6立方米户用沼气池设计

农村家用沼气池设计 河南城建学院 固体废物处理与处置课程设计 姓 名 班 级 专 业 课程名称 固体废物处理与处置 指导教师 环境与市政工程系 2012 年 12 月 2 目录 水压式沼气池设计计算说明书 3 一、前言 3 二、课程设计的题目 4 三、课程设计的目的 4 四、设计参数 4 五、工艺流程 5 六、沼气池的工作原理 6 七、沼气池的设计依据及原则 8 八、发酵料液的计算 .10 九、发酵间的设计 .11 十、进料口（管）的设计 .15 十一、水压间（管）的设计 .17 十二、发酵原料的预处理 .18 十三、水压式沼气池的优缺点 .19 十四、安全注意事项 20 十五、设计小结 .21 十六、文献资料 .21 水压式沼气池 3 水压式沼气池设计计算说明书 一、前言 沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种 以甲烷为主体的可燃性混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳。 固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形 三种池型。这种 池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相 应提高。这个不断增高的 气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与 池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。 这样一来，水压 间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就 叫做“水 压” 。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出 ；当沼 气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导 致沼气压力也随之 相应降低。这种利用部分料液来回串动，引起水 压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就之为水压式沼气池。 水压式沼气池，是我国推广最早、数量最多的池型，是在总 结“三结合” 、 “圆、小、 浅” 、 “活动盖” 、 “直管进料” 、 “中层出料” 等群众建池的基础上，加以综合提高而形 成的 。 “三结合”就是厕 所、猪圈和沼气池连成一体，人畜粪便可以直接打扫到沼气池里进 行发酵。 沼气发酵有很多优点。沼气发酵可产生甲烷，它是清洁方便的 燃料；发酵过程中 N、P、K 等肥料成分几乎得到全部保留，一部分 4 有机氮被水解成氨太氮，速效性养分增加;发酵残渣可以作为饲料肥 料；沼气发酵处理有机物课大量地节省曝气消化所消耗的能量等等。 沼气发酵非常适合在农村地区推广使用。 二、课程设计的题目 水压式沼气池设计 三、课程设计的目的 通过课程设计进一步笑话和巩固本课程所学内容，并使所学 的知识系统化，培养运用所学理论知识进行沼气池设计的初步能 力。通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养确定厌 氧系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、使用技术资料、 编写设计说明书的能力。 四、设计参数 1、 气压：7840 Pa (即 80 cm 水柱) 2、 池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池 1 昼夜的产 气量，单位为 m3 沼气(m 3 池容. d)。我国常采用的池容产气 率包括 0.15、0.2、0.25 和 0.3 几种。本次设计采用 0.2。 3、 贮气量：指气箱内的最大沼气贮存量。农村家用水压式沼 气池的最大贮存气量以 12H 产气量为宜，其值与有效水压间 水压式沼气池 5 的容积相等。 4、某农户家共 4 人，牲畜（猪）2 头。 五、工艺流程 沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍采用的是下面两种工艺。 1.自然温度半批量投料发酵工艺 这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化投料，基本流程图如 图所示 原料选择 原料预处理 配料 加活性污泥 入池发酵产气 大出料 定期出料 送农田 图 1 自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程 这种工艺的发酵期因季节和农用情况而定，一般为五个月左右， 运行中要求定期补充新鲜原料，以免造成产气量下降，该工艺主 要缺点使出料操作劳动量大。 2自然温度连续投料发酵工艺 这种工艺在自然温度下，定时定量投料和出料，能维持比较稳定 6 的发酵条件，使沼气微生物（菌群积累）区系稳定，保持逐步完善 的原料消化速度，提高原料利率和沼气池负荷能力，达到较高的产 气率；工艺自身消耗能少，简单方便，容易操作。 我们选择的是自然温度连续投料发酵工艺。 六、沼气池的工作原理 水压式沼气池的工作原理可以概括为两句话：产气时，气压水； 用气时，水压气。 水压式沼气池装料封盖后启动前状态时，在发酵间内的料液和水 压间内的料液液面上，同时受到大气压力的作用，因此两个液面处 在同一水平面上，它们之间的气压差和液面差均为零。此时的工作 状态称为“初始工作状态” ，此时的料液液面高度为 O-O 水平面，发 酵间内存在的空间为 V0。 启动以后，沼气池内开始发酵产气，随着沼气产量的逐渐增加， 发酵间上部气箱中的贮气量越来越大，同时所产生的沼气将发酵间 内的料液压入水压间，压出的料液体积与所产的沼气体积相等。当 发酵间内贮气量达到最大贮气量 VC时，水压间里增加的料液也为最 大贮液量 VC。此时发酵间内的料液面下降到可能下降的最低位置 A- A 水平面，水压间内的料液面上升到可能上升的最高位置 B-B 水平 面。此时的工作状态称为“极限工作状态” 。发酵间内料液面的下降 和水压间内料液面的上升使得两液面产生了高度差，高位料液具有 的势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高 水压式沼气池 7 差值与料液比重的乘积。由于料液比重接近于 1，因此一般将两料 液面的高差值视为池内沼气压强值。在极限工作状态时的液面高差 最大，称为极限沼气压强，数值等于： 21H 式中：H 沼气池最大液面差； H1发酵间液面最大下降值； H2水压间液面最大上升值。 以上就是“气压水”的全过程。 当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐 输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发 酵间内液面渐渐上升。此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高 差的减少而变得越来越小。当发酵间料液液面与水压间料液液面相 平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零 而不再输出， “水压气”过程结束。 沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行 过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范 围之内，不可能超出这个范围。 8 图 2 水压式沼气池初始工作状态 图 3 水压式沼气池极限工作状态 七、沼气池的设计依据及原则 分析上述工作原理，可以得到以下三点设计水压式沼气池的主要 依据： 1.设计依据 （1）沼气池装料（包括料液）的最高位置只能在沼气池处于初 始工作状态时的液面高度，此时的液面为 O-O 液位。在 O-O 液位时， H1 H2 H 水压式沼气池 9 发酵间上部仍有部分气箱可以贮存沼气，但是这部分沼气由于无法 被压出，因此无法被利用，所以称为“死气” 。 “死气”所占据的空 间称作“无效气箱”或“死气箱” 。 （2）水压间内的料液液面在 O-O 位置，即初始工作状态时，其 液面处于最低位置，不可能再继续下降。因此，在水压间中如果存 在低于 O-O 位置的料液的话，这部分料液没有势能，不具有压出气 箱内沼气的作用，是“死液” 。 “死液”所占据的那部分水压间被称 为“无效水压间” 。 无效气箱和无效水压间对沼气池运行不起任何作用，因此应当尽 量控制其容积。在满足功能要求的情况下，无效气箱和无效水压间 容积越小，沼气池的利用效率就越高，造价也越低。 水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是势能使得发酵间 内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的 乘积。由于料液比重接近于 1，因此一般将两料液面的高差值视为 池内沼气压强值。在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼 气压强，数值等于： 21H 式中：H 沼气池最大液面差； H1发酵间液面最大下降值； H2水压间液面最大上升值。 以上就是“气压水”的全过程。 当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐 10 输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发 酵间内液面渐渐上升。此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高 差的减少而变得越来越小。当发酵间料液液面与水压间料液液面相 平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零 而不再输出， “水压气”过程结束。 沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行 过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范 围之内，不可能超出这个范围。 （3） 低液面，而水压间液面 是最高液面，此时沼气池内的压 强达到最高值。在设计中，称此时的压强为最高设计压强。沼气池 在运行时其池内压强不应超过此值，否则将因超负荷而破坏沼气池。 为防止沼气池超负荷运行，一般设计中采取的措施是：将进、出料 管（或其中一管）上沿安装在 A-A 液位面与池身的交线上，这样， 当贮气量超过最大贮气量，即液面低于 A-A 位置时，多余的沼气自 行从进、出料管逸出，保持池内压强不大于最高设计压强；同时， 将水压间的溢料口下沿设计在 B-B 位置上，这样即使水压间液面有 超过 B-B 位置的可能时，超出的部分料液也会从溢料口中溢出，使 两液面差始终保持在最大液差之内。 2.设计原则： （1）沼气池宜建在畜圈或厕所地表以下，进料间与人、畜粪入口 相连通。 （2）坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观。 水压式沼气池 11 （3）池盖顶端复土厚度不小于 200mm。 （4）强度安全系数 K2.65。 （5）正常使用寿命 20 年以上。 八、发酵料液的计算 1. 发酵料液体积的计算 V1=（n 1+n2）k 2+n3T 式中： V1 发酵料液体积，m 3 ； n1产人粪便总量。按常住人口0.00130.006 m /(人d)取值， 本计取 0.005； n2产牲畜粪便总量。按养猪头数0.0060.015m/(头d) 取值， 本设计取 0.01; n3每日舍外能定量收集粪便总量，m/d。本设计取 0.1; k2收集系数，取值 0.51.0；本设计取 0.8; T 原料滞留期（d） ；取丘陵期的 40。 V1=(40.005+20.01)0.8+0.140=5.28m 2.气室容积的计算 V2=1/2V1k3 式中 ： V1发酵料液体积，m 3； 12 V2气室容积，m 3； k3原料产气率，本次试验为 0.2，为常温下产率。 V2=125.280.2=0.528 m 3 九、发酵间的设计 1.发酵间的容积 V=（V 1+V2）k 1 式中 V发酵间的容积，m; V1发酵料液体积，m； V2气室容积，m； K1容积保护系数，取 0.91.05。本次设计取 K1=1.00； V=（5.28+0.528）1.00 =5.808 m 故发酵间容积取 6.0m。 2.发酵间各部分尺寸确定 （1）沼气池的直径取 2.3m。 （2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。 池盖削球体矢高 f1=D/a1 式中 f 1池盖削球体矢高，m； D圆柱体形池身直径，m； a1直径与池体矢高的比值，取 56，这里取 5. 水压式沼气池 13 f1=2.3/5=0.46(m) 池盖削球体净容积 Q1= f1(3R2+f12)6 式中 Q 1池盖削球体净容积，m 3； 圆周率，取 3.1416； f1池盖削球体矢高，m； R池身圆柱体内半径，m。 则 Q 1=3.1416/60.46(31.152+0.462)=0.48（m 3） （3）发酵间池底球体矢高和净容积。 池底削球体矢高 f2=D/ 2 式中 f 2-池底削球体矢高,m; D池身圆柱体直径，m； 2直径与池底矢高的比值，取值 810，这里取 10. 那么 f 2=2.3/10=0.23m 池底削球体净容积 Q3= f 2(3R2+f22)6 式中 f 2-池底削球体矢高,m; Q3发酵间池底削球体净容积，m 3； 圆周率，取值 3.1416。 则 Q 3=3.1416/60.23(31.152+0.232) =0.75（m 3） （4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度。 14 发酵间池身圆柱体容积 Q = V- Q1- Q23 式中 Q 1池盖削球体净容积，m 3； V发酵间总容积，m 3； Q 发酵间池身圆柱体容积，m 3；2 Q 发酵间池底削球体净容积，m 3。3 Q =6.0-0.48-0.76=4.76（m 3）2 发酵间池身圆柱体高度 H=Q2/R 2 式中 圆周率，取值 3.1416； R发酵间池身圆柱体半径，m； H发酵间池身圆柱体高度，m。 H =4.76/(3.14161.152）=1.15（m） （5）发酵间内总面积 S=S1+S2+S3 式中 S内总表面积，m 2 S1池盖削球体内表面积，m 2 S2池身圆柱体内表面积，m 2 S3池底削球体内表面积，m 2 盖削球体球面内表面积 S1=(R 2+f12) 式中 S 1池盖削球面内表面积，m 3； 水压式沼气池 15 R池身圆柱体半径，m； f1池盖削球面矢高，m； 圆周率，取值 3.1416。 S1=3.1416（1.15 2+0.462）=4.82（m 2） 圆柱体池身内表面积 S2=2RH 式中 S 2池身圆柱体内表面积，m 2； R池身内圆柱体内半径，m； H池身圆柱体高度，m； 圆周率，取值 3.1416。 S2=23.14161.151.15=9.56（m 2） 池底削球体内表面积 S3=(R 2+f22) 式中 S 3池底削球体内表面积，m 2； f2池底削球面矢高，m； R池身圆柱体内半径，m； 圆周率，取值 3.1416。 S3=3.1416(1.152+0.232 )=4.32（m 2） 发酵间总表面积 S=S1+S2+S3=4.82+9.56+4.32=18.7（m 2） 十、进料口（管）的设计 16 进料口（管）由上部长方形槽和下部圆管组成，其中上部长方形 槽几何尺寸是长宽深=600mm320mm500mm；下部圆管才用 300 预制混领土管，管与池墙角为 40。 （1） 死气箱拱的矢高 f 死 =h1+h2+h3 式中 h1池底拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在 1015cm 之间,取 12cm； h2导气管下露出长度，该值一般在 35cm 之间，取 5cm； h3导气管下口到液面距离，该值一般在 2030cm 之间一般 取 25 cm。 f 死 =0. 12+0.05+0.25=0.42 (m) （2） 死气箱容积 V 死 = 2 死 1+（ 死 /3） 式中 V 死 ，f 死 ， 1分别为死气箱容积，死气箱矢高，池盖曲率半径。 V 死 =3.14160.4221.6675- (0.42/3)=0.85（m 3） (3) 投料率。根据死气箱的容积，可计算出沼气池投料率，即 投料率=（VV 死 ）/ V100% 式中 V， V 死 分别为发酵间容积和死气箱容积，m 3； 投料率= （6.00.85）/6.0100%=85.8% 水压式沼气池 17 (4)最大贮气量 V 贮 =池容池容产气率1/2 V 贮 =6.00.21/2=0.6（m 3） （3） 气箱总容积 V 气 =V 死 +V 贮 式中 V 气 ，V 死 ，V 贮 分别为沼气池气箱总容积，死气箱总容积和 有效气箱容积（最大贮气量） 。 V 气 =0.85+0.6=1.45(m3) （4） 发酵间最低液面位 气箱在圆筒形池身部分的容积为 V 筒 = V 气 Q1 V 筒 =1.45-0.48=0.97（ ） 圆筒形池身内气箱部分的高度为 h 筒 = V 筒 / R2 h 筒 =0.97/(3.14161.152 )=0.23(m) 最低液面位在池盖与池身交接平面以下 h 筒的位置上。这个位置也 就是进出料管的安装位置。 十一、水压间（管）的设计 H 水压间 =h 筒 +f 死 +H-0.8 18 H 水压间 = 0.23+0.42+1.15-0.8=1.0(m) 有效容积：V 有 =池容池容产气率投料量1/2 V 有 =6.00.285.8%1/2=0.52(m3) H 水压间 = V 有 / (R 水压间 2) R 水压间 =0.40(m) 水压式沼气池的尺寸设计完成 十二、发酵原料的预处理 1. 粪便原料不必进行预处理，作物秸秆必须铡短到 5 厘米或粉碎。 2. 在接种物用量小于 20%，鲜粪用量与风干秸秆的重量比小于 1：1 时，启动时所用的秸秆原料应进行堆沤处理。方法有：(1)池 外堆沤：将原料加水拌匀。加水量以料堆下部不出水为宜，料堆上 加盖塑料膜。气温在 15 摄氏度左右时堆沤 4-5 天，气温在 20 摄氏 度以上进堆沤 2-3 天。(2)池内堆沤：将原料及接种物拌匀后，投入 沼气池内进行堆沤，堆沤时间参照池外堆沤。 接种物 1、沼气发酵启动时所用的含有大量沼气发酵微生物的各种厌氧活性 污泥称接种物。在沼气发酵启动时，料液中要添加 10%-30%的接种 物。 2、老沼气池中的悬浮污泥、各种有机废水沉污泥、河流湖泊底层的 沉渣、坑塘污泥和积水粪坑的粪肥等，都可用来作接种物。所用接 种物的挥发性固体含量不低于 3%。 水压式沼气池 19 沼气发酵的启动 1、投料：将预处理的原料和准备好的接种物混合在一起投入池内。 启动时的料液干物质含水量控制在 6%-12%。 2、加水封池：原料和接种物入池后，要及时加水封池。以料液量约 占沼气池总容量积的 85%-90%为宜。然后将盖密封。3、放气试火： 沼气发酵启动初期，通常不能点燃。因此，当水压表压力达到 20 厘 米水柱以上时，应进行放气试火。所产沼气可正常燃烧使用时，沼 气发酵的启动阶段即告完成。 气池的运转管理 1、当沼气发酵启动之后，即进入正常运转阶段。为了维持沼气的均 衡产气，启动后 30 天左右就应定时进行补料。 2、正常运转期间进池的秸杆原料，只要铡短或粉碎并用水或发酵液 浸透即可。 3、正常运转期间的进料浓度应尽量大一些，干物质含量可以大于 8%。4、为了便于管理和均衡产气，可每隔 5-7 天补料一次， “三结 合”沼气池每天都要有一定量的人畜粪便进入沼气池，产气量不足 时，则应每 5-7 天添加秸秆或青草等原料一次。 5、每隔 5-7 天搅拌一次，可通过进料口或水压间用木棍搅拌，也可 以从水压间淘出料液，再从进料口倒入进行搅拌。若发生浮料结壳 并严重影响产气时，则应打开活动盖进行搅拌。冬天减少或停止搅 拌。 20 十三、水压式沼气池的优缺点 （1）池体结构受力性能良好，而且充分利用特让的承