水压式沼气池设计.docx
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水压式沼气池设计
固体废物处理工程设计
设计题目
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水压式沼气池设计
姓名
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学号
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系部
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专业
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指导教师
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完成时间
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目录
1设计任务及基本资料-1-
1.1课程设计题目-1-
1.2沼气的介绍-1-
1.3沼气池的工作原理-2-
1.4厌氧制沼在能源利用方面的优点-3-
1.5水压式沼气池的优缺点-3-
1.6课程设计的目的-4-
2设计参数-4-
3工艺流程-4-
3.1水压式沼气池的原理-4-
3.2水压式沼气池基本知识-5-
3.3沼气发酵工艺类型-6-
4发酵料液的计算-7-
4.1发酵料液体积的计算-7-
4.2气室容积的计算-7-
5发酵间的设计-7-
5.1发酵间的容积-7-
5.2发酵间各部分尺寸确定-8-
6进料口（管）的设计-10-
6.1死气箱容积-10-
6.2投料率-10-
6.3最大贮气量-11-
6.4气箱总容积-11-
6.5发酵间最低液面位-11-
7水压间（管）的设计-11-
8沼气发酵的投料计算-11-
9发酵原料的预处理-12-
10安全注意事项-13-
11设计小结-13-
12参考文献-14-
1设计任务及基本资料
1.1课程设计题目
水压式沼气池设计
1.2沼气的介绍
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。
沼气发酵有很多优点。
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课大量地节省曝气消化所消耗的能量等等。
沼气发酵非常适合在农村地区推广使用。
（1）沼气及其产生过程
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，产生的一种可燃气体。
由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫它沼气。
沼气含有多种气体，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。
根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为两大类。
第一类细菌叫做分解菌，它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。
它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；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。
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工序：
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。
（2）沼气的成分
沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢（H2S）、氮及其他一些成分。
沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。
在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为0.034%。
（3）沼气的理化性质
沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它的主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。
甲烷分子式是CH4，是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。
甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。
甲烷溶解度很少，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。
甲烷是简单的有机化合物，是优质的气体燃料。
燃烧时呈蓝色火焰，最高温度可达1400℃左右。
纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。
沼气每立方米的发热量约23.4千焦，相当于0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。
从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。
1.3沼气池的工作原理
水压式沼气池的工作原理可以概括为两句话：
产气时，气压水；用气时，水压气。
水压式沼气池装料封盖后启动前状态时，在发酵间内的料液和水压间内的料液液面上，同时受到大气压力的作用，因此两个液面处在同一水平面上，它们之间的气压差和液面差均为零。
此时的工作状态称为“初始工作状态”，此时的料液液面高度为O-O水平面，发酵间内存在的空间为V0。
启动以后，沼气池内开始发酵产气，随着沼气产量的逐渐增加，发酵间上部气箱中的贮气量越来越大，同时所产生的沼气将发酵间内的料液压入水压间，压出的料液体积与所产的沼气体积相等。
当发酵间内贮气量达到最大贮气量VC时，水压间里增加的料液也为最大贮液量VC。
此时发酵间内的料液面下降到可能下降的最低位置A-A水平面，水压间内的料液面上升到可能上升的最高位置B-B水平面。
此时的工作状态称为“极限工作状态”。
发酵间内料液面的下降和水压间内料液面的上升使得两液面产生了高度差，高位料液具有的势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。
由于料液比重接近于1，因此一般将两料液面的高差值视为池内沼气压强值。
在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼气压强，数值等于：
式中：
ΔH——沼气池最大液面差；
H1——发酵间液面最大下降值；
H2——水压间液面最大上升值。
以上就是“气压水”的全过程。
当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发酵间内液面渐渐上升。
此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高差的减少而变得越来越小。
当发酵间料液液面与水压间料液液面相平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零而不再输出，“水压气”过程结束。
沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范围之内，不可能超出这个范围。
1.4厌氧制沼在能源利用方面的优点
我国在垃圾回收及综合利用方面有着长期实践和成功经验。
20世纪90年代以来，政府日益重视垃圾量的减量化和资源化，一部分城市还开展了垃圾分类收集的试点工作，并且绝大部分城市已将垃圾分类收集、资源化综合利用作为城市垃圾处理的重要内容进行规划，但就整体水平而言，我国城市垃圾的减量化与资源化工作才刚刚起步，远远落后于发达国家，垃圾回收和综合利用的前景十分广阔。
沼气作为一种清洁的可再生能源.不仅可供照明、做饭、取暖.而且废渣经过发酵和脱硫后.由于病菌较少.还可以作为一种很好的有机肥.有利于防止土地板结。
其中厌氧制沼技术在能源利用方面主要有以下几方面的优点。
（1）可再生性：
沼气资源均为年复一年，可以不断再生的生物能源。
并且随着农业生产的发展而增加，是“取之不尽，习不之竭”的。
（2）分散性：
农村地域辽阔，人口众多，居住分散，沼气资源丰富多样，各地都有。
为就地开发、就地使用提供了方便的条件。
（3）多用性：
沼气资源既可以投入沼气池发酵产生沼气，也可以直接作为燃料，供炊事之用；还可以用作饲料，发展畜牧业；用作肥科，发展农业生产；用作工业原料，发展造纸工业等。
1.5水压式沼气池的优缺点
（1）池体结构受力性能良好，而且充分利用特让的承载能力，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。
（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，对池体保温又一定的作用。
（5）由于气压反复变化，而且一般在4~16kPa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影响。
（6）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，池容产气率偏低，一般产气率仅为0.15m/m·d左右。
（7）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。
1.6课程设计的目的
通过本次课程设计进一步消化和巩固相关课程所学内容，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。
2设计参数
（1）气压：
7840Pa（即80cm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，沼气池容为10m3/（m3·d）。
池容产气率为0.15m3/（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10m3。
（5）投料率：
指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般85%-95%。
（6）某农户家共5人，畜生（猪）4头。
3工艺流程
3.1水压式沼气池的原理
下图为水压式沼气池的结构：
图1水压式沼气池工作原理示意图
水压式沼气池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（结构如上图所示）。
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加而增大，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。
在设计沼气池时，可以采用增大有效水压间容积的方法（即增大有效水压间表面积），这样，在逐步加料的过程中，可以提高零压线的位置，增加发酵间的容积，提高产气率，提高沼气的利用率，料液也不会从水压间溢出。
3.2水压式沼气池基本知识
3.2.1水压式沼气池的特点
水压沼气池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、出料管、水压间、导气管几个部分。
圆筒形结构沼气池的受力性能好，比相同容积的长方形池表面积小20%左右，池内无死角，容易密封，有利于甲烷菌的活动，以发挥甲烷菌的产气作用。
水压式沼气池的工作原理是：
产气时，沼气压料液使水压箱内液面压高；用气时，料液压沼气供气。
产气、用气循环工作，依靠水压箱内料液的自动升降，使气室的气压自动调节。
（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4～16千帕（即40～160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0.15m3/m3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。
3.2.2沼气池采用中温厌氧发酵
发酵温度维持在30～35℃，此发酵工艺有机物消化速度较快，产气率高，与高温发酵相比，所需热量要少得多。
从能量回收的角度，该工艺被认为是一种较理想的发酵工艺类型。
目前世界各国的大、中型沼气工程普遍采用此工艺。
有机物厌氧发酵依次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段（如图1所示）。
各阶段各有其独特的微生物类群起作用。
液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌，包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌。
产酸阶段起作用的细菌是醋酸分解菌。
这两个阶段起作用的细菌称为不产甲烷菌。
产甲烷阶段起作用的细菌是甲烷细菌。
图2厌氧发酵三阶段
3.3沼气发酵工艺类型
（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，基本流程图如图所示
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。
4发酵料液的计算
4.1发酵料液体积的计算
=[（
+
）
+
]T
=[（0.03＋0.32）×0.6+0.034]×30=7.32m3
式中
—发酵料液的体积，m3；
—产人粪便总量。
按5口人×0.006／（人·d）取值；
—产牲畜粪便总量。
按4头猪×0.08／（头·d）取值；
—每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d取0.034
—收集系数。
取值0.6；
T—原料停滞期（d）。
蔬菜区t取30
4.2气室容积的计算
V2=1/2·V1·k3
式中V1—发酵料液体积，m3；
V2—气室容积，m3；
k3—原料产气率，本次试验为0.15，为常温下产率。
V2=1/2×7.32×0.15=0.549（m3）
5发酵间的设计
5.1发酵间的容积
V=（V1—V2）·k1
式中V—发酵间的容积，m3；
V1—发酵料液体积，m3；
V2—气室容积，m3；
K1—容积保护系数，取0.9~1.05。
本次设计取
=1
V=（7.32-0.549）×1=6.771m3
5.2发酵间各部分尺寸确定
沼气池的直径根据题目要求及经验和平面设计，确定为2.8m
5.2.1发酵间池盖削球体矢高和净容积
①池盖削球体矢高
f1=D/a1
式中f1——池盖削球体矢高，m；
D—圆柱体形池身直径，m；
a1—直径与池体矢高的比值，取6。
f1=2.8/6=0.47（m）
②池盖削球体净容积
Q1=
f1（3R2+f12）
式中Q1—池盖削球体净容积，m3；
π—圆周率，取3.14；
f1—池盖削球体矢高，m；
R—池身圆柱体内半径，m。
则Q1=3.14/6×0.47×（3×1.42+0.472）=1.5（m3）
5.2.2发酵间池底球体矢高和净容积
①池底削球体矢高
f2=D/α2
式中f2--池底削球体矢高,m;
D—池身圆柱体直径，m；
α2—直径与池底矢高的比值，取值8
那么f2=2.8/8=0.35（m）
②池底削球体净容积
Q3=
f2（3R2+f22）
式中f2--池底削球体矢高,m;
Q3—发酵间池底削球体净容积，；m3
π—圆周率，取值3.14。
则Q3=3.14/6×0.35×（3×1.42+0.352）=1.1（m3）
5.2.3发酵间池身圆柱体容积和池墙高度
1发酵间池身圆柱体容积
=V-Q1-
式中
—池盖削球体净容积，m3；
V—发酵间总容积，m3；
—发酵间池身圆柱体容积，m3；
—发酵间池底削球体净容积，m3。
=6.771-1.5-1.1=4.171（m3）
②发酵间池身圆柱体高度
H=
/π
π—圆周率，取值3.14；
R—发酵间池身圆柱体半径，m；
H—发酵间池身圆柱体高度，m。
H=4.171/（3.14×1.4）=0.95（m）
5.2.4发酵间内总面积
S=S1+S2+S3
式中S—内总表面积，m2
S1—池盖削球体内表面积，m2
S2—池身圆柱体内表面积，m2
S3—池底削球体内表面积，m2
盖削球体球面内表面积
S1=π（R2+f12）
式中S1—池盖削球面内表面积，m2；
R—池身圆柱体半径，m；
f1—池盖削球面矢高，m；
π—圆周率，取值3.14。
S1=3.14×（1.42+0.472）=6.848（m2）
圆柱体池身内表面积
S2=2πRH
式中S2—池身圆柱体内表面积，m2；
R—池身内圆柱体内半径，m2；
H—池身圆柱体高度，m；
π—圆周率，取值3.14。
S2=2×3.14×1.4×0.95=8.35（m2）
池底削球体内表面积
S3=π（R2+f22）
式中S3—池底削球体内表面积，m2；
f2—池底削球面矢高，m；
R—池身圆柱体内半径，m；
π—圆周率，取值3.14。
S3=3.14×（1.42+0.352）=6.539（m2）
发酵间总表面积
S=6.848+8.35+6.539=21.74（m2）
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=600mm×320mm×500mm；下部圆管才用∮300预制混领土管，管与池墙角为35°。
死气箱拱的矢高
f死=h1+h2+h3
式中h1—池底拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在10～15之cm间取15cm；
h2—导气管下露出长度，取5cm；
h3—导气管下口到液面距离，一般取25cm；
f死=0.11+0.05+0.25=0.41（m）
6.1死气箱容积
式中：
、
、r1—分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。
与其他尺寸的关系为
根据此式计算的结果为：
6.2投料率
根据死气箱的容积，可计算出沼气池投料率，即
投料率=（V－V死）/V×100%
式中V，V死—分别为发酵间容积和死气箱容积，m3；
投料率=（10-1.15）/10×100%=88.5%
6.3最大贮气量
V贮=池容×池容产气率×1/2
V贮=10×0.15×1/2=0.75（m3）
6.4气箱总容积
V气=V死+V贮
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）。
V气=1.15+0.75=1.9（m3）
6.5发酵间最低液面位
气箱在圆筒形池身部分的容积为
V筒=V气－
V筒=1.9-1.5=0.4（m3）
圆筒形池身内气箱部分的高度为
h筒=0.4/（3.14×1.42）=0.65（m）
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。
7水压间（管）的设计
H水压间=h筒+f死+H-0.8
H水压间=0.65+0.41+0.95-0.8=1.21（m）
有效容积：
V有=池容×池容产气率×投料量×1/2
V有=10×0.15×88.5%×1/2=0.66（m3）
H=V有/（3.14×R2）
0.95=0.66/（3.14×R2）
R水压间=0.47m
水压式沼气池的尺寸设计完成
8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10m3，假设一个五口之家一天的用气量为1.4m3,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。
在10m3的沼气池内每天的产气量最大为1.4m3.
物料名称
产气量m3／d
投料量kg／d
碳所占百分比%
氮所在百分比%
猪粪
0.404
0.92
7.80
0.6
人粪
0.080
0.077
2.5
0.85
青草
0.695
1.55
14.0
0.84
干稻草
0.221
0.53
42.0
0.63
C:
N=（0.92×7.8%+0.077×2.5%＋1.55×14.0%＋0.53×42%）／（0.92×0.6%+0.077×0.85%+1.55×0.84%+0.53×0.63%）=22.78:
1
我们计算出了物料的碳氮比为23.6:
1,符合沼气池普通的碳氮比要求。
9发酵原料的预处理
1.粪便原料不必进行预处理，作物秸秆必须铡短到5厘米或粉碎。
2.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，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。
［接种物］
1、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。
2、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%。
［沼气发酵的启动］
1、投料：
将预处理的原料和准备好的接种物混合在一起投入池内。
启动时的料液干物质含水量控制在6%-12%。
2、加水封池：
原料和接种物入池后，要及时加水封池。
以料液量约占沼气池总容量积的85%-90%为宜。
然后将盖密封。
3、放气试火：
沼气发酵启动初期，通常不能点燃。
因此，当水压表压力达到20厘米水柱以上时，应进行放气试火。
所产沼气可正常燃烧使用时，沼气发酵的启动阶段即告完成。
［气池的运转管理］
1、当沼气发酵启动之后，即进入正常运转阶段。
为了维持沼气的均衡产气，启动后30天左右就应定时进行补料。
2、正常运转期间进池的秸杆原料，只要铡短或粉碎并用水或发酵液浸透即可。
3、正常运转期间的进料浓度应尽量大一些，干物质含量可以大于8%。
4、为了便于管理和均衡产气，可每隔5-7天补料一次，“三结合”沼气池每天都要有一定量的人畜粪便进入沼气池，产气量不足时，则应每5-7天添加秸秆或青草等原料一次。
5、每隔5-7天搅拌一次，可通过进料口或水压间用木棍搅拌，也可以从水压间淘出料液，再从进料口倒入进行搅拌。
若发生浮料结壳并严重影响产气时，则应打开活动盖进行搅拌。
冬天减少或停止搅拌。
10安全注意事项
1、沼气发酵启动过程中，试火应在灯、炉具上进行，禁止在导气管
口试火。
2、沼气池在大换料时，要把所有盖口打开，使空气流通，在末通过动物实验证明池内确系安全时，不允许工作人员下池操作。
3、池内操作人员不得使用明火照明，不准在池内吸烟。
4、池内操作人员不得使用单人操作，下池人员要系安全绳，池上要有人监护。
以防万一发生意外可及时进行抢救
5、沼气池进、出料口要加盖。
6、输气管道、开关、接头等处要经常检修，防止输气管路漏气和堵塞。
水压表要定期检查。
确保水压表准确反映池内压力变化。
要经常排放冷凝水收集器中的积水，以防管道发生水堵。
7、活动盖密封情况下,进出料的速度不宜过快,保证池内缓慢升压或降压。
在沼气池日常进出料时，不得使用沼气燃烧和有明火接近沼气池。
11设计小结
通过本次的课程设计,我们学到了沼气池设计的步骤和需要注意的地方,在这次课程设计中不但提高了动
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