水压式沼气池设计固废课设.docx
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水压式沼气池设计固废课设
中北大学信息商务学院
课程设计任务书
2015〜2016学年第二学期
学
院:
化工与环境学院
专
业：
环境工程
学
生
姓
名:
宋思奇学号：
1304014145
课程设计题目：
水压式沼气池设计一一4.0米3混凝土结构
（池容产率0.6米3/米3?
天）
起
迄
日
期:
4月29日〜6
月10日
课程设计地点：
中北大学信息商务学院
指导教师：
李颖
系主任：
张建忠
下达任务书日期：
2016年4月29日
水压式沼气池设计4.0米3混凝土结构（池容产气
率0.6米3/米3?
天）
摘要
水压式沼气池是我国推广最早、数量最多的池形，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。
“圆、小、浅”就是池体圆、体积小、埋深
浅。
“活动盖”就是沼气池顶加活动盖板。
这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气池内压力相应提高。
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。
用气时，沼气开
关打开，沼气在水压下排出，当沼气减少时，水压间的料也又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。
关键词：
水压式沼气池，设计，沼气
1.绪论1
1.1沼气介绍1
1.2沼气发酵的原理1
1.3沼气发酵原料选择1
1.4工艺流程2
1.5水压式沼气池结构2
1.6水压式沼气池工作原理及优点3
2.圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算3
2.1设计参数3
2.2设计原始数据4
2.3工艺流程设计4
2.4发酵料液的计算4
2.5发酵间的设计5
2.6进料口（管）的设计8
2.7水压间的设计9
3.圆筒形水压式沼气池施工及材料设计10
3.1材料参考用量10
3.2沼气池施工11
3.3成本核算12
4.参考文献13
5.结束语14
1.绪论
1.1沼气介绍
沼气是由生物质和有机质如秸秆、畜禽粪便等经微生物发酵产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷（CH4）,大约占60%其次是二氧化碳（CO）,大约占35%此外还有少量其他气体，有水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。
不同条件下产生的沼气，成分有一定差异。
【1】
1.2沼气发酵的原理
沼气发酵，又称甲烷发酵，是由多种微生物在绝氧条件下分解有机物实现的。
通常把参与沼气发酵的微生物分为三类。
第一类叫发酵细菌，包括各种有机物分解菌，它们通过分泌的胞外酶，将复杂的有机物分解为较简单的物质，例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为甘油和氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸；第二类叫产氢产乙酸菌，它们的主要作用是将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳；第三类细菌叫产甲烷菌，其作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。
在沼气发酵过程中，这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。
111
有机物
产氢产醋酸
・挥发酚、CO2
卜丙酮酸、乙酸
-有机酸、醇类
根据三阶段理论，甲烷发酵原理可由下图表示
碳水化合物卜糖类多糖・单糖
蛋白质氨基酸———一
脂肪脂肪酸、甘油-——
1.3沼气发酵原料选择
农村沼气发酵原料尽管很多，但从沼气利用的角度考虑，主要为秸秆类和粪
便类。
粪便类分解速度相对较快，入池和出料都很方便，单独使用产气效果也很好，因而许多地方只采用粪便入池发酵。
但随着农业产业化的发展，农村种植和养殖模式发生了显著的变化，家庭养猪数量不断减少，沼气发酵的粪便量严重不足，秸秆作为发酵主要原材料成为必然。
秸秆随农事活动批量获得，能长时间存放不影响产气。
但秸秆发酵速度较慢，需要较长时间才能达到预期的沼气产量，且出渣较为困难。
为此，入池前需要进行切短、堆沤等预处理，或和粪便一起发酵，并采用批量入池，批量出渣的方法。
【1】
1.4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述两种工艺。
（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，采用半批量方式投料。
这种工艺的发酵期因季节和农用情况而定，一般为5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，该工艺的主要缺点是出料操作劳动量大。
（2）自然温度连续投料发酵工艺
这种工艺是在自然温度下，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，提高原料利用率和沼气池负荷能力，达到较高的产气率；工艺自身能耗少，简单方便，容易操作。
【2】
1.5水压式沼气池结构
在我国农村，沼气发酵不仅作为农业生态系统中的一个重要环节，处理各类废弃物来制成农家肥，而且获得生物质能用来照明或作为燃料。
【2】
厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行。
沼气池种类很多，我国农村最常用的有：
家用水压式沼气池，曲流布料沼气池和圆柱形自循环沼气池等。
【3】其中，水压式沼气池是农村推广的主要池型。
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
水压式沼气池结构简图如下
1
4
5
2
3
1—加料管；2—发酵间；3—水压间；4—导气管；5—控制阀
1.6水压式沼气池工作原理及优点
家用水压式沼气池的工作原理是：
池内装入发酵原料（约占池体积的80%
左右），以料液表面为界限，上部为贮气间，下部为发酵间。
当沼气池内产生沼气时，沼气集中在贮气间内，随着沼气的增多，池内的压力不断增大，此时沼气压迫发酵液进入水压间。
用沼气时，贮气间的沼气被放出，此时，水压间内的料液进入发酵间，如此“气压水、水压气”反复进行，因此称之为水压式沼气池。
水压式沼气池构造简单，施工方便，各种建筑材料均可使用，取材容易，价格较低，一般6~8m3沼气池造价600~1000元。
混凝土结构的沼气池使用寿命可达20年。
年产沼气240m3以上（黄河以北），可供五口之家8个月做饭和全年照明。
【3】
2.圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算
2.1设计参数
（1）气压:
7480Pa（即80cm水柱）。
（2）池容产气率：
池容产气率系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）。
我国通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：
贮气量系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：
系指发酵间的容积。
农村家用水压式沼气池的池容积有4m3、6m3、8m3、10m3等几种。
（5）投料率：
系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。
2.2设计原始数据
发酵间容积（池容）为4.0立方米；
最大投料量小于发酵间总容积的90%;
池容产气率：
0.6米3/米3天；
建池材料：
现浇混凝土；
池内正常工作压力w800毫米水柱（压强P=0.08公斤/厘米2）。
2.3工艺流程设计
此处采用自然连续投料发酵工艺，以人、禽畜粪便及蔬菜秸秆为发酵原料，定时定量投料和出料，简单工艺流程图如下：
图2—1
2.4发酵料液的计算
2.4.1发酵料液的体积
Vmn2k2n3T
50.00860.040.8030
3
6.72m
式中：
Vi——发酵料液体积，m3;
ni——产人粪便总量。
按常住人口x0.006~0.013nf/（人•d）取值；n2――产牲畜粪便总量。
按养猪头数x0.006~0.15m3/（头•d）取值;
n3每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d;
k2――收集系数，取0.5~1.0;
T――原料滞留期（d）;蔬菜区T取30,平坝农业区取35,丘陵农区取40。
242气室容积的计算
气室容积
113
V2Vik36.720.150.504m3
式中：
Vi——发酵料液体积，m3;
V2――气室容积，m3;
k3――原料产气率，我国通常采用的产气率包括0.15m3/（m3•d）、
0.2m3/（m3•d）、0.25m3/（m3•d）、0.3m3/（m3•d）。
2.5发酵间的设计
2.5.1发酵间的容积
VV1V2k16.720.5040.956.0m3
式中：
v——发酵间容积，m；
v1――发酵料液体积，m;
v2――气室容积，m；
k1――容积保护系数，取0.9~1.05。
2.5.2发酵间各部分尺寸的确定
（1）沼气池的直径根据用户平面布置确定。
考虑充分利用土地资源、平面
布局紧凑的原则，确定沼气池的直径为2.2m。
（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积
1池盖削球体矢高
式中：
f1——池盖削球体矢高，m
圆柱体形池身直径，m
a1――直径与池顶矢高的比值，取5~6
2池盖削球体净容积
Qi
6fi3R2
3140.44
31.12
0.442
0.88m3
式中：
q——池盖削球体净容积，m；
fi—池盖削球体矢高，m
R——池身圆柱体内半径，m
（3）发酵间池底削球体矢高和净容积
1池底削球体矢高
f2D——0.275m
28
式中：
f2——池盖削球体矢高，m
d――池身圆柱体直径，m
8~10。
a2――直径与池底矢高的比值，取
2池底削球体净容积
3
式中：
Q——发酵间池底削球体净容积，
f2——池底削球体矢高，m
（4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度
①发酵间池身圆柱体净容积
Q2VQ1Q360.880.534.59m3
3
m；
式中：
Q——发酵间池身圆柱体净容积,
v――发酵间总容积，m；q1——池盖削球体净容积，m；
Q3——发酵间池底削球体净容积,
3
m；
3
m。
②发酵间池身圆柱体高度
Q2
4.59,一
HR2
3.141.121.21m
式中：
R——发酵间池身圆柱体半径，m；
H――发酵间池身圆柱体高度，m。
（5）发酵间内总表面积
1池盖削球体球面内表面积
51R2f123.141.120.4424.42m2
式中：
Si――池盖削球面内表面积，m2;
R池身圆柱体半径，m；
fi池盖削球面矢高，m。
2圆柱体池身内表面积
522RH23.141.11.218.36m2
式中：
S2池身圆柱体内表面积，m2;
R池身圆柱体内半径，m；
H――池身圆柱体高度，m。
3池底削球体内表面积
S3R2f223.141.120.27524.04m2
式中：
S3池底削球体内表面积，m2;
R——池身圆柱体内半径，m。
f2——池底削球体矢高，m；
4发酵间总表面积
SS1S2S34.428.364.0416.82m2
2.5.3发酵间各部分位置标注
Q'
2.6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X宽X深=600mM320mM500mm下部圆管采用©260mn现浇混凝土管，管与池墙角为40?
。
水压式沼气池进料管安装位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处。
该位置计算如下：
2.6.1死气箱拱的矢高
f死0h2h30.120.040.240.40m
10~15cm
式中：
hi――池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在之间；
h2――导气管下露出长度，取3~5cm
h3——导气管下口到液面距离，一般取20~30cm
2.6.2死气箱容积
3.140.4
0.87m
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
263投料率
根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率
VV死
V
6.00.87100%85.5%
6.0
式中：
v,v死一一分别为发酵间容积和死气箱容积，m。
264最大贮气量
11
V贮池容池容产气率6.00.150.45m3
22
2.6.5气箱总容积
V气V死V贮0.870.451.32m3
式中：
V气，V死,V贮—分别为沼气池的气箱总容积、死气箱总容积和有效气箱容积（最大贮气量）。
2.6.6发酵间最低液面位
（1）气箱在圆筒形池身部分的容积
V筒V气Q1.320.880.44m3
0.116m
0.44
2
3.141.1
（2）圆筒形池身内气箱部分的高度
最低液面位于池盖与池身交接平面以下h筒的位置上，这个位置也就是进料
管的安装位置。
2.7水压间的设计
2.7.1水压间零压线
无效水压间的容积取为0。
未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下0.4m处，
因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m处的水平线上。
2.7.2发酵间最大料液水位降
产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f1+h筒=0.44+0.116=0.556m,又未
产气时液面距池顶0.4m,所以，发酵间最大料液水位降为0.556-0.4=0.156m。
2.7.3水压间高度
由于设计压强为7480Pa（即80cm水柱）,因此水压间的高度
H水压间0.80.1560.644m
2.7.4水压间圆柱体底面积
V贮0.452
S水压间0.70m
水厂间H了水压间0.644
0.70.47m
3.14
2.7.5水压间底面半径
S水压间
3.圆筒形水压式沼气池施工及材料设计
3.1材料参考用量
根据GB/T4752-2002中4卅~10用现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表,
如下：
容积
混凝土
碎石m3
m3
体积m3
水泥kg
中沙m3
4
1.257
350
0.622
0.959
6
1.635
455
0.809
1.250
8
2.017
561
0.997
1.540
10
2.239
623
1.107
1.710
容积
池体抹灰
水泥素浆
m3
体积m3
水泥kg
中沙m3
水泥kg
4
0.277
113
0.259
6
6
0.347
142
0.324
7
8
0.400
163
0.374
9
10
0.508
208
0.475
11
m3
水泥kg
中沙m3
碎石m3
4
469
0.881
0.959
6
604
1.133
1.250
8
733
1.371
1.540
10
842
1.582
1.710
本设计为池容
6m，产气率为
表3—1
0.15m3/（ntd）的现浇混凝土结构圆筒形水
压式沼气池，参照标准，取材料用量为水泥604kg,中砂1.133m3，碎石1.250m3一般情况建一个8m3的沼气池需要红砖600块，若建6m沼气池，则水泥、砖、砂比8吊沼气池用量要减少10%考虑到进出料间用料则本设计需红砖600块，由于进出料管为现浇混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分别增加为
33
720kg，1.5m，1.3m，钢筋1.8m。
3.2沼气池施工
（1）考察地形，选定施工位置。
（2）制定施工方案，绘制结构和施工图。
（3）施工准备。
（4）池坑开挖。
（5）支模。
（6）模板及支架检验。
（7）浇筑混凝土。
（8）混凝土养护。
（9）池底施工。
（10）进出料管施工。
（11）拆模。
（12）回填土。
（13）密封层施工。
（14）质量总体检查验收。
3.3成本核算
查得325号水泥价格为390元/吨，中沙60元/立方米，碎石40元/立方米，
红砖0.43元/块，钢筋（直径14mm每米28元，则所需材料费用为
s0.723901.5601.3400.43600228736.8元
考虑到工人工资，材料运费及损耗等，应乘以一个2.2的系数，得到总费用
S736.82.21620.96元
4.参考文献
[1]杨国清主编．固体废物处理工程（第二版）．[M]北京：
科学出版社，2007：
372
[2]宁平等编．固体废物处理与处置实践教程．[M]北京：
化学工业出版社，2005：
122~123
[3]张颖主编．农业固体废弃物资源化利用．[M]北京：
化学工业出版社，2005：
173
[4]国家质量监督检验检疫总局发布．GB/T4752-2002农村家用水压式沼气池施工操作规程．北京：
中国标准出版社，2002
[5]芈振明等编．固体废物处理与处置．[M]北京：
高等教育出版社，1993
5.结束语
通过本次课程设计，我对水压式沼气池的设计计算和施工建造有了深刻的认识和了解，这也提高了我分析和解决问题的能力，并使我进一步接触到工程实际。
与此同时，我在设计中加强了自己的word、autoCAD等多种绘图工具的应用能力，获益匪浅。
最后还要感谢老师和同学们的帮助，我会继续努力。
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