沼气池设计与建设.doc

农村户用水压式沼气池设计摘 要近年来，随着社会主义新农村建设的不断深入，农村沼气的综合利用再次成为人们所关注的热点话题，许多地区都在大力推广农村户用沼气池的建设。沼气的厌氧发酵可以实现农村有机固体废物的综合利用，能收到良好的经济效益，社会效益和环境效益。本次固体废物处理和处置课程设计的题目就是设计一座农村户用沼气池，其主要内容包括以下几个方面：首先，明确设计要求，搜集必要的设计资料，为课程设计打下基础；其次，对沼气发酵的原理进行简要介绍，在此基础上确定沼气池的生产工艺，并对本次设计的沼气池进行选型；再次，根据设计资料的要求，结合有关设计规范，对圆筒形水压式沼气池的发酵池主体结构以及进料口，水压间等附属结构进行设计计算，确定各部分的设计参数和设计尺寸；最后，根据有关规范，对所设计的圆筒水压式沼气池进行材料核算，对施工的要点做简要的说明。关键词：沼气池，工艺流程，结构设计2目录前言1第1章 设计要求与设计资料21.1 设计目的21.2 设计资料与设计参数21.2.1 设计资料21.2.2 设计参数2第2章 工艺流程确定与沼气池选型32.1 沼气的基本知识32.1.1 沼气的概念32.1.2 沼气的成分32.1.3 沼气的理化性质32.2 沼气发酵的原理42.3 沼气发酵原料选择42.4 工艺流程42.5 家用沼气池的类型52.5.1 水压式沼气池52.5.1 水压式沼气池的优缺点6第3章 水压式沼气池的结构设计和计算83.1 发酵料液的计算83.1.1 发酵料液的体积83.1.2 气室容积的计算83.2 发酵间的设计93.2.1 发酵间的容积93.2.2 发酵间各部分尺寸的确定93.3 进出料口（管）的尺寸设计113.4 进出料管安装位置的确定123.4.1 进出料管水平位置的确定123.4.2 进出料管竖直位置的确定123.5 水压间的设计153.5.1 水压间零压线153.5.2 发酵间最大料液水位降153.5.3 水压间高度153.5.4 水压间圆柱体底面积153.5.5 水压间底面半径15第4章 水压式沼气池施工及材料设计164.1 材料参考用量164.2 沼气池施工17结 论18谢 辞19参考文献20前言在新农村的建设中，大力推广农村户用沼气池的建设，其意义不仅是为农户解决烧火做饭问题，更要使农村走上绿色的、循环发展的生态农业之路。通过农村沼气工程的建设，可以发挥多方面的综合效益。第一，农户使用沼气这一清洁能源，摆脱农村传统上以薪柴为主的能源使用方式，实现节能减排的目的，有利于农村生态环境的保护。以一个农村户用8立方米水压式沼气池为家庭能源单位进行分析，以沼气池年均产气量385立方米计，1立方米沼气的低位发热值折0.714千克标煤，则年开发能源折合275千克标煤。第二，农户使用沼渣、沼液作为土壤的有机肥料，可以减轻对化学肥料的依赖，进而保持土壤的可耕作性，防止土壤板结，保障农业的可持续发展。沼肥中全氮、全磷、全钾平均值分别为6.35%、1.09%、4.64% ，能有效减少化肥的使用量。农户通过沼气池的建设，促进了物质的循环利用和能量的有序流动。发展农村沼气可以取得显著的能源、经济、生态和社会效益，已经成为建设社会主义新农村的重要组成部分。 第1章 设计要求与设计资料1.1 设计目的通过课程设计进一步消化巩固固体废物处理与处置课程所学内容，并将所学知识系统化，培养运用所学理论知识解决实际工程问题，即进行农村家用沼气池设计的能力。通过设计，了解工程设计的内容，方法和步骤，培养确定厌氧系统设计方案，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。1.2 设计资料与设计参数1.2.1 设计资料(1) 该农户家中有5人，家畜（猪）3头，位于平坝农业区；(2) 建池材料为现浇混凝土，粘土实心砖。 1.2.2 设计参数(1) 气压：7480Pa（即80cm水柱）。(2) 池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容积1昼夜的产气量，单位为m3沼气/（m3池容d）。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种，本设计取0.15 m3沼气/（m3池容d）。(3) 贮气量：贮气量系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气量以12h产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。(4) 池容：系指发酵间的容积。农村家用水压式沼气池的池容积有4m3、6m3、8m3、10m3等几种。(5) 投料率：系指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85%95%之间为宜，本设计的最大投料量小于发酵间总容积的90%。第2章 工艺流程确定与沼气池选型2.1 沼气的基本知识2.1.1 沼气的概念沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷(CH4)。2.1.2 沼气的成分沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢(H2S)、氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%70%、二氧化碳含量为28%44%、硫化氢平均含量为0.034%。2.1.3 沼气的理化性质沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它的主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味 、无臭 、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很少，在20、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。甲烷是简单的有机化合物，是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰，最高温度可达1400左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦，相当于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。2.2 沼气发酵的原理沼气发酵，又称甲烷发酵，是由多种微生物在厌氧条件下分解有机物实现的。通常把参与沼气发酵的微生物分为三类。第一类叫发酵细菌，包括各种有机物分解菌，它们通过分泌的胞外酶，将复杂的有机物分解为较简单的物质，例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为甘油和氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸；第二类叫产氢产乙酸菌，它们的主要作用是将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳；第三类细菌叫产甲烷菌，其作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在沼气发酵过程中，这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。2.3 沼气发酵原料选择农村沼气发酵原料尽管很多，但从沼气利用的角度考虑，主要为秸秆类和粪便类。粪便类分解速度相对较快，入池和出料都很方便，单独使用产气效果也很好，因而许多地方只采用粪便入池发酵。但随着农业产业化的发展，农村种植和养殖模式发生了显著的变化，家庭养猪数量不断减少，沼气发酵的粪便量严重不足，秸秆作为发酵主要原材料成为必然。秸秆随农事活动批量获得，能长时间存放不影响产气。但秸秆发酵速度较慢，需要较长时间才能达到预期的沼气产量，且出渣较为困难。为此，入池前需要进行切短、堆沤等预处理，或和粪便一起发酵，并采用批量入池，批量出渣的方法。2.4 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述两种工艺。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，采用半批量方式投料。这种工艺的发酵期因季节和农用情况而定，一般为5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，该工艺的主要缺点是出料操作劳动量大。2. 自然温度连续投料发酵工艺这种工艺是在自然温度下，定时定量投料和出料，能维持比较稳定的发酵条件，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，提高原料利用率和沼气池负荷能力，达到较高的产气率；工艺自身能耗少，简单方便，容易操作。此处采用自然连续投料发酵工艺，以人、禽畜粪便及蔬菜秸秆为发酵原料，定时定量投料和出料。图2-1 沼气池的发酵工艺流程图2.5 家用沼气池的类型随着我国沼气科学技术的发展和农村家用沼气的推广，根据当地使用要求和气温、地质等条件，家用沼气池有固定拱盖的水压式池、大揭盖水压式池、吊管式水压式池、曲流布料水压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池。形式虽然多种多样， 但是归总起来大体由水压式沼气池、浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型变化形成的。水压式沼气池是农村推广的主要池型。水压式沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池，池盖和池底是具有一定曲率半径的壳体，主要结构包括加料管、发酵间、出料管、水压间、导气管几个部分。2.5.1 水压式沼气池水压式沼气池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”(也就是U形管沼气压力表显示的数值)。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，就称之为水压式沼气池。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。“圆、小、浅”就是池体圆、体积小、埋深浅。“活动盖”就是沼气池顶加活动盖板。 图2-2 水压式沼气池结构简图2.5.1 水压式沼气池的优缺点水压式沼气池型有以下几个优点：(1) 池体结构受力性能良好，而且充分利用土壤的承载能力，所以省工省料，成本比较低。 (2) 适于装填多种发酵原料，特别是大量的作物秸秆，对农村积肥十分有利。(3) 为便于经常进料，厕所、猪圈可以建在沼气池上面，粪便随时都能打扫进池。(4) 沼气池周围都与土壤接触，对池体保温有一定的作用。水压式沼气池型也存在一些缺点，主要是：(1) 由于气压反复变化，而且一般在416千帕(即40160厘米水柱)压力之间变化。这对池 体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。(2) 由于没有搅拌装置，池内浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不 高，池 容产气率(即每立方米池容积一昼夜的产气量)偏低，一般产气率每天仅为0.15米3/米3 左右。(3) 由于活动盖直径不能加大，对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说，大出料工作比较困难 。因此，出料的时候最好采用出料机械。7第3章 水压式沼气池的结构设计和计算 3.1 发酵料液的计算 3.1.1 发酵料液的体积 式中：V1发酵料液体积，m3； n1产人粪便总量。按常住人口0.0060.013m3/（人d）取值，本设计取5人0.008 m3/（人d）； n2产牲畜粪便总量。按养猪头数0.0060.15m3/（头d）取值，本设计取3头0.6 m3/（头d）；n3每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d，本设计取0；k2收集系数，取0.51.0，本设计取0.9； T 原料滞留期（d）；蔬菜区T取30，平坝农业区取35，丘陵农区取40，本设计取35d。将数值带入，计算得：3.1.2 气室容积的计算气室容积可用下式计算：式中：V1发酵料液体积，m3； V2气室容积，m3； k3原料产气率，我国通常采用的产气率包括以下几种数值，即0.15m3/（m3d）、0.2m3/（m3d）、0.25m3/（m3d）、0.3m3/（m3d），本设计取0.2 m3/（m3d）。3.2 发酵间的设计3.2.1 发酵间的容积式中：V发酵间容积，m3； V1发酵料液体积，m3； V2气室容积，m3； k1容积保护系数，取0.91.05，本设计取0.95。3.2.2 发酵间各部分尺寸的确定1. 沼气池的直径根据用户平面布置确定。考虑充分利用土地资源、平面布局紧凑的原则，确定沼气池的直径为2.4m。2. 发酵间池盖削球体矢高和净容积(1) 池盖削球体矢高式中：f1池盖削球体矢高，m； D圆柱体形池身直径，m； 1直径与池顶矢高的比值，取56。(2) 池盖削球体净容积式中：Q1池盖削球体净容积，m3； f1池盖削球体矢高，m； R池身圆柱体内半径，m。3. 发酵间池底削球体矢高和净容积(1) 池底削球体矢高 式中：f2池盖削球体矢高，m； D池身圆柱体直径，m； 2直径与池底矢高的比值，取810。(2) 池底削球体净容积式中：Q3发酵间池底削球体净容积，m3； f2 池底削球体矢高，m；4. 发酵间池身圆柱体容积和池墙高度(1) 发酵间池身圆柱体净容积式中：Q2发酵间池身圆柱体净容积，m3； V发酵间总容积，m3； Q1池盖削球体净容积，m3； Q3发酵间池底削球体净容积，m3。(2) 发酵间池身圆柱体高度式中：R发酵间池身圆柱体半径，m； H发酵间池身圆柱体高度，m。5. 发酵间内总表面积(1) 池盖削球体球面内表面积式中：S1池盖削球面内表面积，m2； R池身圆柱体半径，m； f1池盖削球面矢高，m。(2) 圆柱体池身内表面积式中：S2池身圆柱体内表面积，m2； R池身圆柱体内半径，m； H池身圆柱体高度，m。(3) 池底削球体内表面积式中：S3池底削球体内表面积，m2； R池身圆柱体内半径，m。 f2池底削球体矢高，m；(4) 发酵间总表面积Q1 f1Q2 H f2Q3 DR图3-1 水压式沼气池发酵间尺寸示意图3.3 进出料口（管）的尺寸设计进料口（管）由上部长方形槽和下部圆管组成，其中上部长方形槽内壁几何尺寸是长宽深=440mm360mm300mm；下部圆管采用300mm现浇混凝土管，管与池墙夹角为35。出料圆管采用300mm现浇混凝土管，管与池墙角夹角为403.4 进出料管安装位置的确定进出料管位置的安装是否恰当，对沼气池的发酵和产气都会有很大的影响。水平位置安装不恰当，会引起发酵原料利用不充分；竖直位置安装错误，会引起跑气或者压力过高等现象。3.4.1 进出料管水平位置的确定目前水压式沼气池进、出料管的水平位置一般均确定在发酵间直径的两端上。这种对称布置使进出料口之间的距离最远，对于保证发酵原料在池内的滞留期和流动的均匀性都有很大的好处，可以减少发酵原料的短路和发酵出现死角的现象。3.4.2 进出料管竖直位置的确定压强控制法（限压法）该种方法是将进、出料管位置确定在发酵间的最低设计液面高度上。这样，当池内贮气量达到最大设计贮气量（同时，池内也达到了最高设计压强）时，进、出料管口的上沿即开始露出液面。如果继续产气，则所产沼气即从进、出料管逸出池外，保持池体内的压强始终在设计压强范围之内。这种方法的优点在于能自动限压，保护池体的安全，缺点是进、出料口位置偏高，用肥时不易取出较稠的料液。水压式沼气池进料管安装位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处。该位置计算如下：1. 死气箱拱的矢高式中：h1池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在1015cm 之间； h2导气管下露出长度，取35cm； h3导气管下口到液面距离，一般取2030cm。图3-2死气箱拱的矢高示意图2. 死气箱容积式中：V死，f死，1分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。3. 投料率根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率。式中：V，V死分别为发酵间容积和死气箱容积，m3。4. 最大贮气量5. 气箱总容积式中：V气，V死，V贮分别为沼气池的气箱总容积、死气箱总容积和有效气箱容积（最大贮气量）。6. 发酵间最低液面位. (1) 气箱在圆筒形池身部分的容积(2) 圆筒形池身内气箱部分的高度最低液面位于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。中层出料安装法这种安装法是将是进、出料管安装在圆筒形池身墙中部偏下的位置，这要比用压强控制法计算出的位置低约30cm左右。这样安装进、出料管，便于中层出料，有利于卫生。因为上层料液多浮渣，消化率低，灭菌效果差；底层料液由于沉淀，寄生虫病卵较多；中层料液虫卵少，消化情况也较好。因此从卫生角度来看，中层出料最为理想。在采取中层出料安装法时，池内压强有时可能高于设计压强，不利于池体安全。因此，在应考虑沼气池的减压安全保护措施。常见的安全保护措施一是加大池体结构的安全系数；二是采用其它形式的限压装置，如可以控制气压计玻璃管的高度，当气压过大时会将气压计水柱冲出，达到减压保护池体的作用。“农村家用水压式沼气池标准图集”（GB/T4750-2002）进、出料管采用的是中层出料安装法。以上两种方法各有利弊，在实践中最好的办法是将两种方法结合起来：即用压强控制法来确定进料管安装位置，而出料管的位置则采用中层出料安装法来确定。这样，既能保证池内压力不会超过设计压强，又能保证中层出料，有利于除害灭病，方便取肥用肥。综合以上两种方法，结合农村家用水压式沼气池标准图集，决定将进料管的竖直安装位置定为池盖与池身交接平面以下40cm，出料管的竖直安装位置定为池盖与池身交接平面以下35cm。3.5 水压间的设计水压间兼有对池内沼气加压、贮肥以及便于出料等多种功能。设计合理水压间的要求是：无效水压间容积是零；当水压间中料满时，气箱内的沼气压强恰好等于设计压强。3.5.1 水压间零压线无效水压间的容积取为0。因为死气箱拱的矢高为0.4m，故未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下0.4m处，因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m处的水平线上。3.5.2 发酵间最大料液水位降产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f1+h筒=0.48+0.04=0.52m，又未产气时液面距池顶0.4m，所以，发酵间最大料液水位降为0.52-0.4=0.12m。3.5.3 水压间高度由于设计压强为7480Pa（即80cm水柱）,因此水压间的高度3.5.4 水压间圆柱体底面积3.5.5 水压间底面半径15 第4章 水压式沼气池施工及材料设计4.1 材料参考用量根据GB/T4752-2002中4m310m3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表，如下：表4-1现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表容积m3混凝土体积m3水泥kg中沙m3碎石m341.2573500.6220.95961.6354550.8091.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容积m3池体抹灰水泥素浆体积m3水泥kg中沙m3水泥kg40.2771130.259660.3471420.324780.4001630.3749100.5082080.47511容积m3合计材料用量水泥kg中沙m3碎石m344690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710本设计为池容6m3，产气率为0.15m3/（m3d）的现浇混凝土结构圆筒形水压式沼气池，参照标准，取材料用量为水泥604kg，中砂1.133m3，碎石1.250m3。一般情况建一个的沼气池需要红砖600块，若建6m3沼气池，则水泥、砖、砂比8m3沼气池用量要减少10%。考虑到进出料间用料则本设计需红砖600块，由于进出料管为现浇混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分别增加为720kg，1.5m3，1.3m3，钢筋1.8m。 4.2 沼气池施工沼气池的施工步骤大致为：（1）考察地形，选定施工位置。（2）制定施工方案，绘制结构和施工图。（3）施工准备。（4）池坑开挖。（5）支模。（6）模板及支架检验。（7）浇筑混凝土。（8）混凝土养护。（9）池底施工。（10）进出料管施工。（11）拆模。（12）回填土。（13）密封层施工。（14）质量总体检查验收。18 结 论随着农村经济的发展和社会主义新农村建设的稳步推进，农民群众的生活水平有了较大提高，对农村生态环境保护的要求也越来越高，这就需要我们环境工程专业的大学生关注农村环境保护的相关课题，运用所学的知识，发挥自身创造能力，为我国的农村环境保护事业做出贡献。农村家用沼气池投资省，见效快，是一种值得推广的农业固体废物生物处理设施。农村家用沼气池在我国应