林翊展--養豬廢水處理設備的自動化設計--完整版

前言
前一陣子曾經協助老師進行一項雲林縣政府的計畫,該計畫內容為替雲林縣政府設計一座養豬廢水處理的示範場.在設計過程當中,有需要計算的地方,雖然用到的計算方法不難,但是希望利用matlab程式,只需要輸入所需的參數,即可以自動設計出符合標準的處理設備規格.

背景說明

養豬廢水處理

台灣的畜牧業以養豬為大宗,而且多是採企業化經營,規模大又集中,導致畜牧場所產生的廢水量相當驚人.目前台灣的總養豬頭數大約700萬頭,大部分都集中在台灣中南部,而一頭豬的糞尿廢水汙染力相當於人的六倍,可以折算成約4200萬人口.在過去,養豬廢水都是以直接排放的方式處理,對於台灣河川的破壞相當大,產生了許多”黑水河”.現在依環保署的規定,養豬規模超過20頭要強制建設廢水處理設備,而處理過的廢水也有品質的要求,如此一來,大大減少台灣河川所遭受的污染,而且在處理豬糞尿的過程中,還會產生許多具有附加價值的產物,如沼氣、有機堆肥等,達到保護環境與廢棄物再利用的雙重功效.

目前國內豬糞尿水的處理一般都採用三段式處理,過程主要包括固液分離、厭氣醱酵及好氣處理等步驟,其中再加入調整池、計量槽、初沉池、污泥回流及污泥處理等構成完整的養豬廢水處理系統,其流程如下圖:




而實際處理圖片則如下所示

1.固液分離




2.厭氣發酵




3.好氣發酵




經過三段式處理後的廢水即放流到河川之中

放流廢水




目的

程式設計的目標為輸入養豬頭數後,自動計算出廢水處理槽的規格參數,節省人力計算所需的時間.


名詞解釋
1.BOD：biochemical oxygen demand,生化需氧量.水中的雜質經由好氧菌分解所需要的氧氣量.由此數值可以看出廢水的生物可分解性,亦是廢水污染力的重要指標之一.BOD5則是指讓廢水暴露在氧氣充足的情況下,五天所耗費的氧氣量.

2.COD：chemical oxygen demand,化學需氧量.利用化學方法(強氧化劑),讓水中雜質氧化的耗氧量.廢水污染指標之一,且COD值必大於BOD值,而COD值通常被當作終極BOD值來作計算.

3.HRT:水力停留時間
HRT= reactor volume / effluent volume flux

4.BOD loading:反應槽對於進流廢水的負載,可以用BOD或COD表示,通常為經驗值,過多或過少都會對反應槽的效率產生影響.


設計原則
1.假設一頭肉豬100 kg,產生30L/day的廢水量
2.根據ASAE在1994公佈的STANDARDS 裡,每1000kg豬產生的BOD5約 3.1 kg/day.
3.反應槽的BOD loading假設為0.5 kg/m^3/day


程式內容

k=menu('請選擇計算方式','依廢水體積計算','依BOD負載計算');
pig=input('請輸入豬隻頭數 : ');
HRT=input('請輸入水力停留時間(hour) : ');
if k==1
    q=pig*30*0.001;
    V=q*(HRT/24);
    disp(['反應槽體積= ',num2str(V),' 立方公尺']);
elseif k==2
    V=pig*0.31/0.5*(HRT/24);
    disp(['反應槽體積= ',num2str(V),' 立方公尺']);
else
    break
end

執行結果
程式計算方式有兩種,第一是根據廢水量來計算,第二則是根據預估的反應槽loadind來做計算.兩種結果算出來後,取其較大值作為依據.

選擇圖示



根據廢水量計算



根據反應槽的loading來計算




根據以上的結果,養豬1000頭,水力停留時間6 hours的廢水處理槽,體積需要155立方公尺.


結果討論
1.兩種計算方式的數據會有不同,因為第一個根據廢水量的計算,只單就以物理性而言,槽體的大小是為了不讓水滿出來,但是第二項則是實驗的經驗值,參雜了細菌生長的好壞等生物性因素,所以兩者的參數不相同,必須取其大者.

2.水力停留時間6~8小時,是傳統反應槽的設計,如果有需要,例如loading改變,細菌生長狀況差異等,則會另行調整,以便達到處理效率.

3. 現行環保署畜牧業放流水標準
依據水污染防制法第七條第二項之規定,國內畜牧業適用之放流水標準,其水質項目及限制如下：
(1)非草食性動物(豬)：生化需氧量 < 80 mg/L；化學需氧量 < 600 mg/L；懸浮固體 < 150 mg/L。
(2)草食性動物(牛)：生化需氧量 < 80 mg/L；化學需氧量 < 450 mg/L；懸浮固體 < 150 mg/L。
(行政院環保署，2003)

4.以現實情況來說,廢水處理達不到標準通常受限於成本與土地大小,造成反應槽的大小不足,再加上生物性因素會比較難以掌握.

5.固液分離後的豬糞可以進行發酵做為有機堆肥,而厭氧反應過程中會產生沼氣提供發電,不過要先想辦法去除沼氣中的硫化氫,因為它會產生硫酸腐蝕發電機組.

6.此篇的程式與其他同學比較起來相對的簡單很多,因為生物反應槽大部分都是實驗參數,設計上比較難的地方在於參數的取用,用到計算上都只是簡單的計算,而現實上則隨時根據生物狀況來做調整,不過此篇可以提供同學們一點關於廢水處理的相關資訊.