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1、农村户用沼气生态处理模式设计及防治畜禽养殖污染的研究摘 要随着畜禽养殖业的快速发展，畜禽养殖污染问题日益严重，已成为我国农业非点源污染的主要来源之一，在未来一段时间内还会继续恶化。加强畜禽养殖污染防治工作，是全面落实科学发展观、建设社会主义新农村、实现和谐社会目标的必然要求。农村户用沼气生态处理模式的大力推广对解决我国农村地区的能源和环境问题具有重大意义，沼气技术与畜禽养殖业相结合的发展趋势，具有良好的前景，衡量沼气项目的实施效果显得尤为关键。因此，对农村户用沼气生态处理模式防治畜禽养殖污染进行系统研究，不仅有利于降低畜禽养殖的污染，也有利于推动农村户用沼气池的建设。本课题选择黑龙江省拜泉县为
2、试验基地，选择一农户为试验对象，为其设计小型沼气工程。该农户房屋住宅面积为100m2，通过热能计算设计沼气池的容积为108m3，发酵温度为2530，产气率为0.4m3/(m3d)，燃池为其增温方式。通过对此模式所取得的经济效益、生态效益和社会效益进行深入分析得出，模式每年收益8000元，可减少二氧化硫、烟尘等的排放量，这说明了该模式是能够更好的推动农业的健康发展，是值得推广的。关键词 农村；户用沼气；畜禽养殖；效益Study on Rural Household Boigas Ecological Treatment Model for Livestock Production Polluti
3、on ControllingAbstractWith the fast development of livestock industry，the pollution caused by animal breeding was inereasingly serious.The huge amount of livestock waste was the main source of agrieultural non-point source pollution and even more worse in the future. It was a must to strengthen the
4、livestock pollution controlling and prevention，forfully implementing the Seientific Outlook on Development, building a new soeialist countryside and realizing a harmonious soeialist soeiety.It was very important for resolving our country energy and environmental problem in rural areas that promoting
5、 the rural household biogas ecological treatment model. Biogas technique could combine with livestock industry.The prospective of the integration was positive.How to measure the actual effeetiveness of these biogas projects appeared to be particularly critical.Therefore，did a systematic research foc
6、us on using rural household biogas ecological treatment model to prevent pollution which cause by animal breeding.This research was not only favorable for reducing the pollution which caused by animal breeding，but also good for promoting the construetion of household biogas digesters in rural areas.
7、 This topic chosen Baiquan country as the experimental base,which is in Heilongjiang province. And then,chosen a peasant household as an experimental object, designing small scale methane engineering for it. According to the area of the house residence was 100m2, design the methane pool whose area i
8、s 108m3,ferment temperature range from 25 to 30,and the rate of gas production was 0.4m3/m3d.The fire pond was the incalescence method.Through the depth analysis of economic benefits, ecological and social benefits,the model income 8,000 yuan annually,reduce sulfur dioxide, soot and other emission,
9、the results shown that the model was better able to promote the healthy development of agriculture, and it was worth of extanding.Keywords：countryside; householding biogas ;livestock breeding ;benefit目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究动态21.2.1 国内生态模式的研究和发展状况21.2.2 国外生态模式的研究和发展状况41.3 设计目的及研究6
10、1.3.1 设计目的61.3.2 研究内容6第2章 沼气生态模式的设计82.1 沼气池的设计82.1.1 设计地点基本情况82.1.2 猪舍的设计92.1.3 沼气池的设计92.2 燃池的设计132.2.1 各散热部分的面积的计算132.2.2 沼气池、燃池的散热量的计算142.3 绘制图纸162.4 本章小结16第3章 沼气池生态模式在畜禽养殖中的应用173.1 沼气生态处理模式的畜禽污染防治作用173.2 农村沼气生态处理模式利用中存在的主要问题183.3 本章小结20第4章 效益分析214.1 经济效益分析214.2 生态环境效益224.3 社会效益234.4 本章小结23结 论24致
11、谢25参考文献26附录A28附录B35附图46千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 研究背景及意义能源是人类赖以生存的重要资源之一。然而能源的短缺，已成为世界性的问题，特别是可再生能源的短缺更显突出。虽然近年来加大了对地下能源资源的开采力度，然而这些不可再生能源数量有限，再加上供给价格昂贵，涉足农村市场困难较大，所以延用多年的燃烧薪材取能仍是农村解决生活用能的主要手段。于是林草、植被成为砍伐燃烧的主要对象，乱砍乱伐不仅造成植被的破坏，不利于生态环境的建设，使人类生存
12、环境进步恶化，也不利于农村“脏、乱、差”环境的改善，直接影响农村生活质量的提升。鉴此，人们在寻找、探索着新型能源的发现与利用，可再生能源以其特有的优势引起人们的注意。于是，就如何挖掘、发挥能源潜能，切实缓解可再生能源紧缺的矛盾已成为一不可忽视的问题。因此，以沼气为龙头，加大对风能、太阳能的开放利用，走可再生能源发展之路是明智之举。另外，早在20世纪60-70年代，世界上许多畜牧业发达的国家和地区，就出现了畜禽粪便污染问题。近十几年来，随着畜禽养殖业的迅速发展，畜禽养殖业污染已成为农村非点源污染的主要因素之一，也是水体氮、磷的一个主要来源1。畜禽养殖对水体、大气、土壤、人体健康及生态系统造成直接
13、或间接的影响。改革开放以来，畜禽养殖业朝着集约化、规模化、现代化的方向发展，导致高浓度和高度集中的畜禽粪便污水对环境的污染日益严重，已呈现“点一线一面”的发展态势。治理污染，保护和改善生态环境，畜禽养殖业的可持续发展，已成为新世纪农业环保的当务之急。政府十分重视畜禽养殖污水治理，对沼气发酵的原理和应用技术都进行了大量研究，沼气发酵工艺基本达到国际先进水平。沼气生态处理模式是依据生态学原理，以沼气池为纽带，将畜牧业和种植业等结合起来，通过优化农业资源，达到物质良性循环，能量多级利用，是一种可持续的农业生态处理模式。也就是农户通过建造沼气池，利用人畜粪便、农业废弃物等入池发酵，产生的沼气用于日常生
14、活，沼液和沼渣用于农业生产，从而形成农户生活一沼气发酵一生态农业的良性发展链条。沼气技术的研究与应用可以促进畜禽养殖业的可持续发展，降低河水污染。沼气生态处理模式是解决畜禽粪便污染的根本出路之一，也是对畜禽粪污进行资源化利用的一条主要途径。沼气技术在防治畜禽养殖污染中起着重要的作用。但是，从整体来看，以沼气为纽带的生态农业技术在我国农村推广应用，速度缓慢，区域间差距较大，特别在北方，受农民思想观念、文化素质、资金投入、技术掌握程度以及政策扶持、科技支撑、社会服务、产业规模等方面影响，推广应用的空间很大，没有形成规模化的产业效益2。因此，本文通过在拜泉县实施以沼气为纽带的生态农业技术示范推广研究
15、，期望从技术和推广模式上有所突破，并建立起适合本地区发展沼气生态农业的有效途径，为促进拜泉县及其周边地区生态农业发展提供借鉴和参考。1.2 国内外研究动态1.2.1 国内生态模式的研究和发展状况中国沼气建设起步于20世纪70年代，已有30多年的发展史，经历了三个阶段，步入了新的发展局面。第一阶段是1973年到1983年的10年间，为高速发展与回落阶段，政府急于解决农民生活燃料严重短缺而在全国推广沼气，1976年形成了全国性的高潮，当年统计推广256.7万户。终因仓促上马、急于求成，缺乏坚实成熟的技术基础和支持，以及管理不善等原因，造成数量上的高速发展，而紧跟着的大回落阶段，从1976年的700
16、多万户回落到1982年的400万户；第二阶段是1984年到1991年的8年间，为调整阶段。此阶段注重沼气技术系统的科研，修理病态池，放慢发展速度，8年间新增池扣去报废池仅累计增加82.7万户，平均每年增加10万多户；第三阶段是1992年至1998年，为回升发展阶段3。由于第二阶段科研与示范工作取得重要成果，如户用高效沼气池技术、南方恭城模式、北方“四位一体”模式等沼气与生态建设等有机结合，.沼气建设综合效益日益明显，有回升发展，每年建池在50万户左右。1999年起农业部总结了北方“四位一体”、南方“猪-沼-果”、西北“五配套”等卓有成效的沼气能源生态建设经验，提出了“能源环保工程”和性态家园富
17、民工程”计划，使中国沼气建设进入了一个全新的发展阶段4。我国农村沼气发展具有技术趋于成熟，模式先进(如标准化系统池型、混凝土现浇施工工艺、组装式建池方式)、需求扩大，投入增加、配套产业不断发展、由试点示范转向规模化普及推广等特点，己经不再单纯地追求能源效益和经济效益，而是更加注重生态效益。我国沼气的开发利用技术，与发达国家相比还处在初级阶段，只有当沼气的开发利用技术达到足够的深度、沼气的推广普及达到足够的广度，沼气对我国能源安全供给、对农村居民生活质量提高的影响力才会显现出来5。但是，在进行农村户用沼气生态处理模式的环境效益、社会效益评价时，由于环境效益、社会效益经常是紧密联系在一起的，所以对
18、这两种效益评价指标的划分不能完全绝对。比如，“减少农药使用量”这一指标，有的文章将它列在环境效益中，而有的文章则将它列在社会效益中。其次，从农民和社会两个角度出发进行分析也不能完全绝对，如农户作为社会整体的一员，他们的收益也是社会收益的一部分。根据目前国内户用沼气池的发展状况，户用沼气池技术要达到重大突破，还面临着以下的问题。第一，目前的户用沼气池建造成本相对比较高，这是影响户用沼气池技术进一步发展的一个重要因素，因此必须改进建材和施工工艺，降低建池成本；第二，进出料难的问题仍然没有行之有效的解决办法;第三，还须进一步提高原料产气率；第四，沼气池内料液结壳问题严重，需要有效的搅拌措施;第五，对
19、北方大部分地区来讲，保持相对稳定的、一定量的产气量成为户用沼气池技术进一步发展的关键。这些技术问题牵扯到许多方面的因素，要靠多方面的努力才有希望解决。另外，根据我国东北高寒地区的实际情况，在北方发展沼气技术存在一定问题，我国北方属大陆季风性气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥。漫长寒冷的冬季造成地温偏低，使普通水压式沼气池池温维持在8-15之间，达不到最佳发酵温度花这种低温环境导致沼气发酵不佳、产气率低、粪便等有机物质降解不好，达不到沼气池建设的目的。其存在的主要问题如下：1.时间短、效益差目前推广的水压式沼气池多为“三位一体”或“四位一体”模式。即把沼气池建在日光节能温室或太阳能畜禽舍内，没有专
20、门的保温或增温设施，仅依靠太阳能及其周围环境的能量供给来满足沼气池内甲烷菌正常活动所需要的温度环境。在这样的条件下，沼气池能够正常运行8-10个月，多达四个月的时间无法正常运行，占全年总运行时间的1/3，降低了沼气池的利用水平，影响了沼气池的综合效益。2.池温低、产气少普通水压式沼气池池温主要受季节气温及其周围环境的影响。沼气池池温随地温与气混的变化情况如表1-l所示：表1-1 池温和地温随气温的变化月份/ 月123456789101112温度/-21.5-17.2-5.8-5.613.819.922.220.313.44.2-7.8-18地温/876788910111098池温/888910
21、1214161815118从表1-1可以看出，24月份地温最低，仅为67，沼气池池温在8-9，产气量微弱;8-10月份地温最高，为1011，沼气池池温在1518之间变化，产气率为0.070.lm3/(m3d)，一个8m3，沼气池产气量为0.560. 8m3/d。3.降解差、肥效低降解是指在分解菌的作用下，把粪便等有机物质分解成结构简单的化合物的过程。降解速度受发酵温度、浓度、酸碱度等多种因素的影响。其中，受温度变化的影响最大。从表1-1中可以看出，冬季沼气池池温仅为8左右，发酵原料在沼气池内的滞留时间多达120天，由于目前水压式沼气池为“连续进料、阶段出料”的结构形式，增加了沼气池内发酵料液的
22、浓度，降低了厌氧分解菌对于粪便等有机物质的分解能力，导致沼气池内发酵原料降解效果差，使其中一部分发酵原料未经过发酵或完全发酵而投入使用，降低了沼肥肥力，严重影响了绿色食品或无公害农产品的产量和品质。4.周期长、负荷小沼气池的发酵原料大多为人畜粪便，我们把粪便等有机物质在沼气池内的滞留时间称为发酵周期。发酵周期的长短直接影响沼气池负荷，即每单位池容积每天所能承受的有机物的量(在这里，我们用畜禽舍内饲养猪的头数的多少来衡量沼气池负荷的大小)。普通户用沼气池在24月份池内温度为8左右，发酵周期长达120天，有机物质在沼气池内过长的滞留时间导致了发酵间效率下降，使产酸与产甲烷的速度平衡失调，发酵间效率
23、下降，使分解菌能够处理的畜禽粪便量减少，一个8m3的沼气池只能够处理5头猪的粪便量，导致沼气池负荷偏小。1.2.2 国外生态模式的研究和发展状况人类很早以前就发现了沼气，自从1781年法国科学家穆拉发明人工沼气发生器之后，沼气就逐渐被人们所利用。从20世纪80年代起，国外学者对沼气等可再生能源进行了大量的研究。上个世纪90年代以来，世界范围内的一些大型沼气工程有了迅速的发展。国外在沼气利用上己经向集中供气的方向发展，而且沼气在能源中所占的比重逐渐增大。在英国，利用人和动物的各种有机废弃物，通过微生物厌氧发酵所产生的沼气，可以替代整个英国25%的煤气消耗量，苏格兰设计出一种小型甲烷发动机，供村庄
24、、农场和家庭使用。利用沼气发酵处理城市污水、垃圾的技术也日趋成熟，并渐渐地得到应用。日本在沼气技术方面的研究是领先的，采取的是两步法沼气技术，第一步是酸化，第二步是气化，这种技术缩短了总的生产周期，产沼气率高，但是由于设备投资大、运行费用高，使得该技术未能被普及应用。在英国，建立了甲烷的自动化工厂。据估计，英国利用人和动物的各种有机废物厌氧发酵所产生的甲烷，可以替代整个英国25%的煤气消耗量。国外在沼气利用上己经向集中供气的方向发展，而且沼气在能源中所占的比重逐渐增大。在英国，利用人和动物的各种有机废弃物，通过微生物厌氧发酵所产生的沼气，苏格兰设计出一种小型甲烷发动机，供村庄、农场和家庭使用。
25、利用沼气发酵处理城市污水、垃圾的技术也日趋成熟，并渐渐地得到应用。日本在沼气技术方面的研究是领先的，采取的是两步法沼气技术，第一步是酸化，第二步是气化，这种技术缩短了总的生产周期，产沼气率高，但是由于设备投资大、运行费用高，使得该技术未能被普及应用6。将沼气回收发电是能源利用的一个好例子。沼气发电在发达国家受到广泛重视和积极推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。生物质能发电在西欧如德国、丹麦、芬兰、法国等国家的能源总量中占的比重一直在持续增加。欧盟也己通过了有效管理沼气的法规。Montserrat等通过研究西班牙南部的一个城市垃圾填埋场，该填埋
26、场将产生的沼气回收利用重新生产电能，探讨了沼气能源回收利用问题。填埋区是甲烷排放的重要来源，他们进行了先前施工安装的经济可行性分析，运用理论和实证模型表明了沼气中含有45%的甲烷和250550m3/h的总流量，大约可产生4.5xl06 kwh/a的电能，使沼气得到有效的管理和利用。沼气可以利用广泛的原料，包括有机废弃物到专用能源作物等。沼气可以作为各种能源，如热能、热电联产或作为汽车燃料。由于能源需求的增加，以及不可再生能源的不足，使得许多学者不断地去研究替代性能源。在世界的许多地方，每年都有成千上万吨的农业废弃物通过不同的形式被烧掉、填埋，其实这些废弃物正是发展沼气的重要资源4。世界各国已经
27、认识到，作为一种替代性能源，沼气在农村有着非常广泛的发展前景。国外学者对农村沼气等生物质能的研究主要以资源利用的经济效益评价、环境效益评价和社会效益评价为主。在20世纪60年代初，国外一些发达国家和国际组织就开始利用指标体系对农业经济效益、社会效益等进行评价。近年来，国外对沼气生态农业评价问题的研究越来越多，主要集中在评价方法、评价指标体系、评价标准等方面，而评价指标体系的构建是沼气生态农业评价的核心内容7。国外农村沼气生态处理模式评价方法的发展趋势是由定性分析向定量评价的方向发展。国外对定量评价方法，特别是指数方法进行了大量的研究。国外对于农村沼气生态处理模式的评价内容，侧重于将经济效益、生
28、态效益和社会效益结合起来进行综合评价。总之，未来的农村能源利用将朝着以沼气能源、水能、太阳能、风能等可再生能源为主的方向不断发展起来8。1.3 设计目的及研究内容1.3.1 设计目的本文研究的目的就是设计出适宜在寒区推广的高效小型沼气工程，并对畜禽粪便污染和治理情况进行分析。通过该沼气工程解决农户取暖等生活用能问题，降低用能费用，同时为田地提供优质高效的有机肥，为猪舍提供良好温度环境，及人畜排泄物处理问题。在设计中，利用燃池为沼气池增温，保证沼气池达到中温发酵，冬季利用“沼气锅炉燃烧沼气取暖，在其余季节可以通过沼气发电机、沼气灶具燃烧大量盈余沼气解决农户照明、炊事问题。运用环境经济手段对沼气生
29、态处理模式的效益进行评价，旨在评估该模式对农村社会、经济以及环境的影响水平及其经济、环境和社会效益，为发展农村户用沼气生态处理模式提供决策依据，并结合研究区的实际情况，因地制宜采用合适的畜禽养殖生态技术，为畜禽养殖污染问题的解决、沼气生态处理模式在农村的广泛应用等提供科学依据。1.3.2 研究内容本论文的研究内容主要包括：（1）根据实际情况进行整体的设计和布局试验开始前，深入了解农户院落的整体布局情况，弄清农户住宅的格局，房屋保温状况，畜禽舍的位置等。为试验的下一步设计奠定基础。详细如下：农户基本信息:了解农户冬季室内温度、房屋保温状况和面积、取暖耗能量等信息，作为试验设计的第一手资料。了解畜
30、禽舍的位置，畜禽舍与厨房的距离，设计沼气池的坐落位置。（2）设计沼气池的容积和发酵温度计算农户冬季住宅取暖耗能量。根据取暖耗能量确定沼气池的发酵容积和发酵温度。根据农户冬季住宅取暖耗能量计算出沼气需求量，将沼气池发酵温度设计在25-30之间，沼气池产气率为0.3-0.5m3(沼气)/ m3 (池容)d，从而确定沼气池的发酵容积。（3）设计沼气池的增温方式设计燃池为沼气池增温。根据设计的沼气池池容大小、发酵温度、沼气池的散热损失、燃池的热利用效率设计燃池的大小。（4）分析燃池对猪舍温度的影响燃池在为沼气池增温的同时，通过地面向猪舍内散发了大量的热量，提高了猪舍的发酵温度，为猪的生长提供了良好的温
31、度环境。（5）选择适宜的沼气锅炉和发电机根据农户的实际情况选择锅炉和沼气发电机的大小、型号，冬季利用沼气满足农户取暖用能，其余季节利用盈余的沼气满足发电或炊事用能。第2章 沼气生态模式的设计2.1 沼气池的设计2.1.1 设计地点基本情况本次试验选择的对象为新农村建设的试点单位:拜泉县三道镇富业村。三道镇富业村是省科技厅帮建的新农村建设试点村，省科技厅制定了帮建整体方案，提出构造以生态与循环经济为基础，在富业村实施“新农村建设生态经济科技示范工程”，探索科技帮建新农村建设模式。生态养猪场、新型燃池沼气池、农业机械库房、奔小康农村科普图书室、富业村致富信息网等，一系列帮建成果成为富业村新农村建设
32、的助推器。经研究决定富业村要在村委会院内建一猪舍，在猪舍下面建沼气池与燃池，利用燃池给沼气池增温，沼气池产生的沼气为村委会办公室解决冬季取暖问题。村委会办公室占地100m2左右，房屋高2.7m，无采暖节能措施。设有厨房，在厨房内有暖气锅炉，共有6个房间，具体情况看下面的简图2-1。图2-1 办公室简图需建猪舍的具体要求是:猪舍内要能饲养20头种猪与2头种公猪，每头猪需要一个单独的空间；因为种公猪需要经常为村里的猪配种，为防感染种猪与种公猪不能在一个饲养间内；猪舍内要设有存料库与饲养员的休息室。村委会占地2400m2，接近于正方形，东西长48m，南北长50m。院内除有办公室外，还有仓库、车库、宣
33、传栏等。具体布局见下面的简图2-2。图2-2 村委会院内简图2.1.2 猪舍的设计根据上述情况，首先要确定猪舍的大小及其位置。因为猪舍内饲养的是种猪而且要考虑到分娩，所以设计每个种猪的圈栏宽为2m，长3.2m，为了便于饲养与管理，猪舍的设计一般都是对称的，中间是过道一般为1.5m，方便饲养员填料与除粪。这样一侧只计算10头种猪的圈栏就可以了，则需要20m左右，每个种公猪间设计为3m左右，休息室与料库对应，设计为4m，则猪舍的总长度加在一起约为30m左右，宽度为8m左右。2.1.3 沼气池的设计1. 计算农户住宅取暖耗能量本课题的目的是设计出满足农户冬季采暖的沼气池，主要考虑的是用户冬季采暖耗能
34、量。以下利用面积热指标法计算房屋建筑热负荷。 （2-1）式中建筑物的采暖热负荷，KW；F采暖建筑物的建筑面积，m2；建筑物采暖面积热指标，W/ m2。建筑物的面积热指标表示各类建筑物在室内外温差为1时，每lm2，建筑面积的采暖设计热负荷。各类建筑物面积热指标的推荐值见表2-l。表2-1 面积热指标 （W/ m2）建筑物类型住宅学院办公医院旅馆商店体育馆未采取节能措施58-6460-8065-8060-7065-80115-165采取节能措施40-4550-7055-8050-6055-70100-150已知条件为:建筑面积100 m2，无采暖节能措施，此建筑为办公场所，根据表2-l选择面积热指
35、标为75W/m2，则根据公式2-1计算得热负荷为:KW每天向房屋供热量为:2. 沼气池容积的确定 根据农户冬季住宅取暖耗能量和沼气的热利用效率确定沼气池的容积。沼气池发酵温度设定在25-30范围内，沼气池产气率为0.4m(沼气)/m3(池容)d。产气率与温度的关系见表2-2。表2-2沼气原料在不同温度下的产气率发酵原料发酵温度（）容积产气率（m3/ m3d）猪粪29310.55猪粪24260.21猪粪16200.10猪粪12150.07猪粪8以下微量沼气的热值为27298-25l00KJ/m3，我们取平均值21514KJ/m3，为了满足房屋采暖热负荷每天所需要的沼气体积为:我们取沼气燃烧的热效
36、率为70%，这样所需要的池容为:所以沼气池的体积为108。3. 沼气池池型的确定根据猪舍是长方形的特点，而我们选择的是半连续发酵工艺，就是使猪的粪尿能随时流入沼气池，所以我们设计的沼气池占地也应是长方形，在猪舍的下面。因此设计两个沼气池串联在一起，而两个沼气池的体积总和为108。沼气池的体积主要是指主发酵间的体积，即图2-3中发酵间与贮气间的体积。圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成。三个部分的容积计算公式如下:图2-3 （2-2） （2-3） （2-4）式中:一分别为池盖容积、池底容积、池身容积;，一分别为池盖矢高、池底矢高;一池盖曲率半径，它与其他尺寸的关系式为： （2-5）一池底曲率半径，
37、它与其他尺寸的关系式为： （2-6）综合圆柱形沼气池的内力结构计算、材料用量计算和施工、管理、使用技术等因素，一般认为，当池盖矢跨比=1/5，池底矢跨比=l/9和(对于4、6、8、l0m3，容积的户用沼气池可取H=1m)时，沼气池尺寸比较合理。这样通过把这些关系式低入公式2-2、2-3、2-4就得到一些简便公式: (2-7) (2-8) (2-9) (2-10) (2-11)沼气池要求是两个串联的池子共108，所以设计第一个池子()为58，第二个池子()为50。把第一个池子的体积58代入公式(2-11)及，=l/9和可得其具体尺寸为:因为两个池子的体积相差不多，且为了施工与设计的方便，第二个池
38、子直径仍设计为5.5m，上下矢高不变即上下拱的体积不变，需要改变的是中间柱体的体积即柱体高度。上下拱的体积为:中间柱体的体积为：则柱体高度为： （2-12）考虑到实际施工，所以设计柱体高度为1.3。2.2 燃池的设计燃池为沼气池加热这一模式现如今并没有明确的标准可循。因此本试验中燃池的设计采用了假设法进行设计。通过近几年燃池与户用沼气池(8m3)结合得出一些实践经验:沼气池与燃池的体积比例为1:11:1.25。本试验按1:1比例设计，设计燃池的体积为108 m3。为了检验这一假设设计是否合理，对这一设计进行理论的热量计算即能量守恒计算，看燃池是否能满足设计要求。如果满足就按这一设计实施施工，如
39、果不满足还要对设计进行修正，再次进行热量计算检验，直到燃池满足设计要求为止28。燃池的设计依据是能量守恒定律，燃池提供的热量主要包括三部分。第一部分为使沼气池维持在30时，由上部球缺与下部球缺向外散失的热量;第二部分为进料口、出料口、水压间向上、下散失的热量;第三部分为燃池向上、下、四周散失的热量。2.2.1 各散热部分的面积的计算1. 上部球缺面积上曲率半径： （2-13）上部球缺对应面积： （2-14） （2-15） （2-16）2. 下部球缺对应面积下曲率半径: （2-17）下部球缺对应面积： （2-18） （2-19） （2-20）3. 进出料口水压间面积根据设计尺寸，进料口长3.96
40、m，宽2m，出料口长3.48m，宽2.2m，水压间长3.48m，宽lm。4. 燃池上下散热面积=中间猪舍面积-进出料口水压间面积-两个沼气池面积5. 燃池四周散热面积=燃池周长高 （2-21）2.2.2 沼气池、燃池的散热量的计算1. 沼气池的散热上部球缺:因为沼气池半径远大于上矢高，所以把上部当成大平板壁计算其散热量。猪舍内的温度为15，沼气池内温度为30，回填土厚度0.22m，传热系数0.83W/(mK)，砖厚度为0.12m，传热系数0.49W/(mK)，混凝土厚度0.06m，传热系数0.79W/(mK)。（2-22）下部球缺:与上部球缺一样当成大平板壁计算其散热量。地底层温度为6, 沼气
41、池内温度为30，砖厚度为0.2m，传热系数0.49W/(mK)，混凝土厚度0.1m，传热系数0.79W/(mK)。 （2-23）2. 进出料口散热向上散热:猪舍内的温度15，沼气池内温度为30，混凝土厚度为0.lm，混凝土传热系数0.79w/(mK)。向下散热:地底层温度为6，沼气池内温度为30，混凝土厚度为0.15m，混凝土传热系数0.79W/(mK)，砖厚度为0.1m，传热系数0.49W/(mK)。3. 燃池的上下散热向上散热:猪舍内的温度为15，燃池内温度为50，水泥盖板厚0.1m，传热系数0.79W/(mK)，回填土厚度为1.3m，传热系数为0.83W/(mK)。向下散热:地底层温度为
42、6，燃池内温度为50，水泥厚度0.02m，传热系数0.3W/(mK)，砖厚度为0.21m，传热系数0.49W/(mK)，珍珠岩厚度为0.lm，传热系数为 0.045W/(mK)。 向四周散热:土层温度为6，燃池内温度为50，砖厚度0.49m，传热系数0.49W/(mK)。4. 求总散热量则每天的散热量为： （2-24）因为燃池中的填料是锯末，所以查锯末的燃烧值与密度为:燃烧值14235.1KJ/Kg，密度为179Kg/m3。则1m3的热值为: （2-25）设燃池45天一投料，投料率为80%，锯末的阴燃热效率为35%，则需燃池大小为: （2-26）计算所得与假设设计的燃池(108m3)基本一致，
43、这一假设设计成立，燃池与沼气池的比例可以按l:l设计，即燃池容积为 108 m3。2.3 绘制图纸根据以上的设计绘制施工图纸，具体的图纸见附图。2.4 本章小结根据拜泉县地区的概况分析，对主要工艺、主要参数等进行了遴选，设计了沼气生态模式中猪舍、沼气池尺寸、燃池尺寸，以及各构筑物的平面分布，并且利用以上设计数据绘制了施工图纸。此设计获得的数据较为合理，为该设计的标准化建设提供了理论和技术的支持。第3章 沼气池生态模式在畜禽养殖中的应用 3.1 沼气生态处理模式的畜禽污染防治作用沼气生态处理模式是我国防治畜禽污染的模式之一，在粪污处理模式中发挥着重要的作用，该模式的畜禽污染防治功能已得到了广泛认
44、可，能够有效降低粪便污水的NH3-N、TP、TN、CODcr、BOD5等有机质，解决粪便污水对水体的污染。沼气生态处理模式的污染防治作用是由于畜禽养殖粪便污水经过沼气池发酵处理，降低了废水中的有机质含量，改善排放废水的水质，其厌氧发酵过程能对污染物质进行无害化处理，控制和降低农村面源污染9。对沼气、沼渣和沼液的资源化利用也会产生更好的环保效果，减少对环境的污染。而且，与废水好氧生物处理技术相比，沼气池厌氧处理技术具有运行维护低、产生沼气可再生能源等优点。因此，通过建设以厌氧发酵为主要环节的沼气池，能够有效地处理畜禽粪污，达到防治畜禽养殖污染的目的10。拜泉县畜禽养殖业贡献的污染物负荷较大，畜禽
45、粪污如不妥善处理，将会破坏农田生态环境、污染水体、大气，带来一系列环境问题，严重影响周围居民生活，因此控制畜禽养殖业污染物的排放十分重要。而这些畜禽粪污具有很好的可生化降解性，蕴含着大量的生物质能。在环境污染和能源短缺日益严重的情况下，有效利用生物质能，对实现环境、能源和经济的可持续发展具有重要意义11。根据国家环境保护总局颁布的畜禽养殖污染防治管理办法，畜禽养殖场应该采取将畜禽粪污还田、生产沼气、制造有机肥料、制造再生饲料等方法进行综合利用12。自2001年以来，黑龙江省畜禽养殖污染综合整治进入新的阶段，通过采取各种措施来控制畜禽养殖业污染，几种常用控制措施的优缺点、处理率及费用情况见表3-1。表中各种措施各有特色，关键在于因地制宜。其中，沼气生态处理模式是处理畜禽粪污的一种有效方法，针对非规模化养殖产生的畜禽粪污，农村户用沼气生态处理模式是粪污处理的最佳方式13。畜禽粪污中的有机物通过厌氧消化技术产生沼气、沼渣和沼液，实现了畜禽粪污的无害化、减量化和资源化。猪粪尿经过沼气池厌氧发酵后，BOD5去除率为88%，CODcr去除率为87%，悬浮物去除率为98%，氨氮去除率为83%，消灭人畜寄生虫卵达90.6%，消灭大肠杆菌99.9%，消灭细菌99.6%，有效地减少了畜禽粪污排放带来的面源污染。因此，农村户用沼气生态处理模式在畜禽养殖业污染治理中
