沼气池课程设计Word文档格式.docx
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第四，适于推广。
无论南北，建造圆形沼气池都有利于保证建池质量，做到建造一个，成功一个，使用一个，巩固一个，积极稳步地普及推广。
小，是指主池溶积不宜过大。
浅，是为了减少挖土深度，也便于避开地下水，同时发酵液的表面积相对扩大，有利于产气，也便于出料。
3）坚持直管进料，进料口家箅子、出料口加盖的原则
直管加料的目的是使进料流畅，也便于搅拌。
进料口加箅子是防止猪陷入沼气池进料管中。
出料口加盖是为了保持环境卫生，消灭蚊蝇孳生场所和防止人、畜掉进池内。
1.3沼气池的结构与工作原理
水压式沼气池的结构和工作原理见图2-1，这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。
（a）1．加料管2.发酵间（贮气部分）3.池内液面O—O4.出料间液面
（b）1．加料管2.发酵间（贮气部分）3.池内液面A—A4.出料间液面B—B
（c）1．加料管2.发酵间（贮气部分）3.池内液面A—A4.出料间液面B—B5.导气管6沼气输气管7.控制阀
图1-2水压式沼气池工作原理示意图
图（a）是启动前状态。
此时，发酵间与水压间的液面处在同一水平，称为初始工作状态，发酵间的液面为O—O水平，发酵间内尚存的空间（V0）为死气箱溶积。
图（b）是启动后状态。
此时发酵池内发酵产气，发酵间的气压随产气量增加而增大，造成水压间液面高于发酵间液面。
当发酵间产气量达到最大量（V贮）
时，发酵间的液面下降到可下降的最低位置A—A水平，水压间的液面上升到可上升的最大位置B—B水平。
这时，称为极限工作状态。
极限工作状态时两液面的高差最大，称为极限沼气压强，其值可用下式表示：
1-1
式中：
H1—发酵间液面最大下降值；
H2—水压间液面最大上升值；
△H—沼气池最大液面差。
图（c）表示使用沼气时，发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间。
这样，不断产气和不断用气，发酵间和水压间液面总是在初始状态和极限状态间不断上升或下降。
水压式沼气池具有以下几个优点：
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。
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4~16千帕压力之间变化。
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，池体浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率偏低
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。
1.4沼气池的设计参数
设计水压式沼气池时，需掌握的主要参数如下：
1）气压：
8000±
1000Pa，考虑到在南方温度较北方高，本次课程设计取的
产气率也比较高，本次设计气压初步定为8200Pa。
2）池容产气率：
池容产气率是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）。
本次课程设计所取的产气率为0.22。
3）储气量：
储气量是指气箱内的最大沼气储存量。
农村家用水压式沼气池的最大储气量以12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。
4）池容：
池容是指发酵间的容积。
此次课程设计确定的池容是12m3。
5）投料率：
投料率是指最大限度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。
表1-1设计参数
气压（Pa）
产气率（m3气/（m3池容·
d））
池容（m3）
8200
0.22
12
2沼气池的具体设计
2.1工艺流程
人畜粪便（青草及农业废物）→进料见→厌氧发酵间→水压（出料）间→农电。
具体为农业秸秆以及人畜粪便等物质中所含的有机物质在经过一定处理后，进入进料间，再进入厌氧发酵间，经微生物作用进行发酵，产生以甲烷为主的可燃性气体，即可进行利用。
在发酵的过程中，还需对一些影响发酵的因素进行控制。
1）温度温度对有机物的分解速度影响较大，温度增高，产气量增大。
沼气发酵通常采用三种发酵温度，即低温发酵、中温发酵和高温发酵。
低温发酵过程，温度随气候变化，大多处于20℃以下，产气量不高，不易达到杀灭病源微生物的目的。
中温发酵过程，发酵液温度控制在37℃左右，这是甲烷菌第一个最佳活性区。
高温发酵过程，发酵液温度控制在53℃左右，此时是甲烷菌的第二个最佳活性区。
以高温发酵产气率最高，但料浆和发酵设备要求加热保温，给管理带来一些复杂问题。
中温发酵产气率虽然低于高温发酵，但高于低温发酵。
2）pH值
甲烷菌要求的pH值范围很窄，pH为7.0左右，故一般都是使发酵过程维持在6.8—7.53）之间。
在正常的发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH值，但在突然增加进料，或由于改变原料等会冲击负荷，是发酵系统酸化，发酵过程受到抑制。
为使维持在最佳pH范围，可加石灰调节，也可通过调整原料的碳氢比进行调节。
3）搅拌
高温发酵要求对物料搅拌，以保证发酵装置有较高的池容产气率和不致出现局部酸积累。
2.2形状及平面布局
发酵间的形状一圆形为主，受占地面积限制或地下水位较高时，可将发酵间设计成椭球形或单跨拱长方形。
平面布局应符合下列要求：
a）充分利用土地资源，平面布局紧凑；
b）厕所与畜圈分设；
c）进、出料方便；
d）导气管和输气管不被损害；
e）进、出料中线夹角应大于90℃，进料间蹲位板面应高于发酵间平面。
2.3发酵间的设计
水压式沼气池发酵间的设计可按下列步骤进行：
1）确定池容
2）确定贮气量
3）计算圆筒形发酵间容积：
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2-1圆筒形沼气池池体尺寸
2-1
2-2
2-3
V1、V2、V3—分别为池盖容积、池底容积、池身容积；
—分别为池盖矢高、池底矢高；
r1—池盖曲率半径，他与其他尺寸的关系式为：
；
2-4
r2—池底曲率半径，他与其他尺寸的关系式为：
2-5
R—池体内经；
H—池身高度；
π—圆周率，取3.14。
①按下式计算发酵间池盖削球体矢高
2-6
f1—池盖削球体矢高m；
D—圆柱体形池身直径m；
a1—直径矢高的比值，取5~6。
②按下式池盖削球体矢高：
2-7
f2—池底削球体矢高m；
D—圆柱体形池身直径m；
a2—直径矢高的比值，取8~10。
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2-1、2-2、2-3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3.0m
1）池盖削球体矢高为
2）池盖削球面曲率半径为
2—8
代入数据的
m
3）池底削球体矢高为
4）曲率半径为
2—9
代入数据得
5）发酵间的高为
6）发酵圆柱桶半径为
发酵间具体的计算数据如下表所示：
表2-1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）
1.20
1.50
0.60
2.18
0.38
3.19
4）确定进料管安装位置：
水压式沼气池进出料管的水平位置，一般都确定在发酵间的两端。
进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处，该位置的计算方法如下：
1计算死气箱拱的矢高：
即池盖拱顶点到发酵间的最高液面。
O—O位置
的距离，如图所示。
图2-2死气箱矢高
其中，死气箱拱的矢高（
）可按下式计算：
h1—池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离对于65cm直径的活动盖，其值大约在10~15cm之间，则取活动盖直径为65cm，h1为13cm。
h2—导气管下露出长度，取3~5cm；
h3—导气管下口到O—O液面距离，一般取20~30cm。
在本次设计计算中，取h2=5cm，h3=25cm。
则
=13+5+25=43cm
2计算死气箱容积（
）
、
、r1—分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。
根据此式计算的结果为：
3求投料率：
根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率，公式是：
V、V
—分别为沼气池容积和死气箱容积m3
根据上式可以计算出沼气池的投料率为
4计算最大贮气量（V）
V贮=池容×
池容产气率×
0.5
得V贮=12×
0.22×
0.5=1.32m3
5求气箱总容积（V气）
V气=V死+V贮=1.18+1.32=2.5m3
6计算池盖容积（V1）
V1、f1、R—分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径。
<
2.5m3,
故可以确定A—A液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，应按下式先算出气箱在圆筒形池身部分的容积（V筒）：
V筒=V气－V1
可计算得V筒=2.5－2.23=0.27m3
此即A—A液面位置，也是进出口料管安装位置在圆筒池身墙下0.04m处
2.4水压间的设计
水压间的设计应符合以下三个尺寸：
1）水压间的地面标高：
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。
水压间的地面标高即为发酵间的最高液面处，即发酵间的矢高，故可知水压间的标高为f死=0.43m，即低于地面0.43m
2）水压间的高度（ΔH）：
此高度应等于发酵间最大液位下降值（H1）与水压间液面最大上升值（H2）之和，即ΔH=H1+H2。
在计算中利用发酵所产生的压强来进行计算：
令发酵液密度近似为水的密度，则水压间高度高度应为
为便于施工，取直径为84cm
水压间容积：
此容积等于池内最大贮气量。
池内的最大贮气量以算出为1.32m3，设计水压间为圆柱筒形，可以计算水压间直径为
农村每人每天用气量最多不超过0.3m3,故可供用气人数为
即至少可供4人用气
水压间具体计算数据如下表：
表2-2水压间参数
容积（m3）
标高
0.84
1.42
1.32
—0.43
3沼气池的施工
3.1备料
建一个12立方米的沼气池需要水泥1.5吨、砂子3立方米、碎石（规格1～3厘米）0.9立方米、红砖800块、陶瓷管（直径20～30厘米）2～3根、钢筋（直径14毫米）1.8米。
3.2放线
放线挖坑是保证建池质量的第一关，必须按规定尺寸施工。
。
以图3-1中为例说明放线要点：
①划出总体平面。
②划出温室、猪舍面积，猪舍在东侧或西侧。
③划出“模式”宽度中心线。
④以O为起点，在猪舍内侧找出池的中心点O，以O为圆心，以池的半径加6厘米为半径划圆，确定池的位置。
⑤确定进料口、出料口位置。
要在“模式”宽度中心线上确定为进料口中心点和位于日光温室内的出料口中心点，用白灰做好标记。
1.厕所2.进料口3.沼气池4.出料口5.日光温室
6.模式宽度中心线7.猪舍8.内山墙
图3-1总体放线布置图
3.3池坑开挖
在“模式”内建沼气池均采用地下埋式，沼气池土方工程采用大开挖的施工工艺。
首先，应确定好正负零的高度。
池坑深度按设计图确定，即沼气池的池顶与出料口保持在一个水平面上，并高出猪舍地面10厘米。
进料口超高地面2厘米，如果挖得过深使沼气池低于地平面，影响配套使用，挖得过浅使沼气池突出地面，给养猪和日光温室施肥造成困难。
具体尺寸如表3.1所示。
表3-16～10米3沼气池结构规格标准
容积/米3
内直径/米
池墙高/米
池顶矢高/米
池顶曲率半径/米
水压间
深/米
直径/米
6
8
10
2.40
2.70
3.00
1.00
0.48
0.54
1.74
1.96
2.10
2.28
0.90
1.10
为了便于安放建池模具或利用砖模浇筑池体，减少材料损耗，池坑要规圆上下垂直。
对于土质良好的地区坑壁可挖直，取土时由中间向四周开挖，开挖至坑壁时留有一定余地，然后按定位桩找出中心点，并钉一固定的木桩，用一条绳的一端固定在中心点的木桩上，绳的另一端拴上一把小把锄，使锄刀到中心点的长度等于池的半径加上墙厚度6厘米划圆，刮掉阻碍通道的砂土，边挖边修整池坑，直到设计深度为止。
池坑挖好后马上将池底修成锅底形状；
由锅底中心至水压间底部挖一条U形浅槽,下返坡度5%。
对于土质松散的地方，地面以下80厘米应放坡取土，坡度大小要看土质松散程度而定，以坑壁不坍塌为原则，同时挖好进、出料口坑。
如有地下水出现，池底要挖集水坑，以便排水。
建池时遇到地下水，可采用“避、引、堵”的办法来解决。
“避”就是避开地下水，尽量不在多雨季节施工，选择地下水位较低、地势较高的地方建池，水网地区可建圆球形池或提高池身，建成半地下池。
“引”就是引开地下水，施工前挖排水沟，尽量将水引走。
池墙渗水，可将竹管插入渗水处或在池壁上凿星（“Y”）形小沟，使水集中从沟内流至池底。
对于池底渗水，可采用十字沟或环形沟集水，并在池底中央挖一较深小井，使水流入井内汲走，待工程告一段落无渗水排出时再填此井。
“堵”就是堵住地下水，对池内个别小泉眼，可用砖头、小石块塞紧。
若大面积渗水，可采用水玻璃药液防渗剂掺入水泥进行粉刷，快速凝固，堵塞有效。
同时，在土质差、地下水位高处建池，池底下面还必须设置沙卵石垫层，其垫层的施工可先铺砌卵石，再用水沉法使沙子挤满卵石空隙，起到确保建池质量的作用。
如建池场地确无地下水，池底以下可不加垫层及排水措施。
3.4利用混凝土浇筑沼气池的现场施工
四位一体生态型大棚模式中的沼气池，一般采用组合式建池。
所谓组合式建池就是池底、池墙、水压间下部采用混凝土整体现浇，池拱盖及水压间上部采用砖砌。
在现浇拌制混凝土时，必须控制水灰比≤0.65，砂子中泥土含量≤3%，云母含量≤0.5%，碎石中最大粒径≤3厘米，泥土含量≤2%。
混凝土浇筑工序必须连续进行，间断时间不得超过1小时，浇筑时必须振捣密实，防止出现蜂窝麻面现象。
施工顺序如下：
蓄水圈
（1）砌筑出料口通道出料口通道用红砖及砂灰砌筑，水泥:
砂子＝1∶2.5。
为了便于施工及出料，其通道口宽50厘米，高70厘米，顶部起拱，但上口距池上拱角不得小于35厘米，防止产气多时水面下返而跑气。
（2）池墙及水压间下部的浇筑池墙及水压间下部的浇筑可采用钢模、木模及砖模，一般上述模具为内模，而以池壁为外模。
由于钢模造价高，很少采用，而木模和砖模用的较多。
若一个村里建多个沼气池，采用木模较方便，若只建一个，则采用砖模为宜。
采用砖模的一般砌法是：
先把砖用水浸湿，防止拆模困难。
每块砖横向砌筑，每层砖砖缝错开，不用带泥口或灰口，做到砌一层砖用混凝土浇筑一层，振捣密实后再砌第二层。
混凝土配合重量比为水泥∶砂子∶碎石＝1∶3∶3，池墙高1米，厚0.05米。
图3-2出料口通道（单位：
毫米）
（3）池拱盖的施工目前，“模式”中的沼气池拱盖用砖砌，“模式”中的沼气池一般采用直管进料，在砌筑池拱盖前要安装好进料管，一般利用直径200毫米、长600毫米左右的陶瓷管，管内穿绳拴挂在地面的木桩上，进料管喇叭口朝上，上下垂直，紧贴池壁固定好。
插入池内深度拱角250～300毫米为宜。
砌筑拱盖可用铁钩或挂绳法固定砖，先由进料管处开始砌，进料管周围要用水泥加固。
砌筑拱盖的砖，要选择质量好的，先用水浸湿，保持外湿内干，用1∶2水泥砂灰
砌筑，砂灰和易性要好，灰口饱满，砖与砖要顶紧，每砌筑一圈，要用小石片嵌牢，边砌筑边注意拱盖弧度，每砌筑3～5圈，拱盖外壁用1∶3水泥砂灰抹严抹实，拱角处第1圈砖上层抹灰时，厚度要达到30～50毫米，用以代替圈梁。
随砌随抹灰，随即由外向内均匀地回填土。
回填土前，进料管上部也要砌几层砖，防止回填土由进料管进入池内，进料口宽以240毫米为宜，长度因户而异。
注意第一次回填土约60%即可，防止塌方，其余土量在次日池内密封前回填一部分，整体池完工10天后可全部回填完。
池拱盖施工图如图2.13所示。
在砌筑池拱盖的同时，应把水压间的上部砌好。
水压间上半部用1/4砖立砌，1∶3水泥砂灰浇筑。
当砌筑池拱盖要封口时，在拱顶正中央安放直径为9～10毫米的铜导气管，插入深度以池内密封层完工后露出10毫米左右为宜，拱顶中央用4条500～700毫米长铁筋摆放成＃字型，抹灰要加厚加固，以防沼气池运行时压力过大涨坏气箱。
在导气管周围，砌一个深200～300毫米，边长180～200毫米的方型围护墙，在输气管引出方向预留出缺口。
猪舍地面以下可砌暗沟或放一个内径为20～50毫米铁管或塑料护管，以便引出输气管。
导气管上面盖上活动盖板，防止输气管被猪啃坏。
活动盖板厚度为50～60毫米，可用2块红砖代替，如图3-3所示。
图3-3导气管安装位置示意图
（4）池底施工池底先铺一层碎石，用1∶4的水泥砂浆将碎石缝隙灌满，然后再用水泥、砂子、碎石以1∶3∶3的混凝土浇筑池底，厚度要达到8～12厘米。
（5）沼气池池体内部密封由砖和混凝土组合建造的沼气池只靠结构层还不能满足防渗漏要求，必须对池体进行密封处理才能不漏气、不漏水。
沼气池密封层采用7层做法和3层做法两种，贮气室及池内进料管部分采用7层做法；
池底、池墙、水压间、出料口通道等采用3层做法。
其7层做法第1层用450＃水泥砂灰刷浆，灰∶水＝0.3∶1；
第2层抹水泥∶砂子＝1∶2.5的水泥砂灰，厚度为0.8～1厘米；
第3层抹0.1厘米厚素灰；
第4层抹水泥∶砂子＝1∶2的水泥砂灰，厚度为0.4厘米；
第5层抹0.1厘米厚的素灰；
第6层用1∶1的细砂灰抹0.3～0.4厘米；
第7层刷素灰浆3遍。
而3层做法是第1层与7层做法中的第2层一起做；
第2层与7层做法中的第6层一起做；
第3层与7层做法中的第7层一起做。
（6）养护用混凝土浇筑的每个部位，都要进行养护，要求在平均气温大于5℃条件下自然养护，外露混凝土应加盖草帘浇水养护，养护时间为7～10天。
春、秋要注意早晚防冻。
为达到养护目的，在沼气池密封处理以后要把出料口、进料口、池顶口用薄膜盖严。
自然养护期达到后经检查试压就可以投料使用。
建池完工24小时后如果下雨应及时向池内加水，加水量应是池内装料容积的一半，以防地下水位上涨鼓坏池体。
（7）检查验收新建沼气池和大换料后保养维护的旧池，必须经过检查验收合格，方可投料使用。
其检验方法分为两种：
①直接检查法必须全池强度养护达到70%以上才能进行，用手指或小木棒叩击无翘壳空响。
全池内壁无渗水痕迹，无裂缝、砂眼、孔隙等肉眼可见的缺陷；
池外输气管线、开关等配套设施安装齐全牢固。
②试压检查法在直接检查完好的基础上，推荐采用气压检验为主，水压法检验为辅，亦可混合使用。
一般作法是装水至进、出料管上端20厘米高度，观测12小时，水位降低无明显变化，视为不漏水；
再用打气筒（机）充气（或灌水增压），使压力表达到设计压力的50%，观察24小时，若压力不降低，继续打气至设计压力，再观测24小时，压力降低值在设计压力的3%以内，视为不漏气。
亦可采用空池封闭进出料口、直接充气试压的方法，要求同上。
试压中最好将输气管路全部接通，分别检查有否渗漏现象。
检查中如有漏水、漏气者，须查明部位、原因。
经修补使强度达到要求后，再经复验合格，方可投料使用。
但使用前，必须将多余的水抽去。
未经复验合格者，不得勉强使用
参考文献
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北京市市政工程设计
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