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1、 水压式沼气池设计（83农村家用水压式沼气池设计） 院 系： 学生姓名： 专 业： 班 级： 学 号： 目录一、前言3二、 课程设计的题目3三、 课程设计的目的4四、设计的依据4五、设计参数4六、工艺流程41.自然温度半批量投料发酵工艺42自然温度连续投料发酵工艺5七、设计说明51、水压式沼气池结构52、 沼气原料5（1）原料的碳氮比5（2）沼气原料产期率6（3）厌氧发酵的影响因素7八、设计计算7【发酵间的设计】7【进料口（管）的设计】9【水压间（管）的设计】10【沼气发酵的投料计算】10九、沼气池的运行管理及异常情况10【发酵原理的预处理】10【运行管理】11【异常情况】12十、设计小结13
2、文献资料14附图14 水压式沼气池课程设计说明书一、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。 厌氧发酵也称沼气发酵，是指有机物在无氧条件下经厌氧菌作用分解转化为甲烷（或沼气）的过程。 厌氧发酵是一个复杂的生物化学过程。主要依靠四大主要类群的细菌，即水解发酵细菌群、产甲烷细菌群和同型产乙酸细菌群的联合作用共同完成厌氧发酵制沼气的过程。因此厌氧发酵可分为三个阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产沼气阶段，如下：水解发酵产甲烷产氢产乙酸 复杂有机物（碳水化合物、蛋白质、脂类） 简单有机物（单糖、氨基酸、脂肪酸等）NH3、
3、H2S有机酸（丙酸、丁酸等）、醇类（乙醇、丙醇等）H2/CO2、甲醇、甲酸、甲胺 乙酸 CH2、CO2酸性发酵阶段产甲烷阶段 目前，厌氧消化技术生产沼气在各个国家都得到很好的发展。我国是世界上最早利用沼气的国家之一。我国沼气事业发展得到了政府的大力支持，特别是在农村，我国沼气事业经过了近80年的科学研究和和生产应用，中国特色的沼气技术逐步成熟。发展沼气工程可以带来巨大的经济和社会效益。二、 课程设计的题目 水压式沼气池的设计三、 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
4、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、设计的依据设计与“模式”配套的沼气池，制定建池施工方案，必须考虑下列因素：(1) 选择池基应考虑土质建造沼气池，选择地基很重要，这是关系到建池质量和池子寿命的问题，必须认真对待。(2)设计池子应考虑荷载，确定荷载是沼气池设计中一项很重要的环节。荷载的计算标准一般为：池身自重(按混凝土量计算)每立方米为2.5吨左右，拱顶覆土每立方米为2吨左 右， 池内发酵原料每立方米容积为1.2吨左右，沼气池产气后池内每平方米受压为1吨左右。此外 ，经常出现在池顶的人、畜等压力以最大量考虑为1吨左右。所以，地基和承
5、载力至少不能小于每平方米8吨。(3)设计池子应考虑拱盖的矢跨比和池墙的质量建造沼气池，一般都用脆性材料，受压性能较好，抗拉性能较差。在设计削球形池拱盖时矢跨比一般在1416之间；在设计反削球形池底时矢跨比为18左右。池墙基础的宽度不得小于40厘米，基础厚度不得小于25厘米。一般基础宽度与厚度之比，应在 1:(1.52)范围内。【1】五、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(m3池容. d)。常温下我国常用的池容产气率为0.2 m3（m3. d）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
6、最大贮存气量以12h产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。4、池容：指发酵间的容积。本次设计的农村家用水压式沼气池的池容积为8 m3。5、投料率：指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比。六、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，基本流程如图1所示:加活性污泥定期出料送农田原料选择原料预处理配料入池发酵产气大出料图1 自然温度半批量投料发酵工艺 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
7、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。其简单工艺流程如下：人畜粪便(青草及农业废物)进料间厌氧发酵间水压（出料）农田七、设计说明 1、水压式沼气池结构 厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行。我国沼气发酵池类型较多，其中，水压式沼气池是在农村推广的主要池型。水压式沼气池是一种埋设在底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
8、、水压间、导气管几个部分，结构如图2： 图2 水压式沼气图结构简图 其工作原理为：产气阶段，发酵池内发酵产气，发酵间的气压随产气量增大而增大，造成水压间液面高于发酵间液面：使用沼气时，发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间。2、 沼气原料（1）原料的碳氮比 如同好氧堆肥中的好氧微生物，厌氧微生物对原料中的碳氮质量比也有一定要求。常用沼气发酵原料的碳氮比如表1： 原料原料中碳素含量/%原料中氮素含量/%碳氮比（C：N）干麦秸干稻草玉米秆落叶大豆茎鲜羊粪鲜牛粪鲜马粪鲜猪粪鲜人粪鲜人尿野草 46 42 40 41 41 16 7.3 10 7.8 2.5 0.4 14 0.53 0.63 0.75
9、1.00 1.30 0.55 0.29 0.42 0.60 0.85 0.93 0.54 87:1 67:1 53:1 41:1 32:1 29:1 25:1 24:1 13:1 3:1 0.43:1 26:1 表1 常用厌氧发酵原料的碳氮比由表可知，不同原料中的碳氮比差别很大，比值大的为贫氮原料，如作物的秸秆、叶、茎等；比值小的为富氮原料，如人畜粪便。厌氧发酵原料的适宜碳氮比为（2030:1），碳氮比达到35:1时，产量明显下降。为提高发酵产气量，可将贫氮原料与富氮原料适当配合成具有适宜碳氮比的混合原料。混合原料碳氮比的计算。根据各种原料的碳氮比，由以下公式可以计算混合后原料的碳氮比，或者根
10、据要求的碳氮比计算搭配原料的组合方式： 式中，K为混合原料的碳氮比；C、N分别为原料中碳、氮含量，%；X为原料的质量，kg.发酵料浆的配制计算。原料配制成料浆，可根据料浆中的所要求的总固体百分比含量计算加水量。 式中，MTS为沼气发酵料浆中总固体百分含量；X为各种原料（包括水）的质量；M为各种原料总固体的百分含量。【2】（2）沼气原料产期率 沼气发酵原料产气率是指单位质量的原料在发酵过程中产生的沼气量。我国通常用原料所含总固体（TS）的量作原料单位，表示原料的产气量。常用沼气发酵原料的沼气产气率和甲烷含量如表2： 原料名称每吨干物质产生的沼气量/m3甲烷含量/%产气持续时间/d牲畜厩肥猪粪牛粪
11、马粪人粪青草谷壳玉米秆麦秸杂树叶废物污泥碳水化合物类脂化合物蛋白质 260280 561 280 200300 240 630 651 250 342 210294 640 750 1400 980 5060 65 59 60 50 70 62 53 59 58 50 49 72 50 60 90 90 30 60 90 90 表2 常见发酵原料的沼气产气率 （3）厌氧发酵的影响因素厌氧环境，厌氧发酵是厌氧菌分解有机固体废物的过程，而厌氧菌的生存环境要求无氧条件，微量氧也会对各个阶段的厌氧菌产生毒害作用而影响厌氧发酵的效率。因此必须创造良好的厌氧环境。温度，温度是影响产氧量的关键因素。在一定范
12、围内，温度越高，产气量越高。由于细菌代谢速度在3538有一个高峰，5065有另一个高峰，因此，厌氧发酵一般常控制在这两个温度内，以获得尽可能高的降解速度。pH，一般的发酵菌生长的pH范围较广，在pH510的范围内均可发酵。但是甲烷菌要求的pH范围很窄，为pH7.0左右，因此厌氧发酵制沼气的发酵过程都是维持在pH6.87.5之间。为了发酵环境稳定维持在最佳pH范围，可使用石灰乳进行调节。原料配比，不同的微生物所需的营养物质不同，能达到最佳活性所需底物组成各异。为了满足最佳碳氮比要求获得较高产气量，需将贫氮有机物和富氮有机物进行合理配比。碳氮如果过小，则细菌增殖量降低，氮不能被充分利用，过剩的氨变
13、成游离NH3，抑制了产甲烷菌的活动，发酵不容易进行；碳氮比过高反应速率降低，其值为35:1时，产气量明显下降。【3】八、设计计算【发酵间的设计】1、已知池容V=8cm3式中 V发酵间的容积，m;2、贮气量：池容产气率池容1/2=0.281/2=0.8cm3注：我国常用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3，取0.22、 发酵间容积（1）发酵间池盖削球体矢高和净容积池盖削球体矢高： 池盖削球体净容积：式中 f1池盖削球体矢高，m； D圆柱体形池身直径，m； 直径与池体矢高的比值，取5。 V1池盖削球体净容积，m3； 圆周率，取3.14； R池身圆柱体内半径，m。（2）发酵间池底球体矢
14、高和净容积。池底削球体矢高： 池底削球体净容积： 式中 f2-池底削球体矢高,m; D池身圆柱体直径，m； 直径与池底矢高的比值，取值8； V2发酵间池底削球体净容积，m3； （3） 发酵间池身圆柱体容积和池墙高度。 发酵间池身圆柱体高度 ： 发酵间池身圆柱体容积： 式中 V3发酵间池底削球体净容积，m3； R发酵间池身圆柱体半径，m； H发酵间池身圆柱体高度，m。已知：即 故 ；所以 ；【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300预制混领土管，管与池墙角为35。（1）死气箱拱的矢高: 式
15、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15cm； h2导气管下露出长度，取5 cm； h3导气管下口到液面距离，一般取25 cm。则 f死=0. 15+0.05+0.25=0.45 (m)（2） 死气箱容积 式中 V死，f死，P1分别为死气箱容积，死气箱矢高，池盖曲率半径。（3） 投料率根据死气箱的容积，可计算出沼气池投料率，即 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）发酵间最低液面位气箱在圆筒形池身部分的容积为 圆筒形
16、池身内气箱部分的高度为 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。【水压间（管）的设计】 H水压间=h筒+f死+H-0.8=0.08+0.45+1.046-0.8=0.776(m)有效容积： 1 R水压间 =0.441水压式沼气池的尺寸设计完成【沼气发酵的投料计算】本次设计的农村家用水压式沼气池的池容为8 m3，假设一个五口之家一天的用气量为1.2 m3,为了保证每天的供气充足。我们选择了干稻草、人粪、猪粪、青草等作为发酵物。如图3：物料名称产气量m3d投料量kgd碳所占百分比%氮所在百分比%猪粪人粪麦秸0.7200.2800.2001.830 0.70
17、0 0.5857.82.5 460.60.850.53 图3我们计算出了物料的碳氮比为21.4:1，符合沼气池普通的碳氮比要求。九、沼气池的运行管理及异常情况【发酵原理的预处理】 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：1、发酵原料的预处理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。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
18、，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。2、接种物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。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%。3、沼气发酵的启动接种物的准备：为原料总量的10%30%可进行选择和富集培养准备阶段原料的预处理：铡段、粉碎短用作肥料饲料或其他大换料：必要时每年进行12次，消除残渣保留活性污泥放气试火：气压差在20
19、0cm水柱以上时进行加水封池：可用沼气水、坑塘水、河水或井水发酵原料的准备：农业废物收集和能源植物栽培正常运转：每隔57天进出料一次，平均每天每个沼气池投入干物质48kg；用气量大时，平均每天每立方米沼气投入干物质2kg投料干物质含量4%6%启动阶段运转阶段【运行管理】1、每年要清池换料12次。每次投料，人畜粪便占40%，秸秆杂草占10%，水占50%。如原料暂时不足，最小投料量应超过进出料管下口上沿15厘米，以封闭发酵间。发酵料液浓度根据原料及进料季节的气温高低而定，一般为6%10%。每次大出料时要留下10%30%的池底脚渣作接种物，以加快新料的分解，保证及早产气。要严禁农药等有害物入池。2、
20、平时要做到“四勤”管理，即勤进料、勤出肥、勤搅拌、勤检修。每隔57天要在出料口小出肥一次，同时在进料中加入相等数量的新料。勤搅拌能使发酵原料与池内微生物充分接触，加快沼气的产生和阻止发酵原料结壳。勤检修是保证正常用气的关键。对沼气池、管道和开关等输气系统要经常检查，防止漏气或堵塞。3、要注意越冬保温。霜降前尽量向池内添加新料，并适量加入牛、马粪等热性原料，并使用热水。发酵料液浓度控制在10%左右。池顶覆盖秸秆或保温膜等物料，以提高沼气池的发酵温度。确保冬季正常产气。4、每次进出料后，应及时将进出料口及活动盖口盖上牢固的盖板，防止人和畜禽掉入池内，造成不必要的损失。5、经常观测安全水柱压力表，当
21、沼气压力超过设计标准时，应及时用气或放气，以免压力过大损坏压力表和池体。6、禁止在沼气池进出料口或导气管口试火，以免引起回火造成池体爆炸事故。7、沼气灯、灶具要远离柴草等易燃物品，以免引起火灾。当发现漏气时，要及时关闭气源，打开门窗或采取鼓风等措施，排除室内的沼气。8、安全维修和大出料。沼气池是厌氧发酵密闭装置，池内严重缺氧。同时，沼气是易燃气体，并含有H2S、CO等有毒气体，因此，进入池内检修和出料时要特别注意安全。入池工作，只能用手电筒照明，禁止使用蜡烛、火柴等明火，也不能吸烟，以免点燃池内残存沼气，发生烧伤事故。【异常情况】1、 发酵液颜色变黄原因：发酵原料酸化。处理方法：当发酵pH值不
22、低于6时，可向沼气池内增投一些接种物或正常产气池的发酵液。当发酵液oH值低于6时，则需取出13的发酵液，先加入接种物或加入石灰水或草木灰将pH值调至6.5左右后，再补充接种物或正常产气池的发酵液。2、新建池启动后不产气原因：加入的原料和污水过冷、投料时混有有毒物质、沼气池或输气系统漏气。处理方法：取出过冷料液，选择气温较高时重新投料。清除全部有毒料液，重新投料。查清漏气原因，维修或更换。3、有气体产生但不能点燃原因缺少产甲烷接种物。处理方法：暂停进料。补充产甲烷活性污泥或有机污水。4、发酵原料多但产气不足原因：投入的原料温度过低；投入的原料太陈旧；发酵液过浓，酸化严重；缺乏产甲烷接种物。处理方
23、法：取出太冷、太陈旧的发酵料液，重新投料。停止进料，补充接种物或污水。5、压力表升压快原因：沼气池水压间太小；导气管或输气管有堵塞或管径太小；沼气池内发酵料液太多。处理方法：按设计要求扩大水压问。清理堵塞物。更换较大口径的输气管。取出部分发酵料液。6、压力高但火力不旺原因：沼气中甲烷含量太低；灶具喷嘴或火盘有堵塞。处理方法：补充沼气接种物。清理灶具喷嘴或火盘堵塞物。7、压力表指针不稳定原因：输气管路有积水，处理方法：在输气管最低处安装集水器，定时排除积水。8、沼气灯不亮或时明时暗原因：沼气中甲烷含量低；喷嘴有堵塞现象；输气管内有积水；纱罩不配套。处理方法：向沼气池补充接种物。清除喷嘴堵塞物。排
24、出输气管积水。更换纱罩。9、压力表压力只能上升到一定高度原因：沼气池气箱有轻微漏气；沼气池漏水。处理方法：检查漏气、漏水部位，及时修复。检查输气系统漏气砂眼或裂纹，进行重新粘结或更换。5十、设计小结本次设计，将书本上课知识具体化，使我们能更好的掌握课本知识，增加实践经验。对沼气池的有了进一步认识和了解。沼气发酵有其缺点：周期长，每家挖坑、垒池、装料、产气约一个月时间。受环境温度的影响很大，普遍情况是在夏季产气量大，用不完；冬季又因为环境温度低而产气不足，不能正常使用。很多人不懂沼气池的维护和保养，往往由于某一个小环节而影响产气、用气。如果出现漏气，就要清池，重新修补，很多人就是在清池时失去了生
25、命。每年的大换料，无论自动还是人工出料，都要准备一个较大的出料储备场，沼渣流淌，臭气熏天。不能有效杀灭各种病原体又容易在生产“绿色产品”施肥时受到二次污染。家庭小型化、城镇规划和新宅的建设步伐太快，传统沼气池不能移动，很多沼气池都被破坏、废弃。 但沼气发酵利大于弊。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大量地节省曝气消化所消耗的能量等。发酵产生的沼液是一种速效肥料，可以用于菜田或有灌溉条件的旱田作追肥使用；沼渣含有较全面的养分和丰富的有机物，是一种缓速饼具有改良土壤功效的优质肥料。【4】农村通过沼气发酵，将农作物秸秆、人畜粪便等有机肥料转变廉价优质的能源和高效无害的有机肥，这就使有机废物转化为有益于人类的生物能源，沼气及其发酵余物得广泛应用，不仅能保护和增殖自然资源，加速物质循环与能量转化，发展无废料、无公害农业，而且能为人类提供清洁的食品，为农业提供优良的生态环境，从而促进农业的可持续发展。文献资料【1】来源于百度【2】沈伯雄，唐雪娇编著，固体废物处理与处置【3】杨建设编著，固体废物处理处置与资源化工程【4】汪群慧，谷庆宝编著，固体废物处理与资源化附图
