（机械工程专业论文）贵州农村沼气池结构改进及建池钢模设计.pdf

摘要 农村沼气工程作为一项实用性强的利国富民生态工程，近年来处于快速发 展时期，受到各地的高度重视和广大农村的普遍欢迎。近几年贵州省每年都将农 村沼气工程建设列为为民要办的“十件实事之一，贵州每年正以1 0 - - , 2 0 万口的 速度发展。由于农村沼气工程具有大面积推广建设的特点，所以在技术上的任何 一点进步都将对建设质量和推广应用效果带来重要影响。 沼气工程是人工兴建一定的设施，利用微生物厌氧消化技术对有机质进行 处理并达到一定的预期效果，同时获得一种可燃性气体一沼气的一项实用工程技 术，它包括了微生物学、建筑、机械工程、化工等多学科的综合。有机物被微生 物厌氧发酵消化并制取人工沼气的密闭装置，在我国称为沼气池。作为厌氧发酵 的主体设备，沼气池的设计及建造直接影响沼气生产的效果。为了适应农村沼气 生态工程快速发展的需要，广大农村沼气工程技术人员在这个看似简单的沼气池 上，为了提高产气效果，延长沼气池使用寿命，各地都根据不同地区的气候、地 形地貌、农牧业发展模式、沼气原料及生态农业建设需要等特点，在农村沼气池 结构的改进设计及修建技术上进行了许多不懈的探索，不断地进行改进和试验。 贵州的农村沼气工程研究及建设，时间紧任务重，专业设计研究机构缺乏。 本课题就是在充分认识沼气发酵工艺及沼气池结构设计基本要求的基础上，参照 农村水压式沼气池结构国家标准图集，用机械工程设计思想，以比较优化方式进 行分析，研究比较贵州历年来推广使用的农村沼气池结构及功能上的优缺点，以 贵州近几年推广使用的改进型“多能高效 沼气池的改进和寻求更加合适的搅拌 方式为重点目标，针对传统的机械搅拌方式不易控制、动力不便、故障多的弊端 和传统强回流搅拌的不足，用新的搅拌方法，来提高池内混合搅拌效果，改善浮 渣层结壳的状况，提高产气效能，本论文最新提出了“双向泵沼液喷射搅拌 的 新方法；同时针对改进后的沼气池，确定了建池用钢模的结构方案及主要零件的 设计参数及结构，进行了必要的分析计算和主要零部件的结构设计。该研究可对 贵州目前推广使用的改进型“多能高效 沼气池的进一步优化提供依据，对推行 钢模化建池，提高建池质量和速度，延长沼气池使用寿命具有一定的实用意义。 关键词：贵州农村沼气工程沼气池结构改进设计建池钢模结构设计 4 a sav e r yp r a c t i c a b i l i t ye c o l o g i ce n g i n e e r i n gt ob e n e f i tn a t i o na n da b u n d a n t p e o p l e s ，t h er u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gi st ob eah i g h s p e e dd e v e l o p i n gp a r t i c u l a r p e r i o dn e a ry e a r s t h a ti sg r e a t l yt ob ep l a c ei m p o r t a n c eo ne a c hp l a c ea n du n i v e r s a l r e c e i v e di nv a s tr u r a la r e a n e a ry e a r s ，t h er u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gi sa r r a n g e db y g u i z h o up r o v i n c ea st h em u s tt of i n i s hw o r k i n gf o r t h ep e o p l e st h a ti s “o n eo ft e n s a c t u a lw o r k s ”i ti sd e v e l o p i n gw i t h10t o2 0t e nt h o u s a n dd i g e s t e r si ng u i z h o u p r o v i n c e a sar e s u l to ft h er u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gt ob ep r o v i d e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co f1 a r g e a r e as p r e a d i n ga n dc o n s t r u c t i n g s oa n yal i t t l et e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o nw i l lb r i n ga b o u tai m p o r t a n ti n f l u e n c et oq u a l i t yo fb u i l d i n ga n de f f e c to f s p r e a d i n ga n da p p l i c a t i o n t h er u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gi sap r a c t i c a le n g i n e e r i n gw i t c ht ob u i l dt h e i n s t a l l a t i o n sw o r kd o n eb yh a n d ，u s i n gm i c r o o r g a n i s ma n a e r o b i ct od i g e s tt e c h n o l o g y , t od e a lw i t ho r g a n i cm a t t e rt or e a c he x p e c t i n ge f f e c ta n da tt h es a m et i m et oo b t a i n o n ef l a m m a b i l i t yg a s b i o g a s i tt oi n c l u d em i c r o b i o l o g y 、c o n s t r u c t i n g 、m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g 、c h e m i c a li n d u s t r ya n ds oo n t h ea i r t i g h ti n s t a l l a t i o nt od e p o s i to r g a n i c m a t t e rw i t c hb ef e r m e n t e db ym i c r o o r g a n i s ma n dm a k i n gb i o g a s ，w ec a l li tb i o g a s d i g e s t e ri nc h i n a a st h em a i nb o d ye q u i p m e n to fa n a e r o b i cf e r m e n t i n g ，t h ed e s i g n a n db u i l d i n gf o rb i o g a sd i g e s t e rw i l li n f l u e n c ee f f e c to fb i o g a sp r o d u c i n g n e a ry e a r s t os u i tt h ed e m a n do fh i g h s p e e dd e v e l o p i n gr u r a lb i o g a se l l g i n e e r i n g 1 a r g e s c a l e r u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gt e c h n i c a lh a r dw o r ka r o u n dt h eb i o g a sd i g e s t e rt h a tl o o k i n g s i m p l e i no r d e rt or a i s ep r o d u c i n gb i o g a se f f e c ta n dt oe x t e n dl i f eo fu s i n g ，i ne v e r y w h e r e ，t h er u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gt e c h n i c a la c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ct h a t i n c l u d i n gd i f f e r e n tc l i m a t e 、l a n d f o r m s 、a g r i c u l t u r e sa n da n i m a lh u s b a n d r yd e v e l o p i n g m o d e 、b i o g a sr a wm a t e r i a l sa n de c o l o g i c a la g d c u l t u r ed e v e l o p i n gm o d ea n ds oo n ， t h e ya r em a k i n gal o to fi m p r o v e m e n t sa n de x p e r i m e n t so ns t r u c t u r ei m p r o v e m e n t d e s i g na n db u i l d i n gt e c h n o l o g yo fr u r a lb i o g a sd i g e s t e r f o rt h er u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n db u i l d i n gi ng u i z h o up r o v i n c e ，t h e t i m ei su r g e n ta n dt h ed u t i e si sl a y e r sa n dt h es p e c i a ld e s i g n r e s e a r c hs e t u pi sl a c k t h i ss t u d yi se v e nt h o u g ht oa n a l y s ea n dc o m p a r et h em e r i t sa n dd e m e r i t so fs t r u c t u r e a n df u n c t i o no fr u r a lb i o g a sd i g e s t e rt op o p u l a r i z eo v e rt h ey e a r si ng u i z h o up r o v i n c e ， i ti so nt h eb a s et h a ti nf u l l yr e c o g n i z e dt h eb i o g a sf e r m e n tt e c h n i q u ea n dt h eb a s i c d e m a n db i o g a sd i g e s t e rs t r u c t u r ed e s i g n ，t or e f e rt ot h en a t i o ns t a n d a r dd r a w i n g so f h y d r a u l i cb i o g a sd i g e s t e rs t r u c t u r e ，t ou s em e c h a n i c a le n g i n e e r i n gd e s i g nt h i n k i n g ，t o u s et h ea n a l y s i sw a yo fc o m p a r i s o no p t i m i z a t i o n t ou s ea sai m p o r t a n ta i mo f i m p r o v e m e n tf o r “m u l t i f u n c t i o na n dh i g he f f i c i e n c y ”r e f o 册t v p eb i o g a sd i g e s t e ro f p o p u l a t i n ga n du s i n gi ng u i z h o up r o v i n c en e a ry e a r s t ob ed i r e c t e da g a i n s tt h ef a i lo f t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm i x i n gf a s h i o nf o rd i f f i c u l tt oc o n t r o la n dl a c ko fp o w e ra n d h a v em a n yf a i l u r ea n dt om i xn o tw o r t hw i t ht r a d i t i o n a lb a c k f l o wb yf o r c e n e e dt o u s en e wm i x i n gm e t h o dt oi m p r o v et h ee f f e c to fm i x i n ga n da g i t a t i n g ，t oi m p r o v e c r u s t i n ga n dt oi n c r e a s ee f f i c i e n c yo fp r o d u c i n gb i o g a s t h i st h e s i sf i r s tb r i n gu pt h e n e wm e t h o d 一“i n j e c t i o nl i q u i dt om i xb yt w o w a yp u m p ：m o r e o v e rf o rt h eb i o g a s d i g e s t e ro fa f t e ri m p r o v e m e n t ，t oc o n f i r i l lt h ec o n s t r u c t i o ns c h e m eo fs t e e lm o l df o r b u i l d i n gt h eb i o g a sd i g e s t e ra n dd e s i g np a r a m e t e ro fm a i nc o m p o n e n t sa n dp a r t s ，t o c a r r yo u tn e c e s s a r ya n a l y z i n ga n dc o u n ta n dc o n s t r u c t i o nd e s i g nm a i nc o m p o n e n t s a n dp a r t s 1 1 1 i ss t u d yh a v es a m ep r a c t i c a li m p o r ta n dm a yp r o v i d es o m ea c c o r d a n c e f o rs t e po p t i m i z i n go f “m u l t i f u n c t i o na n dh i g he f ! f i c i e n c y b i o g a sd i g e s t e r , f o rt r y i n g t oc a r r yb u i l d i n gt h ed i g e s t e rb ys t e e lm o l d i no r d e rt oi m p r o v eq u a l i t ya n ds p e e do f b u i l d i n gd i g e s t e ra n dt oe x t e n dl i f e s p a no fb i o g a sd i g e s t e r k e y w o r d s ：r u r a lb i o g a se n g i n e e r i n gi ng u i z h o ui m p r o v e m e n td e s i g nf o r s t r u c t u r eo fb i o g a sd i g e s t e rs t r u c t u r ed e s i g no fs t e e lm o l df o rb u i l d i n gb i o g a s d i g e s t e r 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：里仑纽坠 日 期： 至q q 量丛旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：唑导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 沼气工程技术是变废为宝的高效转换技术，在人类越来越受到环境与能源挑 战的今天，沼气工程技术的利用也就愈来愈受到重视。 在城镇，随着人口的快速增加，大量生活污水的排放对城镇水体造成的污染 日趋严重，城镇生活污水沼气池净化技术的研究及应用正在兴起。在农村，沼气 工程技术的推广应用，已成为改善农村生产生活条件、全面建设小康社会、实现 经济社会和生态良性发展的重要手段和方法。沼气工程技术已和农业的可持续发 展，农业资源利用率的提高，农业生态环境的改善，农民生活质量的提高紧密联系 在一起。农村发展沼气可以就地取材就地使用，投资少见效快，是一项可操作的 富民生态工程。农村沼气的发酵原料很丰富，人、畜粪和农作物秸秆与农副产品 加工的有机废水都是很好的发酵原料。沼气的热值很高，而且使用方便、卫生。 通过发展沼气可以改善环境卫生，消除污染，减少疾病的传染，提高农民的健康 水平；沼气发酵残留物不仅较为完整地保存了有效的肥料元素，而且产生了大量 的有益微生物及其代谢产物，用于发展种植和养殖，可以降低生产成本，提高产 量和品质，是一项现实可行的生态农业技术。各地实施的农牧沼复合生态模式， 给农业增效、农民增收带来了新的路子。农业部在全国实施的生态家园富民计划， 就是发展沼气为纽带的生态农业，使农村实现家居清洁温暖、庭院经济高效、农 业生产无害。 由于沼气工程技术涉及多学科，包括微生物学、建筑学、热工、机械工程、 化工、农学等等，技术性强。建池、发酵、管理和使用都需要掌握一定的科学技 术。沼气发酵微生物首先要有一个适宜的生活条件，它们对温度、酸碱度、氧化 还原势等环境因素都有一定要求，需要建立一个满足微生物生活的条件，使它们 在合适的环境中生活，以达到发酵旺盛、产气量高。因此，设计建造一个结构合 理的、与发酵工艺相吻合的密闭沼气池使整个沼气生产过程的关键。特别是农村 推广沼气，用户是农民，居住分散，情况各异，动力使用不便，沼气池必须结构 简单实用，运行可靠耐用，维护应越简单越好。因此，针对现行农村沼气池设计 建造中存在的问题，结合农村实际，哪怕是一点点有效的改进和技术的进步，都 会对生态综合经济带来深远的影响，因为沼气工程技术是在广大农村户户推广的 利国利民工程。 6 1 2 我国农村沼气工程发展和沼气池研究的现状 1 2 1 我国农村沼气工程发展的现状 进入2 1 世纪以来，我国农村沼气工程建设发展迅速，主要源于一方面国家 加大了对农村沼气建设的支持和投入，例如国家实施的小型公益设施沼气建设项 目，农业部推出的生态家园富民工程和各地推广沼气技术，投入了大量的资金帮 助农民建沼气池；另一方面是沼气工程技术在不断进步，为农村沼气建设奠定了 技术基础，使用者也明显感觉到越往后建设的沼气池越好用。特别是以沼气为纽 带的生态农业综合开发，使沼气池能够发挥能源、卫生和肥料等功能；通过沼气 生态农业建设，把沼气池建设与改圈、改厕、改厨、改院相结合，引导推广北方 “四位一体及南方“猪一沼果和西北“五配套 等多种能源生态模式，引 导农民改变落后的生产生活方式，实现家居温暖清洁化、庭院经济高效化和农业 生产无害化。通过技术创新增强沼气池的使用功能，多方面地发挥沼气池的使用 效益，提高沼气建设的综合效益，为农民带来实惠，深受农民欢迎。 中国沼气发展起始于2 0 世纪2 0 年代，当时绝大多数城镇均无电力供应，制 取沼气的主要目的是用于一些商店、寺庙的照明。但由于条件限制，对影响发酵 工艺的一些具体因素只有概念性的了解，缺乏更深入的研究；又由于建池成本较 高，原料要求也较高，加上社会条件的限制，沼气池的修建数量受到限制。3 0 年代，我国一位叫罗国瑞的先生就开始建水压式沼气池，那时叫瓦斯库，形状是 长方形，他在自己家修了一个8 立方米的瓦斯库，所产沼气供全家六口煮饭、点 灯有余，连续使用数年，得心应手，家族邻里见其常年使用且效果较好，均纷纷 请罗国瑞先生建造，建了十几个瓦斯库( 沼气池) ，效果与罗家的瓦斯库一样， 倍受用户欢迎。这时，罗国瑞先生开始宣传沼气，并将沼气池推广到广州、深圳、 香港。 2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代初，中国沼气事业出现了一次建设高潮，全国 很多省市都修建了沼气池，目的是想解决农村的炊事用能。但因为技术上没有新 的进展，建池材料和沼气配件质量较差并缺乏正确的管理维护，剩下来能够使用 的沼气池为数很少。 2 0 世纪7 0 年代未到8 0 年中期，中国在沼气领域开展了大规模的应用基础 和应用技术的研究，同时引进和消化国外厌氧消化研究的新成果，逐步形成了规 范、标准的水压式沼气池以及相配套的科学建池技术、发酵工艺、配套设备，使 中国的户用沼气建设进入健康稳步发展的阶段。建立了从部到省、地、县的沼气 管理、推广、科研、质检及培训体系。与此同时，广泛开展了各种形式的以沼气 综合利用为纽带的庭园生态农业建设，提高了效益，增加了自身发展活力，促进 了农业增产、农民增收和农村经济的发展。 进入2 l 世纪后，农村沼气建设对促进农业结构调整、农业增效、农民增收 和生态建设所起作用日益突出，产生了良好的综合效益。各地以沼气建设为核心、 纽带、切入点或抓手，与改厨、改厕、改圈相结合，改变了农民传统的生活方式； 与改路、改水、改庭相结合，改变了农村面貌。建设资金由2 0 0 0 年的2 5 0 0 万元 增加到2 0 0 6 年的2 5 亿元。到2 0 0 6 年底全国户用沼气池已超过1 8 0 0 多万口，畜 禽养殖场沼气工程3 7 6 0 多处，城镇污水净化池近1 4 6 万处。农业部不断创新农 村沼气建设思路，与时俱进，于2 0 0 0 年1 月启动和实施了以沼气综合利用建设 为重点、符合当前农业和农村经济发展阶段的“生态家园富民计划 ，并根据发 展基础和生态环境建设的要求，对全国农村沼气建设进行了科学规划：到2 0 1 0 年新增户用沼气池3 0 0 0 万户，全国沼气池总量达到5 0 0 0 万户以上，使五分之一 的农户使用沼气，适宜地区沼气普及率达3 5 。通过规划的实施，将有效提高农 村优质能源的用能水平，使5 0 0 0 多万农户清洁燃料比重达到8 0 以上，受益人 口2 亿人以上；保护林地7 0 0 0 多万亩，改善耕地4 0 0 0 多万亩，年处理畜禽粪便 2 0 0 0 多万吨，改善农村卫生条件，增加农民收入，仅燃料和肥料效益可使户均 年直接增收节支8 0 0 元以上，是推进资源节约型和环境友好型社会主义新农村建 设的重要动因。 1 2 2 我国农村沼气池研究的现状 1 2 2 1 概况 针对7 0 年代建设的沼气池绝大多数都存在质量问题而废弃的情况，1 9 8 3 年， 农业部组织专家编制了农村家用沼气池标准图集、农村家用沼气池施工操作规范 和农村家用沼气池质量验收检查规范以及农村沼气池发酵工艺技术、农村家用沼 气池管路设计、施工、验收规范等系列标准，将科学研究的成果转化为标准，来 指导农村沼气池的建设工作，使沼气池的质量得到了保证，在技术方面也研究出 提高沼气池功能和方便农民使用的技术和产品。2 0 0 2 年又对这些标准进行了修 8 订，增加了不少新的技术内容，对沼气池建设的要求随着农村经济发展不断提高， 新的沼气池标准介绍了曲流布料沼气池、预制钢筋混凝土板装配沼气池、圆筒形 沼气池、椭圆球形沼气池、分离贮气浮罩沼气池、塞流式料液自循环沼气池、沼 气池等几种池形。 1 2 2 2 我国沼气池的主要类型特点及研究的现状 我国沼气池的种类繁多，形状和构造方式不一，按贮气方式可分为：水压式、 浮罩式、气袋式三大类型；按发酵池的几何形状分，可分为圆筒形池、球形池、 长方形池、方形池、拱形池、圆管形池、椭球形池和扁球形池等；按建池材料可 分为砖结构池、石结构池、混凝土结构池、钢筋混凝土结构池，钢丝网水泥结构 池、塑料结构池、抗碱玻璃纤维水泥结构池、钢结构池、玻璃钢结构池等；按沼 气池埋设位置可分为地上式、半埋式和地下式三种。 目前，我国常见的以人畜粪便和秸秆为发酵原料的沼气池主要有： ( 1 ) 水压式沼气池。这是我国应用历史最长，目前农村推广最多的一种池型。 水压式沼气池是在沼气池内留一个贮存沼气的小空间，当沼气池生产沼气多 的时候，压力和体积增大，就将沼气池内的沼气发酵液压到沼气池的水压间内， 等使用沼气的时候，压力和体积减小，水压间的水又返回发酵池。 ( 2 ) 浮罩式沼气池。又分为直接贮气浮罩式沼气池和分离贮气浮罩式沼气池。 ( 3 ) 底层出料沼气池。又分为矮墙底层出料沼气池和死盖贴壁立管进料沼气池 ( 4 ) 小型高效沼气池。又分为： 两步发酵多功能沼气池：该池型是邱凌教授经过多年的探索和研究，将沼气分 步发酵理论应用于沼气生产实践，通过大量的试验研究研制成功的。 曲流布料沼气池：是昆明市农村能源办研制成功的。曲流布料沼气池是在水压 式沼气池基础上，为了提高产气率，将进池的发酵原料充分利用，获得较多的沼 气。它的原理是延长发酵原料在沼气池中的时间和发酵料液在沼气池中进出路线 的长度，使其得到充分利用。这种沼气池的修建比纯水压式沼气池复杂一些。云 南地区使用这种池形比较多。曲流布料沼气池有三种形式： a 型池：该池型池底由进料口向出料口倾斜，池底部最低点设在出料间底部，在 倾斜池底作用下，形成一定的流动推力，实现主发酵池进出料自流，可以在不打 开天窗盖的情况下把全部料液从出料间取出。 9 b 型池：该池型设有中心进出料管和塞流板。中心管有利于从主池中心部位抽出 或加入原料；塞流板有利于控制发酵原料在底部的流速和滞留期，同时有固菌作 用。 c 型池：该池型设置了面料板、中心破壳输气吊笼和原料预处理池。这些装置可 以增加新原料的扩散面，发挥池容的负载能力，提高产气量并延长连续运转周期 上流式浮罩沼气池：是湖南省农村能源办研制成功的。 生物能自动搅拌沼气池：是邱凌教授在两步发酵多功能沼气池的基础上，经过 多次改进研制成功的。该池型充分利用了生物质厌氧发酵的动力学特性，实行了 系统内部的自动高效运行状态，具有两步发酵、旋流布料、自动循环搅拌、菌种 回流和富集增殖的功能。 强回流沼气池：强回流沼气池是在江西广泛使用的一种池形。农业部要求建沼 气池要三结合。三结合就是要求将厕所、猪圈的粪便进到沼气池里，从根本上改 善农民居住环境的卫生状况，改变农民的生活卫生习惯，减少传染病和疾病流传， 同时又丰富了沼气池的原料，通过发酵的粪便，大部分病菌都被杀死，肥效提高， 对农作物非常有好处。强回流的一种方式就是通过一个手动的冲厕泵将沼液从沼 气池的出料间抽出来冲厕所，从厕所下水道连同粪便一起回到沼气池内。另一种 方式就是利用沼气池产气变化，将沼液从出料口压出再从进料口进入沼气池内， 这种池形的水压间在沼气池的拱盖上，还可以节约用地。 1 2 3 贵州农村沼气工程建设及建池方法的基本概况 我省农村沼气建设起步于七十年代，直到九十年代末发展都较缓慢，到了 1 9 9 9 年全省累计才建成沼气池2 万多口。2 0 0 1 年，贵州省委、省政府确立了“生 态立省 战略，在实施西部大开发中，把大力发展农村沼气作为巩固生态建设成 果、节约资源、改善农村生产生活条件，改善生态环境和促进农村社会进步的一 项重要举措来抓，从此拉开了大面积推广农村沼气的序幕。当年，安排以工代赈 资金5 0 0 万元，在2 0 多个县建设1 万户沼气池。2 0 0 1 年8 月，朱镕基总理到贵 州视察工作，批准立项了“贵州省农村沼气建设项目，确定“十五期间中央 财政转移支付每年安排5 0 0 0 万元支持我省农村沼气建设，修建沼气池1 0 万户， 并作为每年为民要办的“十件实事之一 。2 0 0 5 年省政府在财政十分紧张的情况 下拿出资金1 5 亿元来发展农村沼气，充分表明贵州省政府对“生态立省 战略 1 0 的高度重视，并明确“十一五 期间每年不低于2 0 万户的建设目标。到2 0 0 5 年 底，全省已新建沼气池7 0 余万口( 累计7 3 万多口) ，年节省薪柴1 8 2 万吨( 折 合标煤9 0 余万吨) ，建成沼气生态农业示范点6 0 0 多个，改善了农村卫生条件， 增加了农民收入，仅燃料和肥料效益就可使户均年直接增收节支8 0 0 元以上，实 现了阶段性的跨越发展。 沼气池型的推广具有漫长的发展过程，它与沼气工程的技术进步息息相关。 在2 0 世纪8 0 年代初，贵州开始农村沼气池建设，从1 9 8 4 - 1 9 8 9 年使用的是典型水 压式沼气池池型。1 9 9 0 - 1 9 9 9 年使用的是“园、小、浅 小型高效沼气池。这是 贵州农村沼气建设项目一二期工程和农业部小型公益建设项目实施所选的池型， 在建池方法上，大部分使用钢模浇筑成型，池底是平底，在浇筑成型的沼气池经 粉刷后，安装活动盖，有的还安装了钢筋制作的搅拌器。此池型具有省工、省时、 缩短工期等特点，在贵州农村沼气项目建设第一二期工程和小型公益项目实施 中，发挥了巨大的作用。但存在以下问题： ( 1 ) 由于出料间占用的钢模比重大，增加了钢模投资成本及搬运量。 ( 2 ) 因“园、小、浅 沼气池功能单一，在三结合方面，不能起到回流、冲厕、 搅拌作用，水源条件好的村寨，农户多次冲厕，降低了料液浓度，影响产气率。 ( 3 ) 因进出料间在池子两侧，跨度大，占地面积偏大。 2 0 0 0 2 0 0 2 年使用的是江西强回流沼气池。2 0 0 2 2 0 0 4 年使用的是改进型水 压式沼气池一即昆明曲流布料沼气池型， 2 0 0 4 年，贵州省农村沼气建设项目三期工程建设期间，针对型老化问题，贵 州在参考江西强回流沼气池的基础上，结合一池三改的要求，进行改进，并配备 三泵功能，形成了贵州改进型“多能高效”a 、b 型沼气池。在建池方法上，大部 分采用砌砖架拱，少数地方用钢模浇筑池顶、储气间。采用预制进、出料管，在 浇筑前安装好；池底为斜底，水压间采用顶置式。在水压间盖板预留抽厕泵，综 合利用泵安装孔，以及抽渣泵孔。改进型多能高效沼气池成为近几年贵州推广使 用的最新池型。 1 3 本课题研究的意义及内容 1 3 1 本课题研究的意义 贵州作为一个亚热带季风气候区，大部分地区温和湿润，年平均气温一般在 1 4 1 2 - - 1 6 ( 常温发酵区适宜温度为1 0 2 6 ) ，无霜期3 0 0 天以上，沼气池发 酵产气所需要的温度条件比较理想。全省农村普遍都有以户为单位饲养猪、牛、 马、羊的习惯。2 0 0 3 年的数据显示，全省农村生猪存栏1 5 3 3 万头，户均1 8 5 头，大牲畜8 0 1 万头，户均0 9 9 头，基本满足每户一口8 - 1 0 立方米沼气池每 天的进料需求；贵州7 0 是岩溶山区，全省岩溶地貌占国土面积的6 1 9 ，山高 坡陡，地势崎岖，土层浅薄，水土流失面积大，石漠化日趋严重，生态环境十分 脆弱。环境的破坏与人们大量砍伐薪柴作为燃料有直接的关系。煤炭资源是我省 能源结构中的重要组成部分，已探明储量4 9 1 亿吨，资源比较丰富，但主要分布 在省的西部和中部的十几个县市，东部有1 9 个县市无煤矿资源，北部和南部除 个别县外，煤矿资源也较少。由于我省农村居住分散，地势崎岖，交通运输极为 不便、农民不富裕等原因，致使全省6 0 以上的农户仍然以薪柴、秸秆为生活燃 料。全省农作物秸秆总产量达6 0 卜7 0 0 多万吨，有5 0 以上的被作为燃料烧掉， 影响了秸秆还田，土壤有机质含量逐年下降。在采用薪柴和秸秆做燃料的农村， 多数农户仍采用传统的“老虎 灶，热效率低，消费惊人，造成能源短缺严重。 随着贵州经济的发展，人均能源需求逐年增加，供需矛盾日趋尖锐，成为制约贵 州经济可持续发展的重要因素。因此加强贵州农村沼气能源建设，不仅是农业和 农村经济发展的现实需要，也是建设资源节约型与环境友好型新农村的重要任 务。 发展农村沼气在贵州十分必要：一是国家在实施天然林保护、退耕还林政策 后，禁采禁伐，林区县的农村生活用能矛盾十分突出，部分农民铤而走险，偷伐 林木；二是国家对3 万吨以下，无安全设施的乡镇小煤窑实行关闭政策，造成煤 价上涨，矿区农民守着煤矿无煤烧，生活用能失去来源，迫使农民乱砍滥伐，破 坏森林资源的情况时有发生；三是农户修建沼气池后，能有效地对人畜粪便等生 活污染源进行无害化处理，并带来村容村貌、居家坏境及个人卫生的改善。通过 “三沼综合利用，可有效地推进生态农业生产的发展，促进农业增效、农民增 收，为社会主义新农村建设打下基础。我省地处长江、珠江上游，沼气的建设对 建立和巩固“两江 沿岸生态屏障，减少水土流失都具有深远的意义。可见沼气 建设是扎实推进资源节约与环境友好型新农村建设的有力举措，以沼气为核心的 生态家园建设能增加农民收入，促进农业和农村经济发展；发展以沼气为主的可 1 2 再生能源，是缓解农村能源短缺，提高农民生活质量的有效途径；沼气建设可巩 固我省生态环境建设的成果，促进人与自然的和谐发展；沼气建设能有效地改善 农村生活环境，实现了乡风文明、村容整洁的要求。 贵州农村沼气工程的发展历程可见，贵州的沼气工程技术人员在沼气池结构 的选用上，根据贵州的农户结构、饲养习惯、地形地貌、气候温度等实际情况， 进行了许多的探索，从使用典型国标水压式沼气池开始，到不止一次引进外省的 池型结构，再到改进更加适合我省情况的沼气池，每一次改进都受到使用者的欢 迎，使用者往往认为后建的沼气池比以前建的要好用；同时，全国其他地区根据 各地情况也在不断探索和改进。 由于农村沼气池使用对象是分散农户的特点及沼气技术发展历程的需要，沼 气池结构的进步需要经历从简单低效一复杂高效一简单高效的过程，不断进行结 构改进的探索是必要的；由于沼气工程技术包括了微生物学、建筑、机械工程、 化工等多学科的综合，机械工程专业技术人员对这项事业的参与也是必要的。沼 气池作为沼气生产的主体设备，其结构的完善和建池手段直接影响整个沼气生产 过程的优劣。贵州及四川在7 0 年代建设的沼气池，大都在使用1 - - - 2 年后就出现 问题而报废；8 0 至9 0 年代建设的沼气池，也存在大量病池，很多已停用。据2 0 0 5 年对我省9 个地( 州、市) 调查，大约5 左右的沼气池不能正常使用，其中一 部分原因就是建池质量造成的，如贵阳市已建池1 6 万口，7 的沼气池存在病漏， 有大略1 万口病漏池。近几年来，贵州农村沼气工程建设得到了快速发展，在数 量上以每年1 0 , - - - 2 0 万口的速度增长，但随着投入使用数量的增加和沼气池使用 年限的增长，沼气池结构上的一些弱点也暴露出来，因此研究和改进适合本地区 的农村户用沼气池和建池技术很有必要。沼气工程技术中的关键环节就是沼气池 的设计建造，因此，提高技术含量，改进池型结构，研究设计建池模具，对快速 高质量地建设沼气池，提高产气率，减少病漏池的比例十分重要。这里需要强调 的是，由于农村沼气工程是在广大农村大面积推广，因此，沼气池设计建造中的 任何一点技术进步，都会为整个沼气生态农业建设带来较大的综合效益。 1 3 2 本课题研究的主要任务及内容 贵州沼气建设工程实施以来，使用了多种沼气池型，本课题研究的主要任务， 就是要在充分认识沼气发酵工艺及沼气池结构设计基本要求的基础上，对照农村 水压式沼气池结构国家标准图集，以比较优化方式进行分析，认真研究比较贵州 1 3 历年来推广使用的农村沼气池结构及功能上的优缺点，应用机械工程设计思想， 以贵州近几年推广使用的改进型“多能高效沼气池的改进和寻求更加合适的搅 拌方式为重点目标。针对传统的机械搅拌方式不易控制、动力不便、故障多的弊 端和传统强回流搅拌的不足，寻求新的搅拌方法，来提高池内混合搅拌效果，改 善浮渣层结壳的状况，提高产气效能；同时针对改进后的沼气池，研究设计适合 改进后沼气池修建的钢模，确定建池用钢模的结构方案及主要零件的设计参数及 结构，完成主要零部件的结构设计。为贵州目前推广使用的改进型“多能高效 沼气池的进一步优化改进提供依据，推动钢模化建池，以提高建池质量，延长沼 气池使用寿命。因此该研究的主要内容应包括： ( 1 ) 充分认识沼气发酵工艺及沼气池结构设计基本要求，研究比较贵州历年来 推广使用的农村沼气池结构及功能上的优缺点，改进现行沼气池结构，使结构更 加合理； ( 2 ) 遵循沼气发酵的基本原理，研究更加简单实用的搅拌方法，改善沼气池沼 液浮渣层结壳的状况，提高产气效能。 ( 3 ) 根据新设计的池体结构参数，确定建池钢模的设计方案及主要零件的结构 及尺寸。 该研究要解决的关键问题是寻找更加简单有效的方法，提高沼液搅拌效果， 改善结壳状况，提高产气效能。 第二章沼气生产的原理及条件 2 1 沼气发酵与沼气 2 1 1 沼气发酵 沼气发酵也叫厌氧消化，是指利用人畜粪便、秸杆、污水等有机物质在密封 的沼气池内，在一定的温度、湿度、酸碱度及厌氧条件下，通过厌氧性微生物的 分解代谢而产生沼气的过程。在这个过程中，微生物是最活跃的因素，它们把各 种固体状或溶解状态的复杂有机物，按照各自的营养需要，进行分解转化，最终 生成沼气。因此，沼气是有机物在一定的温度、浓度、酸碱度和隔绝空气( 厌氧) 的条件下，经过微生物的作用而发酵产生的一种可燃性气体。沼气| 斑垮驹鼢是甲 烷占5 5 - - 7 0 ，二氧似羰占2 5 - - - 4 0 ，此夕k 礴型遇哟氢气硫化氢、一氧嘲文氮和 氪 1 4 沼气发酵是一个复杂的微生物过程，参加发酵的微生物数量巨大种类繁多， 只有了解了参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照此规 律去修建沼气池，才能营造微生物的最佳生长环境，才能获得较多的产气量和发 酵良好的沼肥，提高沼气生产的综合效果。 2 1 2 沼气发酵微生物 在沼气发酵过程中，有发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食乙酸 产甲烷菌等五大类微生物参加沼气发酵，它们发酵过程中的作用及对生成条件的 要求分成三个阶段。 ( 1 ) 液化阶段在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，如纤 维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解，也就是把禽畜粪便、 作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、 甘油和脂肪酸等小分子化合物。 ( 2 ) 产酸阶段这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化 阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和 二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化成产甲烷菌 可利用的乙酸、氢和二氧化碳。 另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代 谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。 液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统称不产甲烷阶段，在这个过程中，不 产甲烷的细菌种类繁多、数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为 产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。 ( 3 ) 产甲烷阶段在此阶段中，产甲烷细菌群可以分为食氢产甲烷菌和食乙酸产 甲烷菌两大类群，已研究过的就有7 0 多种产甲烷菌，它们利用以上不产甲烷的三 种菌群所分解转化的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成甲烷。 产甲烷菌的共同特征是：生长非常缓慢，如甲烷八叠球菌在乙酸上生长时 其倍增时间为1 2 天，甲烷菌丝倍增时间为和9 天；严格厌氧，对氧气和氧化 剂非常敏感，在有空气的条件下就不能生存或死亡；只能利用少数简单的化合 物作为营养；它们要求在中性偏碱和适宜温度环境条件；代谢活动主要终产 物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。 1 5 2 1 3 沼气发酵原料 沼气发酵原料是沼气发酵的物质基础，是沼气发酵微生物正常生命活动所需 能量、养分的供给来源。自然界中，沼气发酵原料非常丰富，如：人畜粪便、作 物秸杆、各种青杂草、工副业产的有机废物，生活垃圾、水等，而农村沼气发酵 原料主要是人畜粪便、有机废水、易腐烂的绿色植物，作物秸杆等。 沼气发酵原料按其成份比例不同常分为两大类：一类为富氮原料，即含氮量 相对较多，如人畜粪便，这类原料具有发酵快、周期短、进出料容易、管理方便 的特点，是沼气发酵的主要原料。另一类是富碳原料，含碳量相对较多，具有发 酵慢、产气周期长、进出料困难、不易腐化、易结壳等特点，故不宜直接进池发 酵，而应采取粉碎，酸化池预酸化，堆腐等预处理后，再入池参与发酵。 2 1 4 沼气发酵类型 ( 1 ) 沼气发酵按投料方式分为： 连续加料发酵连续发酵是采用连续、定量进料和出料，使正常发酵长期连 续下去的发酵方式，其特点是进料均衡，能保持稳定的发酵