动力价格低，大量使用干清粪，冲洗水量少。 规模一般不能太大，以干清粪为主，水冲为辅，冲洗水量中等。 当地劳动力价格昂贵，主要使用水冲清粪，冲洗水量大。 投资 能耗 运行费用 土地需求 运行管理 资源化程度 省 低 低 很多 简单 好 一般 低 低 多 简单 一般 高 高 高 少 复杂 差 由于厌氧—好氧处理模式投资大，运行费用高，也不符合发展循环经济的方针政策，因此，不作为选择方案。
项目所在地内蒙古自治区属于高寒地区，厌氧—自然处理模式在冬天受到很大限制，并且也不符合发展循环经济的方针政策，因此也不作为主选方案。
由于澳亚示范牧场自身拥有7000亩草场，周围还有很多土地，完全能消纳粪污厌氧消化后的沼液即液态有机肥。因此，选择厌氧—还田模式作为本项目的主要工艺方案，另外，对于部分低浓度厌氧消化液，在夏天采用稳定塘(沉淀净化池)对其进行进一步净化与消毒处理，出水回用冲洗牛舍。 6.3选择方案工艺流程
选择方案(厌氧--还田模式)工艺流程框图见图6.3-1，干物质(TS)平衡图见图6.3-2，水量平衡图见图6.3-3、图6.3-4。工艺流程图见附图4 。
运动场 牛舍 挤奶厅 春 夏 秋 自来水 回用冲洗牛舍 粪 尿 粪 挤奶厅冲洗水 多余上清液(冬季) 脱硫 脱水 计量 贮气 余热 沼气 热交换 中温厌氧消化罐 6.3-1 工艺流程框图 有机肥生产车间 沉淀净化池 稀释沼液 集水池 沼气发电混合调配池 沼液暂存池 泥水分离 沼渣 沼液 沼液储存池 运动场 牛粪39.74t/d 牛尿 牛舍 固态有机肥 沼气12.30t/d (10071m/d) 3液态有机肥灌溉牧场 0.54t/d 40.28t/d 混合调配池 牛粪 7.01t/d 26.18t/d 26.18t/d 中温厌氧消化罐 沼液暂存池 污泥，浮渣1.80t/d 泥水分离 沼液 18.33t/d 10 沼渣7.86t/d 沼液储存池 有机肥原料16.67 t/d
图6.3-2物料(TS)平衡图
运动场 牛舍 挤奶厅 自来水360t/d 回用冲洗牛舍 蒸发39.60t/d 沉淀净化池 稀释沼液 108.9t/d 挤奶厅冲洗水360t/d 多余上清液(148.5t/d) 沼气12.30t/d (10071m3/d) 牛粪 238.0t/d 牛尿 54.00t/d 集水池 211.5t/d 503.5t/d 混合调配池 468.7t/d 468.7t/d 中温厌氧消化罐 沼液暂存池 泥水分离 沼液 429.4t/d 牛粪 42.00 t/d 污泥，浮渣22.53t/d 沼渣39.28t/d 沼液储存池 蒸发 31.68t/d 有机肥原料103.8 t/d 有机肥生产车间 图6.3-2 水量平衡图(冬季)
液态有机肥(397.8t/d) 蒸发29.94t/d 运动场 牛舍 挤奶厅 挤奶厅冲洗水360t/d 自来水360t/d 牛粪 238.0t/d 牛尿 54.00t/d 集水池 330.1t/d 3 沼气12.30t/d (10071m/d) 587.2587.2t/d t/d 中温厌氧消化罐 沼液暂存池 泥水分离 622.0t/d 混合调配池 牛粪 42.00 t/d 沼液 547.9t/d 污泥，浮渣22.53t/d 沼渣39.28t/d 沼液储存池 图6.3-3 水量平衡图(春、夏、秋季) 蒸发 31.68t/d 有机肥原料103.8 t/d 有机肥生产车间
液态有机肥(516.3t/d) 11
6.4 工艺流程说明 6.4.1 清洁生产
牧场设计的清粪工艺是水冲清粪，以前春、夏、秋每次冲洗水量约为1260t/d，每天循环冲洗3-4次。如果将这些冲洗水与粪尿混合后进行厌氧消化生产沼气，由于料液量大，仅仅依靠发电余热加温不足以保证中温发酵，特别是不能保证冬季正常运行。如果粪尿与一部分冲洗水进行中温消化，另一部分冲洗水采用常温发酵进行处理，必须建立两套处理利用系统，投资将会大大增加。
为了保证粪污处理系统正常运行和减少投资，牧场必须实行节水型的清洁生产工艺，即：
挤奶厅每天使用约360t的挤奶机冷却水冲洗地面。挤奶厅的冲洗水收集沉淀后，将上层清水输送到各泌乳牛舍贮水罐用于冲洗泌乳牛舍及其他牛舍。
牛舍水冲系统(泌乳牛舍及其他牛舍)：春夏秋三季，采用干清粪加水冲工艺，早上干清粪后，用冲洗水冲洗牛舍1次；晚上干清粪后，再用冲洗水冲洗牛舍1次；其他时间，只干清粪不用水冲。冬季采用干清粪工艺。
冲洗后的水经收集、简单处理（沉淀等措施）后循环使用；COD及BOD等物质浓度高的污水进入厌氧消化系统生产沼气。 6.4.2 粪尿收集
牧场的粪尿来源可分为两部分：鲜牛粪一部分在牛舍，大约占总粪量的85%，另一部分在运动场，约占粪量的15%；牛尿一部分在牛舍，大约占总尿量的40%左右；另一部分在运动场，约占尿量的60%左右，但无法收集，一般被蒸发掉。运动场的牛粪不是每天清除，而是几个月或半年清理一次，大部分易降解有机物已经被分解，并且含有大量泥沙，若进入厌氧消化装置不仅对沼气的产量贡献很少，而且对前处理、料液输送以及厌氧消化装置都有很大影响。因此，运动场的牛粪清理出来以后直接运往有机肥生产车间与沼渣一起进行有机肥。在牛舍的粪尿主要通过机械干清粪运往混合调配池。春、夏、秋季残余的粪尿通过水冲洗清除。(见图6.3-1)。 6.4.3 冲洗水沉淀、循环与收集
在春夏秋季，挤奶厅冲洗水进入集水池后，泵往牛舍水塔，用于冲洗泌乳牛舍等牛舍，牛舍冲洗水排入集水池，经沉淀后，上清液再抽往牛舍水塔，循环冲洗牛舍。集水池底部浓污水泵入混合调配单元。
在冬季，挤奶厅冲洗水进入集水池后，一部分混合调配单元用于稀释牛粪，另一部分进入沉淀净化池净化处理后回用冲洗牛舍，或者用于稀释沼液。 6.4.4 厌氧消化系统
针对牧场污水有机物浓度高，残渣固体多容易结壳的特点，厌氧消化工艺采用完全混合式厌氧消化工艺(CSTR) 。内设搅拌器以提高传质效率和破除浮渣。本工程利用发电余热对料液进行加温实现中温厌氧消化，并保证冬季正常产气。 6.4.5 沼液处理与利用
中温厌氧消化罐的消化液进入沼液暂存池后，泵入泥水分离机进行泥水分离，分离出的沼渣运往有机肥生产车间与运动场清除的牛粪一起进行有机肥发酵。沼液进入沼液储存池储存，以备灌溉草场施用。 6.4.6沼气净化与贮存系统
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(约1500~2000mg/m3)和其它及少量的气体。H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。过量的H2S和杂质会危及发动机的寿命，所以新生成的沼气不宜直接用作发动机燃料。电站的沼气系统除常规的贮气和稳压装置外，
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还需进行气水分离、脱硫等净化处理。牛粪原料产生的沼气中的硫化氢含量约2000mg/m3,经过生物脱硫塔和氧化铁脱硫塔两级脱硫后沼气中的硫化氢含量约400mg/m3。
在稳定工况下，中温厌氧消化罐每天产生约10000m3沼气，厌氧消化装置产生的沼气经过气水分离器、
两级脱硫塔净化处理后，进入1000 m3干式贮气柜，贮气柜的沼气经沼气输送泵输送到发电机房供发电。 6.4.7沼气发电
沼气用于发电是生物质能转换为更高品位能源的一种表现方式，其资金回报率较高，属于国家积极提倡和扶持的项目。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量一般为50%～65%，二氧化碳含量一般为45%～30%。此外，还有少量的氮气、硫化氢、一氧化碳等其它气体，沼气作为发电燃料是可行的。但由于沼气的热值较低（17.93～25.11MJ/Nm3（沼气）），燃烧速度很慢，着火温度要求高，再加上沼气中大量的CO2又有阻燃作用，因此通用的内燃气体发电机组是不适用的，必须使用沼气专用发电机组。
本工程发电系统是按照日产沼气10000m3，每m3沼气发电1.7kWh（沼气气质：饱和水蒸气的体积比≤1%，H2S含量≤400mg/ m3，热值≥21.0MJ/Nm3）设计，预计日发电量17000kWh，发电余热用于中温厌氧消化加热升温。 6.4.8 发电余热利用
为维持料液中温厌氧消化所需的温度，需要对料液进行加热，加热料液的热量需要由外部热源提供，本项目利用粪尿污水厌氧消化产生的沼气进行发电，沼气发电系统运行中产生的大量余热，作为加热料液的热源，这将节约大量的热能。因此利用发电余热进行料液和厌氧消化罐升温是本项目的关键之一。
沼气10000 m3 /d (100%) 2431kW 发电 (30%) 729 kW 余热利用 (35%) 851 kW 其它热损失 (35%) 851 kW 输出电能 729 kW 图6.4.8-1 冬季能量平衡图
加热热量 701 kW 散热 149 kW 沼气10000 m3 /d (100%) 2431 kW
发电 (30%) 729 kW 余热利用 (35%) 851 kW 13 其它热损失 (35%) 851 kW 输出电能 加热热量 散热
图6.4.8-2 春、夏、秋季能量平衡图
沼气的热值按21MJ/m3计算，如果采用国产沼气发电机组，其中30%（6.3 MJ/m3）转化为电能；34%转化为废气（7.14 MJ/m3）, 17%转换到循环冷却水（3.57 MJ/m3）：高温水（75℃）13%，低温水（40℃）4%；19%的热以发动机的热辐射和润滑油冷却消耗。
34%废气利用率达到80%，即总热量的27%；17%冷却水利用率达到50%，即总热量的8.5%，二者合计35.5%，按35%进行设计。
本工程冬季能量平衡图见图6.4.8-1，春、夏、秋季能量平衡图见图6.4.8-2，发电机组总能量回收效率为65%（表6.4.8-1）。
从表6.4.8-2 6.4.8-3可知，冬季能将503.5t/d料液增温28.7℃，如果冬季废水温度达到4℃，则可保证32℃的近中温厌氧消化。春夏秋季能将622t/d料液增温25.7℃，如果春夏秋废水温度达到9℃-10℃，则可保证35℃的中温厌氧消化。
表6.4.8-1 沼气能量利用表
利用率% 能量MJ 沼气 100 21 电能 30 6.3 发电余热利用 35 7.35 其它 35 7.35 表6.4.8-2 冬季热量平衡表 (503.5t/d料液增温28.7℃) 得热 废气余热 循环水余热 656250(W) 194444(W) 850694 (W) 加热原料所需热量 701385 (W) 热 耗 厌氧消化罐散热量 149309 (W) 热损失合计850694 (W) 热平衡=得热—热耗=0 表6.4.8-3 春夏秋季热量平衡表(622t/d料液增温25.7℃) 得热 废气余热 循环水余热 656250(W) 194444(W) 850694 (W) 加热原料所需热量 776040 (W) 热 耗 厌氧消化罐散热量 74654 (W) 热损失合计850694 (W) 热平衡=得热—热耗=0 热交换流程见图6.4.8-3集料池中料液经加压分别通过中温水换热器、高温水换热器和烟气换热器。发电机的中温水、高温水和烟气在热交换器中将热量传送给料液，中温水和高温水经冷却后循环使用，烟气换热冷却后排放。
烟气 发电机 烟气 中温水 高温水
14 中温水换热器 高温水换热器 烟气换热器
牧场大型沼气发电综合利用建设项目可行性研究报告
