《固体废物处理与处置》 课程设计-家用水压式沼气池设计.doc

固体废物处理与处置 课程设计 2013/2014 学年第 一 学期系 别： 能源与环境工程系 专 业： 环境工程 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 家用水压式沼气池设计 10米3混凝土结构（0.30米3/米3天） 目录.前言. . . 2. 1.绪论21.1 课程设计的题目:21.2 课程设计的目的:21.3沼气介绍及沼气的发酵原理21.5沼气发酵原料选择31.6工艺流程41.7水压式沼气池结构71.8水压式沼气池工作原理及优点82.圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算92.1设计参数92.2设计原始数据92.3工艺流程设计102.4发酵料液的计算102.5发酵间的设计112.6进料口（管）的设计142.7水压间的设计163.安全注意事项174.小结174.参考文献205沼气池CAD图纸,见附图.20.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混合气体,其主要成分是甲烷和二氧化碳。沼气发酵有很多优点沼气发酵可产生甲烷，他是清洁方便的燃料，发酵过程中N,P,K 等肥料成分，几乎得到的全部保留，一部分有机氮被水解成氨态氮，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，大量节省了曝气消化所消耗的能量等等。沼气池发酵非常适合在农村地区推广使用，因为拥有丰富的原料。1.绪论1.1 课程设计的题目: 水压式沼气池的设计1.2 课程设计的目的: 通过课程设计进一步消化和巩固本门课程所学的内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论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，培养确定厌氧系统得设计方案，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。1.3沼气介绍及沼气的发酵原理沼气是由生物质和有机质如秸秆、畜禽粪便等经微生物发酵产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷（CH4），大约占60%；其次是二氧化碳（CO2），大约占35%；此外还有少量其他气体，有水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。不同条件下产生的沼气，成分有一定差异。沼气发酵，又称甲烷发酵，是一个复杂的微生物学过程，参加发酵的微生物数量巨大，种类繁多，只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律要求，去设计沼气池，收集发酵原料，进行正常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活需要。沼气发酵是由多种微生物在绝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。根据三阶段理论，甲烷发酵原理可由下图表示 碳水化合物 糖类 多糖 单糖 挥发酚、CO2 有机物 蛋白质 氨基酸 丙酮酸、乙酸 脂肪 脂肪酸、甘油 有机酸、醇类 液化 产氢产醋酸CO2、H2CH4、N2CO等 产甲烷 图11沼气发酵是由多种细菌参加完成的，它们在沼气池中进行新陈代谢和生长繁殖过程中，需要一定的生活动条件，只有用人工为其创造适宜生产条件，才能使大量的微生物迅速的繁殖，加快沼气池内的有机物分解。另一方面控制沼气池内发酵过程的正常运行，也需要一定的条件。因此，只有满足微生物的生长条件和沼气池正常运行条件，才能获得产气率大、有机沼肥提代多的效果。综合起来，人工制取沼气的基本条件是：沼气细菌、发酵原理、发酵浓度、PH值、严格厌氧环境和适宜的温度。这些条件有一项对沼气细菌不适应，也产生不了沼气。（1）沼气细菌制取沼气必须有沼气细菌才行，这和发面需要有酵母菌一样，如果没有沼气细菌作用，沼气池内的有机物本身是不会转变的沼气的，所以沼气发酵启动时要有足够数量含优良沼气菌种的接种物，这是制取沼气的重要条件。在农村含有优良沼气菌种的接种物，普遍存在于粪坑底污泥、下水污泥、沼气发酵的渣水、沼气污泥、豆制品作坊下水沟中的污泥，这些含有大量沼气发酵细菌的污泥称为接种物。沼气发酵加入接种物的操作过程称为接种，新建沼气池头一次装料，如果不加入足够数量含有沼气细菌的接种物，常常很难产气或产生率不高，甲烷含量低无法燃烧。另外，加入适量的接种物可以避免沼气池以酵初期产酸过多而导致发酵受阻。（2）足够的发酵原料沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气以酵细菌赖以生存的养粒亚源，因为沼气细菌在沼气池内正常生长繁殖过程中，必须从发酵原料里吸取充足的营养物质，如水分、碳素、氮素、无机盐类和生长素等，用于生命活动，成倍繁殖细菌和产生沼气。有机物中的碳水化合物如秸杆中的纤维素和淀粉是细菌的碳素营养，有机物中的有机氮如畜粪尿中的含氮物质慢是细菌的氮素营养，当有机物被细菌分解时，一部分有机物的碳素和氮素被同化成菌体细胞，以及组成其他新生物质，另一部全有机物则被产酸细菌分解为简单有机物，后经甲烷菌的作用产生甲烷。因此，沼气发酵时，原料不仅需要充足而且需要适当搭配。保持一定的碳、氮比例这样才不会因缺碳素或缺氮素营养而影响沼气的产生和细菌正常繁殖。（3）发酵原料浓度沼气池中的料液在发酵过程中需要保持一定的浓度，才能正常产气运行，如果发酵料液中含水量过少，发酵原料过多，发酵液的浓度过大，产甲烷菌又食用不了那么多，就容易造成有机酸的大量积累，结果使发酵受到阻碍；如果水太多，发酵液的浓度过稀，有机物含量少，产气量就小。所以沼气池发酵液必须保持一定的浓度，根据多年实践农村沼气池一般采用6%10%的发酵料液浓度较适宜，在这个范围内，沼气的初始启动浓度要低一些便于启动。夏季和初秋池温高，原料分解快，浓度可适当低一些；冬季、初春池温低、原料分解慢发酵料液浓度保持在10%为宜。（4）适当的酸碱度酸碱度用PH来表示，把一张PH试纸，伸入经搅拌后的发酵液中，立即取出与PH试纸附带的标准比色卡对比，从颜色的变化就知道发酵液的酸碱度。沼气发酵细菌最适宜的PH为6.8-7.5，6.4以下7.6以上都对产气有抑制作用。如果PH在5.5以下，就是料液酸化的标志，其产甲烷菌的活动完全受到抑制。如沼气初始启动时，投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足，或者在沼气池内一次加入大量的鸡粪、薯渣造成发酵料液浓度过高，都会因产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸（乙酸、丙酸、丁酸）的积累导致PH下降。这是造成沼气池启动失败或运行失常的主要原因。在沼气发酵过程中，PH变化规律一般是；在发酵初期，由于产酸细菌的迅速活动产生大量的有机酸，使PH下降；但随着发酵继续进行，一方面氨化细菌产生的氨中和了一部分有机酸；另一方面甲烷菌群利用有机酸转化成甲边远，这样使PH又恢复到正常值。这样的循环继续下去使沼气池内的PH值一直保持在7.0-7.5的范围内，使发酵正常运行。所以，沼气池内的料液发酵时，只能保持一定的浓度，接种物和适宜的温度，它就会正常发酵，不需要进行调整。（5）严格的厌氧环境沼气发酵中起主要作用的是厌氧分解菌和产甲烷菌。它们怕氧，在空气中暴露几秒钟就会死亡，就是说空气中的氧气对它们有毒害致死的作用。因此，严格的厌氧环境是沼气发酵的最主要条件之一，我们根据沼气细菌怕空气的特性，采用了树脂和GRC双封闭的池体，水气封闭性能完全可以达到沼气发酵运生要求；在使用过处程中，只要无硬性撞击和特殊性的意外，在较长的时间内不存在漏气问题。（6）适宜的温度沼气池内发酵液的温度，对产生沼气的多少有很大影响，这是因为在最适宜的温度范围内温度越高，沼气细菌的生长、繁殖越快、产沼气就多。如果温度不适宜，沼气细菌生长发育慢、产气就少或不产气。所以，温度是生产沼气的重要条件。究竟多高的温度才适宜呢？一般说沼气细菌在860范围内都能进行发酵。人们把沼气发酵划分为三个发酵区，即常温发酵区1026，中温发酵区2838，最适温度为35；高温发酵区4660，农村的沼气发酵，因为条件的限制，一般都采用常温发酵，我们在沼气池中加装了太阳能增效装置，如发酵温度低时，可打开太阳能热水器的池内加温阀，将热水引入池内的管状散热器中，为发酵料液补充温度，尤其在冬季，太阳能增效装置对于沼料发酵和产气率将起到很大作用。1.5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。1.6工艺流程（1） 自然温度连续投料发酵工艺 这种工艺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。（2） 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。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。 综上特点, 我们采用自然温度连续投料发酵工艺，用人，禽兽的粪便以及蔬菜積杆等有机固体废气物，定时定量投料和出料。简单的工艺流程如下：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6厘米以下或粉碎。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%。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4%-6%。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。补加原料的量按平均每个沼气池每天补料4-8公斤干物质的标准进行。如用气量大，池温在20摄氏度以上时，每个沼气池平均每天可补料10-15公斤。补料要先出后进，每次出料的发酵液可以循环使用。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。 沼气池的温度及保温措施1、因温度越高沼气产量越大，应尽量设法使沼气池背风向阳。2、冬季到来之前，防止池温大幅度下降和沼气池冻坏，应在沼气池表面覆盖柴草、塑料膜或塑料大棚。3、作物秸秆等堆沤时产生大量热量，正常运转期间可在池外大量堆沤秸秆，给沼气池进行保温和增温。4、采用覆盖法进行保温或增温，其覆盖面积都应大于沼气池的建筑面积，从沼气池壁向外延伸的长度应稍大于当地冻土层深度。 1.7水压式沼气池结构在我国农村，沼气发酵不仅作为农业生态系统中的一个重要环节，处理各类废弃物来制成农家肥，而且获得生物质能用来照明或作为燃料。厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行。沼气池种类很多，我国农村最常用的有：家用水压式沼气池，曲流布料沼气池和圆柱形自循环沼气池等。其中，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。水压式沼气池结构简图如下 1 4 5 3 2图121加料管；2发酵间；3水压间；4导气管；5控制阀1.8水压式沼气池工作原理及优点家用水压式沼气池的工作原理是：池内装入发酵原料（约占池体积的80%左右)，以料液表面为界限，上部为贮气间，下部为发酵间。当沼气池内产生沼气时，沼气集中在贮气间内，随着沼气的增多，池内的压力不断增大，此时沼气压迫发酵液进入水压间。用沼气时，贮气间的沼气被放出，此时，水压间内的料液进入发酵间，如此“气压水、水压气”反复进行，因此称之为水压式沼气池。水压式沼气池构造简单，施工方便，各种建筑材料均可使用，取材容易，价格较低，一般68m3沼气池造价6001000元。混凝土结构的沼气池使用寿命可达20年。年产沼气240m3以上（黄河以北），可供五口之家8个月做饭和全年照明。【3】2.圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算2.1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。（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。(6) 农家目前有四口人,五头猪,该农家共有18.25亩地,1亩地每个收获的季节可以生产1吨的秸秆,一年两季,共可产生2吨秸秆,压实后折合成有机物体积为2立方米,故该家一年共产秸秆有机物为36.5立方米,每天使用0.1立方米的秸秆有机物用于沼气。2.2设计原始数据发酵间容积（池容）为10.0立方米；最大投料量小于发酵间总容积的90%；池容产气率：0.30米3/米3天；建池材料：现浇混凝土；池内正常工作压力800毫米水柱(压强P=0.08公斤/厘米2)。2.3工艺流程设计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，简单工艺流程图如下：人粪便与 猪的粪便 / o o / ( (oo) ) 进料间厌氧发酵间水压（出料）间农田 图212.4发酵料液的计算2.4.1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； n2产牲畜粪便总量。按养猪头数0.0060.15m3/（头d）取值； n3每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d； k2收集系数，取0.51.0； T原料滞留期（d）；蔬菜区T取30，平坝农业区取35，丘陵区取40。2.4.2气室容积的计算气室容积式中：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0.15m3/（m3d）、 0.2m3/（m3d）、0.25m3/（m3d）、0.3m3/（m3d）。2.5发酵间的设计2.5.1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。故可以选用10.0立方米家用水压式沼气池.2.5.2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3m。（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积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。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 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。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 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。 发酵间池身圆柱体高度 ,圆整取1m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。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。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；发酵间总表面积2.5.3发酵间各部分位置标注 Q1 f1 Q2 V H f2 Q3 D R图22 2.6进料口（管）的设计进料口（管）由上部长方形槽和下部圆管组成，其中上部长方形槽几何尺寸是长宽深=600mm320mm500mm；下部圆管采用260mm现浇混凝土管，管与池墙角为40。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：2.6.1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。2.6.2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。2.6.3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。2.6.4最大贮气量 2.6.5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）。2.6.6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，这个位置也就是进料管的安装位置。2.7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，下部圆管才用300预制混领土管，管与池墙角为30。产气率取为0.3 H水压间=h筒+f死+H-0.8 H水压间= 0.06+0.4+0.94-0.8=0.6m有效容积：V有=池容池容产气率投料量1/2 V有=100.388.4%1/2=1.326m3 H = V有 / (3.14R2) 1.59=1.326/ (3.14R2 ) R水压间 =0.843.安全注意事项 1.沼气池发酵启动过程中，试火应在灯、炉具上进行，禁止在导气管口试火。 2.沼气池在大换料时，要把所有盖口打开，使空气流通，在未通过动物实验证明池内确系安全时，不允许工作人员下池操作。 3.池内操作人员不得使用明火照明，不准在池内吸烟。 4.池内操作人员不得使用单人操作，下池人员要系安全绳，池上要有人监护。以防万一发生意外可及时进行抢救 5.沼气池进、出料口要加盖。 6.输气管道、开关、接头等处理要经常检修。防止漏气和堵塞。水压表要定期检查。确保水压表准确反应池内压力变化。要经常排放冷凝水收集器中的积水，以防管道发生水垢。 7.活动盖密封情况下进出料的速度不宜过快，保证池内缓慢升压或降压。在沼气池日常进出料时，不得使用沼气燃烧和有明火接近沼气池。4.小结通过本次课程设计，我对水压式沼气池的设计计算有了深刻的认识和了解，这也提高了我分析和解决问题的能力，并使我进一步接触到工程实际。与此同时，我在设计中加强了自己的word、autoCAD等多种绘图工具的应用能力，获益匪浅。通过对固体废物处理与处置这本书的学习，让我知道了什么是厌氧消化。厌氧消化处理是指在厌氧状态下利用厌氧微生物是固体废物中的有机物转化CH4和CO2的过程。本次设计的农村家用水压式沼气池就是利用的厌氧消化原理。厌氧消化原理即三段理论，厌氧发酵是有机物在无氧条件下被微生物分解，转化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物化学过程。一般分为三个阶段，即水解阶段，产酸阶段，和产甲烷阶段。每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。有机物厌氧消化的总的反应式为有机物+H2O+营养物厌氧微生物细胞物质+CH4+CO2+NH3+H2+H2S+.+抗性物质+热量 在设计过程中，我们要首先设计出水压式沼气池的进料间，出料间，发酵间的尺寸，对于不同体积大的沼气池有着不同的尺寸要求，这就要求我们要计算出精确地数据，做事要小心。比方说，当我将发酵液体积、发酵间体积、进料间的尺寸，以及出料间的尺寸设计好以后，我