户用型沼气池设计课程设计-毕业论文.doc

环境工程设计课程设计 谭爱冬2010108103
目 录
1前言 1
1.1沼气定义 1
1.2沼气工程原理 1
1.3影响厌氧消化的因素 3
1.4沼气工程的现状和前景 4
1.5沼气发酵的优点 5
2依据 5
3设计说明书 5
3.1设计题目 5
3.2设计目的 5
3.3设计参数 6
3.3.1气压 6
3.3.2池容产气率 6
3.3.3贮气量 6
3.3.4池容 6
3.3.5投料率 7
3.4发酵间设计 7
3.4.1发酵间的容积 7
3.4.2发酵间各部分尺寸的确定 7
3.5进料口设计 10
3.5.1计算死气箱拱的矢高 10
3.5.2死气箱容积 11
3.5.3投料率 11
3.5.4最大贮气量 11
3.5.5气箱总容积 11
3.5.6发酵间最低液面位 12
3.6水压间的设计 12
3.7发酵原料预处理 12
3.8设计沼气池的注意事项 12
4设计计算书 13
4.1工艺流程设计 13
4.2发酵间的容积计算 13
4.3发酵间各部分尺寸的计算 14
4.4进料口计算 15
5设计小结 16
6参考文献 16

1前言
1.1沼气定义
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，产生的一种可燃性气体。由于这种气体最终是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫他沼气。沼气含多种气体，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。第一类细菌叫分解菌，他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。他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；第二类细菌叫甲烷细菌，通常叫甲烷菌，他的作用是将简单的有机物及二氧化碳还原成甲烷。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程序：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。
1.2沼气工程原理
沼气发酵是有机物在无氧条件下被微生物分解、转化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物学过程。沼气发酵中生物反应具有多步骤性，而且有许多种微生物参与。厌氧消化实际上是一个具有不同功能的不同种微生物，在沼气发酵这样一个生态环境中共同生存、相互依赖、相互制约的生态平衡系统。沼气产生的基本原理，就是厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为水解、产酸、产甲烷三个阶段。
第一阶段（水解阶段）：有机物质（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）由发酵细菌（纤维素分解细菌、蛋白质分解细菌、脂肪分解细菌等）的作用，将多糖水解成单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪水解成甘油和脂肪酸，并进一步降解成各种低级有机酸，如乙酸、丙酸、宜春等。同时，还生成氢气和二氧化碳。
第二阶段（产酸阶段）：主要是由产氢细菌和乙酸细菌，将丙酸、乙酸和乙醇等分解，形成氢和乙酸，间或有二氧化碳形成。
第三阶段（产甲烷阶段）产甲烷细菌分解乙酸，形成甲烷和二氧化碳，或利用氢还原二氧化碳，形成甲烷，或转化甲酸形成甲烷。在形成的甲烷中，约30%来自氢还原二氧化碳，70%来自乙酸的分解。
沼气发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。在沼气发酵初期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用；在沼气发酵后期，则是三个阶段的作用同时进行，到一定时间，保持一定的动态平衡才能持续正常地产气。
厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行。我国沼气发酵池类型较多，其中，水压式沼气池是在农村推广的主要池型。水压式（圆筒式）沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒型发酵池，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。（结构如图1所示）。
图1水压式沼气池
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，发酵间的压力减小，水压间液体被压回发酵间。
1.3影响厌氧消化的因素
厌氧消化的影响因素主要有：温度、污泥投配率、碳氮比、酸碱度、搅拌程度等
1、温度
　　温度适宜时.细菌发育正常，有机物分解完全，产气量高。根据操作温度的不同，可将厌氧消化分为：①低温消化：可不控制消化温度(≤30℃);②中温消化：30-35℃;③高温消化：50-56℃。实际上，在0-56℃的范围内，产甲烷菌并没有特定的温度限制，然而在一定温度范围内被驯化以后，温度稍存升降(±2℃)，都可严重影响甲烷消化作用，尤其是高温消化，对温度变化更为敏感。因此，在厌氧消化操作运行过程中，应尽量保持温度不变。
2、污泥投配率
　　投配率系指每月加入消化池的新鲜污泥体积与消化池体积的比率，以百分煎计。根据经验.中温消化的新鲜污泥投配率以6%-8%为宜。在设计时，新鲜污泥投配率可在5%-12%之间选用。若要求产气量多，采用下限值;若以处理污泥为主.则可采用上限值。一般来说，投配率大，则有机物分解程度减少，产气量下降，所需消化池容积小;反之，则产气量增加.所需消化池容积大。
3、营养与碳氮比
　　消化池的营养由投配污泥供给，营养配比中最重要的是C/N比。C/N比太高，细菌氮量不足，消化液缓冲能力降低，pH值容易下降;C/N比太低，含氮量过多，pH值可能上升到8.0以上，脂肪酸的铵盐发生积累，使有机物分解受到抑制。
　　据研究，对于污泥消化处理来说， C/N比以(10-20)：l较合适，因此，初沉池污泥的消化较好，剩余活性污泥C/N比约为5：1，所以不宜单独进行消化处理。
4、搅拌
　　搅拌操作可以使鲜污泥与熟污泥均匀接触，加强热传导，均匀地供给细菌以养料，打碎液面上的浮渣层，提高消化池的负荷。20世纪40年代的消化池设有搅拌设施，称标准消化池，其消化时间长，需30-60d。有搅拌设备的消化池消化时间为l0-15d。
5、酸碱度
　　酸碱度影响消化系统的pH值和消化液的缓冲能力，因此消化系统中有一定的碱度要求。若碱度不足，可投加石灰、无水氨或碳酸铵进行调节。但大量投加石灰，常使碱度偏高，泥量增加，应尽量合理利用。甲烷菌的最佳pH值为7.0-7.5。
6、有毒物质含量
　　有毒物质主耍包括重金属、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、表面活性剂以及SO42-、NO2-、NO3-等。
　　重金属离子能与酶及蛋白质结合，产生变性物质，对酶有混凝沉淀作用;多种金属离子共存时，对甲烷细菌的毒性有互相对抗作用;NH4+的毒性主要是C/N比起作用;表面活性剂ABS(硬性洗涤剂)允许质量浓度为400-700mg/L，软性洗涤剂LAS允许浓度可更高些。阴离子的抑制作用主要来自SO42-和NO3-。因硫酸还原和NO3-反硝化都在厌氧条件下进行，且都是微生物的作用过程，反硝化菌和硫酸还原菌与产甲烷菌相比有争夺电子供体的优势，所以厌氧消化产气中可能有H2S和N2存在。当消化池中SO42-(≥5000mg/L)和NO3-(COD/NO3-N≤4.1)浓度过高时，会对产甲烷过程产生抑制作用。
1.4沼气工程的现状和前景
目前，中国大约有两千万人口在使用沼气，年产沼气十亿多立方米，是世界上建造沼气发酵装置最多的国家。近几年来，推广沼气已经从农村发展到城镇。在发酵原料比较集中的而数量相对稳定的农牧场、食品厂、酒厂等轻工企业单位，新建了一万多个大、中型沼气池。发酵总容积约为31玩多立方米。城镇推广大、中型沼气池经济效益比小型农村户用沼气池显著。例如四川省乐至果酒厂修建的发酵装置，日产沼气3000m³，发酵后的制酒废液，COD去除率为92%，BOD去除率为95%，大大减轻了对环境的污染。所产沼气除供应一个2×120千瓦的沼气发电站和四吨卡车外，还解决了全厂职工的生活用能，余下的沼气直接为烧煤锅炉助燃。除环境效益外，五年就可以回收投资。我国农村户用型沼气池，绝大多数是混凝土结构的水压式沼气池，有1-2万个是红泥塑料半塑式或者分离浮罩式沼气池。据典型测试盒调查，在南方一个正常使用的户用型沼气池，一般一年可产沼气250-300m³，能解决八至十个月的燃料，在2-3年内就可以从所获得的直接受益中收回建池投资。水压式沼气池世界上称为中国式沼气池，它像印度的哥巴沼气池一样，是农村户用型沼气池的一种典型池型，现在已为第三世界各国采用推广。
1.5沼气发酵的优点
沼气作为一种清洁的可再生能源，不仅可以提供照明、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。其中厌氧制沼气技术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资源。并且随着农业生产的发展而增加，是“取之不尽，用之不竭”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，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，也可以作为
2依据
3设计说明书
3.1设计题目
户用沼气池工程设计，常住人口3人，原料滞留期为40d，原料产气率0.2。
3.2设计目的
通过课程设计进一步消化和巩固环境工程设计课程所学内容，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，培养确定厌氧处理系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程制图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。
3.3设计参数
3.3.1气压
沼气池的产气量和沼气池内气压紧密相关，随着气压的增加，其产气量相应减少。甲烷菌在40m静水压力下可正常活动，但对压力的变化极为敏感。因此，沼气发酵工艺要求沼气池内气压有一个相对稳定的状态，沼气气压过小或过大，均对充分燃烧不利。水压式沼气池设计气压为5886~7848Pa，设计时取7480Pa。
3.3.2池容产气率
产气率是指每立方米发酵料液每天的产气量，以m³/(m³·d)表示。发酵原液、浓度、温度、发酵工艺等都会影响产气率。设计产气率是指设计时沼气池正常运转过程中应该达到的产气率。目前，农村家用沼气池大部分采用常温即自然温度发酵工艺，在正常运转情况下，每昼夜1m³发酵料液的产气量为0.15~0.30m³，夏季产气旺盛，冬季较差。设计时取0.2。
3.3.3贮气量
贮气量系指气箱内的最大沼气贮存量。由于沼气池产气速率和用气速率的不同，沼气发酵工程中需要配套设置贮气装置，以便有效调节产气和用气之间的矛盾。水压式沼气池水压间的有效容积就是贮气容积。农村户用沼气池的贮气容积可按昼夜产气量的50%（12h产气量）确定，其值与有效水压间的容积相等。
3.3.4池容
池容系指发酵间的容积。农村户用沼气池，根据目前一般生活水平，每人每天用气量为0.2~0.3m³，因此沼气池容积可参照人数多少定为4~10m³。农村家用水压式沼气池的容积有4m³、6m³、8m³、10m³等几种。设计时取6m³。
3.3.5投料率
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。
3.4发酵间设计
3.4.1发酵间的容积
(1)发酵料液体积的计算

式中：——发酵料液体积，m³；
——产人粪便总量。常住人口×0.013m³/(人·d)；——产牲畜粪便总量。养猪头数×0.006~0.15m³/(头·d)；——每日舍外能定量收集粪便总量；——收集系数，取值0.5~1.0；T——原料滞留期，蔬菜区取30T，平坝农业区取35T，丘陵农区取40T。
(2)气室容积的计算

式中：——气室容积，m³；——发酵料液体积，m³；——原料产气率，m³/(m³·d)。我国通常采用的产气率包括0.2、0.3、0.4.
(3)发酵间的容积

式中：——发酵间容积，m³；——发酵料液体积，m³；——气室容积，m³；——容积保护系数，取值0.9~1.05。
3.4.2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。
(2)发酵间池盖削球体矢高

式中：——池盖削球体矢高，m；D——圆柱体形池身直径，m；——直径与池顶矢高的比值，取5~6。
(2)池盖削球体净容积

式中：——池盖削球体净容积，m³；——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

式中：——池底削球体矢高，m；D——圆柱体形池身直径，m；——直径与池底矢高的比值，取值8~10。
(4)池底削球体净容积

式中：——发酵间池底削球体净容积，m³；R——池身圆柱体内半径，m；——池底削球体矢高，m。
(5)发酵间池身圆柱体净容积

式中：——发酵间池身圆柱体净容积，m³；——发酵间容积，m³；——池盖削球体净容积，m³；——发酵间池底削球体净容积，m³。
(6)池身圆柱体高度

式中：——发酵间池身圆柱体高度，m；——发酵间池身圆柱体净容积，m³；R——池身圆柱体内半径，m。
(7)发酵间池盖削球体球面内表面积

式中：——池盖削球体面内表面积，㎡；R——池身圆柱体内半径，m；——池盖削球体矢高，m。
(8)圆柱体池身内表面积

式中：——池身圆柱体内表面积，㎡；R——池身圆柱体内半径，m；——发酵间池身圆柱体高度，m。
(9)池底削球体内表面积

式中：——池底削球体内表面积，㎡；R——池身圆柱体内半径，m；——池底削球体矢高，m。
(10)发酵间内总表面积

式中：——内总面积，㎡；——池盖削球体面内表面积，㎡；——池身圆柱体内表面积，㎡；——池底削球体内表面积，㎡。

图2 圆筒式沼气池几何形状
D:圆柱体形体池身直径 R：池身圆柱体内半径 H：池身圆柱体高度
：池盖削球体矢高 ：池底削球体矢高 ：正削球形池盖净空曲率半径
：反削球形池盖净空曲率半径
3.5进料口设计
进料口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的长×宽×深=600mm×320mm×500mm；下部圆管宜采用直径200~300mm预制混凝土管或现浇混凝土管，管与池墙角不小于30°。进料管安装位置确定在发酵间的最低设计液面高度处。
3.5.1计算死气箱拱的矢高
死气箱拱的矢高即池盖顶点到发酵间的最高液面。其中死气箱拱的矢高可按照下式计算。

式中：——死气箱拱矢高，m；——池盖拱顶点到活动盖下边缘平面的距离，该值一般在10~15cm之间；——导气管下露出长度，取3~5cm；——导气管下口到液面距离，一般取20~30cm。
3.5.2死气箱容积
池盖的曲率半径

式中：——池盖曲率半径，m；——池盖削球体矢高，m；R——池身圆柱体内半径，m。
死气箱容积

式中：——死气箱容积，m³；——死气箱拱矢高，m；——池盖曲率半径，m。
3.5.3投料率

式中：——发酵间容积，m³；——死气箱容积，m³。
3.5.4最大贮气量

3.5.5气箱总容积

式中：——沼气池气箱总容积，m³；——死气箱容积，m³；——有效气箱容积（最大贮气量）。
3.5.6发酵间最低液面位
对一般沼气池来说，均大于Q1，也就是说最低页面位置咋圆筒形池身范围内。此时，要确定进、出料管的安装位置，应先计算出气箱在圆筒形池身部分的容积。
因此，，式中：——圆筒形池身气箱部分的高度，m。
最低液面位置在池盖与池身交接平面以下的位置上。这个位置也就是进出料管安装位置。
3.6水压间的设计
依据国家标准GB-4752-2002，6m³现浇混凝土结构圆筒形水压式沼气池及水压间选用尺寸，选取主池容积为6m³，产气率为0.2m³/(m³·d)的圆筒形水压式沼气池的水压间直径1.10m；水压间高度0.657m；水压间有效容积0.549m³。
3.7发酵原料预处理
发酵原料预处理包括发酵原料的收集和运输，水质、水温、温度、酸碱度的调节以及固态物质的去除。主要设施有：格栅、提升泵、酸化池、集料池等。
3.8设计沼气池的注意事项
1、沼气池的建设应与房屋及周围环境相协调，以利于保持环境的优美与卫生； 
2、为缩短沼气的输送距离，沼气池应尽量靠近厨房，距离不宜超过30米。 
3、沼气池应远离公路与铁路，并避开竹林与树林，以免对沼气池造成震动与损害，强度安全系数K≥2.65。
4、尽量选择地基好、地下水位较低和背风向阳的地方建池。 
5、沼气池应当与猪栏、厕所连通修建，做到“三结合”，便于粪便自流入池。 
6、建池技工应经过沼气技术培训，须持有沼气行政部门颁发的上岗证，并要按国家标准进行施工与验收。
4设计计算书
4.1工艺流程设计
选用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；该工艺自身耗能少，简单方便，容易操作。

加活性污泥 定期出料 送农田

原料选择 原料预处理 配料 定期定量入池发酵产气 出料
4.2发酵间的容积计算
(1)发酵料液体积的计算

——产人粪便总量。常住人口×0.013m³/(人·d)；
——产牲畜粪便总量。养猪头数×0.006~0.15m³/(头·d)，取0.08；
——每日舍外能定量收集粪便总量，取0；
——收集系数，取值0.5~1.0，设计时取0.6；
T——原料滞留期，取40d。
(2)气室容积的计算

(3)发酵间的容积

——容积保护系数，取值0.9~1.05，设计取1.0
4.3发酵间各部分尺寸的计算
(1)沼气池的直径，设计时取2.4m。
(2)发酵间池盖削球体矢高

D——圆柱体形池身直径，m；
——直径与池顶矢高的比值，取5~6，取5。
(2)池盖削球体净容积

R——池身圆柱体内半径，m, 为沼气池直径一半即为1.2m。
(3)发酵间池底削球体矢高

——直径与池底矢高的比值，取值8~10，取值9。
(4)池底削球体净容积

(5)发酵间池身圆柱体净容积

(6)池身圆柱体高度

(7)发酵间池盖削球体球面内表面积

(8)圆柱体池身内表面积

(9)池底削球体内表面积

(10)发酵间内总表面积

4.4进料口计算
进料口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的长×宽×深=600mm×320mm×500mm；下部圆管宜采用直径200~300mm预制混凝土管或现浇混凝土管，管与池墙角不小于30°，设计取35°。进料管安装位置确定在发酵间的最低设计液面高度处。
4.4.1计算死气箱拱的矢高
死气箱拱的矢高即池盖顶点到发酵间的最高液面。

4.4.2死气箱容积
池盖的曲率半径

死气箱容积

4.4.3投料率

4.4.4最大贮气量

4.4.5气箱总容积

4.4.5发酵间最低液面位
对一般沼气池来说，均大于Q1，也就是说最低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，应先计算出气箱在圆筒形池身部分的容积。

因此，。
最低液面位置在池盖与池身交接平面以下的位置上。这个位置也就是进出料管安装位置。
5设计小结
6参考文献
[1] 宁平主编. 《固体废物处理处置实践教程》. [M]. 北京：化学工业出版社. 2005.
[2] GB/T 4750-2002 户用沼气池标准图集.
[3] DB 37/T 150-2007 沼气发酵池设计规范.
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