水压式沼气池设计说明参考 (1).doc

环境工程《废弃物的处理与处置》课程设计

目 录

前言----------------------------------------------------------2
课程设计目的------------------------------------------------3
农村垃圾特点概述------------------------------------------------3
设计参数及条件----------------------------------------------3
工艺流程设计------------------------------------------------5
沼气池池体设计----------------------------------------------6
1.发酵间的容积-----------------------------------------6
2.发酵间各部分尺寸的确定-----------------------------9
3.进料口（管）的设计----------------------------------11
沼气池CAD图纸---------------------------------------------13
沼气池平面安装图------------------------------------------15

前言

一、课程设计目的：
通过本次课程设计进一步了解农村家用沼气池的工作原理和工艺流程，以及沼气池形状及平面布局原则，消化吸收课本上所学的知识，学以致用并初步进行沼气池的设计。本设计中主要采用厌氧发酵技术， 通过本次设计，了解何为厌氧发酵技术以及在农村沼气池中是如何应用的，进而确定沼气池的设计方案，并对相应的沼气池的数据进行设计计算，比如沼气池池体的设计以及发酵间各部分尺寸的确定等，并学会按要求绘制所设计的沼气池的平面图和剖面图，要求数据必须符合国家标准。最后需将自己的设计思路和过程编写成书面形式，以锻炼自己口语表达能力。
二、农村垃圾特点概

农村大多以种植业和养殖业为主，故而产生的垃圾主要是秸秆、落叶和人畜粪便等一些易腐烂的有机物，然而这些有机物垃圾都是可以进行厌氧发酵处理的。因而，我们可以利用它们来很好地进行制取沼气，进而为我们所用。
三、设计的主要内容
（1） 设计农村家用沼气池工艺流程；
（2） 了解沼气池形状及平面布局原则；
（3） 发酵料液的计算；
（4） 厌氧发酵间的设计：计算发酵间的容积、气室容积、发酵间各部分尺寸；
（5） 进料间、出料间（水压间）的设计；
（6） 按比例绘制沼气池池型图一张(1号或2号图)。
四、主要参考书目
1.聂永丰.三废处理工程技术手册-固体废物卷.（北京化学工业出版社，2000版）
2.国家环境保护总局污染控制司 .城市固体废物管理与处置技术.（北京中国石化出版社,2000版）
3.李国建.城市垃圾处理工程.(北京科学出版社,2003版)
4.芈振明.固体废物处理与处置.（北京高等教育出版社,1993版）
5. 农村家用沼气池设计规范 (网上查)
6. 户用沼气池标准图集 (网上查)

五、运用所学知识
本沼气池设计中主要采用厌氧发酵技术进而产生沼气：
（1）沼气是一种优质清洁的生物质能源，是人、畜粪便、生活污水、农业废弃物等有机质，在厌氧条件下，经过微生物发酵与分解而产生的一种可燃性混合气体。它的主要成分是甲烷和二氧化碳，还有少量的硫化氢、氧气、一氧化碳和氢气等。
（2）厌氧发酵厌氧消化: 也称厌氧消化，指在厌氧状态下利用微生物使固体废物中有机物转变为CH4和CO2的过程 。
（3）厌氧消化技术特点：
①过程可控制、降解快、生产过程全封闭；
②能源化效果好，可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气；
③易操作，与好氧处理相比厌氧消化吸收不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；
④产物可再利用，适于处理高浓度有机废水和废物，经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以作农肥、饲料或堆肥化原料；
⑤厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；
⑥厌氧过程中会产生H2S等恶臭气体；
⑦ 可杀死传染性病原菌，有利于防疫 。
六、工艺形式
（1） 目前我国农村都采用自然温度消化工艺。这种工艺的消化池结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广，但受季节影响明显，且消化周期须视季节和地区的不同加以控制.
（2） 本设计中采用水压式消化池,这种沼气池具有结构简单、造价低、施工方便等优点；但由于温度不稳定，产气量不稳定，故其效率较低。

七、设计参数及条件：
（1）气压：7480Pa（即80cm水柱）。
（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）。我国常采用的池容产气率有0.15,0.2,0.25和0.3几种，本设计中采用0.2。
（3）贮气量：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4m3,6 m³,8 m³,10 m³等几种，。本设计中采用6 m³。
（5）投料率：指最大投入的料液所占的发酵间的百分比，一般在85％～95％之间为宜。
（6）农家目前有8口人，4头猪，10亩地，每季每亩地产秸秆1吨，一年两季，植物秸秆密度按1t/ m³计算。
八、工艺流程设计：
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，基本流程如图4－18所示。

图 自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程
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；工艺自身耗能少，简单方便，容易操作。
（3） 我们采用自然温度连续投料发酵工艺，用人，禽兽的粪便以及蔬菜積杆等有机固体废气物，定时定量投料和出料。简单的工艺流程如下：
［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6厘米以下或粉碎。
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4%-6%。
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。补加原料的量按平均每个沼气池每天补料4-8公斤干物质的标准进行。如用气量大，池温在20摄氏度以上时，每个沼气池平均每天可补料10-15公斤。补料要先出后进，每次出料的发酵液可以循环使用。
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。
［ 沼气池的温度及保温措施］
1、因温度越高沼气产量越大，应尽量设法使沼气池背风向阳。
2、冬季到来之前，防止池温大幅度下降和沼气池冻坏，应在沼气池表面覆盖柴草、塑料膜或塑料大棚。
3、作物秸秆等堆沤时产生大量热量，正常运转期间可在池外大量堆沤秸秆，给沼气池进行保温和增温。
4、采用覆盖法进行保温或增温，其覆盖面积都应大于沼气池的建筑面积，从沼气池壁向外延伸的长度应稍大于当地冻土层深度。
［ 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。　

九、沼气池池体设计：
1.发酵间的容积 V=（V1+V2）·k1
式中 V—发酵间的容积，立方米;
V1—发酵料液体积，立方米；
V2—气室容积，立方米；
K1—容积保护系数，取0.9~1.05,此处取1.05。
(1)发酵料液体积计算： V1=〔（n1+n2）·k2+n3〕·T
式中 V1—发酵料液体积，m3；
n1—产人粪便总量。按常住人口×0.0013～0.006 m3/（人·d）取值，此处取0.006 m3/（人·d）；
n2—产牲畜粪便总量。按养猪头数×0.006～0.015 m3/（头·d）取值，此处取0.015 m3/（头·d）；
n3—每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d。
k2—收集系数，取值0.5~1.0,此处取1.0；
T—原料滞留期（d）；蔬菜区t取30，平坝农业区取35，丘陵区取40,此处取30d。
n3=2×10/365=0.055 m3/d
V1=〔（8×0.006+4×0.015）×1.0+0.055〕×30＝4.89
(2)气室容积 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，我国通常采用的产气率包括0.15 m3/（m3·天），0.2 m3/（m3·天），0.25 m3/（m3·天），0.3立方米/（m3·天），此处取0.2 m3/（m3·天）。
则 V2=1/2×4.89×0.2=0.489（m3）
则 V=（V1+V2）·k1= (4.89+0.489) ×1.05=5.65（m3）≈6.0（m3）
2.发酵间各部分尺寸的确定：
（1）沼气池的直径根据用户平均布置确定。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2.4m。
（2）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5~6。
f1=2.4/5=0.48 (m)
②池盖削球体净容积 Q1=π/6·f1(3R2+f12)
式中 Q1—池盖削球体净容积，m3；
π—圆周率，取3.1416；
f1—池盖削球体矢高，m；
R—池身圆柱体内半径，m。
则 Q1=3.1416/6×0.48×（3×1.22+0.482）=1.14（m3）
（3）发酵间池底球体矢高和净容积。
①池底削球体矢高 f2=D/a2
式中 f2--池底削球体矢高,m;
D—池身圆柱体直径，m；
a2—直径与池底矢高的比值，取值8～10。
f2=2.4/8=0.3（m）
②池底削球体净容积 Q3=π/6·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3.1416。
则 Q3=3.1416/6×0.3×(3×1.22+0.302)=0.69（m3）
（4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度。
①发酵间池身圆柱体容积 Q2=V-Q1-Q3
式中 Q1—池盖削球体净容积，m3；
V—发酵间总容积，m3；
Q2—发酵间池身圆柱体容积，m3；
Q3—发酵间池底削球体净容积，m3。
Q2=6.0-1.14-0.69=4.17（m3）
②发酵间池身圆柱体高度 H=Q2/πR2
式中 π—圆周率，取值3.1416；
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=4.17/3.1416×1.22=0.92（m）≈1（m）
（5）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 池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3.1416。
S1=3.1416×（1.22+0.482）=5.25（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=2×3.1416×1.2×0.92=6.94（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3.1416。
S3=3.1416×（1.22+0.302）=4.61（m2）
④ 发酵间总表面积
S=5.25+6.94+4.61=16.8（m2）
3.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°。
（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；
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。
f死=h1+h2+h3=13+4+25=42cm
（2） 死气箱容积
V死=πf死2（P1-f死/3）
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。
V死=3.1416×0.422×（1.74－0.42/3）=0.89（m3）
（3） 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=（6.0－0.89）/6.0×100%=85.2%
（4） 最大贮气量
V贮=池容×池容产气率×1/2
V贮=6.0×0.2×1/2=0.60（m3）
（5） 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=0.89+0.60=1.49(m3)
（6） 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=1.49－1.14=0.35（ｍ３）
圆筒形池身内气箱部分的高度为
　　　　　　ｈ筒＝0.35/(3.1416×1.22)=0.078(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、沼气池平面图和剖面图：

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