度的恒定 综上所述 本发酵系统增温采用常压热水锅炉循环间接加热模式 沼气站加热装置 主要为热水锅炉 热水锅炉 0 35 兆帕 设冬季每天粪便量为 40 吨 温度为 5 每天回流的稀释沼液量为 10 吨 设温 度为 25 设最终混合温度为 T 则 40 1000 kg T 5 10 1000 kg 25 T T 9 考虑热损失 设冬季进料温度为 8 每天进料总量为 40 吨 每天需要的热量 为 Q C M T 1 大卡 40 1000 kg 33 8 100 万大卡 选用煤气两用锅炉 养殖场产生的沼气除集中发电 另剩余部分用于烧锅炉 产生的热水用于猪场猪舍的保温 与热水锅炉结合使用 以达到节能减排的目标 25 万大卡的热水锅炉额定效率每天需燃烧 4 小时 即可进料加热至 33 7 1 5 2 保温系统的设计 本项目厌氧处理单元设计为中温 33 发酵工艺 其温度范围为 30 35 为了保 证厌氧反应在冬季正常运行 必须对系统实施增温和整体保温措施 故在罐体外采用聚 苯板进行强化保温 其厚度为 10cm 以保证罐体内反应温度在 30 35 的发酵温度 在各管道及阀门等处均采用聚氨酯发泡保温 保证隔热保温效果 7 2 机械设备选型与设计机械设备选型与设计 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 22 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 4 主要设备一览表 序 号 设备名称 型号 尺寸规格 mm 功率 kW 数量 备注 1 人工格栅 SY 10 1 台 2 集 水 池 污 水 提升泵 WQ40 8 1 1 2 台 1用1备 3 预 处 理 池 搅 拌机 JBJ 3 0 2 2 2 套 4 厌 氧 反 应 器 进料泵 AV55 20 5 5 2 台 1用1备 5 反应器水力 循环系统 国标 3 0 1 套 6 水封器 SF 500 600 1000 1 套 7 气水分离器 STS 6 600 1000 2 套 8 脱硫塔 STL 6 600 1800 2 套 9 沼气流量计 JLQ 50 1 台 10 沼气增压泵 STD60 2 2 1 台 11 USR 反应器 9 93 9 60m 1 套 12 膜式气囊 9 93 3 84m 1 套 13 热水锅炉 LHG 25 1 套 14 热水循环泵 IRG40 160 I 2 2 1 台 15 沼气发电机 6135T 2 1 套 7 3 平面设计平面设计 7 3 1 平面布置原则平面布置原则 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 23 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 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 3 2 建筑单体设计建筑单体设计 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 4 3 道路道路 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 3 4 绿化绿化 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 平面布置详见附图 1 7 3 5 高程设计高程设计 沼气站内地面标高以原始地面高度为相对标高 0 00m 计 采用污水泵提升 高程布置详见附图 3 7 3 6 给水给水 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 DN32 镀锌钢管引入用水点 消防 生产 生活水管共用 7 3 7 排水排水 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 给排水设计详见附图 2 7 4 人员编制设计人员编制设计 沼气站运行操作管理人员编制为 2 人 轮流值班 8 投资估算与效益分析投资估算与效益分析 8 1 估算依据估算依据 8 1 1 工程规模工程规模 本工程产沼气 704 m3 d 产沼液 19 33t d 产沼渣 3 43t d 全年生产天数以 360 天计 全年沼气量为 25 34 万 m3 沼液量为 0 7 万吨 沼渣量为 1235 吨 8 1 2 估算范围估算范围 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 24 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 8 1 3 估算依据估算依据 本估算主要按照 北京市建设工程预算定额 2001 版 同时参照当地市场实 际价格 8 2 投资估算投资估算 8 2 1 土建投资估算土建投资估算 土建投资为 38 05 万元 具体构成项目见表 8 1 表 8 1 土建投资估算表 序 号 构 建 筑物名称 结构形式 规模 m m 32 单价 元 总价 万元 1 集水池 钢砼结构 128 500 6 400 2 集粪池 钢砼结构 28 8 500 1 440 3 进料斗 钢砼结构 3 24 500 0 162 4 调浆沉砂池 钢砼结构 30 52 500 1 526 5 计量预热池 钢砼结构 30 52 500 1 526 6 USR 反应器基础 钢砼结构 46 89 750 3 520 7 沼液池 钢砼结构 250 500 12 500 8 沼渣池 钢砼结构 50 500 2 500 9 值班室 砖混结构 21 42 600 1 285 10 发电机房 砖混结构 25 20 600 1 512 11 净化间 砖混结构 25 20 600 1 512 12 锅炉房 砖混结构 21 42 600 1 285 13 堆煤间 砖混结构 10 08 300 0 302 14 检查井 砖混结构 5 个 1000 0 500 15 阀门井 砖混结构 4 个 1000 0 400 16 建筑给排水管网 140 m 120 1 680 合计 38 05 万元 25 武汉工业学院2010届本科毕业设计 某规模化养猪场大型沼气工程项目设计 8 2 2 设备电气投资估算设备电气投资估算 设备投资为 107 29 万元 具体构成项目见表 8 2 表 8 2 设备电气投资估 序 号 设备名称 功率 kW 数量 单价 元 总价 万元 备注 1 人工格栅 1 台 1800 0 18 2 污水提升泵 1 1 2 台 2600 0 52 1用1备 3 搅拌机 2 2 2 套 7000 1 40 4 进料泵 5 5 2 台 8500 1 70 1用1备 5