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摘 要：为促进厌氧干发酵装置产业化发展，设计了一种10 m3的玻璃钢厌氧干发酵装置。介绍厌氧干发酵装置的结构设计和制作材料，确定了该装置的运行工作参数，通过在福建省农业科学院种猪场生产应用结果表明：该装置运行状况良好，原料产气率0.032 m3·kg-1·TS-1，平均每天产沼气3.1 m3，經济效益较高，沼肥年收益达2920元。该玻璃钢厌氧干发酵装置设计合理、使用寿命长、运输安装方便，经济效益较高，市场前景广阔。
关键词：猪粪；厌氧干发酵；装置；设计
DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.07.012
Abstract： In order to promote the industrialization of anaerobic dry fermentation equipment， a 10 m3 FRP anaerobic dry fermentation device was designed. This paper introduced the structural design and fabrication materials of the anaerobic dry fermentation device， and determined the operating parameters of the device. The results of the application in the pig breeding farm of Fujian Academy of Agricultural Sciences showed that the device was in good working condition and the gas production rate of raw materials was0.032m3·kg-1·TS-1， and the average daily biogas production was 3.1 m3 and with high economic benefits and annual income of 2，920 RMB Yuan. The FRP anaerobic dry fermentation device has been reasonable designed with long service life， convenient for transportation and installation， high economic benefit and broad market prospect.
Key words： Pig manure； anaerobic dry fermentation； device； design
规模化猪场治理粪污的方式、方法以及其资源化利用是限制猪场发展的重要因素[1-3]。一个万头猪场每年可产生猪粪3万t，其中的养分相当于N 100 t、P2O5 30 t和K2O 9 t，资源化利用对种植业施用有机肥及减少化肥的用量有很大的促进作用。堆肥技术种类繁多，按照有无发酵装置可分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统；按照堆肥技术操作过程的特点可分为干预过程和非干预过程[4]。在国外，堆肥技术正在向着机械化、自动化的方向发展，而且趋向于采取密闭的发酵仓方式以防止对环境的二次污染[5-6]。在国内，由于高度机械化、自动化的堆肥设备成本太高，同时堆肥技术水平较低
[7-9]，考虑到规模化养猪场的行业特点，需要的堆肥工艺技术必须成本低廉、操作方便以及容易维护。
厌氧干发酵装置一次性投资较少，运行费用低，并且循环利用沼气，有效杜绝了甲烷气体对大气臭氧层的破坏。同时，有助于解决集约化养猪场猪粪便带来的环境污染问题，促进农业生态平衡，杜绝病原微生物和寄生虫的传播，有利于养猪场的可持续发展，并且农业生产中施用有机肥有利于改善土壤结构，减少化肥施用量。干发酵装置对于粪便处理，特别针对中小型猪场的粪便资源化、无害化和肥料化有很好的应用前景。发展厌氧干发酵装置的关键是防止高浓度发酵酸化以及发酵完成后的固液分离。为了促进厌氧干发酵装置产业化发展，项目组根据福建省猪场特点及气候条件，对厌氧干发酵装置进行结构优化设计，研究开发了10 m3玻璃钢厌氧干发酵装置。该厌氧干发酵装置解决了传统堆肥发酵中占地面积大、有恶臭和甲烷气体向大气排放的问题，提高了堆肥发酵的工艺和技术水平。
1 厌氧干发酵装置设计
1.1 厌氧干发酵装置结构设计
根据产业化生产的厌氧干发酵装置结构的优化设计要求，除必须保证发酵基本条件要求外，还要考虑到装置制作的难易程度、成本的高低以及力学性能、运行管理等综合因素。厌氧干发酵装置设计要点：①厌氧干发酵装置采取上半部分球筒冠体和下半部分筒体镶嵌粘合，容积10 m3，上池高1.765 m，下池高0.3 m，筒直径2.48 m，设计压力600 mm水柱。②上半部分球筒冠体和下半部分筒体镶嵌粘合采用橡胶圈和铁件密闭，橡胶圈宽10 cm，安装于凹凸槽内，铁件通过工厂定制，密闭采用活动螺丝件旋紧。③厌氧干发酵装置底层设置固液过滤层和沼液储存层，过滤板采用玻璃钢木板结构，厚20 mm，孔隙采用倒梯形结构，上孔隙直径5 mm，下孔隙直径8 mm。沼液储存层高30 mm。④厌氧干发酵装置外部设置沼液回流池，沼液回流池采用正方体结构，长×宽×高为1 m×1 m×2 m。沼液通过污水泵和淋浴头喷灌回流。
1.2 厌氧干发酵装置制作材料与性能分析
厌氧干发酵装置由有机玻璃钢材料制作而成。有机玻璃钢是用玻璃纤维、树脂、固化剂、促进剂和添加剂等制作而成。有机玻璃钢材料导热系数小，密封性能好，保证了最佳产气条件。由于玻璃纤维的增强作用，其性能远远超过塑料。有机玻璃钢重量轻、强度高，虽然有机玻璃钢的比重只有碳钢的1/5～1/4，但其拉伸强度超过碳钢，可以和高级合金钢相比。有机玻璃钢耐腐蚀性能好，对一般浓度的酸、碱、盐、多种油类和溶剂都有较好的抵抗力，有机玻璃钢正在逐步取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属材料，应用到化工防腐的各个方面。 制作有机玻璃钢厌氧干发酵装置所选用的不饱和聚酯树脂为HR191通用型（表1），HR191通用型不饱和酯树脂是一种粘度适中的通用型树脂，具有较高的机械强度和延伸度，适宜制作手糊成型的各种有机玻璃钢制品（表2）。
以HR191树脂、玻璃纤维布、滑石粉等原料，厌氧干发酵装置预制件采用自制模具，应用喷枪与手糊相结合制作，一次建成使用，不用维修，具有强度好、耐腐蚀、抗老化、软化系数大、冲击韧性与防水性强等性能优点，使用寿命长。
2 厌氧干发酵装置工艺参数与运行
2.1 发酵工艺参数
厌氧干发酵装置设计工艺参数：①发酵原料为猪粪便；②投料量占总投料量的70%，为5.6 m3；③接种量占总投料量的30%，为2.4 m3；④发酵浓度TS为16%～18%；⑤发酵温度：常温发酵；⑥有机负荷率为4.0～4.5 kg COD·m-3·d-1；⑦原料产气率为0.05 m3·kg-1TS-1；⑧设计气压为6000 Pa（600 mm水柱）；⑨新池启动时间72 h；⑩发酵工艺为批量发酵工艺。
2.2 发酵接种物与原料
装置启动需要沼气池中下层沼液接种，约占总投料量的30%。接种物为正常发酵1年以上沼气池中的沼液。发酵启动采用猪粪原料，接种物沼液通过泵循环和淋浴装置和猪粪原料混合。
2.3 厌氧干发酵装置日常管理
为防止原料酸化，每天用污水泵和淋浴装置循环沼液1 h，循环完毕应关闭沼液循环池和厌氧干发酵装置之间的连接开关。沼气测量使用湿式气体流量计，每天早晨8：00点记录数据。厌氧干发酵装置运行15 d左右换料，换料时先打开沼液循环池和厌氧干发酵装置之间的连接开关，放干沼液储存层的沼液，1 d后打开装置上盖，将发酵完成的猪粪清理出来。
2.4 厌氧干发酵装置运行效果
厌氧干发酵装置于2009年11月1日至11月15日在福州市闽侯县荆溪镇福建省农业科学院种猪场基地运行。测定项目与方法：沼气总产量采用排水法测定，甲烷含量用ZS2型沼气成分分析仪测定，pH值用pH225型 pH计测定，总固体含量用灼烧法测定。
接种物为福建省农业科学院种猪场内沼气池中下层沼液2.4 m3；投料为种猪场新鲜猪粪5.6 m3、C/N为13；发酵温度15～25℃；发酵周期15 d；设计气压：6000 Pa（600 mm水柱）；发酵工艺：批量发酵工艺；起始发酵料液pH值6.86，总固体含量（TS）18.04%，可挥发性固体含量（VS）68.78%，粗灰分含量31.22%。
2.4.1 pH值变化 原料发酵前pH值6.86，发酵后前期下降较快，6 d后降到最低，为6.5。第9 d pH值接近中性并保持相对稳定。观测结果显示：pH值在15 d的干发酵周期处于正常的变化范围内。
2.4.2 总固体含量变化 发酵前料液总固体（TS）含量为18.04%，发酵后总固体含量降低，为15.94%。由于发酵过程中原料不断分解利用，有机物被微生物液化或变成气体，导致发酵原料浓度降低；另外接种物的总固体含量比发酵原料稍低，也有一定的稀释作用。虽然总固体含量降低，但物料含水量与湿发酵（10%以下）相比，仍然处于较低水平，对后期脱水处理有利。
2.4.3 沼气产量及甲烷含量变化 2009年11月1日至11月15日进行产气量测量，气温变化为19.5～26.3℃，共产沼气46.2 m3，则原料产气率为0.032 m3·kg-1·TS-1，容积产气率为0.31m3·m-3·d-1，平均每天产沼气3.1 m3。对厌氧干发酵装置所产的沼气每5 d进行1次甲烷含量测定，甲烷含量都在53%以上。
3 经济效益分析
3.1 成本分析
成本主要为制作、建设成本以及运行成本。其制作与建设成本10800元，其中混凝土构筑物3500元，有机玻璃钢组件5000元，橡胶垫圈800元，旋紧铁件1200元，水泵200元，水管、气管100元。年运行成本2652.3元，其中人工费用100元，电费 9元·d-1。
3.2 收益分析
收益主要包括沼气和沼肥收入，年收益4051.5元：①平均每天产沼气3.1 m3，沼气按1元·m3计算，则沼气年收益1131.5元；②1年可产沼肥73 t，售价40元·t-1计算，则沼肥年收益2920元。
3.3 财务评价
采用成本效益分析方法对厌氧干发酵装置进行财务分析，计算出财务净现值和财务内部收益率。具体的计算公式如下。
其中：NPV为厌氧干发酵装置的财务净现值，T为厌氧干发酵装置的使用年限，Bt为厌氧干发酵装置第t年的收入内容，Ct为厌氧干发酵装置第t年的成本内容，r为折现率；内部收益率指标（IRR）等于上述净现值方程式为零时的折现率。
以10 m3厌氧干发酵装置为例进行财务评价。根据该池型的结构特点及选用的材料，其寿命按20年计算，社会折现率为10%。从表3可以看出：净现值（NPV）1111.39元>0，内部收益率（IRR）13.6%>社会折现率。说明厌氧干发酵装置具有良好的经济效益和较大的市场潜力。
4 结论
玻璃钢厌氧干发酵装置采用水泵循环沼液，使接种物与猪粪充分混合，反应更为彻底；同时，该装置结构设计紧凑，受力和耐压合理，使用寿命长，符合厌氧消化的工艺要求。制作材料采用有机玻璃钢，其重量轻、强度高，拉伸强度超过碳钢，具有抗拉、抗压、抗弯曲、抗曝晒、耐腐蚀、密封性能好、不透水、不透气等优点，性能可靠。厌氧干发酵装置采用标准化设计，由标准构件设计组成，质量和性能稳定可靠，运输、安装方便，建设速度快。从性能、市场化等方面考虑，该厌氧干发酵装置适合工厂化生产，具有潜在市场前景。
参考文献：
[1]高云超，潘木水，田兴山，等.猪场粪污发酵微生物肥及其肥效试验[J].广东农业科学，2005（2）：52-54.
[2]高云超，邝哲师， 田兴山，等.猪场污水活性污泥-氧化塘处理效果及环境问题探讨[J].广东农业科学，2003（3）：46-49.
[3]高云超，陈俊秋，张孝祺.广东省微生物肥料的发展现状和质量控制对策[J].广东农业科学，2000（3）：29-31.
[4]余群，董红敏，张肇鲲.国内外堆肥技术研究进展[J].安徽农业大学学报，2003，30（1）：109-112.
[5]龚建英，代学民，高云霞，等.蔬菜废物的堆肥处理技术的现状及发展趋势[J].河北建筑工程学院学报，2014，32（1）：65-67.
[6]LIN CHITSAN.A negativepressure aeration system for composting food wastes[J].Bioresource Technology， 2008，99（16）：7651-7656.
[7]李亞红，曹林奎.育禽粪便好氧堆肥研究进展[J].农业科技通讯，2003（5）：23-24.
[8]杨柏松，熊文江，朱巧银.好氧堆肥技术研究[J].现代化农业，2016，44（7）：57-59.
[9]王浩，田晋跃，禹宙，等.城市固体废物堆肥技术的经济效益分析[J].农机化研究，2007（11）：201-204.
（责任编辑：刘新永）
关键词：猪粪；厌氧干发酵；装置；设计
DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.07.012
Abstract： In order to promote the industrialization of anaerobic dry fermentation equipment， a 10 m3 FRP anaerobic dry fermentation device was designed. This paper introduced the structural design and fabrication materials of the anaerobic dry fermentation device， and determined the operating parameters of the device. The results of the application in the pig breeding farm of Fujian Academy of Agricultural Sciences showed that the device was in good working condition and the gas production rate of raw materials was0.032m3·kg-1·TS-1， and the average daily biogas production was 3.1 m3 and with high economic benefits and annual income of 2，920 RMB Yuan. The FRP anaerobic dry fermentation device has been reasonable designed with long service life， convenient for transportation and installation， high economic benefit and broad market prospect.
Key words： Pig manure； anaerobic dry fermentation； device； design
规模化猪场治理粪污的方式、方法以及其资源化利用是限制猪场发展的重要因素[1-3]。一个万头猪场每年可产生猪粪3万t，其中的养分相当于N 100 t、P2O5 30 t和K2O 9 t，资源化利用对种植业施用有机肥及减少化肥的用量有很大的促进作用。堆肥技术种类繁多，按照有无发酵装置可分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统；按照堆肥技术操作过程的特点可分为干预过程和非干预过程[4]。在国外，堆肥技术正在向着机械化、自动化的方向发展，而且趋向于采取密闭的发酵仓方式以防止对环境的二次污染[5-6]。在国内，由于高度机械化、自动化的堆肥设备成本太高，同时堆肥技术水平较低
[7-9]，考虑到规模化养猪场的行业特点，需要的堆肥工艺技术必须成本低廉、操作方便以及容易维护。
厌氧干发酵装置一次性投资较少，运行费用低，并且循环利用沼气，有效杜绝了甲烷气体对大气臭氧层的破坏。同时，有助于解决集约化养猪场猪粪便带来的环境污染问题，促进农业生态平衡，杜绝病原微生物和寄生虫的传播，有利于养猪场的可持续发展，并且农业生产中施用有机肥有利于改善土壤结构，减少化肥施用量。干发酵装置对于粪便处理，特别针对中小型猪场的粪便资源化、无害化和肥料化有很好的应用前景。发展厌氧干发酵装置的关键是防止高浓度发酵酸化以及发酵完成后的固液分离。为了促进厌氧干发酵装置产业化发展，项目组根据福建省猪场特点及气候条件，对厌氧干发酵装置进行结构优化设计，研究开发了10 m3玻璃钢厌氧干发酵装置。该厌氧干发酵装置解决了传统堆肥发酵中占地面积大、有恶臭和甲烷气体向大气排放的问题，提高了堆肥发酵的工艺和技术水平。
1 厌氧干发酵装置设计
1.1 厌氧干发酵装置结构设计
根据产业化生产的厌氧干发酵装置结构的优化设计要求，除必须保证发酵基本条件要求外，还要考虑到装置制作的难易程度、成本的高低以及力学性能、运行管理等综合因素。厌氧干发酵装置设计要点：①厌氧干发酵装置采取上半部分球筒冠体和下半部分筒体镶嵌粘合，容积10 m3，上池高1.765 m，下池高0.3 m，筒直径2.48 m，设计压力600 mm水柱。②上半部分球筒冠体和下半部分筒体镶嵌粘合采用橡胶圈和铁件密闭，橡胶圈宽10 cm，安装于凹凸槽内，铁件通过工厂定制，密闭采用活动螺丝件旋紧。③厌氧干发酵装置底层设置固液过滤层和沼液储存层，过滤板采用玻璃钢木板结构，厚20 mm，孔隙采用倒梯形结构，上孔隙直径5 mm，下孔隙直径8 mm。沼液储存层高30 mm。④厌氧干发酵装置外部设置沼液回流池，沼液回流池采用正方体结构，长×宽×高为1 m×1 m×2 m。沼液通过污水泵和淋浴头喷灌回流。
1.2 厌氧干发酵装置制作材料与性能分析
厌氧干发酵装置由有机玻璃钢材料制作而成。有机玻璃钢是用玻璃纤维、树脂、固化剂、促进剂和添加剂等制作而成。有机玻璃钢材料导热系数小，密封性能好，保证了最佳产气条件。由于玻璃纤维的增强作用，其性能远远超过塑料。有机玻璃钢重量轻、强度高，虽然有机玻璃钢的比重只有碳钢的1/5～1/4，但其拉伸强度超过碳钢，可以和高级合金钢相比。有机玻璃钢耐腐蚀性能好，对一般浓度的酸、碱、盐、多种油类和溶剂都有较好的抵抗力，有机玻璃钢正在逐步取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属材料，应用到化工防腐的各个方面。 制作有机玻璃钢厌氧干发酵装置所选用的不饱和聚酯树脂为HR191通用型（表1），HR191通用型不饱和酯树脂是一种粘度适中的通用型树脂，具有较高的机械强度和延伸度，适宜制作手糊成型的各种有机玻璃钢制品（表2）。
以HR191树脂、玻璃纤维布、滑石粉等原料，厌氧干发酵装置预制件采用自制模具，应用喷枪与手糊相结合制作，一次建成使用，不用维修，具有强度好、耐腐蚀、抗老化、软化系数大、冲击韧性与防水性强等性能优点，使用寿命长。
2 厌氧干发酵装置工艺参数与运行
2.1 发酵工艺参数
厌氧干发酵装置设计工艺参数：①发酵原料为猪粪便；②投料量占总投料量的70%，为5.6 m3；③接种量占总投料量的30%，为2.4 m3；④发酵浓度TS为16%～18%；⑤发酵温度：常温发酵；⑥有机负荷率为4.0～4.5 kg COD·m-3·d-1；⑦原料产气率为0.05 m3·kg-1TS-1；⑧设计气压为6000 Pa（600 mm水柱）；⑨新池启动时间72 h；⑩发酵工艺为批量发酵工艺。
2.2 发酵接种物与原料
装置启动需要沼气池中下层沼液接种，约占总投料量的30%。接种物为正常发酵1年以上沼气池中的沼液。发酵启动采用猪粪原料，接种物沼液通过泵循环和淋浴装置和猪粪原料混合。
2.3 厌氧干发酵装置日常管理
为防止原料酸化，每天用污水泵和淋浴装置循环沼液1 h，循环完毕应关闭沼液循环池和厌氧干发酵装置之间的连接开关。沼气测量使用湿式气体流量计，每天早晨8：00点记录数据。厌氧干发酵装置运行15 d左右换料，换料时先打开沼液循环池和厌氧干发酵装置之间的连接开关，放干沼液储存层的沼液，1 d后打开装置上盖，将发酵完成的猪粪清理出来。
2.4 厌氧干发酵装置运行效果
厌氧干发酵装置于2009年11月1日至11月15日在福州市闽侯县荆溪镇福建省农业科学院种猪场基地运行。测定项目与方法：沼气总产量采用排水法测定，甲烷含量用ZS2型沼气成分分析仪测定，pH值用pH225型 pH计测定，总固体含量用灼烧法测定。
接种物为福建省农业科学院种猪场内沼气池中下层沼液2.4 m3；投料为种猪场新鲜猪粪5.6 m3、C/N为13；发酵温度15～25℃；发酵周期15 d；设计气压：6000 Pa（600 mm水柱）；发酵工艺：批量发酵工艺；起始发酵料液pH值6.86，总固体含量（TS）18.04%，可挥发性固体含量（VS）68.78%，粗灰分含量31.22%。
2.4.1 pH值变化 原料发酵前pH值6.86，发酵后前期下降较快，6 d后降到最低，为6.5。第9 d pH值接近中性并保持相对稳定。观测结果显示：pH值在15 d的干发酵周期处于正常的变化范围内。
2.4.2 总固体含量变化 发酵前料液总固体（TS）含量为18.04%，发酵后总固体含量降低，为15.94%。由于发酵过程中原料不断分解利用，有机物被微生物液化或变成气体，导致发酵原料浓度降低；另外接种物的总固体含量比发酵原料稍低，也有一定的稀释作用。虽然总固体含量降低，但物料含水量与湿发酵（10%以下）相比，仍然处于较低水平，对后期脱水处理有利。
2.4.3 沼气产量及甲烷含量变化 2009年11月1日至11月15日进行产气量测量，气温变化为19.5～26.3℃，共产沼气46.2 m3，则原料产气率为0.032 m3·kg-1·TS-1，容积产气率为0.31m3·m-3·d-1，平均每天产沼气3.1 m3。对厌氧干发酵装置所产的沼气每5 d进行1次甲烷含量测定，甲烷含量都在53%以上。
3 经济效益分析
3.1 成本分析
成本主要为制作、建设成本以及运行成本。其制作与建设成本10800元，其中混凝土构筑物3500元，有机玻璃钢组件5000元，橡胶垫圈800元，旋紧铁件1200元，水泵200元，水管、气管100元。年运行成本2652.3元，其中人工费用100元，电费 9元·d-1。
3.2 收益分析
收益主要包括沼气和沼肥收入，年收益4051.5元：①平均每天产沼气3.1 m3，沼气按1元·m3计算，则沼气年收益1131.5元；②1年可产沼肥73 t，售价40元·t-1计算，则沼肥年收益2920元。
3.3 财务评价
采用成本效益分析方法对厌氧干发酵装置进行财务分析，计算出财务净现值和财务内部收益率。具体的计算公式如下。
其中：NPV为厌氧干发酵装置的财务净现值，T为厌氧干发酵装置的使用年限，Bt为厌氧干发酵装置第t年的收入内容，Ct为厌氧干发酵装置第t年的成本内容，r为折现率；内部收益率指标（IRR）等于上述净现值方程式为零时的折现率。
以10 m3厌氧干发酵装置为例进行财务评价。根据该池型的结构特点及选用的材料，其寿命按20年计算，社会折现率为10%。从表3可以看出：净现值（NPV）1111.39元>0，内部收益率（IRR）13.6%>社会折现率。说明厌氧干发酵装置具有良好的经济效益和较大的市场潜力。
4 结论
玻璃钢厌氧干发酵装置采用水泵循环沼液，使接种物与猪粪充分混合，反应更为彻底；同时，该装置结构设计紧凑，受力和耐压合理，使用寿命长，符合厌氧消化的工艺要求。制作材料采用有机玻璃钢，其重量轻、强度高，拉伸强度超过碳钢，具有抗拉、抗压、抗弯曲、抗曝晒、耐腐蚀、密封性能好、不透水、不透气等优点，性能可靠。厌氧干发酵装置采用标准化设计，由标准构件设计组成，质量和性能稳定可靠，运输、安装方便，建设速度快。从性能、市场化等方面考虑，该厌氧干发酵装置适合工厂化生产，具有潜在市场前景。
参考文献：
[1]高云超，潘木水，田兴山，等.猪场粪污发酵微生物肥及其肥效试验[J].广东农业科学，2005（2）：52-54.
[2]高云超，邝哲师， 田兴山，等.猪场污水活性污泥-氧化塘处理效果及环境问题探讨[J].广东农业科学，2003（3）：46-49.
[3]高云超，陈俊秋，张孝祺.广东省微生物肥料的发展现状和质量控制对策[J].广东农业科学，2000（3）：29-31.
[4]余群，董红敏，张肇鲲.国内外堆肥技术研究进展[J].安徽农业大学学报，2003，30（1）：109-112.
[5]龚建英，代学民，高云霞，等.蔬菜废物的堆肥处理技术的现状及发展趋势[J].河北建筑工程学院学报，2014，32（1）：65-67.
[6]LIN CHITSAN.A negativepressure aeration system for composting food wastes[J].Bioresource Technology， 2008，99（16）：7651-7656.
[7]李亞红，曹林奎.育禽粪便好氧堆肥研究进展[J].农业科技通讯，2003（5）：23-24.
[8]杨柏松，熊文江，朱巧银.好氧堆肥技术研究[J].现代化农业，2016，44（7）：57-59.
[9]王浩，田晋跃，禹宙，等.城市固体废物堆肥技术的经济效益分析[J].农机化研究，2007（11）：201-204.
（责任编辑：刘新永）