沼气池课程设计.doc

户用沼气池课程设计 学 院：水利与环境学院 专 业：环境工程 指导老师： 姓 名： 学 号：二零一四年六月十八日目录1.前言21.1沼气的定义21.2沼气工程原理21.3影响厌氧消化的因素31.4厌氧消化工艺41.5沼气工程的现状和前景41.6沼气发酵的优缺点51.7水压式沼气池51.8水压式沼气池的优缺点62、依据73、设计说明书73.1 设计题目73.2 设计目的73.3 设计参数73.4发酵液的计算83.6进料口（管）的设计133.7水压间设计153.8发酵原料预处理163.9设计沼气池发酵池注意事项164、设计计算书174.1工艺流程设计174.2发酵液的计算174.3发酵间的设计184.4进料口（管）的设计215、 设计小结226、参考资料231.前言沼气发酵是一种古老的有机物发酵方法，广泛存在于自然界。它是各种有机物在兼性厌氧菌和专性厌氧菌等微生物的联合作用下，进行生物降解并生成有机酸、醇、二氧化碳和氢气等物质，并经产甲烷细菌等微生物进一步厌氧消化转化为以甲烷为主要成分的生物气的过程。农村厌氧发酵主要原料是秸秆、畜禽粪便等“废弃”资源。1.1沼气的定义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，产生的一种可燃性气体。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷5070%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。1.2沼气工程原理沼气含多种气体，主要成分是甲烷（CH4）。沼气细菌分解有机物产生沼气的过程，叫沼气发酵，由于这个过程是在厌氧条件下完成的，所以沼气发酵也称为厌氧发酵。参与厌氧发酵过程中各类细菌的种类和作用可以分为两大类。第一类细菌叫分解菌，他的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳（CO2）等。他们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的；叫脂肪分解菌；第二类细菌叫甲烷细菌，通常叫甲烷菌，他的作用是将简单的有机物及二氧化碳还原成甲烷。因此，有机物变成沼气的过程，就好比工厂里生产一种产品的两道程序：首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物加工成产品即生成甲烷。厌氧发酵的原理一般是三阶段理论：即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产沼气（甲烷）阶段。（1）水解阶段水解阶段是复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子有机物首先在细胞外酶的作用下转变为小分子物质，这些小分子物质的水解产物能溶解于水，并能透过细胞膜，被细菌所利用。（2）产氢产乙酸阶段产氢产乙酸阶段是在产氢、产乙酸菌的作用下，把第一阶段水解发酵的末端产物进一步转化成氢、二氧化碳和乙酸等。丙酸 CH3CH2COOH+6H2OCH3COOH+6H2丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2乳酸 CH3CHOHCOOH+2H2OCH3COOH+CO2+2H2（3）产甲烷阶段产甲烷阶段是通过两组不同的产甲烷菌作用，将乙酸、氢气和碳酸、甲酸等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞质。4HCOOHCH4+3CO2+2H2OCH3COOHCH4+CO2CH3COONH4CH4+NH4HCO34H2+CO2CH4+2H2O1.3影响厌氧消化的因素厌氧消化过程中，有以下几种因素对其有重要影响：1、温度因素：厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。2、严格的厌氧环境：有机物分解，在好氧条件下产生CO2，在厌氧条件下产生CH4，起主要作用的沼气菌都是严格厌氧的，因此沼气池必须是严格密封的；3、营养与C/N比：厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氮素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素（CODNP=20051）。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。若C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。4、适宜的干物质浓度：夏季一般为6%8%，冬季一般为10%12%。浓度过高过低都不利于沼气发酵。浓度过高，则含水量过少，发酵原料不易分解，并容易积累大量酸性物质，不利于沼气菌的生长繁殖，影响正常产气；浓度过低，则含水量过多，单位容积里有机物的含量相对减少，产气量也会减少，不利于沼气池的充分利用；5、适宜的PH：PH值对沼气菌的活动有影响，在发酵过程中，PH值一般很低，然后基本恒定，应保持在79为宜。6、有毒物质：挥发性脂肪酸（VFA是消化原料酸性消化的产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。1.4厌氧消化工艺沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍采用两种工艺，即自然温度半批量投料发酵工艺和自然温度连续投料发酵工艺，本次设计选用自然温度连续投料发酵工艺。自然温度连续投料发酵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，使沼气微生物区系稳定，保持逐步完善原料消化速度，提高原料利用和沼气负荷能力，达到较高的产气率，而且工艺自身耗能少，简单方便，农田容易操作，其流程如图11。原料（人畜粪便等）厌氧发酵间水压（出料）进料间农田图111.5沼气工程的现状和前景（1）沼气工程现状可用于沼气生产的资源丰富：工业有机废水：每年排放25亿吨，还有7378万吨残渣；目前中国畜禽养殖业每年产生约30亿吨粪便，主要来源于农村家庭散养和规模化养殖。资源没有得到有效利用- 造成严重污染：一些可以生化降解的有机质没有有效应用于沼气发酵，而是采用了填埋和焚烧的方法，对于土壤和大气产生了比较严重的污染。（2）沼气工程前景尽管在能源、环保市场上，沼气事业可能受到来自政策和经济上的压力，但在今后1O年内，我国大中型沼气工程的发展前景仍是有希望的：畜禽粪便沼气工程将呈现强劲的发展势头，并在规模效益、整体技术水平上有大幅度的进展，与之相配套的设备及装置也将进人工厂化生产，并逐步形成沼气行业的支柱产业和产品。 厌氧消化技术将更广泛地应用于高浓度、高悬浮物的工业有机废水的处理，并将成为全球向污染开战、保护生态环境的高科技领域中的一个重要分支。1.6沼气发酵的优缺点沼气发酵技术能够将废弃物中的能量释放出来使人们得以再利用，不但减少了浪费，而且能避免其对环境产生污染等，具有众多优点，现总结如下： 1、沼气发酵后残渣中有机物含量减少，发酵残渣可作为饲料，又可以作为优质的有机肥料，扩大了有机肥料的来源。 2、消化后残渣是一种气味很小的固体或流体，不吸引苍蝇或鼠类，对于生活环境没有不利影响。 3、可产生有用的终产物甲烷，它是清洁而方便的燃料，燃烧后不会污染环境。 4、发酵过程中N、P、K等肥料成分几乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨态氮，速效性养分增加； 5、沼气发酵在处理有机物可大量地节省曝气消化所消耗的能量；6、厌氧活性污泥可保存数月而无需投加营养物，当再次投料时可很快启动。1.7水压式沼气池本次设计采用水压式沼气池。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，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。其结构简图如下：图1-2 水压式沼气池结构简图1.8水压式沼气池的优缺点1、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。2、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。2、依据GB/T 4750-2002 户用沼气池标准图集DB37/T 150-2007 户用沼气池设计规范固体废物处理处置实践教程，宁平，北京：化学工业出版社，20053、设计说明书3.1 设计题目户用沼气池工程设计3.2 设计目的通过课程设计进一步消化和巩固环境工程设计课程所学内容，并使所学知识系统化，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，培养确定厌氧处理系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程制图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。3.3 设计参数3.3.1 气压沼气池的产气量和沼气池内气压紧密相关，随气压的增加，其产气量相应减少。甲烷菌在40m静水压力下可正常活动，但对压力的变化极为敏感，因此沼气池发酵工艺要求沼气池内气压有一个相对稳定的状态，沼气池气压过大或过小，均对充分燃烧不利。水压式沼气池设计气压为58867848Pa，设计时取7480Pa。3.3.2 池容产气率 产气率是指每立方米发酵料液每天的产气量，以表示。发酵原料、浓度、温度、发酵工艺等都会影响产气率。设计产气率是指设计时沼气池正常运转过程中应该达到的产气率。目前农村家用沼气池大部分采用常温即自然温度发酵工艺，在正常运转情况下，每昼夜1发酵料也的产气量为0.150.30，夏季产气旺盛，冬季较差。3.3.3 贮气量贮气量系指期箱内的最大沼气贮存量。由于沼气池的产气速率和用气速率的不同，沼气发酵工程中需配套设置贮气装置，以便有效调节产气和用气之间的矛盾。水压式沼气池水压间的有效容积就是贮气容积。农村户用沼气池的贮气容积可按昼夜产气量的50%（12h产气量）确定，其值与有效水压间的容积相等。3.3.4 池容池容系指发酵间的容积。农村户用沼气池，根据目前一般水平，每人每天用气量为0.20.3，因此沼气池容积可参照人数多少定为410。农村家用水压式沼气池的沼气容积有4、6、8、10等几种。3.3.5 投料率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。3.4发酵液的计算3.4.1发酵料液体积的计算 （3-1) 式中：发酵料液体积，；产人粪便总量，按常住人口0.006-0.013取值；产牲畜粪便总量，按养猪头数0.006-0.15 取值；每日舍外能定量收集粪便总量，；收集系数，取值0.5-1.0；原料滞留期（d）,蔬菜区取30，平坝农业区取35，丘陵区取40。3.4.2气室容积的计算 （3-2)式中:气室容积，；发酵料液体积，；原料产气率，。我国通常采用的产气率包括0.2、0.3、0.4。3.5发酵间的设计3.5.1发酵间的容积 （3-3)式中： 发酵间容积，； 发酵料液体积，； 气室容积，； 容积保护系数，取0.9-1.05。3.5.2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。（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。Q1 f1Q2 H f2Q3 DR 图3-1 水压式沼气池发酵间尺寸示意图 池盖削球体矢高及曲率半径 （3-4) （3-5)式中： 池盖削球体矢高，； D圆柱体形池身内直径，； 直径与池顶矢高的比值，取56。 池盖削球体曲率半径，；池盖削球体净容积 （3-6)式中： 发酵间池底削球体净容积，； 池盖削球体矢高，； 池身圆柱体内半径，。（3）发酵间池底削球体矢高和净容积 池底削球体矢高 （3-7) （3-8)式中： 池底削球体矢高，； D池身圆柱体内直径，； 直径与池底矢高的比值，取810； 池底削球体曲率半径， 池底削球体净容积 （3-9)式中： 发酵间池底削球体净容积，； 池底削球体矢高，； 池身圆柱体内半径，。（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 （3-10) 式中： 发酵间池身圆柱体净容积，； 发酵间总容积，； 发酵间池底削球体净容积，； 发酵间池底削球体净容积，。发酵间池身圆柱体高度 （3-11) 式中： 发酵间池身圆柱体净容积，； 发酵间池身圆柱体内半径，； 发酵间池身圆柱体高度，。（5）发酵间总表面积池盖削球体球面内表面积 （3-12) 式中： 池盖削球体内表面积，； 池身圆柱体半径，； 池盖削球体矢高，。圆柱体池身内表面积 （3-13) 式中： 池身圆柱体内表面积，； 池身圆柱体半径，； 池身圆柱体高度，。池底削球体内表面积 （3-14) 式中： 池底削球体内表面积，； 池底削球体矢高，； 池身圆柱体半径，。发酵间总表面积 （3-15) 式中： 内总表面积，； 池盖削球体内表面积，； 池身圆柱体内表面积，； 池底削球体内表面积，。3.6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；下部圆管才用200300mm预制混领土管或现浇混凝土管，管与池墙角不小于30。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。 3.6.1计算死气箱拱的矢高：死气箱拱的矢高即池盖拱顶点到发酵间的最高液面，如下图所示：图3-2死气箱拱的矢高示意图其中死气箱拱的矢高可按下列式计算。fs=h1+h2+h3 （3-16)式中:h1池底拱顶点到活动盖下缘平面的距离，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。 3.6.2死气箱容积Vs=fs2（1-fs/3） （3-17)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。 3.6.3投料率根据死气箱的容积，可计算出沼气池投料率，即 （3-18)式中:V，V死分别为发酵间容积和死气箱容积，m3。 3.6.4最大贮气量V贮=池容池容产气率1/2 （3-19) 3.6.5气箱总容积 （3-20)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）。 3.6.6发酵间最低液面位对一般沼气池来说，V气均大于Q1,也就是说，最低页面位置在圆筒形池身范围内。此时，要确定进、出料管的安装位置，应按下列公式先计算出气箱在圆筒形池身部分的容积为 （3-21) 圆筒形池身内气箱部分的高度为h筒=V筒/R2 （3-22)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。3.7水压间设计 （3-23)（1）水压间地面标高：此标高应确定在发酵间初始工作状态时的液面位置O-O水平、水压间地面标高即为发酵间的最高液面处，即发酵间的失高，即可知水压间的标高为死气箱拱的失高，为0.42，即低于地面0.42。（2）沼气池最大液面差 （3-24)其中：为发酵间最大下降值；为气压间液面最大上升值，由于料液比重接近于1，因此一般将料液面的差值视为池内沼气气压强值。 （3-25)（3）为圆筒形池身内气箱高；H为发酵间池身圆柱体高度。（4）水压间直径D：设计水压间为圆柱筒形，可以计算（5）水压间容积V：此容积等于池内最大贮气量（5）水压间具体计算数据如下表：表2-2 水压间参数高（m）直径（m）容积（m3）标高0.681.230.810.423.8发酵原料预处理猪粪便中含有大量的硫蛋白质，含硫蛋白质在厌氧的条件下分解出硫化氢，当含硫酸盐较多的污水进行厌氧发酵时，污泥中含有较多的硫酸盐还原菌，由于反硫化作用的存在使硫酸盐还原成硫化氢，硫化氢的产生对甲烷的产生过程起两次抑制作用，一是反硫化作用的自由能比甲烷发酵的自由能低，反硫化作用易进行，与甲烷争夺氢而产生一次抑制作用；二是料液中硫化氢的积累会对甲烷菌细胞的功能产生直接的抑制作用，使甲烷菌的种群减少，形成二次抑制。所以在发酵前需进行预处理。处理方法为：（1）先撒一些水在猪粪上，并盖上薄膜。（2）堆沤3-7天，使热量聚集，微生物大量繁殖。（3）观察猪粪颜色的变化，变为咖啡色即达到要求。3.9设计沼气池发酵池注意事项（1）严禁将有剧毒农药，特别是有机杀菌剂、杀虫剂以及抗菌素，刚喷过农药的作物茎叶、刚消过毒的禽畜粪便，能做土农药的各种植物如葱、蒜、辣椒、韭菜、桃树叶、苦皮藤、马钱子果等，重金属化合物、含有毒性物质的工业废水、盐类如：电石、洗衣粉等加入池内；（2）禁止池内加入油枯、骨粉、磷矿粉等含磷物质；（3）在加入过多秸秆和青草时，应同时加入适量草木灰或石灰水和接种物进行酸碱中和，防止料液酸化；（4）避免过多加入石灰等碱性物质，防止碱中毒；（5）避免加入过多含氮量高的人畜粪便，发酵料液浓度过大，接种物少，使氨态氮浓度过高引起的中毒现象，防止碱中毒。如果发现中毒，应该将池内发酵料液取出一半，再投入一半新料就能正常产气。4、设计计算书4.1工艺流程设计选用自然温度连续投料发酵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，使沼气微生物区系稳定，保持逐步完善原料消化速度，提高原料利用和沼气负荷能力，达到较高的产气率，而且工艺自身耗能少，简单方便，农田容易操作。人畜粪便进料间进料厌氧发酵间水压间炊具灯具农田沼渣沼液沼气图4-14.2发酵液的计算4.2.1发酵料液体积的计算 式中： 产人粪便总量，按常住人口40.01取值； 产牲畜粪便总量，按养猪头数100.02 取值； 每日舍外能定量收集粪便总量，,； 收集系数，取值为0.8； 原料滞留期（d）,取值=35d 4.2.2气室容积的计算式中:原料产气率，取值4.3发酵间的设计4.3.1发酵间的容积=式中：容积保护系数，取值1.04.3.2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。综合圆形沼气池的内力结构计算、材料用料计算和施工、管理、使用技术等各种因素，一般认为，当池盖矢跨比，池底矢跨比和池身高时，沼气池的尺寸比较合理。将，分别带入3-6、3-9、3-10后进行整理，得则发酵间的总容积计算为：即故即可确定发酵间的直径为2.4m则沼气池内直径选择为，壁厚取，外直径（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。 池盖削球体矢高及曲率半径式中： 直径与池顶矢高的比值，取值 池盖削球体曲率半径， 池盖削球体净容积式中： 池身圆柱体内半径，取值（3）发酵间池底削球体矢高和净容积 池底削球体矢高及曲率半径式中： 直径与池底矢高的比值，取值 池底削球体曲率半径， 池底削球体净容积式中： 池身圆柱体内半径，取值（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发酵间池身圆柱体高度（5）发酵间总表面积池盖削球体球面内表面积圆柱体池身内表面积池底削球体内表面积发酵间总表面积 (6)发酵间具体的计算数据如下表所示：表3-1 发酵间参数高（m）直径（m）池顶矢高（m）池顶曲率半径（m）池底矢高（m）池底曲率半径（m）0.922.400.481.740.302.554.4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；下部圆管才用200300mm预制混领土管或现浇混凝土管，管与池墙角不小于30。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。4.4.1计算死气箱拱的矢高：死气箱拱的矢高即池盖拱顶点到发酵间的最高液面。其中死气箱拱的矢高可按下列式计算。fs=h1+h2+h3=12+5+25=42cm=0.42m4.4.2死气箱容积Vs=fs2（1-fs/3）=（1.740.42/3）=0.89m34.4.3投料率根据死气箱的容积，可计算出沼气池投料率，即：=(6.00-0.89)/6.00100%=85.17%4.4.4最大贮气量=6.000.31/2=0.904.4.5气箱总容积=0.89+0.90=1.79m34.4.6发酵间最低液面位对一般沼气池来说，V气均大于Q1,也就是说，最低页面位置在圆筒形池身范围内。此时，要确定进、出料管的安装位置，应按下列公式先计算出气箱在圆筒形池身部分的容积为： =1.79-1.14=0.65m3圆筒形池身内气箱