容积确定[2].doc

规模化猪场粪污处理沼气池容积确定
付秀琴1*作者简介：付秀琴 (1968-)，四川都江堰人，讲师，主要从事畜牧教学工作
陈子爱2 邓良伟2** 通讯联系人
李健2** 通讯联系人

(1成都市畜牧兽医学校，成都，610066；2 农业部沼气科学研究所，成都，610041)

摘要：本文根据不同规模猪场的猪群结构以及不同猪只粪尿排放量，采用最小二乘法，推导出猪场年出栏数与存栏数、年出栏数与粪污干物质排放量以及存栏数与粪污干物质排放量之间的关系式。再根据粪污原料沼气产率，得出猪场粪污处理沼气产生量与存栏数的关系式。最后，根据不同温度，不同类型沼气池的容积产气率，计算出不同规模的猪场分别在10°C ~15°C、20°C~25C条件下，粪污处理所需地上式沼气池或水压式沼气池的容积。
关键词：猪场；粪污处理；沼气池；容积

Volume Choosing of Piggery Waste Treatment
Fu Xiuqin1 Chen Ziai2 Deng Liangwei2
(1 Chengdu Pasturage & Veterinarian Technical School, Chengdu，610066;
2 Biogas Scientific Research Institute of the Ministry of Agriculture, Chengdu, 610041)

Abstract: Basing on pig structure of different scale piggery farm and waste discharge of different pigs, Expressions between annual amount of pig on sale and amount of pig on hand, between dry waste amount (TS) and annual amount of pig on sale, and between dry waste amount and amount of pig on hand are derived by means of least square method. Then, according to material biogas-producing rate of pig waste, Expressions between biogas yields of piggery waste treatment and amount of pig on hand is obtained. Finally, in the light of volume biogas-producing rate of two types of digestor under different temperature, volumes of digestor on ground and hydraulic digestor for waste treatment under temperature of 10°C ~15°C and 20°C~25C are figured out.
Keywords: piggery farm; waste treatment; digestor; volume

当前，规模化猪场粪污处理通常有三种模式：厌氧-还田生态循环利用模式，厌氧-自然处理模式，厌氧-好氧工厂化处理模式[1]。由于厌氧生物技术既可直接处理高浓度有机废物，又可回收沼气能源，是一种可持续的处理方法,很适合高浓度猪场粪污的前处理。厌氧处理不但可以削减大部分污染负荷，有利于后续处理，而且可以出除大部分病原微生物和寄生虫卵，对于粪污还田利用，可以减少疾病传播的风险。因此，大多数规模化猪场粪污处理涉及到厌氧发酵沼气池。设计沼气池容积时，必须首先获得猪场粪污的浓度和数量。确定浓度和数量的一种方法是依赖于实际测试，不仅工作量大，而且难以获得比较准确的数据；另一种方法是通过存栏猪的数量以及不同猪的排泄量确定，由于规模化猪场中，猪只大小不同、数量不同，不同猪的排泄量各不相同，对于粪污处理设计人员，一时难以收集比较齐全的这类资料。对于，畜牧养殖人员，对于沼气的有关参数又不很清楚。因此，很有必要推导出一个简便的规模化猪场粪污处理沼气产量和沼气装置容积计算公式或计算表。以期对粪污处理设计人员和畜牧管理人员有所裨益。

1. 粪污排放量的确定
在不同资料中，猪粪污尿排放量差异很大。这里根据日本、英国以及我国上海、赵恒斗[2,3]等的资料总结出规模化猪场粪尿排放量，如表1。猪尿中水分含量有的报道97%，有的98%，表1中猪尿水分含量取97.5%。粪便含水率按81.5%计。按母猪与后备母猪、公猪与后备公猪之比为3:1加权计算母猪、公猪的粪污干物质(TS)平均排放量；而仔粪污TS平均值直接取哺乳仔猪与断奶仔猪TS的平均；育肥猪TS平均值直接取90日龄与180日龄育肥猪TS的平均。
表1 规模化猪场粪尿及其干物质排放量
项目
日龄
(天)
粪便排放量 (kg/头)
尿排放量 (kg/头)
粪尿排放总量(kg/头)
TS 排放量(kg/头)
TS平均值(kg/头)
母猪
生产母猪
365
5.0
5.5
10.5
1.06
0.919
后备母猪
180
2.2
3.5
5.7
0.495

公猪
公猪
365
3.0
6.9
9.9
0.728
0.670
后备公猪
180
2.2
3.5
5.7
0.495

仔猪
哺乳仔猪
断奶仔猪
<35
0.5
0.8
1.3
0.113
0.166
35-70
1.0
1.35
2.35
0.219

育肥猪
90
180
1.3
2.17
2.0
3.5
3.3
5.67
0.291
0.489
0.390
根据规模化养猪生产工艺的组织方法、工艺参数以及猪群结构计算公式计算出不同规模猪场的猪群配置及存栏数[4]，并根据表1的TS排放量计算出不同规模猪场排放的粪污干物质量(TS)，见表2。
表2 年出栏100—10000头育肥猪猪场存栏及粪污排放量
年出栏数
项目
母猪
公猪
仔猪
育肥猪
合计
100 头
存栏(头)
TS (kg/d)
7
6.43
0
0
20
3.32
30
11.70
57
21.45
200头
存栏(头)
TS (kg/d)
14
12.87
0
0
40
6.64
60
23.4
114
42.91
300头
存栏(头)
TS (kg/d)
21
19.30
1
0.670
61
10.13
91
35.49
174
65.59
500头
存栏(头)
TS (kg/d)
35
32.17
1
0.670
101
16.77
151
58.89

288
108.5
1000头
存栏(头)
TS (kg/d)
71
65.25
3
2.01
201
33.37
302
117.78
577
218.41
2500头
存栏(头)
TS (kg/d)
177
162.66
7
4.69
503
83.50
754
294.06
1441
544.91
10000头
存栏(头)
TS (kg/d)
709
651.57
27
18.09
2010
333.66
3015
1175.85
5763
2179
采用最小二乘法，以表2中的猪的存栏数对年出栏数回归，可得到规模化猪场存栏数与年出栏数的关系式。
h=0.5763H-0.03 r>0.9999 (1)
式中h-规模化猪场存栏数(头)；
H-规模化猪场年出栏数(头)。
以表2中不同规模猪场的粪污干物质排放量(TS)对年出栏数回归，可得粪污干物质排放量(TS)与年出栏数的关系。
W=0.218H-0.129 r>0.9999 (2)
式中W-规模化猪场粪污干物质排放量(TS)（kg/d）；
H-规模化猪场年出栏数(头)。
以表2中不同规模猪场的粪污干物质排放量(TS)对存栏数回归，可得粪污干物质排放量(TS)与存栏数的关系。
W=0.378h-0.118 r>0.9999 (3)
式中W-规模化猪场粪污干物质排放量(TS)（kg/d）；
h-规模化猪场存栏数(头)。
因为猪场的年出栏数是计划指标，实际生产中，有较大的变动。而存栏数是一个稳定的、实际的参数。所以，式(3)更具实际意义。规模化猪场的存栏数一般都在50头以上，因此式(3)中的截距可以忽略不计，于是式(3)可表示为：
W=0.378h (4)

2规模猪场沼气潜在产量确定
沼气潜在产量与的粪污干物质排放量的关系可用下式表示：
Q=Whrm (5)
式中Q-沼气产量(m3/d);
W-规模化猪场粪污干物质排放量(TS)（kg/d）;
rm-原料产气率(m3/kgTS);
h-粪污入池率(%)
粪污的原料产气率受原料的质量和发酵条件的影响而有差异，在不同地区以及不同温度条件下，原料产气率也有很大差别。根据农业部成都沼气科学研究所、辽宁能源所等五个研究单位测试：在发酵温度35°C，发酵周期60天条件下，粪污原料产气率在0.224m3/kgTS-0.480m3/kgTS之间，平均值为0.450m3/kgTS；在常温条件下(8°C -25°C)，粪污原料产气率在0.25m3/kgTS-0.30m3/kgTS之间[5]。在全国范围内，不管是地下式还是地上式沼气池，常温条件下能达到25°C时间很少，大多数是在15°C -23°C之间，而在实际设计中，粪污原料产气率一般采用0.25m3/kgTS或0.30m3/kgTS。因此，采用0.25m3/kgTS与0.30m3/kgTS的平均值0.275m3/kgTS作为粪污原料产气率比较切合实际。将式(4)及粪污原料产气率代如式(5)得：
规模化猪场粪污处理沼气产量计算公式：
Q=0.104h h (6)
式中符号意义同前。

3规模化猪场粪污处理沼气池容积确定
在污水处理工程设计中，厌氧消化池容积可以根据水力停留时间或有机负荷确定，由于原料浓度差异很大，采用水力停留时间确定沼气池容积有很大局限性，因此，通常采用有机负荷进行设计。而在沼气工程设计中，沼气池的容积产气率是一个很重要的参数。因为：容积产气率(m3/m3.d)=容积负荷(kg TS/m3.d)´原料产气率(m3/kgTS)，而在一定降解率和温度条件下，原料产气率是相对稳定的参数，所以，可以采用容积产气率进行沼气池容积设计。
因为：容积产气率(rv)=Q/V， (7)
所以：V=Q/rv (8)
式中V-沼气池容积(m3);
rv-容积产气率(m3/m3.d)；
Q-沼气产量(m3/d)。
将式(6)代入式(8)得规模化猪场粪污处理沼气池容积计算式：
V=0.104h h /rv （9）
沼气池容积产气率因发酵工艺、温度以及地上式(采用高效厌氧工艺的大中型沼气池)还是地下式(水压式沼气池)而有很大差异，表3总结了不同温度条件下，地下式和地上式沼气池的容积产气率[5,6-8]。
表3 不同温度条件下不同沼气池的容积产气率
温度(°C)
容积产气率(m3/m3.d)
大中型沼气池
水压式沼气
10-15
0.25
0.10
20-25
1.0
0.25

对于没有进行干清粪的规模化猪场，粪污全部进入沼气池进行处理，h=100% ，将表2、表3的数据代入式(9)就可得到不同规模猪场粪污全部入池的沼气池容积，见表4。

表4 规模化猪场粪污全部入池的沼气池容积(h=100%)
年出栏数
(头)
存栏数
(头)
沼气产量(m3/d)
沼气池容积(m3)
10°C ~15°C
20°C~25C
大中型
沼气池
水压式
沼气池
大中型
沼气池
水压式
沼气池
100
57
6.0

60

25
200
114
12.0

120

50
300
174
18.0
75
180

75
500
288
30
120
300

120
1000
577
60
240
600
60
240
2500
1441
150
600
1500
150
600
10000
5763
600
2400

600
2400
20000
11526
1200
4800

1200

50000
28815
3000
12000

3000

100000
57600
6000
24000

6000

如果规模化猪场采用干清粪工艺将干粪清除作肥料，一般能清除60%左右的粪污，那么能进入沼气池的粪污就只有40%，即h=40%。将表2、表3的数据代入式(9)就可得到干清粪规模化猪场粪污处理沼气池容积，见表5。
表5 干清粪规模化猪场粪污处理沼气池容积(h=40%)
年出栏数
(头)
存栏数
(头)
沼气产量(m3/d)
沼气池容积(m3)
10°C ~15°C
20°C~25C
大中型
沼气池
水压式
沼气池
大中型
沼气池
水压式
沼气池
100
57
2.4

25

10
200
114
4.8

50

20
300
174
7.2

75

30
500
288
12
50
120

50
1000
577
24
100
240

100
2500
1441
60
240
600
60
240
10000
5763
240
1000
2400
240
1000
20000
11526
480
2000

500
2000
50000
28815
1200
4800

1200

100000
57630
2400
9600

2400

几点说明：

上述所推导出的计算式以及表4、表5结果是使用配合饲料规模化猪场的情况，对分散户养以及采用传统饲养方法的规模化猪场不适用。
原料产率以及容积产气率是常温条件的数据，对于采用中温、高温发酵的情况不适用。
根据实际应用情况，地上式的大中型沼气池池容一般在50m3以上，地下水压式沼气池池容一般在3000m3以下。所以，池容在50m3才考虑大中型沼气池，而池容在3000m3以上，不考虑采用地下水压式沼气池。
干清粪猪场的粪污入池率h不是一个固定值，应根据清粪情况确定。
为了计算的方便，表4、表5中的数据略有取舍。

参考文献：
[1] 邓良伟. 规模化猪场粪污处理模式[J]. 中国沼气，2000，19(1): 29-33.
[2]中国农业大学，上海农业广播学校，华南农业大学等编著. 畜粪便学[M]. 上海：上海交通大学出版社 1997.
[3] 赵恒斗. 规模化养猪的污水产生、治理与综合利用[J]. 中国沼气，1996，14(3): 30-32.
[4] 陈清明，王连纯主编. 现代养猪生产[M]. 北京：中国农业大学出版社 1997.
[5] Chengdu Biogas Research Institute of the Ministry of Agriculture. The Biogas Technology in China[M]. 北京：农业出版社 1991.
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[7] 徐洁泉. 规模畜禽场沼气工程发展和效益探讨[J]. 中国沼气，2000，18(4): 27-30
[8] 方仁声. 大型猪场废水处理技术与应用[J]. 中国沼气，1998，16(4):39-41