沼气池的设计

河南城建学院
《固体废物处理与处置》
课程设计
——水压式沼气池设计
班级：0214091
专业：环境工程
课程名称：固体废物处理与处置
姓名：xxxxxxxx
指导老师：xxxxxxxxx
环境与市政工程系
2011年12月
水压式沼气池产气时，沼气将消化料液压向水压箱，使水压箱内液面升高；用气时，料液压沼气供气。

产气用气循环工作，依靠水压箱内料液的自动提升使室内的水压自动调节。

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。

沼气发酵有很多有点。

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。

厌氧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。

由于厌氧发酵的原料来源复杂，参加反应的微生物种类繁多，使得厌氧发酵过程变得非常复杂。

一、课程设计的题目
二、课程设计的目的
三、设计参数
四、工艺流程
五、发酵料液的计算
六、发酵间的设计
七、进料间的设计
八、进料间的设计
九、发酵原料的预处理
十、安全注意事项
十一、设计心得
十二、主要的参考书目
水压式沼气池课程设计说明书
一.课程设计的题目
六立方米农村家用水压式沼气池设计
二.课程设计的目的
通过课程设计进一步消化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。

三.设计参数
1、气压：7840Pa(即80 cm水柱)
2、池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池1昼
的产气量，单位为m3沼气／(m3池容. d)。

常温下我国常用的池容产气率为0.2 m3／（m3. d），通常采用的池容产气率有0.15，0.20，0.25，和0.30几种。

本次设计采用的池容产气率为0.2 m3／（m3. d）。

3、该农户家共5人，畜生（猪）共2头。

4、贮气量：贮气量系指气箱内的最大贮气量。

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。

5、池容：指发酵间的容积。

农村常用的有4，6，8，10 m3
等。

本次设计的农村家用水压式沼气池的池容积为6m3。

6、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80%~95%。

四、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。

五、发酵料液的计算
发酵料液体积的计算
V1=[(n1+n2)k2+n3]T
V1=[(5×0.006＋2×0.08)×0.80+0.000]×35m³=5.85 m³
式中V1—发酵料液的体积，M³；
n1—产人粪便总量。

按5口人×0.006／（人. d）取值；
n2 —产牲畜粪便总量。

按2头猪×0.08／（头d）取值；
n3—每日舍外能定量收集粪便总量，M³/d,取0.000
k2—收集系数。

取值0.80
T—原料停滞期（d）平坝农业区取35。

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,为常温下产气率。

V 2=1／2×5.32×0.2=0.53 (m 3)
六、厌氧发酵间的设计
1.发酵间的容积
V=（V 1+V 2）·k 1
式中 V —发酵间的容积，m ³;
V 1—发酵料液体积，m ³；
V 2—气室容积，m ³； K 1—容积保护系数，取0.9~1.05。

本次设计取K 1 =1.0
V=（5.32+0.53）×1.0=5.85m ³
2.发酵间各部分尺寸确定
沼气池的直径根据题目要求及经验和平面设计，确定为
2.4m
（1）发酵间池盖削球体矢高和净容积。

①池盖削球体矢高
f 1=D/a 1
式中 f 1——池盖削球体矢高，m ；
D —圆柱体形池身直径，m ；
a 1—直径与池体矢高的比值，取值范围5~6，取5。

f 1=2.4/5=0.48(m)
②池盖削球体净容积
Q 1=6 f 1(3R 2+f 12
)
式中 Q 1—池盖削球体净容积，m 3；
π—圆周率，取3.14；
f 1—池盖削球体矢高，m ；
R —池身圆柱体内半径，m 。

则 Q 1=3.14/6×0.48×(3×1.22+0.482)=1.14（m 3
） （2）发酵间池底球体矢高和净容积。

①池底削球体矢高
f 2=D/α 2
式中 f 2--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，取值范围8-10，取8 那么 f 2=2.4/8=0.3（m ）
②池底削球体净容积
Q 3=6
f 2(3R 2+f 22
) 式中 f 2--池底削球体矢高,m;
Q 3—发酵间池底削球体净容积，m 3；
π—圆周率，取值3.14。

则 Q 3=3.14/6×0.3×(3×1.22+0.32) =0.69（m 3）
（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 2= V - Q 1- Q 3
式中 Q 1—池盖削球体净容积，m 3；
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/∏R2
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 =4.17/(3.14×1.22)=0.92（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×（1.22+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=2×3.14×1.2×0.92=6.93（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×(1.22+0.32 )=4.80（m2）
④发酵间总表面积
S=5.25+6.93+4.80=16.98（m2）
七、进料间的设计
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；下部圆管采用￠300预制混领土管，管与池墙角为45°。

（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12cm； h2—导气管下露出长度，一般在3-5之间，取3cm；
h3—导气管下口到液面距离，一般在20-30cm，取25cm。

f死=0. 12+0.03+0.25=0.40 (m)
（2）死气箱容积
V死=πf死2×（p1+f死/3）
式中V死 --为死气箱容积；
f死--死气箱矢高；
p1--池盖曲率半径。

p1=（D2+4f12）/8f1=(2.42+4×0.402)/8×0.40=2.0m
V死=πf死2×（p1+f死/3）=3.14×0.402×(2.0+0.40/3)=1.07 （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=(6.0-1.07)/6.0×100%=82.17%
（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=0.6（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=1.07+0.60=1.67(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=1.67-1.14=0.53（ｍ３）
圆筒形池身内气箱部分的高度为
h筒=0.53/(3.14×1.22 )=0.12(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。

八、出料间的设计
H水压间=h筒+f死+H-0.8
H水压间= 0.12+0.40+0.92-0.8=0.67(m)
有效容积：V有=池容×池容产气率×投料量×1/2
V有=6.0×0.2×82.17%×1/2=0.49 (m3)
H水压间= V有/ (3.14×R2)
0.67=0.49/ (3.14×R2 )
R水压间=0.48（m）
水压式沼气池的尺寸设计完成。

九、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、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火接近沼气池。

十一、设计心得
在杨治广老师的带领下，通过对《固体废物处理与处置》这本书的学习，让我知道了什么是厌氧消化。

厌氧消化处理是指在厌氧状态下利用厌氧微生物是固体废物中的有机物转化CH4和CO2的过程。

本次设计的农村家用水压式沼气池就是利用的厌氧消化原理。

厌氧消化原理即三段理论，厌氧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化学过程。

一般分为三个阶段，即水解阶段，产酸阶段，和产甲烷阶段。

每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。

有机物厌氧消化的总的反应式为
有机物+H2O+营养物厌氧微生物细胞物质+CH4↑+CO2↑+NH3↑+H2↑
+H2S↑+...+抗性物质+热量
在设计过程中，我们要首先设计出水压式沼气池的进料间，出料间，发酵间的尺寸，对于不同体积大的沼气池有着不同的尺寸要求，这就要求我们要计算出精确地数据，做事要小心。

比方说，当我将发酵液体积、发酵间体积、进料间的尺寸，以及出料间的尺寸设计好以后，我发现V气竟然小于Q1，一般情况下，最低液面位置在圆筒形池深范围内，所以我计算错了。

于是，我仔细考虑原因，发现是我取的池底直径太小了，还有f死取的也不是太合理。

不过，所幸最后功夫不负有心人，最终，我纠正了错误，得到了合理的数据。

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。

通过此次实习，让我学到了很多课堂上更本学不到的东西，仿佛自己一下子成熟了，懂得了做人做事的道理，也懂得了学习的意义，时间的宝贵，人生的真谛。

明白人世间一生不可能都是一帆风顺的，只要勇敢去面对人生中的每个驿站!这让我清楚地感到了自己肩上的重任，看清了自己的人生方向，要有一种平和的心态和不耻下问的精神，不管遇到什么事都要总代表地去思考，多听别人的建议，不要太过急燥，要对自己所做事去负责，更好地为我们今后的工作积累经验。

我知道工作是一项热情的事业，并且要持之以恒的品质精神和吃苦耐劳的品质。

我觉得重要的是在这段实习期间里，我第一
次真正的融入了社会，在实践中了解社会掌握了一些与人交往的技能，并且在次期间，我注意观察了前辈是怎样与上级交往，怎样处理之间的关系。

利用这次难得的机会，也打开了视野，增长了见识，为我们以后进一步走向社会打下坚实的基础。

实习期间，我整天处于高度兴奋状态。

我非常喜欢设计，因为这样能够开拓我的思维，激发我的潜能。

此外，我勤奋好学，认真听取指导，对于别人提出的意见虚心听取，并能够仔细观察、切身体验、独立思考、综合分析，并努力把学到的知道应用到实际工作中，尽力做到理论和实际相结合的最佳状态，培养了我执着的敬业精神和勤奋踏实的工作作风。

也培养了我的耐心和素质。

实习，是开端也是结束。

在书本上学过很多理论，但从未付诸实践过，也许等到真正运用时，才会体会到难度有多大。

在今后的工作和生活中，自己需要更加努力的奋斗下去。

人生的每一步旅途中，总有着一道无形的栏杆，每一次跨越需要很多的勇气，也不是每一次跨越都能够成功，失败是不可避免的，主要的是要敢于承认失败，面对失败，努力去做，解决它，有这个决心，我想人生会成功的，至少可以无憾！这次我想我会很努力的去学习，不会等到迟暮之年去悔恨当初的散漫无知。

感谢杨老师给我们这次锻炼自己的机会。

十二、主要参考书目
1、聂永丰.三废处理工程手册-固体废物卷.北京：化学工业出版社，2000
2、国家环保总局污染控制司.城市固体废物管理与处置技术.北京：中国石化出版社，2000
3、李国建.城市垃圾处理工程.北京：科学出版社，2003
4、牛振明.《固体废物处理与处置》.北京：高等教育出版社
5、农村家用沼气池设计规范
6、互用沼气池标准图集。