固废课程设计任务书完整版.docx
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固废课程设计任务书完整版
扬州职业大学
固体废物课程设计
（2010届）
题目有机垃圾产沼工艺的设计
院系：
生化工程系
专业：
环境监测与治理技术
班级：
环境监测
（2）班
学号：
100501238100501239
姓名：
吴小丹夏文霞
指导教师：
于卫东
起讫日期：
2012年6月12日-6月19日
水压式沼气池设计计算说明书
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。
固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形三种池型。
这种池型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。
这样一来，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”。
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。
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。
二、课程设计的题目
水压式沼气池设计
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，单位为m3沼气／（m3池容.d）。
我国常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。
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。
本设计中农村家用水压式沼气池的池容积为14m3。
5、投料率：
指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85%-95%之间为宜。
五、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。
六、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。
图2水压式沼气池初始工作状态
H2
ΔH
H1
图3水压式沼气池极限工作状态
七、沼气池的设计依据及原则
分析上述工作原理，可以得到以下三点设计水压式沼气池的主要依据：
1.设计依据
（1）沼气池装料（包括料液）的最高位置只能在沼气池处于初始工作状态时的液面高度，此时的液面为O-O液位。
在O-O液位时，发酵间上部仍有部分气箱可以贮存沼气，但是这部分沼气由于无法被压出，因此无法被利用，所以称为“死气”。
“死气”所占据的空间称作“无效气箱”或“死气箱”。
（2）水压间内的料液液面在O-O位置，即初始工作状态时，其液面处于最低位置，不可能再继续下降。
因此，在水压间中如果存在低于O-O位置的料液的话，这部分料液没有势能，不具有压出气箱内沼气的作用，是“死液”。
“死液”所占据的那部分水压间被称为“无效水压间”。
无效气箱和无效水压间对沼气池运行不起任何作用，因此应当尽量控制其容积。
在满足功能要求的情况下，无效气箱和无效水压间容积越小，沼气池的利用效率就越高，造价也越低。
水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是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。
（3）低液面，而水压间液面是最高液面，此时沼气池内的压强达到最高值。
在设计中，称此时的压强为最高设计压强。
沼气池在运行时其池内压强不应超过此值，否则将因超负荷而破坏沼气池。
为防止沼气池超负荷运行，一般设计中采取的措施是：
将进、出料管（或其中一管）上沿安装在A-A液位面与池身的交线上，这样，当贮气量超过最大贮气量，即液面低于A-A位置时，多余的沼气自行从进、出料管逸出，保持池内压强不大于最高设计压强；同时，将水压间的溢料口下沿设计在B-B位置上，这样即使水压间液面有超过B-B位置的可能时，超出的部分料液也会从溢料口中溢出，使两液面差始终保持在最大液差之内。
2.设计原则：
（1）沼气池宜建在畜圈或厕所地表以下，进料间与人、畜粪入口相连通。
（2）坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观。
（3）池盖顶端复土厚度不小于200mm。
（4）强度安全系数K≥2.65。
（5）正常使用寿命20年以上。
八、发酵料液的计算
根据投料率即最大投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85%~95%。
这里取90%。
因此：
1.发酵料液体积的计算
V1=V×90%
式中：
V1—发酵液体积，m3
V—发酵间容积，m3
V1=14×90%=12.6m3
2．发酵投料计算
发酵料液体积为12,6，猪粪密度为
秸秆密度为：
，猪粪的C/N取10，秸秆的C/N
取80，设猪粪体积为X，秸秆的体积为10-X，因为发酵料液的C/N为25:
1，则有：
计算得，
X=9.69
12.6-X=2.91
所以，猪粪体积为9.69
，秸秆体积为2.91
3.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0.2，为常温下产率。
V2=1／2×12.6×0.2=1.26（m3）
九、发酵间的设计
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K1=0.9
V=（12.6-1.26）×0.9=10.2m³
2.发酵间各部分尺寸确定
计算发酵间容积
综合圆筒型沼气池的内力结构计算、材料用量计算和施工管理、使用技术等诸种因素，一般认为：
当池盖矢跨比
、池底矢跨比
和池身高
（对于4、6、8、10m3容积的小型沼气池可取H=1m）时，沼气池的尺寸比例比较合理。
这样，一旦发酵间某一尺寸被确定以后，我们即可以计算出其它部分的尺寸和发酵间各部分的容积。
我们还可以用合理尺寸比例来确定已知容积的发酵间各部分尺寸。
利用合理尺寸比例和容积计算公式可以得出：
因为发酵间容积
，所以
。
因此可以得一计算公式：
=3.2m
（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5。
f1=3.2/5=0.64（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=3.14/6×0.64×（3×1.62+0.642）=2.7（m3）
（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=3.2/8=0.4（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=3.14/6×0.4×（3×1.62+0.42）=1.64（m3）
（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
Q
=V-Q1-Q
式中Q1—池盖削球体净容积，m3；
V—发酵间总容积，m3；
Q
—发酵间池身圆柱体容积，m3；
Q
—发酵间池底削球体净容积，m3。
Q
=10.2-2.7-1.64=5.9（m3）
②发酵间池身圆柱体高度
H=Q2/πR2
式中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=5.9/（3.14×1.62）=0.73（m）
（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
1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，m3；
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×（1.62+0.642）=9.325（m2）
2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，m；
H—池身圆柱体高度，m；
π—圆周率，取值3.1416。
S2=2×3.14×1.6×0.73=7.335（m2）
3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×（1.62+0.42）=8.541（m2）
4发酵间总表面积
S=9.325+7.335+8.541=25.201（m2）
十、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40°。
（1）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10～15cm之间,取15cm；
h2—导气管下露出长度，该值一般在3～5cm之间取5cm；
h3—导气管下口到液面距离，该值一般在20～30cm之间一般取25cm。
f死=0.15+0.05+0.25=0.45（m）
（2）死气箱容积
根据沼气池投料率（本设计中投料率为90%），可计算出死气箱的容积，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；
90%=（10.2－V死）/10.2×100%
V死=1.02（m3）
（3）最大贮气量
V贮=池容×池容产气率×1/2
V贮=14×0.3×1/2=2.1（m3）
（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=1.02+2.1=3.12（m3）
（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－Q1
V筒=3.12-2.7=0.42（ｍ３）
圆筒形池身内气箱部分的高度为
h筒=V筒/R2
h筒=0.42/（3.14×1.62）=0.052（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。
十一、水压间（管）的设计
H水压间=h筒+f死+H-0.8
H水压间=0.052+0.45+0.73-0.8=0.432（m）
有效容积：
V有=池容×池容产气率×投料量×1/2
V有=14×0.3×90%×1/2=1.89（m3）
H水压间=V有/（3.14×R2）
0.432=1.89/（3.14×R2）
R水压间=1.18
水压式沼气池的尺寸设计完成
十二、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。
十三、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。
十四、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
3、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。
十五、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，特别是水压式沼气池，也为以后我们的工作打下坚实的基础。
当然由于所查资料及所学知识有限，如若有不足或错误之处还望于老师校正。
十六、文献资料
①《固体废物处理处置与资源化》、《固体废物处理与处置实践教程》、《固体废物处理处置与资源化工程》
②原料的预处理与注意事项来自于XX文科
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