牲畜粪便处理参考资料.docx
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牲畜粪便处理参考资料
二、发醇原料
堆肥原料都可以作沼气发酵原料。
（一）常见沼气发酵原料的理论产气量
计算沼气发酵原料的理论产气量，可先分别测定每种发酵原料中碳水化合物、蛋白质、
脂类化合物的含量，然后依据下式计算甲烷的产量（E）：
E＝0.37A十0.49B十1.04C
式中：
E——每克发酵原料的理论产甲烷量，L；
A、B、C——分别为每克发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的重量g。
然后，再依下式计算二氧化碳的理论产量（D）：
D＝0.37A十0.49B十0.36C
式中：
D——每克发酵原料的理论二氧化碳产量，L。
研究人员通过测定和用上式计算得出常用沼气发酵原料的组分和理论产气量列于表
9-5。
（二）原料的产气率和甲烷含量
沼气发酵原料产生率是指单位重量的原料在发酵过程中产生的沼气量。
我国通常用
原料所含总固体（TS）的量作原料单位表示原料的产气量。
表9-6列出了常用沼气发酵原料以及原料中主要化学成分（碳水化合物、蛋白质和脂类）的沼气产气率和甲烷含量。
（三）原料的总团体百分含量和总固体量
原料的总固体百分含量和总固体量可按下式计算：
MTS
W2
100%
W1
WTS
WMTS
式中：
MTS——发酵原料总固体百分含量；
W1——发酵原料样品重量；
W2——样品在105±2℃条件下烘干衡重量；
W——发酵原料重量；
WTS——发酵原料所含总固体量。
表9-5农村常见沼气发酵原料的组分和理论产气量
1每克干重物的组分（
g）
理论产气量（L/g）
发酵原料
碳水化合物
蛋白质
脂类化合物
甲烷
二氧化碳
水葫芦
0.6073
0.1167
0.0386
0.3220
0.2958
水花生
0.5963
0.0972
0.0.0271
0.2964
0.2780
玉米秸
0.6263
0.0633
0.0463
0.3109
0.2794
麦草
0.6396
0.0298
0.0234
0.2756
0.2597
稻草
0.6026
0.0316
0.0321
0.2718
0.2500
人粪
0.4157
0.1753
0.0814
0.3244
0.2690
猪粪
0.4204
0.1148
0.0603
0.2745
0.2335
1
鸡粪
0.4703
0.0882
0.0455
0.2645
0.2332
马粪
0.4536
0.0946
0.0283
0.2436
0.2244
牛粪
0.2704
0.1046
0.0528
0.2062
0.1703
原料总固体包括挥发性固体和灰分。
在挥发性固体中，含有原料可转化成甲烷的有机物。
因此，用原料的挥发性固体的重量作原料计量单位所表示的原料产气率更为准确。
挥发性固
体的含量可用发酵原料总固体中挥发性固体的百分含量或者发酵原料中的挥发性固体含量
表示。
它们可按下列各式计算：
MVS
W2W3
100%
W2
M'VS
W2W3
100%
W1
WVS
WTSMVS
WM'VS
式中：
W3——样品的总固体在550±20℃灼烧至恒重后的重量（灰分）；
MVS——发酵原料总团体中挥发性固体的百分含量；
M'VS——发酵原料中挥发性固体物质的百分含量；
WVS——发酵原料所含挥发性固体的量；
WTS、W、W1、W2与前同。
表9-6常用发酵原料的产沼气率
原料名称
每吨干物质产生的
甲烷含量
产气持续时间
沼气量（m3）
（%）
（d）
牲畜厩肥
260~280
50~60
------
猪粪
561
65
60
牛粪
280
59
90
马粪
200~300
60
90
人粪
240
50
30
青草
630
70
60
亚麻梗
359
59
90
玉米杆
250
53
90
麦秸
342
59
------
松树叶
310
69
65
杂树叶
210~294
58
------
马铃薯梗叶
260~280
60
60
谷壳
651
62
90
2
向日葵梗
300
58------
废物污泥
640
50------
酒厂废水
300~600
58------
碳水化合物
750
49------
脂类化合物
1400
72------
蛋白质
980
50------
原料总固体包括挥发性固体和灰分。
在挥发性固体中，含有原料可转化成甲烷的有机物。
因此，用原料的挥发性固体的重量作原料计量单位所表示的原料产气率更为准确。
挥发性固
体的含量可用发酵原料总固体中挥发性固体的百分含量或者发酵原料中的挥发性固体含量
表示。
它们可按下列各式计算：
MVS
W2W3
100%
W2
M'VS
W2W3
100%
W1
WVS
WTSMVS
WM'VS
式中：
W3——样品的总固体在550±20℃灼烧至恒重后的重量（灰分）；
MVS——发酵原料总团体中挥发性固体的百分含量；
M'VS——发酵原料中挥发性固体物质的百分含量；
WVS——发酵原料所含挥发性固体的量；
WTS、W、W1、W2与前同。
（四）原料的碳氮比
如同好氧微生物一样，厌氧微生物对原料的碳氮重量比也有一定要求。
表9－7列出了
一些常用沼气发酵原料的碳氮比。
由表可以看出，其差异比较大。
比值大的为贫氮原料，如作物的秸杆、叶、茎等；比值小的为富氮原料，如人畜粪便。
厌氧发酵原料的适宜碳氮比为
20：
1~30：
1，碳氮比达到35：
1时，产气量明显下降。
表9-7常用厌氧发酵原料的碳氮比
原料
碳素占原料重量（%）
氮素占原料重量（%）
碳氮比（C：
N）
干麦秸
46
0.53
87：
1
干稻草
42
0.63
67：
1
玉米秆
40
0.75
53：
1
落叶
41
1.00
41：
1
大豆茎
41
1.30
32：
1
野草
14
0.54
26：
1
花生茎
11
0.59
19：
1
3
鲜羊粪
16
0.55
29：
1
鲜牛粪
7.3
0.29
25：
1
鲜马粪
10
0.42
24：
1
鲜猪粪
7.8
0.60
13：
1
鲜人粪
2.5
0.85
3：
1
鲜人尿
0.4
0.93
0.43：
1
为使发酵过程有一个较高的产气量，可将贫氮原料与富氮原料适当配合成具有适宜碳氮比的混合原料。
1.混合原料碳氮比的计算
依据表9－7的数据和下式可以粗略计算混合原料的碳氮比，或按要求的碳氮比计算搭配原料的数量。
C1X1
C2X2
C3X3
CiXi
CX
K
N2X2
N3X3
NiXi
NX
N1X1
式中：
K——混合原料的碳氮比；
C、N——分别为原料中碳、氮含量，％，
X——原料的重量，kg。
2.发酵料浆的配制计算
原料配制成料浆，可根据料浆中所要求的总固体百分含量计算加水量。
MTS
XM
100%
X
式中：
MTS——沼气发酵料浆中总固体百分含量；
X——各种原料（包括水）的重量；
M——各种原料总固体的百分含量。
三、发酵工艺和影响发酵的因素
（一）发酵工艺
沼气发酵工艺类型较多，我国农村较普遍采用的是下述两种工艺。
1.自然温度半批量投料发酵工艺
这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化。
所用原料主要为秸杆和粪便，采用半批量，
方式投料，基本流程见图9-11。
这种发酵工艺的发酵期因季节和农业用肥情况而定，
一般为5个月左右，运行中要求定
期补充新鲜原料，以免造成产气量下降，该工艺主要缺点是出料操作劳动量大。
加活性污泥
定期出料
送农田
原料选择
原料预处理
配料
入池发酵产气
大出料
图9-11自然温度半批量投料发酵工艺流程
2.自然温度连续投料发酵工艺
这种工艺是在自然温度条件下，定时定量投料和出料。
日前，一些大中型沼气工程均采用这
4
种发酵工艺。
工艺控制的基本参数包括进料浓度、水力滞留时间、发酵温度。
沼气发酵池的发酵容积、水力滞留时间和进料总固体百分浓度关系式如下：
V0Vi
W
1
HRT
HRT
S0
D
式中：
V0——发酵池有效容积，m＄；
Vi——每天进科体积，m3／d；
HRT——水力滞留时间，d；
W——每天投料总固体量，kg／d；
S0——进料总固体百分浓度；
D——进料比重，kg／m3。
若每天处理1000kgTS，按上式计算，V0与HRT、S0的关系，示
于表9-8（设D＝1000kg/m3）。
该表说明，在连续发酵工艺中，当每天处理的总固体量相同时，料液浓度和水力滞留时间不同，要求发酵装置的有效容积也不相同，且变化幅度较大。
目前，还没有找到一个可供实际设计采用的较佳参数公式。
因此，许多沼气工程，多是根据实地试验或经验来进行设计。
根据一些地区的情况和实践，可供选择的水力滞留时间大都在40~60天，进料总固体浓度为6.0%左右。
这种工艺在我国农村有较好的发展前景。
表9-8V0、HRT与S0关系
S0（%）
Vi（m3/d）
HRT（d）
V0（m3）
5
20
20
400
5
20
15
300
8
12.5
20
250
8
12.5
30
375
（二）影响发酵的因素
为保证厌氧发酵正常进行，除根据发酵过程控制投料负荷外，还需对下面一些影响发辞酵的因素进行控制。
1.温度
温度对有机物的分解速度影响较大，温度增高，产气量增大。
沼气发酵通常采用三种发
酵温度，即低温发酵、中温发酵和高温发酵。
低温发酵过程，温度随气候变化，大多处于
20℃以下，产气量不高（表9－9），不易达到杀灭病源微生物的目的。
中温发酵过程，发酵液温度控制在37℃左右，这是甲烷茵的第一个最佳活性温区。
高温发酵过程，发酵液温度控制在53℃左右，此时是甲烷菌的第二个最佳活性温区。
以高温发酵产气率最高，但料浆和发酵设备要求加热保温，给管理带来一些复杂问题。
中温发酵产气率虽然低于高温发酵，但高于低温发酵。
5
表9-9我国农村沼气池不同温度的产气量
原料
温度（℃）
产气量（m3/m3（池容）?
d）
稻草+猪粪+青草
29~31
0.55
稻草+猪粪+青草
24~26
0.21
稻草+猪粪+青草
16~20
0.10
稻草+猪粪+青草
12~15
0.07
稻草+猪粪+青草
8以下
微量
2.pH值
甲烷菌要求的pH值范围很窄，pH为7.0左右，故一般都是使发酵过程维持在6.8－7.5
之间。
在正常的发酵过程，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH值，但在突然增加进料，
或由于改变原料等会冲击负荷，使发酵系统酸化，发酵过程受到抑制。
为使发酵保持在最佳
pH范围，可加石灰调节，也可通过调整原料的碳氮比进行调节。
3.搅拌
高温发酵要求对物料搅拌，以保证发酵装置有较高的池容产气率（表9－10）和不致出
现局部酸积累。
搅拌方式有机械搅拌、充气搅拌和充液搅拌三种。
表9-10立式沼气池、卧式沼气池搅拌与不搅拌的比较试验
组别
平均日产气
卧式搅拌组比
池容产气率
气体成分（%）
（L）
其他各组提高
（m33?
d）
2
/m
CH4
CO
（%）
卧式搅拌
卧式不搅拌
立式搅拌
立式不搅拌
112
0
0.70
59.0
31.5
104.5
7.18
0.66
59.8
32.3
100.5
11.14
0.63
60.8
27.2
77
45.45
0.46
62.8
28.5
四、发酵装置——水压式沼气池
我国沼气发酵池类型较多，其中，水压式沼气池是在农村推广的主要池型，已有60
年以上历史和运行经验，特别受到发展中国家的欢迎，被誉为“中国式沼气池”。
（－）结构与工作原理
水压式沼气池的结构和工作原犁示于图9-12。
这是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池，池盖和池底是具有一定曲率半径的壳体，主要结构包括加料管、发酵间、出料管、水压间、导气管几个部分。
6
图9—12水压式沼气池工作原理示意图
（a）1-加料管；2-发酵向（贮气部分）；3-池内液面O－O；4-出料间液面
（b）1-加料臂；2-发酵间〈贮气部分〉；3-池内料液液面A－A；4-出料间液面B一B
（c）1-加料管；2-发酵间（贮气部分）；3-池内料液液面A－A；4-出料间液面B－B；5-导气管；6-沼气输气管；7-控制阀
图（a）是启动前状态。
此时，发酵间与水压间的液面处在同一水平，称为初始工作状
态，发酵间的液面为O－O水平，发酵间内尚存的空何（V0）为死气箱容积。
图（b）是启动后状态。
此时，发酵池内发酵产气，发酵间的气压随产气量增加而增
大，造成水压间液面高于发酵间液面。
当发酵间内贮气量达到最大量（V贮）时，发酵间的
液面下降到可下降的最低位置AA水平，水压间的液面上升到可上升的最高位BB水
平。
这时，称为极限工作状态。
极限工作状态时两液面的高差最大，称为极限沼气压强，其值可用下式表示：
HH1H2（9－18）
式中：
H1——发酵间液面最大下降值；
H2——水压间液面最大上升值；
H——沼气池最大液面差。
图（c）表示使用沼气时，发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间。
这样，不断产气和不断用气，发酵间和水压间液面总是在初始状态和极限状态间不断上升或下降。
（二）设计
1.设计参数
7
设计水压式沼气池时，需掌握的主要参数如下：
（1）气压：
7480Pa（即80cm水柱）为宜。
（2）池容产气率：
池容产气率系指每立方米发酵池容积
1昼夜的产气量，单位为m3
沼气／（m3池容2d）。
我国通常采用的池容产气率包括
0.15、0.2、0.25和0.3几种。
（3）贮气量：
贮气量系指气箱内的最大沼气贮存量。
农村家用水压式沼气池的最大贮气量以12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。
（4）池容：
池容系指发酵间的容积。
农村家用水压式沼气池的池容积有4、6、8、10m3
等几种。
（5）投料率：
投料率系指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在
85~95％之间为宜。
2.发酵间的设计
水压式沼气池发酵间的设计可按下列步骤进行：
（1）确定池容
用气水平家庭人口数
池容
预计池容产气率
（9－19）
（2）确定贮气量
贮气量
池容产气率
池容
1
〈9－20〉
2
（3）计算圆筒形发酵间容积：
团筒形发酵间由池盖、池身、池底组成（图9－13）。
三
个部分的容积计算公式如下：
V1
6
f1（3R
2
2
）
2
（r1
f1
f1
f1
3
）
（9-21）
V2
6
f2（3R2
f22）
f22（r2
f2）
（9-22）
3
V3
R2H
（9-23）
图9-13圆筒形沼气池池体几何尺寸
式中：
V1、V2、V3——分别为池盖容积、池底容积、积；池身容积；
f1，f2——分别为池盖矢高、池底矢高；
8
r1——池盖曲率半径，它与其他尺寸的关系式为：
r1
1（R2
f12）
9-24）
2f1
r2——池底曲率半径，它与其他尺寸的关系式为：
r2
1
（R2
f22）
（9-25）
2f
2
R——池体内径；
H——池身高度；
π——圆周率，取3.14。
综合园形沼气池的内力结构计算、材料用量计算和施工、管理、使用技术等各种因素，
f1
1
f2
1
和池身高H
D
一般认为，当池盖矢跨比
5
，池底矢跨比
8
（对于4、6、8、
D
D
2.5
3
10m容积的小型沼气池可取H1m）时，沼气池的尺寸比较合理。
这样，一旦发酵间某一尺寸被确定以后，即可算出其他部分的尺寸。
此外，还可以用合理尺寸比例，来确定已知容积的发酵间各部分尺寸。
（4）确定进出料管安装位置：
水压式沼气池进出料管的水平位置，一般都确定在发酵间直径的两端。
进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处。
该位置的计算方法
如下：
①计算死气箱拱的矢高：
即池盖拱顶点到发酵间的最高液面。
O—O位置的距离，如
图9－14所示。
其中，死气箱拱的矢高（f死）可按下式计算：
图9-14死气箱矢高
1-活动盖；2-导气管；3-蓄水圈；4-死气箱；5-固定拱盖
f死h1h2h3（9－26）
式中：
h1——池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离（计算过程略去），对65cm直径的活动
盖，该值在10~15cm之间；
9
h2——导气管下露出长度，取3~5cm；
h3——早气管下口到O－O液面距离，一般取20~30cm。
②计算死气箔容积（V死）
V死
2
f死
）
f死（r1
3
式中：
V死、f死、r1——分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。
③求投料率：
根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率，公式是：
V
V死
（9-28）
投料率
100%
V
式中：
V、V死——分别为沼气池容积和死气箱容积m3。
④计算最大贮气量（
V死）
V贮池容池容产气率
1
（9-29）
2
⑤计算气箱总容积（
V气）
V气V死V贮
（9－30）
式中：
V气、V死、V贮——分别为沼气池气箱总容积、死气箱容积和有效气箱容积（最大贮
气量）。
⑥计算池盖容积（V1）
V1f1（3R2f12）
6
式中：
V1、f1、R——分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径。
⑦计算发酵间最低液面位AA：
对一股沼气池来说，V气均大于V1，也就是说AA液面位置在圆筒形池身范围内。
此时，要确定进、出料管的安装位置，应按下式先算出气箱在圆筒形池身部分的容积（V筒）：
V筒V气V1，（9－32）
由于V筒R2h筒
10
V筒
因此，h筒
2
R
式中：
h筒——圆筒形池身内气箱部分的高度；
R——圆筒形池身半径。
AA液面位在池盖与池身交接平面以下h筒的位置上。
这个位置也就是进出料管的安
装位置。
3.水压间的设计
水压间的设计包括确定以下三个尺寸：
（1）水压间的底面标高：
此标高应确定在发酵间初始工作状态时的液面位O—O水平。
（2）水压间的高度（H）：
此高度应等于发酵闷最犬液位下降值（H1）与水压间液
面最大上升值（H2）之和，即H=H1+H2。
（3）水压间容积：
比容积等于池内最大贮气量。
五、城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理
（－）污水污泥厌氧消化处理：
本世纪20年代，一些工业发达国家，为提高污水沉淀和污泥厌氧发酵效率，研究出将
沉淀与发酵装置分建的工艺，发展起来污泥消化池。
它的结构、工作原理和容积设计计算等，在本课程的前置课“废水处理”中已经作了介绍，本书不拟再作论述。
（二）粪便厌氧发酵处理
1.粪便厌氧发淬处理卫生标准
粪便厌氧发酵的目的是实现无害化。
我国
1987年颁布的《粪便无害化卫生标准》中，
除包括本章第一节提到的《高温堆肥的卫生标准》外，还包括《粪便沼气发酵卫生标准》
。
该《标准》规定沼气发酵温度为
53°±2℃，持续2天，粪大肠菌值，常流发酵为
10-1，高
温发弹为10-l~10-2。
由于常温沼气发酵，难以达到无害化，故该《标准》中又窥定沼气渣必
须经无害化处理后，才允许用作农肥。
2.粪便厌氧发酵处理工艺
城镇粪便，根据人口聚居抉况，有两种厌氧发酵处理工艺：
化粪池处理和厌氧发酵池处
理。
（1）化粪池：
化粪池也叫腐化池，是上个世纪末发展起来的粪便发酵处理系统。
由于
粪便发酵产生难闻臭气，故只在农村分散弧立的建筑中使用。
由于它管理方便，不需要消耗能源，故近年来，又受到城镇的关注，用来处理粪便和污水。
①化粪池的工作原理：
图9－15是化粪池工作示意图。
它兼有污水沉淀和污泥发酵双重
作用。
粪水流入化粪池后，速度减慢。
在一个标准化粪池中，粪水停留时间为12－24小时，
比重大的悬浮固体下沉到池
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