高原贫困地区规模化生猪养殖场沼气工程的规划设计——以云南省保山市隆阳区瓦渡乡荒田村为例

高原贫困地区规模化生猪养殖场沼气工程的规划设计
——以云南省保山市隆阳区瓦渡乡荒田村为例

张雅峰1，张无敌1，庄朝义2，林卫东1*，尹 芳1，张 蕾2

(1.云南师范大学能源与环境科学学院，云南昆明 650500；2.云南省保山市隆阳区委党校，云南保山 678000)

摘要以荒田村作为高原贫困地区的代表，通过考察和分析，结合当地实际情况设计出一套适合其发展规模化生猪养殖场沼气工程的规划方案。该工程在带动荒田村脱贫致富的同时，也能够为整个高原贫地区建设规模化养殖场沼气工程提供理论指导，帮助高原贫困地区发展生态农业，实现农业的可持续发展。

关键词高原贫困地区；养殖场；沼气工程；荒田村

中图分类号S216.4

基金项目云南省科技平台提升计划(2013DH041)资助。

作者简介张雅峰(1986- )，男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：农业推广。*

收稿日期2015-06-09

Biogas Engineering Program Design of Large-scale Swine Farm in Plateau Poverty-stricken Region - Taking Huangtian Village, Wadu County Longyang District Baoshan City, Yunnan Province as an Example

ZHANG Ya-feng1, ZHANG Wu-di1, ZHUANG Chao-yi2, LIN Wei-dong1*et al(1. School of Energy and Environment Science,Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500; 2. Longyang Regional Committee School of the CPC in Baoshan of Yunnan, Baoshan, Yunnan 678000)

AbstractElected Huangtian Village as a representative in plateau poverty-stricken region, through investigation and analysis, on the basis of local actual situation to design a set of suitable biogas engineering program for the development of large-scale swine farm. The whole engineering proposal is designed in order to make local farmers’ life better, meanwhile to provide theoretical guidance for biogas engineering construction of large-scale swine farm in plateau poverty-stricken region, so as to achieve the goal to help poverty-stricken region in plateau area develop ecological agriculture, and realize the sustainable development of agriculture as well.

Key wordsPoverty-stricken plateau region; Swine farm; Biogas engineering; Huangtian Village

荒田行政村归属于云南省保山市隆阳区瓦渡乡，其村委会位于瓦渡乡乡政府偏北3 km，距离隆阳区41 km。荒田村东西南北分别被平林子村、打坪村、瓦渡村和水寨乡所围绕。其村下设长洼子、荒田、旧寨、河东、河西、白草坡、满九寨、茭瓜塘等共计17个村民小组，共有农户621户，人口总数达到2 595人。荒田村地处半山区，共有国土面积2 250 hm2，海拔高度1 860～2 100 m，平均海拔1 870 m，因海拔高度和地理条件不同，年平均气温范围在18～22 ℃之间。荒田村的物候属于西南季风区亚热带高原气候类型，每年12月份和1月份最冷，温度为10 ℃；最高温度在6、7月份，温度为23 ℃，历年平均温度为21 ℃。该村冬季无严寒、夏季无酷暑，四季如春，终年常绿。荒田村年降水量为1 150 mm，主要集中在春秋两季。2013年村民经济总收入1 030万元，农民人均毛收入不足4 000元，在整个瓦渡乡甚至是整个云南省都处于偏低水平，因此该区是典型的高原贫困地区。

养殖业与种植业作为农业生产的两大经济支柱并驾齐驱，但荒田村的养殖业经济收入仅占该村经济总收入的26%，种植业收入占到53%，比例明显失调，因此荒田村的养殖业急需大力发展。荒田村目前养殖的牲畜有猪、牛、羊、马等，属于一家一户的小型分散饲养，均未形成较大规模，且以养殖生猪为主，全村年出栏生猪2 265头。

自古以来就有猪粮安天下之说，可见生猪生产对社会和经济都具有重大的意义，因此荒田村发展规模化生猪养殖是该村脱贫致富的重要途径之一。荒田村目前这种家庭散养生猪模式存在很多弊端，诸如：饲养条件的简陋和饲养技术的落后导致疫病的频发和蔓延；抗生素、激素和各种重金属饲料添加剂的滥用导致猪肉的不安全；人畜混居的状况导致农户生活环境的污染和生活质量的下降；农户信息闭塞不能够及时掌握市场信息导致承受和抵抗市场风险能力薄弱而蒙受损失等。在这样的背景下，荒田村要建设一个以沼气为纽带的规模化生猪养殖场也是大势所趋。这样的养殖模式可以把村中资源整合起来，能够很好地解决家庭散养所带来的一系列问题，给该村创富增收的同时也能够保证农业的可持续发展。

1项目的设计理念

荒田村规模化生猪养殖场沼气工程建设运用了4F循环经济理念。所谓4F循环经济是指通过有机废弃物的资源化利用，将饲料(feed)、肥料(fertilizer)、食品(food)和能源/燃料(fuel)的生产进行有机结合，实现养殖业的可持续发展[1]。为了能使4个F紧密结合并循环起来，沼气工程的建设不可或缺。有了沼气工程作为纽带，饲料(feed)、肥料(fertilizer)、食品(food)和能源/燃料(fuel)就能够按照自然生态系统的循环模式进行物质的循环反复，从而带动经济的发展，具体循环过程如图1所示。

沼气工程的建设在处理猪粪尿等有机废水的同时，还能变废为宝得到更多可利用的资源。沼气的产生可以供给农户用于炊事、取暖、照明；同时还可以利用沼气发电，将电力用于整个养猪场的电力供应，完全实现自给自足。荒田村现有的467 hm2泡核桃及其树下套种的40 hm2续断，100 hm2玉米、大麦、大豆等粮食种植地，还有正在规划建设中的36 hm2有机水稻及其将来要发展的有机蔬菜基地等都需要用大量的有机肥料。因此该沼气工程设计采用“能源生态型”沼气工程模式，这样的模式不但解决了污染问题，还解决了荒田村所有农作物的肥料问题，同时还带来了能源，真可谓是一举多得。

图1　沼气工程为纽带的4F循环经济模式

2生猪产业化经营模式的选择

小规模分散饲养生猪的生产经营模式面临着自然和市场两大风险的考验[2]，为了降低风险，必须寻求一种符合现代农业的新型产业化经营模式。根据市场导向和荒田村的实际情况，采用“公司+生猪养殖合作社+农户+基地”的运作模式比较适合荒田村的发展。生猪养殖合作社由当地村干部、能人、养殖大户等带头组织成立并发展当地农户入社，再由合作社和当地政府牵头引进有资质的公司进村投资，养殖合作社成员和当地农户可以自愿入股，根据农户自身情况可选择用生猪或者资金进行入股。这样的经营模式以生猪养殖合作社采用契约为纽带把公司、农户和基地紧密联系起来，一定会使荒田村的生猪养殖业走向高效化、标准化和节约化，实现生产、加工和销售一体化，从而降低自然和市场的双重风险，保证各方利益都能得到满足。

3养殖场沼气工程的选址

生猪养殖场及沼气工程基地的选址定在荒田村旧寨组一处宽阔平坦的15度缓坡地带。此处位于N 25°13′63.71″，E99°35′49.68″附近，海拔2 000 m，年平均气温20 ℃，年照时长2 260 h，年降水量1 050 mm，霜冻期60～90 d。常年以西风和西南风为主，位于下风口，风力以威风和小于3级以下的风为主。旧寨到水田直线距离800 m，猪场到村委会3.3 km，直线距离1.83 km，工程质地良好，适合建造。距离最近的农户1.5 km，水电都很方便，距离主干道1.4 km，交通也方便，是一个很好的地址。

4养猪场沼气工程规模参数的确定

生猪养殖场规划年产生猪10 000头，需要饲养存栏种公猪30头，生产母猪720头，哺乳期仔猪900头，保育猪1 000头，生长育成猪3 500头，共计6 150头生猪。一头育肥猪占地3.5 m2，年出栏10 000头育肥猪的猪场面积定(10 000×3.5 m2)3.5 hm2，生活办公建筑面积和沼气工程面积共计1.5 hm2，除此之外还要有1 hm2的绿化面积，所以整个项目的占地面积共计为6 hm2。按照一头猪日排粪量为2 kg，日排尿量为3 kg，日冲洗水2.5 kg/头，一万头猪每天的排污量(10 000×2 kg+10 000×3 kg+10 000×2.5 kg)共计75 t污物处理，采用全混合发酵，水力滞留时间HRT设计为20 d，这样不仅能有效杀灭寄生虫卵和肠道致病菌，而且能充分降解粪污中的有机质，保证厌氧消化的效果。该沼气工程日产气量为[20 t×20%(TS)×300 m3/tTS]1 200 m3，厌氧反应器容积为(67 t/d×20 d)1 340 m3，为了方便以后扩大养殖规模，厌氧反应器设定为1 500 m3。储气柜容积(1 200 m3×40%=480 m3)设定为500 m3，沼液贮存池按30 d存储计算，容积应为(67 t/d×30 d)2 010 m3，粪污收集预处理池HRT为2 d，容积则为(67 t/d×2 d)134 m3，溢流沉淀池同样也设计为134 m3。

该设计使用2台60 kW沼气发电机。沼气发电机功率为(1 200 m3×1.6 kWh/m3/16 h)120 kW。该工程日产沼渣约为日进料干物质50%，即为2 t，沼液日产量近似等于日进料量的85%，即为(67 t×85%)56.95 t。

5养猪场建设的规划设计

该规模化养猪场建设主要分为3个功能区域，分别是生活办公区域、养殖生产区域和沼气工程区域。根据选址处的主导风向，生活办公区应该建在上风口，即在西南方向，然后顺斜坡而下，依次是养殖生产区和沼气工程区域。这样的布局可以减少养殖区域对生活办公区域的污染，同时养殖区域的粪污水可以利用地势流入沼气工程区域，方便粪污物的收集。办公生活区主要包括办公室、职工宿舍和餐厅等，设计建筑面积为1 500 m2。生产区建设在办公室生活区下方，其中包括：配种与保胎栏2 500 m2，产房与哺育房2 000 m2，保育栏1 500 m2，育肥栏5 000 m2，种公猪栏200 m2，除此还有消毒间、兽医室、值班室等共计500 m2。养殖生产区周围要设立围墙整体包围起来，周围要种植树木作为绿化防护，使养殖区域拥有完全封闭独立的环境，防治疾病的传入，同时所有外来人员、车辆、物资的进入都要进行严格的检验消毒。

6沼气工程工艺的规划设计

荒田村该沼气工程是一个系统的工程，它一共包含4个单元，分别为粪污预处理单元、厌氧消化单元、沼气净化储存单元和“三沼”综合利用单元。

6.1猪场沼气工程的主要工艺技术

6.1.1粪污预处理单元。预处理的主要目的是减量化，使之达到污染物最大限度的减量[3]，因此采用干清粪法收集粪便，收集的猪粪尿和冲洗水首先进去浮渣池，以此来去除夹杂在粪污中的饲料残渣、猪毛等杂物，然后再流入沉砂池，除去粪便污水中的砂石，继而经过除渣除砂处理粪便污水进入进料池，采用空气源热泵辅助的太阳能热水系统以及沼气发电余热回收装置通过热交换将进料池中的粪污加热到35 ℃。

6.1.2厌氧发酵单元。作为此工程的核心单元，设计采用1 500 m3完全混合厌氧消化器(CSTR)。厌氧消化器采用圆柱形全钢结构，内外壁做防腐处理，外壁做保温处理并选择适合颜色的彩钢板固定保温材料。加热后的粪污用泵打入CSTR厌氧消化器中，在30 ℃条件下进行20 d的厌氧消化。在发酵过程中为了使粪污与沼气发酵微生物充分混合，增加接触面积，从而提高发酵效率，搅拌技术是必不可少的。设计采用水力循环搅拌技术，即在发酵罐外部安装循环泵，并置于设备房中，发酵罐内顶部布置水力喷射器，在罐体2 m高处设置循环泵进料口，通过循环泵将发酵料液抽出，并输送到罐体顶部的水力喷射器，使料液从罐体顶部喷射入发酵罐内，经过循环回流操作，达到搅拌发酵料液的目的。

6.1.3沼气净化存储单元。厌氧发酵产生的沼气里面含有大量的H2O和H2S，因此必须要净化去除这些杂质才能正常使用沼气。含有杂质的沼气首先进入气水分离器，除去沼气中含有的水蒸汽；脱去H2O后的沼气紧接着进入干式FeO脱硫塔中除去沼气中的H2S气体。储气柜设计为500 m3低压湿式储气柜，全部采用全钢结构，并进行防腐处理，净化后的沼气就会暂时储存在储气柜里。

6.1.4“三沼”利用单元。沼气从沼气柜中出来，设计一半用来向猪场人员和周围农户供应沼气用作炊事使用，另一半用来沼气发电，带动2台60 kW沼气发电机发电，所得电力供应猪场生活用电设备和沼气工程用电设备使用及其周围农户用电。经过厌氧发酵产生的沼气发酵残留物首先流入到溢流池中，设计容积为134 m3方形砖混结构，沼渣沉淀于池底，沼液溢流入沼液储存池中，溢流池中的沼渣，要定期用泵打入固液分离器中，将沼液和沼渣分离开来，分离出来的沼液和储液池中的沼液在需肥季节通过沼液输管网运送，沼液和沼渣分别用作山下有机稻田养鱼基地、有机蔬菜基地和其他农作物基地种植的基肥、追肥和养殖的饵料，多余的沼渣进行机肥的加工进行销售。

6.2沼气工程工艺流程沼气工程的具体工艺流程如图2所示。

图2　沼气工程的工艺流程

7投资估算和效益分析

7.1项目投资估算

7.1.1养猪场投资估算。 种公猪30头，每头2 500元，花费7.5万元；生产母猪720头，每头2 000元，花费144万元；仔猪900头，每头600元，花费54万元；保育猪1 000头，每头500元，花费50万元；生长育成猪3 500头，每头550元，花费192.5万元；猪种共计投资448万元。养猪场内生产区域建筑面积共计11 200 m2，每平方米600元，共计672万元。办公生活区域1 500 m2，每平米800元，共计120万元，建筑费用792万元。再加上其他设备和不可预见费用150万元，养猪场建设共计投资1 390万元。

养猪场每年管理运行费用为911.3万元，其中包括：租地费用为6 000元/hm2(400元/亩)，费用总为2.1万；厂长1名，年工资为(3 000元/月×1人×12月人)3.6万元；副厂长2名，年工资为(2 500元/月×2人×12月)6万元；技术员2名，年工资为(2 000元/月×2人×12月)4.8万元；财务1名，年工资为(2 000元/月×1人×12月)2.4万元；保卫2名，年工资为(1 500元/月×2人×12月)3.6万元；饲料员2名，年工资为(1 500元/月×2人×12月)3.6万元；饲养人员14名，年工资为(1 500元/月×14人×12月)25.2万元；管理人员工资共计49.2万元。每头猪按照1年消耗饲料400 kg，每kg饲料价格2元，所得每年饲料费用为800万元，水电费每年50万元，生猪医疗和其他费用为10万元。

7.1.2沼气工程投资估算。粪污收集预处理池10万元，溢流沉淀池10万元，厌氧发酵罐80万元，沼气储气柜30万元，太阳能加热设备32万元，避雷设施1套2万元，60 kW沼气发电机2台30万元，固液分离器1台2万元，有机肥加工设备1套50万元，脱硫塔2台2万元，气水分离器1台1万元，管道、泵、阀门等15万元，发电房1间2万元，有机肥车间1间8万元，科研与设计8万元，菌种与启动8万元，工程施工费15万元，其他费用30万元，该沼气工程共计投资费用335万元。

该沼气工程年运行费用为30.25万元，其中管理员工资(2 000元/月人×1人×12月)2.4万元，工人工资(1 500元/月人×2人×12月)3.6万元，工程运行年限为20年，考虑20年后工程总投资的残值约为5%，则年折旧费大约为17万元。维修费按折旧费的20%计算，年维修费为3.4万元，管理费按人工费的25%计算，年管理费为1.25万元；工程运行的动力/电能消耗每天约120 kWh电，电价按0.60元/kWh计，则年动力费约2.6万元。

7.2效益分析

7.2.1经济效益。①养猪场经济效益。每年出栏育肥猪10 000头，每头100 kg，按照生猪价格按12元/kg计算，每年生猪销售额为1 200万元。②沼气工程经济效益。该工程可产生三大产品，即沼气、沼液和沼渣，沼气用于发电供工程所需的动力；沼液、沼渣用于肥料，其中：每天1 200 m3沼气用于发电，发电量按1.6 kWh/m3计，依据当地电价，电价按0.60元/kWh计，则年节约收益为(200 m3×1.6 kWh/mm3×365 d×0.60元/kWh=49.056万元)49万元，日产沼渣2 t，年产沼渣730 t，每吨利润按200元计算，则年收益为(730 t×200元/t)14万元，日产沼液56.95t，年产沼液20 786.75t，每吨利润按30元计算，则年收益为(20 786.75t×30元/t =62.360 25万元)62万元，共计收益125万元。

由此可得整个模化生猪养殖场沼气工程基地年收益为(1 200+125)1325万元，除去每年的运行管理费用为941.55万元，每年纯收益为383.45万元。整个基地前期的建设投资费用为1 725万元，大概需要4.5年以后收回成本，然后每年保持383.45万元的收益。

7.2.2社会效益。荒田村该沼气工程的建设实施，很好地解决了生猪养殖场猪粪、尿液和污水处理的问题，实现了粪便污水的资源化利用。经过厌氧发酵产出的沼液和沼渣为当地有机种植业的发展提供了坚实的肥料后盾。沼肥的施用可以灭菌杀虫，提高粮食作物的产量和质量，并且长期施用沼肥可促进土壤团粒结构的形成，使土壤疏松，增强土壤保水保肥能力，改善土壤理化性状，使土壤有机质、总N、总P及有效P等养分均有不同程度的提高，同时农作物的抗冻、抗旱和抗病虫能力也都会提高[4]。此外，沼气解决了当地农户生活用能，烧煤、柴草秸秆大大减少，森林植被得到保护。同时进一步解放农村妇女生产力，从繁重的砍柴割草中解放出来[5]，可投入到荒田村生态农业的发展，因此具有较高的社会效益。

7.2.3环保效益。该工程的建成每年能够处理养殖场2.45万t有机粪水，能有效削减COD、NH3-N、BOD、的含量以及CO2、SO2、NOx的排放，沼肥的使用完全替代了化肥，减少了对荒田村环境，包括土壤、水体、大气的污染。经过厌氧消化处理后的粪污水，里面的有害物质大部分将得到消除，使这些污物得到了很好地处理，也就减少了病原菌的传播[6]，改善了当地的卫生环境，提高了村民的生活质量，能够为荒田村发展生态农业提供了良好的外部环境，因此具有较高的环保效益。

8结束语

通过对荒田村现状的考察和分析，提出一套规模化生猪养殖场大型沼气工程的规划设计方案。该工程作为荒田村发展生态农业的核心工程，待项目实施后，可以在提高农民经济收入，改善农村生活环境，帮助荒田村脱贫致富的同时，也能够发挥科技示范和辐射作用，为整个高原贫困地区生态农业的发展建立一个示范。

参考文献

[1] 张无敌，马煜，尹芳，等.养殖场沼气工程与4F循环经济模式[J].云南化工，2010，37(1)：6-10.

[2] 龙江，王泽华.云南农业新型经济组织模式选择及发展研究[M].昆明：云南科技出版社，2013.

[3] 陈家欢，周超贤，林志斌.养猪场沼气工程工艺技术浅谈[J].广东饲料，2012，21(3)：45-46.

[4] 林聪.养殖场沼气工程建设发展规划[J].猪业科学，2007，24(1)：74-76.

[5] 毛羽，张无敌.以沼气为纽带的生态农业模式效益分析[J].中国沼气，2005，23(3)：36-39.

[6] 陈永俊.沼气工程对农村环境的环保效益[C].北京：北京化学工业出版社，2013：489-493.