1. 研究目的与意义
畜禽养殖的污染现状：畜禽养殖粪便污水排放量和主要污染物排放问题急剧增加，成为我国一些以养殖为主要农业活动区域环境污染的重要污染源。在2010年2月公布的第1次全国污染源普查公报中，农业源普查对象为2899638个，其中畜禽养殖业1963624个，所占比重高达67.7%。畜禽养殖业主要水污染物排放量：化学需氧量1268.26万t，总氮102.48万t，总磷16.04万t，铜2397.23t，锌4756.94t。畜禽养殖业粪便产生量2.43亿t，尿液产生量1.63亿t。然而随着畜禽粪便排放量的大增，畜禽粪便作为农业肥料的比例不断大幅下降，而且大部分的粪便没有经过无害化处理。据调查全国90%的规模化养殖场缺乏必要的污染治理设施，养殖小区和养殖专业户对畜禽粪便的处理重视程度就更低，随时随地排放、堆弃，畜禽粪便对环境的污染逐年加大。畜禽养殖业已成为农业污染源之首，也是部分水体水质恶化的重要污染源，严重影响村镇人居环境和人体健康。畜禽养殖业发展所造成的环境污染问题已经引起各级政府的高度重视，开展规模化畜禽养殖污染减排已纳入国家十二五重点规划。畜禽粪便对环境的污染主要表现在对大气、水体和土壤的污染。3.1对大气的污染畜禽粪便堆放期间在微生物的作用下，其中有机物质被分解而产生一些诸如甲烷、硫化氢、氨气、甲硫醇等恶臭气体。每年出栏10.8万头的猪场，每小时向大气排放15.9kg氨、14.5kg硫化氢、15亿个菌体、25.9kg粉尘，污染半径可达4.5～5.0km［4］。规模化养猪生产中产生的恶臭有230多种，主要是以氨气为主。排放的氨气一部分挥发到大气中形成酸雨，余下大部分被氧化成有害的硝酸盐渗入地下水，严重污染了空气、土壤和水源。以爱荷华州东北部距某规模化猪场半英里一所学校作为试验组，对照组为10英里范围内没有规模化畜禽场的一所学校。结果试验组患病率达19.7%，对照组患病率7.3%，而爱荷华州学生群体哮喘患病率约6.7%。3.2对水体的污染养殖场的畜禽粪便对水体的污染表现在对地表水和地下水的污染。畜禽养殖场排出的污水含有大量的有机物，其中化学需氧量浓度可高达12～15gl－1，如不经处理直接排放，可使地表水化学需氧量含量远远超标，水体中氮磷等有机物的增加最终导致水体富营养化，危害水生生物生存，破坏水生态环境。根据王宣等对河南省3个具有一定代表性的规模化养殖场的研究，3个畜禽养殖场周围的地下水中氨氮、高锰酸盐指数、总大肠菌群、细菌总数4个监测因子均有超标现象，其中总大肠菌群和细菌总数超标现象十分严重，水位为9～130m深的地下水井均有超标现象，总大肠菌群超标率75%～100%，最大超标倍数为532倍，细菌总数超标率为25%～100%，最大超标倍数229倍［5］。3.3对土壤的污染养殖场粪污不经无害化处理直接进（施）入土壤，粪污中的有机物被土壤中的微生物分解，一部分被植物利用，一部分被微生物降解为二氧化碳和水，使土壤得到净化或改良。如粪污进（施）入量超过了土壤的承受力（土壤自净能力），便会对土壤产生污染。据有关研究，尽管不同畜禽品种和不同区域会有所变化，但是一般每公顷土地能够负荷的畜禽粪尿为30～45t，如果高出这一水平，就会带来土壤的富营养化，对环境产生影响。在种养配套地区，我国畜禽粪便的总体土地负荷警戒值普遍超过环境胁迫水平（正常＜0.4），很多养殖场周边的土地已经无法消纳畜禽养殖产生的沼液、沼渣和粪肥。另有研究发现，长期施用中、高量猪厩肥会明显提高稻田土壤中锌、铜和镉的生物有效性，其有效态含量分别比对照组增加87.3%、65.8%和41.4%，砷的总量提高明显［6］，最后通过植物链富集进入人体，危害人体健康。
畜禽粪便的危害:畜禽粪便除含有尿素、尿酸、氨、嘌呤、嘧啶碱、含硫化合物等化学成分外，还有大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌、沙门氏菌、魏氏梭菌、病毒等微生物，以及寄生虫、寄生虫卵等有害物。若粪便处理不当，就会成为重要的污染源，污染水质、土壤和空气，对人、畜健康造成威胁。
畜禽粪便沼气处理工程技术：为了减少畜禽粪便对环境产生的污染，必须经过一定的处理才能排放。畜禽粪便处理的方法主要分为2大类，一是直接利用，主要是作为肥料和饲料；二是考虑其资源特性使其能源化，主要是利用沼气工程来解决畜禽粪便带来的环境污染问题。沼气法的原理是利用厌氧细菌的分解作用，将有机物（碳水化合物、蛋白质和脂肪）经过厌氧消化作用转化为沼气和二氧化碳。沼气法具有生物多功能性，既能够营造良性的生态环境、治理环境污染，又能够开发新能源，为农户提供优质无害的肥料，从而取得综合利用效益。沼气工程因其在处理畜禽养殖污染中的优势，已经纳入国家的十二五规划。
2. 国内外研究现状分析
为了减少畜禽粪便对环境产生的污染，必须经过一定的处理才能排放。畜禽粪便处理的方法主要分为2大类，一是直接利用，主要是作为肥料和饲料；二是考虑其资源特性使其能源化，主要是利用沼气工程来解决畜禽粪便带来的环境污染问题。沼气法的原理是利用厌氧细菌的分解作用，将有机物（碳水化合物、蛋白质和脂肪）经过厌氧消化作用转化为沼气和二氧化碳。沼气法具有生物多功能性，既能够营造良性的生态环境、治理环境污染，又能够开发新能源，为农户提供优质无害的肥料，从而取得综合利用效益。沼气工程因其在处理畜禽养殖污染中的优势，已经纳入国家的十二五规划。
沼气工程是以农业废弃物和有机垃圾的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产、资源化利用为一体的系统工程。根据沼气工程中厌氧发酵干物质的含量不同，沼气工程发酵技术可以分为干法发酵和湿法发酵。湿法技术的底物干物质含量一般小于8%，是液态有机物的处理方法。在对畜禽粪便预处理时将固液进行调浆使其完全混合，然后进入发酵装置；干法技术的底物干物质含量一般在20%以上，是固态有机物的处理方法。用该法处理畜禽粪便时需要将固液分离，分离出来的干物质进入发酵装置，液体进行好氧处理。干法发酵因其水分停留时间较短，所需的发酵装置体积只有湿法发酵的一半，其成本投资也只有后者的一半，但是后者的产气量却是前者的4倍，通过沼气发电带来的效益远远超过干法发酵。沼气工程技术包括户用和大中型沼气工程2类。户用沼气主要集中在亚洲，以中国水压式沼气池和印度浮罩式（哥巴士）沼气池为典型代表。发酵的主要原料为人畜粪便、污水等。中国户用沼气工程技术从20世纪90年代以来，在农业生产方面的应用呈现快速发展的局面，结合各地具体条件，建立了三结合、四位一体、和五配套等多种以沼气技术为纽带的生态农业应用模式。其核心是将种植、养殖、沼气发酵等有机结合，实现物质良性循环和能量梯级利用。大中型沼气工程主要用于处理农业废物、工业废水、城市有机垃圾、污泥等生物质废弃物并回收能源。我国沼气工程的发酵原料主要是畜禽粪便，猪粪最多，牛粪次之，鸡粪最少。目前还没有能源植物或能源植物与其他有机物混合发酵的沼气工程。欧洲农场沼气工程则采用完全混合式厌氧反应器、推流式反应器或其组合工艺。以德国为代表的欧洲沼气工程技术以高浓度有机废弃物联合消化工艺为主，绝大多数配备热电联产系统，即使在冬季环境气温低至－20℃，沼气工程仍然良好运行，中温装置产气率1.5～1.8m3m－3d－1，高温装置产气率2.0～3.0m3m－3d－1，经济效益显著。在欧洲，大约有94%的农业废弃物沼气工程采用混合原料发酵，混合原料以禽畜粪便为主，比例约50%～80%；能源植物（以玉米、青草为主）及其收割残余物、有机副产品、农产品食品加工废弃物等作为最常用的发酵补充原料，从原料产气率角度分析，玉米、甜菜等的干物质产气率可达600～1000m3t－1，远远高于动物粪便的产气率。这对于提高我国沼气工程产气率研究方面有一定的借鉴作用。随着近年来我国标准化规模畜禽养殖的迅速发展，对大中型沼气工程研究也越来越多，工程工艺技术已日趋成熟，配套设备已达到或接近国际先进水平。在沼气工程的配套技术方面，可根据猪粪、鸡粪、牛粪等原料的特性的不同，对预处理系统、厌氧发酵系统、沼气输配系统、制肥系统、消化液后处理系统进行差异化的设计；在发酵工艺方面，生物厌氧发酵机理研究、不同粪便高效能发酵工艺的制定、沼气工程产气率、化学需氧量去除率已居国际领先水平；在配套设备方面，我国已研制出纯燃沼气发电机组，制罐、自动控制、脱硫脱水、固液分离等装置已形成标准化成熟产品。除此之外，我国根据经济实力和具体国情，还开发出了2套以完全混合厌氧消化器和卧式推流厌氧消化器为主的能源生态型和以高效厌氧消化器和好氧处理相结合为主的能源环保型的典型处理工艺。
3. 研究的基本内容与计划
处理和沼渣的合理利用。（2)沼液达到畜禽养殖废水的国家相关标准。（3)根据粪便污水的水质水量情况，查阅相关的文献资料，进行文献综述。（4)选择合适的工艺流程，并对工艺单元进行详细的设计计算。（5）对所设计的工艺进行投资和运行费用计算和分析。（6)画出工艺的平面图，高程图，管道布置图，工艺单元结构详图。设计的目的和意义：畜禽养殖造成大量粪便污水的无序排放，造成了环境的污染和水体富营养化，因此需要进行有效的处理。通过本课题的设计，可为粪便污水的设计提供有效的参考。
4. 研究创新点
厌氧消化器工艺的选择是决定畜禽粪便沼气工程能否长期、高效、稳定运行的关键。根据以上分析，可以看出4种工艺有着自身的原料适应性，适合于不同的工程类型。
对于高悬浮固体（ss）浓度、高固体发酵原料，选择cstr、usr和pfr，此3种工艺适用于能源生态型沼气工程。在悬浮物含量较高的情况下，经济效益和技术最合适的为cstr与usr，而cstr尤其适合于热电肥联产(chp)零排放模式。另外，在沼气工程工艺选择时要考虑到与各工艺参数之间的配合，在一定的hrt条件下，设法延长srt和mrt，并使微生物与原料充分混合是厌氧消化器发展的主要方向。
对于能源环保型沼气工程中处理低ss浓度的溶解性废水应选择uasb，而此模式不适合养殖场沼气工程。
