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农村家用沼气池设计规范

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2020年4月19日
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农村家用沼气池设计规范
1、范围
本标准规定了农村家用沼气池(以下简称沼气池)设计原则要求几何尺寸的确定和结构设计。
本标准适用于砖、水泥为建筑材料，人畜粪便为主要发酵原料的半连续发酵的家用小型(发酵间10m3以内)水压式沼气池设计。

2、引用标准
下列标准所包含的条文，经过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB/T4750---1984 农村家用水压式沼气池标准图集
GBJ 3---88 砌体结构设计规范
GBJ9---87 建筑结构荷载规范
GBJ10---89 混凝土结构设计规范

3 、设计原则
3.1 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。
3.2 坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观。
3.3 池盖顶端复土厚度不小于200mm。
3.4 强度安全系数K≥2.65。
3.5 正常使用寿命20年以上。

4、设计要求
4.1 设计技术参数。
4.1.1 沼气压力。
4.1.1.2 最大工作压力13KPa。
4.1.2 产气率：0.15m3/m3，d；0.2m3/m3，d；
0.25m3/m3，d；0.3m3/m3，d。
4.1.3 投料量
4.1.3.1 最小投料量按发酵间总容积的50%。
4.1.3.2 最大投料量按发酵间总容积的90%。
4.1.4 贮气量 正常贮气量为日产气量的50%。
4.2 工艺流程
人畜粪便(青草及农业废物)→进料间→厌氧发酵间→水压(出料)间→农田。在有条件的地方，可将人粪便和牲畜粪便分两处进料口进入厌氧发酵间。
4.3 形状及平面布局
形状及平面布局按GB/T4750选用。
4.3.1 发酵间的形状以圆形为主，受占地面积限制或地下水位较高的，可将发酵间设计成椭球形或单跨拱长方形。
4.3.2 平面布局
4.3.2.1 沼气池应有平面布局设计，在征得用户同意后，方可进行施工设计。
4.3.2.2 平面布局应符合下列要求：
a)充分利用土地资源，平面布局紧凑；
b)厕所与畜圈分设；
c)进、出料方便；
d)导气管和输气管不被损害；
e)进、出料间中线夹角应大于90°，进料间蹲位板面应高于发酵间平面，出料间应低于发酵间平面。
4.3.2.3 采用钢筋混凝土板建池或有进草料习惯的沼气池应增设活动盖。
4.3.2.4 进、出料间都必须加盖板，盖板应采用具有足够强度等级的构件。进、出料间四周应作表面处理。
4.4 厌氧发酵间容积
4.4.1 发酵间容积计算公式

V=(V1-V2)K1 -----------------------------------------------------（1）

式中：V---发酵间容积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。

4.4.1.1 发酵料液体积；

V1=[(n1+n2)k2+n3]T---------------------------------------------（２）

式中：V1---发酵料液体积m3；n1是产人粪便总量。

按常住人口×0.006m3/头，d～0.0013m3/头，d取值m3；

n2—是产牲畜粪便总量。

按养猪头数×0.006m3/头，d～0.15m3/头，d取值m3；

n3---每日舍外能定量收集粪便总量m3

k2 ---收集系数，取值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 。

4.4.1.2 气室容积

V2＝1/2V1K3---------------------------------------------------------(3)

式中：V1---发酵料液体积m3；

V2 ---气室容积m3；

K3 ---原料产气率，按本规范4.1.2取值。

4.4.2 发酵间的容积不小于6.0m3，(养猪超过10头或养牛超过3头的农户)应采用其它工艺，进行施工设计时，应在有关参数上作调整。

5、沼气几何尺寸的确定
5.1 发酵间容积和几何尺寸
按4.4.1计算出容积后，再按下式计算池盖削球体，池底削球体和圆柱体池身的几何尺寸。
发酵间总容积按下式计算：
5.1.1 沼气池的直径根据用户平面布置确定。
5.1.2 发酵间池盖削球体净容积和矢高。
5.1.2.1 按下式计算池盖削球体矢高。

f1＝D/a1---------------------------------------------------------------(4)

式中：f1---池盖削球体矢高m；

D—圆柱体形池身直径m；

a1—直径矢高的比值，取5～6。

5.1.2.2 按下式计算池盖削球体净容积

Q1＝π/6f1(3R2-R)----------------------------------------------(5)

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。

5.1.3 发酵间池身圆柱体将容积和池墙高度

5.1.3.1 发酵间池身圆柱体净容积

Q2=V-Q1-Q3-------------6)

式中：Q2—发酵间池身圆柱体净容积m3；

V—发酵间总容积m3；

Q1—池盖削球体净容积m3；

Q3—发酵间池底削球体净容积m3。

5.1.3.2 发酵间池身圆柱体同度

H=Q2/πR2-----------------------------------------------------------(7)

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。

5.1.4 发酵间池底削球体矢高和净容积。

5.1.4.1 按下式计算池底削球体矢高。

f2＝ D/α2---------------------------------------------------------------(8)

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8～10。

5.1.5 按下式计算池底削球体净容积。

Q3=π/6f2(3R2-f22)-----------------------------------------------------9)

式中：Q3—发酵间池底削球体净容积m3；

π—圆周率，取3.1416；

f2—池底削球体矢高m；

R—池身圆柱体内半径m。

5.2 表面积
发酵间内总表面积按下式计算

S=S1+S2+S3-----------------------------------------------------------------(10)

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。

52.1 池盖削球体球面内表面积计算。

5.2.1.1按下式计算池盖削球面曲率半径：

ρ1=D2+4f12/8f1=R2+f1/2f1--------------------------------------------------(11)

式中：ρ1—池盖削球面曲率半径m;

R—池身圆柱体内半径m；

D—池身圆柱体内直径m；

f1—池画削球体内表面矢高m。

5.2.1.2 按下式计算池盖削球内表面积

S1=2πρ1f1=π(R2+R) --------------------------------------12)

式中： S1—池盖削球面内表面积m2；

R—池身圆柱体半径m；

ρ1—池盖削球面曲率半径m；

f1—池盖削球面矢高m；

π—圆周率，取3.1416。

5.2.2 圆柱体池身内表面积

S2＝πDH------------------------------------------------------------(13)

式中：S2—池身圆柱体内表面积m2；

D—池身内圆柱体直径m；

H—池身圆柱体高度m；

π—圆周率，取3.1416。

5.2.3 池底削球体内表面积

5.2.3.1 按下式计算池底削球体曲率半径

ρ2=D2+4f1α2/8f2=R2+f22/2f2------------------------------(14)

式中：ρ2—池底削球体曲率半径m；

D—池身圆柱体内直径m；

R—池身圆柱体内半径m；

f2—池底削球体内矢高m。

5.2.3.2 按下式计算池度削球体内表面积

S3=2πρ2f2=π(R2+f22)---------------------------------------(15)

式中：S3—池底削球体内表面积m2；

ρ2—池底削球体曲率半径m；

f2—池氏削球体矢高m；

R—池身圆柱体内半径m；

π—圆周率，取3.1416。

5.3 进料间
5.3.1 进料间由蹲位板，进料口(管)组成。
5.3.1.1 蹲位板几何尺寸。蹲位板分普通蹲位板和防蛆蹲位板。
a)普通蹲位板几何尺寸是：长×宽×厚＝720mm×420mm×80mm，中部预留长×宽＝360mm×1 50mm和长方形孔；
b)防蛆蹲位板几何尺寸：防蛆蹲位板平面和中部方孔尺寸相同，为达到防蛆效果，应在中部 方孔下增加高度120mm，宽度为40mm的防蛆线。有条件的应在内表面贴光面瓷砖或玻璃。
5.3.1 进料口(管)由上部长方形槽和下部园管组成。
a)上中长方形槽几何尺寸是长×宽×深＝600mm×320mm×500mm；
b)下中园管宜采用Φ200-Φ300预制混凝土管或现浇混凝土管，管与池墙角不小于30°
5.3.2 有条件的农户应在进料前增设人粪处理装置，其容积按下式计算：

Q4＝n1×m×30÷1000-----------------------------------------------------------(16)

式中：Q4—人粪处理坑容积m3；

n1—人均日产粪便量kg；

m—进厕人数，人；

30—粪便处理时间，天。

5.4 出料间(水压间)
5.4.1 出料间有三个作用：
a)出渣；
b)进池维修；
c)调节池内压力；
d)控制最小投料量。
5.4.2 出料间设计应符合下列要求：
a)最大投料量水平线以上为水压间，水压间的断面(水平断面)能够是圆形，也能够是椭圆形或长主形；
b)发酵间与出料间相连通的门洞几何尺寸是：高度按4.1.3最小投料量计算，宽度500mm～700mm。
5.5 发酵间与出料间的几何尺寸，可按附表选用。

6、沼气池的结构设计
6.1 结构设计的一般规定
6.1.1 可采用砖与现浇混凝土、石料与现浇混凝土、钢筋混凝土预制砌块与现浇混凝土组合结构，也可采用全混凝土结构。按GBJ3规定月平均气混低于-50C的地区，沼气池的外露部分，不得采用砌块结构。
6.1.2 使用本规范时，对于一般性荷载的确定、构件截面计算和地基基础设计等，应按相应的国家标准或规范的规定执行。对于兴建在地震区、湿陷性黄土或膨胀土等地区的沼气池结构设计，还应符合现行的有关标准和规范规定。
6.2 荷载
6.2.1 沼气池的设计荷载，按GBJ9原则，按其性质可分为下列两类：
a)恒荷载：包括结构自重、土压力(土的竖向和侧向压力)等；
b)活荷载：包括水压力(池内料液液压力、地下水压力、浮托力、设计水压力等设施(畜栏 、食槽等)荷载和人、畜荷载等。
6.2.2 作用于各部的荷载
6.2.2.1 作用于池盖上的荷载
a)自重荷载：自重荷载按池盖的材料而定，一般情况下，砖体容重取19kN/m3，水泥砂浆20KN/m3，混凝土23～24KN/m3；
b)覆土荷载：由于池盖是削球形，因此覆土荷载是一个变量，它随半张角的减少而相应减少 ，设计时，填土容重一般取18KN/m3
c)活荷载：地面的均布荷载标准值一般取2KN/m2；
d)气压荷载：一般取12kp。
6.2.2.2 作用于池墙上的荷载：
a)由地面活荷载引起的土压力；
b)地下水位以上的土压力；
c)地下水位以下的土压力；
d)地下水产生的静水压力；
e)池内发酵料液液压荷载；
f)池内气压荷载。
6.2.2.3 作用于沼底上的荷载：
a)垂直于池底内壁的池气气压荷载；
b)池内发酵料液液压荷载；
c)池底边界以上所有能传来的垂直荷载
d)池底自重荷载；
e)地基土对池底的反作用力；
f)地下水上浮力。
6.3 荷载组合、
在设计中应按最不利荷载组合计算。
6.3.1 池盖荷载组合
6.3.1.1 对池盖径向力最不利组合是：池盖自重＋覆土荷载＋地面活荷载。
6.3.1.2 对池盖环向力最不利组合是：池盖自重＋覆土荷载＋气压荷载。
6.3.2 池盖支座荷载组合
池盖支座荷载最不利组合是：池盖自重、覆土荷载、地面活荷载的联合作用产生的水平推力 。
6.3.3 池墙荷载组合。
6.3.3.1 施工阶段：强度未达设计标号，应按实际标号进行验算，其荷载除自重外，还应考虑墙外回填土时的夯实预压力。
6.3.3.2 使用阶段：
a)对环向拉力，无地下水作用，无地面活荷载作用时投料产气阶段为最不利；
b)对弯矩，空池情况在地下水、地面荷载、土压力联合作用下为最不利情况。
6.3.4 池底荷载组合
空池为最不利情况，此时的荷载为池底地基反力及沿圆周均匀分布的池身线荷载。
在进行池底地基强度验算时，投料产气阶段为最不利情况；在沼气池抗浮验算时，空池为最不利情况。
6.4 构造要求
64.1 用于修建沼气池的砌块和砂浆，按GBJ3－88211的规定，应符合下列强度等级要求：
a)烧结普通砖的强度等级：MU10~MU15
b)混凝土砌块的强度等级：MU15~MU20
c)石材的强度等级：MU30~MU40
d)砂浆强度等级：砌筑砂浆＞M7.5、抹灰砂浆＞1：3。
6.4.2 用于修建沼气池的混凝土，扫GBJ10－892 1.1的规定，应符合下列强度要求：
a)现浇混凝土强度等级不低于C15；
b)预制钢筋混凝土的强度等级不低于C20。
根据GBJ10－89第7.1.1条的规定预制钢筋混凝土板的厚度小于150mm时，钢筋间距不大于200mm，钢筋直径不小于6.5mm。
6.4.3 各部位的断面要求：
a)球形池盖的混凝土厚度不小于60mm；
b)池墙厚度：用于弧形墙的砌块不小于60mm；混凝土现浇不小于60mm，方形池墙：砌块砌筑厚度不小于120mm，现浇混凝土厚度不小于100mm；
c)削球池底板混凝土厚度不小于60mm。
6.5 沼气池采用密封防腐涂料时，涂料应符合下列要求：
a)具有湿固性能好，吸水能力强的水性涂料；
b)透气系数应小于1010cm3，cm/cm2，s，dapa；
c)具有与水泥砂浆良好的亲合性。