沼气池的设计

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
有机垃圾产沼工艺的设计
学院：国土院
姓名：陈丽杜梦瑛傅鼎
学号：20103631 20103633 20103632
专业：环境工程101班
指导教师：罗运阔
二0 一三年五月
前言 (3)
一、课程设计目的 (3)
二、设计地点 (3)
三、村庄介绍 (4)
四、瑶理村垃圾分析 (4)
五、设计原则 (5)
六、设计要求 (5)
（一）设计参数 (5)
（二) 工艺流程 (6)
(三）形状及平面布局 (6)
(7)
1、发酵料液的计算 (7)
2、发酵间的设计 (7)
3、进料口（管）的设计 (10)
4、水压间（管）的设计 (12)
七、小结 (12)
参考文献 (13)
前言
厌氧发酵（沼气发酵或甲烷发酵）：指有机物在厌氧细菌作用下转化为甲烷（或称沼气）的过程。

不管是作物秸秆、树干茎叶、人畜粪便、城市垃圾，还是污水处理厂的污泥，都是厌氧发酵的原料。

在发酵过程中，废物得到处理，同时获得能源。

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。

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（结构如图参照教材p142图5-9所示）。

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，发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间。

一、课程设计目的
通过课程设计进一步消化和巩固本门课程所学的内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论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，培养确定厌氧系统得设计方案，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。

二、设计地点
江西省宜春市丰城市董家镇瑶理村。

人、畜粪便 农业废弃物 CH4 50～60%
CO2 35～50% H2O 30～160g/m3 H2S ～5 g/m3
厌氧发酵器
沼气
三、村庄介绍
瑶里村资源丰富，景色秀美，有耕地、山地、林地和水库，种有板栗、银杏、水蜜桃、柑桔、黄花菜、奈李等，这里属亚热带湿润气候，四季分明，雨量充沛，光照充足，气候温和，年降雨量1670－1912mm，年均气温17.6－18.2℃，无霜期280天；这里地形山地和丘陵相间，土壤类型主要为红壤土类和水稻土类，适宜多种作物生长。

村里人家60户左右，人数400人左右，养有鸡鸭鹅猫狗牛猪等动物。

村庄面积较小，人家集中。

四、瑶理村垃圾分析
农村垃圾分类建立在"两桶一袋''基础上，即一个沤肥垃圾桶、一个焚烧垃圾桶、一个废品回收袋，实行农户家所有垃圾源头分类，具体分成五大类：
l、沤肥垃圾：就是指易腐烂有机垃圾，如菜叶(根)、剩菜剩饭、瓜皮果壳、树叶、人畜粪便、动物内脏、动物尸体等。

处理模式为：主要是沤肥和产沼气。

建设沤肥窖或沼气池。

2、建筑垃圾：主要是建筑施工中产生的废土、废砖、废石以及废陶瓷和煤渣等。

处理模式为：可采取集中堆放、然后按指定地点填埋。

可全部用于本村庄和农户的填塘平地、修道铺路。

3、回收可利用垃圾：主要包括废纸、塑料、玻璃、金属和布料五大类。

废纸：主要包括报纸、期刊、图书、各种包装纸、办公用纸、广告纸、纸盒等等，但是要注意纸巾和厕所纸由于水溶性太强不可回收。

塑料：主要包括各种塑料袋、塑料包装物、一次性塑料餐盒和餐具、牙刷、杯子、矿泉水瓶等。

玻璃：主要包括各种玻璃瓶、碎玻璃片、镜子、灯泡、暖瓶等。

金属物：主要包括易拉罐、罐头盒、牙膏皮等。

布料：主要包括废弃衣服、桌布、洗脸巾、书包、鞋等。

通过综合处理回收利用，可以减少污染，节省资源。

如每回收1吨废纸可造好纸850公斤，节省木材300公斤，比等量生产减少污染74％；每回收1吨塑料饮料瓶可获得0．7吨二级原料；每回收1吨废钢铁可炼好钢0．9吨，比用矿石冶炼节约成本47％，减少空气污染75％，减少97％的水污染和固体废物。

4、封存垃圾：主要指回收不可利用垃圾，如：废电池、废农药瓶、废日光灯管等；
5、焚烧垃圾：不能回收利用的废品、杂物、破衣烂鞋脏棉等。

处理方式：建立不同类型、不同大小的焚烧炉进行集中或分散焚烧，由保洁员收集，然后由垃圾清运车统一清运到大型焚烧炉焚烧；另一种是偏远的中心村也可建小型焚烧炉，偏远的村落由农户在菜园里自行焚烧后填埋。

五、设计原则
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。

2)坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观。

3)池盖顶端复土厚度不小于200mm。

4)强度安全系数K≥2.65。

5)正常使用寿命20年以上。

六、设计要求
（一）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）。

采用的池容产气率0.2m3 ∕(m3·d)
( 3 )某户6人，牲畜（猪）4头
（4）贮气量：贮气量系指气箱内的最大沼气贮气量。

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：系指发酵间的容积。

农村家用水压式沼气池的池容积有4 m3、6 m3、8 m3、10 m3几种。

（6）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。

（二) 工艺流程
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1所示。

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。

(三） 形状及平面布局
形状及平面布局按GB/T4750选用。

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
2．平面布局
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。

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。

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） 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。

原料选择 原料预处理 配料 入池发酵产气 大出料
加活性污泥
定期出料
送农田
图1 自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程
（四）设计计算
1、发酵料液的计算
1) 发酵料液体积的计算
V 1=[（n 1+n 2）k 2+n 3]*T 式中V 1——发酵料液体积，m 3；
n 1——产人粪便总量。

按常住人口×0.006～0.0013 m 3
/（人·d ）取值；
此处取值为6×0.005=2m 3∕d
n 2——产牲畜粪便总量。

按养猪头数×0.006～0.15 m 3/（头·d ）取值；
此处取值为4×0.05=5m 3∕d
n 3——每日舍外能定量收集粪便总量，m 3
/d ；此处取值0.1m 3∕d
k 2——收集系数，取值
0.5～1.0；此处取值0.9
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。

此村属于丘陵农区，所以取值40。

V 1=[（n 1+n 2）k 2+n 3]*T=()[]37.8401.09.02.003.0m =⨯+⨯+
2) 气室容积的计算 V 2=0.5 V 1 K 3
式中 V 2——气室容积，m 3；
V 1——发酵料液体积，m 3；
k 3——原料产气率，我国通常采用的产气率包括0.15 m 3/（m 3·d ）、0.2 m 3/
（m 3·d ）、0.25 m 3/（m 3·d ）、0.3 m 3/（m 3·d ）。

此处取值0.2 m 3/（m 3·d ）
V 2=0.5 V 1K 3 =0.5×8.7×0.2=0.87m 3
2、发酵间的设计
1)发酵间的容积
V=（V1－V2）K1
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。

此处取值1.02
V=（V1－V2）K1=(8.7－0.87)×1.02=7.99m3 此容积可取发酵间容积为8m3 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和净容积。

①池盖削球体矢高
f1=D/α1
式中f1——池盖削球体矢高，m；
D—圆柱体形池身直径，m；此处取值2.6m
α1——直径与池顶矢高的比值，取5～6。

此处取值5
f1=D/α1=2.8∕5=0.52m
②池盖削球体净容积
Q1=πf1（3R2+f12）/6
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。

Q1=πf1（3R2+f12)/6=
()
6
52.0
3.1
3
52.0
1416
.32
2+
⨯
⨯
⨯
=1.45m3
（3）发酵间池底削球体矢高和净容积
①池底削球体矢高
f2=D/α2
式中f2——池底削球体矢高，m；
D—圆柱体形池身直径，m；
α2——直径与池底矢高的比值，取8～10。

此处取10 f2=2.8∕10=0.28m
②池底削球体净容积
Q3=π/6f2（3R2+ f22）
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。

Q3=
()3
2
2
89
.0
6
33
.0
3.1
3
33
.0
1416
.3
m
=
+
⨯
⨯
⨯
（4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度
①发酵间池身圆柱体容积
Q2= V- Q1－Q3
式中Q2——发酵间池身圆柱体容积，m3；
V—发酵间容积，m3；
Q1——池盖削球体净容积，m3；
Q3——发酵间池底削球体净容积，m3。

Q2=8－1.45－0.89=5.66m3
②发酵间池身圆柱体高度
H= Q2/（πR2）式中Q2 ——发酵间池身圆柱体容积，m3；
S2 ——池盖削球体内表面积，㎡；
H —发酵间池身圆柱体高度，m。

H= Q2/（πR2）=5.66∕(3.1416×1.32)=1.1m
（5）发酵间内总表面积
S= S1+ S2+ S3 式中S—发酵间内总表面积，㎡；
S1——池盖削球体内表面积，㎡；
S2——池盖削球体内表面积，㎡；
S3——池底削球体内表面积，㎡；
①池盖削球体内表面积
S1=π（R2+f12）式中S1——池盖削球体内表面积，㎡；
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。

S1=π（R2+f12）=3.1416×(1.32+0.522)=6.16m2
②池身圆柱体内表面积
S2=2πRH
式中S2——池盖削球体内表面积，㎡；
R—池身圆柱体内半径，m；
H—发酵间池身圆柱体高度，m；
π—圆周率，取3.1416。

S2=2πRH=2×3.1416×1.3×1.1=9m2
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，㎡；
f2——池底削球体矢高，m；
R—池身圆柱体内半径，m；
π—圆周率，取3.1416。

S3=π（R2+f22）=3.1416×(1.32+0.332)=5.65m2
S= S1+ S2+ S3=6.16+9+5.65=20.81m2
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；下部圆管宜采用Φ200～300mm预制混凝土管或现浇混凝土管，管与池墙角不小于30°。

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。

该位置的计算方法如下。

（1）计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面。

其中死气箱拱的矢高可按下式计算。

f死=h1+h2+h3
式中 h
1
—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；此处取15cm。

h2—导气管下露出长度，取3～5cm；此处取5cm。

h3—导气管下口到液面距离，一般取20～30cm。

此处取30cm。

f死=h1+h2+h3=0.15+0.04+0.26=0.45m
（2）死气箱容积
V死=πf死2（ρ1+f死/3）
式中V
死，f
死
，ρ1——分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。

ρ1=()()
m f
f
R
9.1
04
.1
52
.0
3.1
2
2
2
1
2
1
2
=
+
=
+
V死=πf死2（ρ1+f死/3）=3.1416×0.422(1.9+0.42∕3)=1.1m3
（3）投料率：根据死气箱容积，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=（8-1.1）∕8×100％=86％
（4）最大贮气量
V贮=池容×池容产气率×1/2=8×0.2×0.5=0.8m3 （5）气箱总容积
V气= V死+ V贮=1.1+0.8=1.9m3
式中V
气，V
死
，V
贮——
分别为沼气池气箱总容积、死气箱容积和有效气箱容积（最大贮气量）。

（6）发酵间最低液面位。

对一般沼气池来说，V
气
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，应按下式先计算出气箱在圆筒形池身部分的容积。

V筒= V气- Q1=1.9-1.45=0.45m3
因此，h
筒= V
筒
/πR2=0.45∕(3.1416×1.32)=0.085m
式中h
筒——
圆筒形池身内气箱部分的高度，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。

4、水压间（管）的设计
H水压间=h筒＋f死＋H－0.8
H水压间=0.085＋0.42＋1.1－0.8=0.81（m）
有效容积：V有=池容×池容产气率×投料量×½
V有=8×0.2×86%×½=0.69（m³）
由H=V有/（3.14×R水压间²）
解得R水压间=0.45（m）
水压式沼气池的尺寸设计完成。

七、小结
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。

在设计过程中，首先设计出水压式沼气池的发酵料液，发酵间、进料间和出料间的尺寸。

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，发现f死取的不太合理。

有时是水压间的高度小于f1。

一次一次修改，终于计算出还算合理的尺寸。

上课听老师讲的理论知识时，感觉不是很难。

但当付诸实践时，等到真正运用时，才体会到难度有多大。

设计时也需要认真细心，不能马马虎虎，如果是真正做一个工程，那么一点错误都会损失很大。

参考文献
[1] 杨慧芬主编．固体废物处理技术及工程利用．[M]北京：机械工业出版社，2003：
[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：
[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：
[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。