固体废物处理工程课程设计--有机垃圾产沼工艺的设计

固体废物处理工程设计
设计题目：有机垃圾产沼工艺的设计姓名：
学号：
年级：
学院：能源与环境工程
专业：环境工程
指导教师：
完成时间：
固体废物处理工程设计
目录
前言 ......................................................................................................................................... - 1 -1设计任务及基本资料............................................................................ 错误!未定义书签。

1.1 课程设计题目................................................................................... 错误!未定义书签。

1.2 课程设计基本资料........................................................................... 错误!未定义书签。

2工艺流程.......................................................................................................................... - 3 -
2.1 农村家用沼气池工作原理与工艺流程...................................................................... - 5 - 2.2 沼气池形状及平面布局原则...................................................................................... - 7 - 3设计方案.......................................................................................................................... - 7 -
3.1 发酵料液的计算.......................................................................................................... - 7 - 3.2 发酵间的设计.............................................................................................................. - 8 - 3.3 进料口（管）的设计.................................................................................................. - 9 - 3.4 水压间的设计............................................................................................................ - 11 - 4安全注意事项................................................................................................................ - 12 -5圆筒形水压式沼气池施工及材料设计........................................................................ - 12 -5.1 材料参考用量............................................................................................................ - 12 - 5.2 沼气池施工................................................................................................................ - 13 - 小结 ....................................................................................................................................... - 14 -主要参考文献 ................................................................................................... 错误!未定义书签。

前言
厌氧发酵也称沼气发酵或甲烷发酵，是指有机物在厌氧细菌的作用下转化为甲烷（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，处理各种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、导气管等几个部分。

我国在垃圾回收及综合利用方面有着长期实践和成功经验。

20世纪90年代以来，政府日益重视垃圾量的减量化和资源化，一部分城市还开展了垃圾分类收集的试点工作，并且绝大部分城市已将垃圾分类收集、资源化综合利用作为城市垃圾处理的重要内容进行规划，但就整体水平而言，我国城市垃圾的减量化与资源化工作才刚刚起步，远远落后于发达国家，垃圾回收和综合利用的前景十分广阔。

沼气作为一种清洁的可再生能源.不仅可供照明、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。

其中厌氧制沼技术在能源利用方面主要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能源。

并且随着农业生产的发展而增加，是“取之不尽，习不之竭”的。

（2）分散性：农村地域辽阔，人口众多，居住分散，沼气资源丰富多样，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，也可以直接作为燃料，供炊事之用；还可以用作饲料，发展畜牧业；用作肥科，发展农业生产；用作工业原料，发展造纸工业等。

早在上世纪60年代.我国农村地区就出现了沼气池.农户只需在自家屋后挖一个4至10 立方米的池子.用石灰或粘土密封池底和四壁.留一个填料口和一个出渣口.然后每周大概填入 1 立方米、牛等牲畜粪便和尿液.并注意不让肥皂水、洗衣粉水等碱性物质流入沼气池.就可以实现沼气原料的自然发酵.用这种方法产生的沼气.可供3至5人的农户全天照明和做饭.可以说是既便宜又方便。

自上世纪70年代.随着农村圈养牲畜的增多.沼气原料日益丰富.而且由于十分适用于农村大食堂和煮大锅猪食等.对于沼气的利用在当时一呼百应.几乎风靡全国农村。

目前，中国约有二千万人口使用了沼气，年产招气十亿多立方米，是世界上建造沼气发
酵装置最多的国家。

近几年来，推广沼气已从农村发展到城镇。

在城镇，结合环境保护，在发酵原料比较集中而数量比较稳定的农牧场、食品厂、酒厂等轻工企业单位，兴建了一万多个大、中型沼气池，发酵总容积约31万多立方米。

城镇推广大、中型沼气池经济效益比小型农村家用沼气池显著。

四川省乐至果酒厂修建了2x1O00澎的发酵装置，日产沼气3000 立方米，发酵后的制酒废液，COD去除率为92%，BOD去除率达95%，大大减轻了对环境的污染。

所产沼气除供应一个2x120千瓦的沼气发电站和4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，五年就可收回投资。

我国农村家用沼气池，绝大多数是混凝土结构的水压式沼气池，有1一2万个是红泥塑料半塑式或分离浮罩式沼气池。

据典型测试和调查，在南方一个正常使用的家用沼气池，一般一年可产沼气250一300m3，能解决八至十个月的炊事燃料，加_L肥料收入，在2一3年内就可以从所获得的直接收益中收回建池投资。

水压式沼气池世界上称为中国式沼气池，它象印度的哥巴沼气池一样，是农村家用沼气池的一种典型池型，现在已为第三世界各国采用推广。

《固体废物处理技术课程设计》任务书
一、课程设计的题目
有机垃圾产沼工艺的设计。

二、课程设计的目的
通过“固体废物处理技术”沼气池课程设计，进一步消化和巩固学习成果，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，使学生应用规范，手册与文献资料，进一步掌握设计原则，方法等步骤,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，锻炼独立工作能力。

在教师指导下，基本能独立完成一个中、小型沼气池主体构筑物的工程设计，锻炼和提高学生分析及解决工程问题的能力。

三、设计参数
（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一昼夜的产气量，单位为m3沼气/（m3池容·d）。

我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。

（3）贮气量：是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：是指发酵间的容积。

农村家用水压式沼气池的池容积有4m3、6m3、8m3、10m3等几种。

目前有很多的养殖场所建设的水压式沼气池最大有50 m3.本次设计的是一个位于河北省中部地区池容为4立方米的沼气池。

（5）投料率：是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。

四、设计内容和要求
（1）设计沼气池的工艺流程；
（2）了解沼气池形状及平面布局原则；
（3）发酵料液的计算；
（4）结合环境条件，给出合理的养殖建议；
（5）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；
（6）进料间、出料间（水压间）的设计；
（7）在运行的不同阶段，给出合理的管理方案。

（8）编写设计说明书：设计说明书按设计程序编写，包括方案的确定、设计计算、有关设计的简图等内容。

设计说明书应有封面、目录、前言、正文、小结及参考文献等部分，文字应简洁、通顺、内容正确完整，书写工整、装订成册。

（9）图纸要求：沼气池池型图和构造图等。

池型图应按比例绘制、标出主要配件、管件及其编号。

构造图应标出各部分的尺寸。

要求2#图2～3张。

五、设计依据与参考资料：
1.《农业固体废物的处理与综合利用》，边炳鑫主编，化学工业出版社，2005
2. 《沼气技术理论与工程》，林聪主编，化学工业出版社，2007
3. 《大中型沼气工程技术》，赵立欣编，化学工业出版社，2006
4. 《农村沼气实用技术》，周建芳主编，河南科学技术出版社
1工艺流程
1.1农村家用沼气池工作原理与工艺流程
1.1.1沼气池的结构和工作原理
水压式沼气池的结构和工作原理见图2-1，这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
（1）1．加料管2.发酵间（贮气部分）3.池内液面O—O 4.出料间液面
（2）1．加料管2.发酵间（贮气部分）3.池内液面A—A 4.出料间液面B—B
（3）1．加料管2.发酵间（贮气部分）3.池内液面A—A 4.出料间液面B—B 5.导气管6沼气输气管7.控制阀
图3-1 水压式沼气池工作原理示意图
图（1）是启动前状态。

此时，发酵间与水压间的液面处在同一水平，称为初始工作状态，发酵间的液面为O—O水平，发酵间内尚存的空间（V0）为死气箱溶积。

图（2）是启动后状态。

此时发酵池内发酵产气，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。

当发酵间产气量达到最大量（V贮）时，发酵间的液面下
降到可下降的最低位置A —A 水平，水压间的液面上升到可上升的最大位置B —B 水平。

这时，称为极限工作状态。

极限工作状态时两液面的高差最大，称为极限沼气压强，其值可用下式表示：
2
1H H H +=∆
式中：H 1—发酵间液面最大下降值；
H 2—水压间液面最大上升值；
△H —沼气池最大液面差。

图（3）表示使用沼气时，发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间。

这样，不断产气和不断用气，发酵间和水压间液面总是在初始状态和极限状态间不断上升或下降。

水压式沼气池具有以下几个优点：
①池体结构受力性能良好，而且充分利用土壤的承载能力，所以省工省料，成本比较低。

②适于装填多种发酵原料，特别是大量的作物秸秆，对农村积肥十分有利。

③为便于经常进料，厕所、猪圈可以建在沼气池上面，粪便随时都能打扫进池。

④沼气池周围都与土壤接触，对池体保温有一定的作用。

水压式沼气池型也存在一些缺点，主要是：
①由于气压反复变化，而且一般在4~16千帕压力之间变化。

这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。

②由于没有搅拌装置，池体浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率偏低
③由于活动盖直径不能加大，对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说，大出料工作比较困难。

因此，出料的时候最好采用出料机械。

1.1.2 沼气池工艺流程
此处采用自然连续投料发酵工艺，以人、禽畜粪便及蔬菜秸秆为发酵原料，定时定量投料和出料，简单工艺流程图见图3-2：
图3-2 自然连续投料发酵工艺流程图
具体为农业秸秆以及人畜粪便等物质中所含的有机物质在经过一定处理后，进入进料间，再进入厌氧发酵间，经微生物作用进行发酵，产生以甲烷为主的可燃性气体，即可进行利用。

在发酵的过程中，还需对一些影响发酵的因素进行控制。

（1）温度温度对有机物的分解速度影响较大，温度增高，产气量增大。

沼气发酵通常采用三种发酵温度，即低温发酵、中温发酵和高温发酵。

低温发酵过程，温度随气候变化，
大多处于20℃以下，产气量不高，不易达到杀灭病源微生物的目的。

中温发酵过程，发酵液温度控制在37℃左右，这是甲烷菌第一个最佳活性区。

高温发酵过程，发酵液温度控制在53℃左右，此时是甲烷菌的第二个最佳活性区。

以高温发酵产气率最高，但料浆和发酵设备要求加热保温，给管理带来一些复杂问题。

中温发酵产气率虽然低于高温发酵，但高于低温发酵。

（2）pH 值
甲烷菌要求的pH 值范围很窄，pH 为7.0左右，故一般都是使发酵过程维持在6.8—7.53）之间。

在正常的发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH 值，但在突然增加进料，或由于改变原料等会冲击负荷，是发酵系统酸化，发酵过程受到抑制。

为使维持在最佳pH 范围，可加石灰调节，也可通过调整原料的碳氢比进行调节。

（3）搅拌
高温发酵要求对物料搅拌，以保证发酵装置有较高的池容产气率和不致出现局部酸积累。

1.2 沼气池形状及平面布局原则
发酵间的形状一圆形为主，受占地面积限制或地下水位较高时，可将发酵间设计成椭球形或单跨拱长方形。

平面布局应符合下列要求：
（1）充分利用土地资源，平面布局紧凑；
（2）厕所与畜圈分设；
（3）进、出料方便；
（4）导气管和输气管不被损害；
（5）进、出料中线夹角应大于90℃，进料间蹲位板面应高于发酵间平面。

2 设计方案
2.1 发酵料液的计算
2.1.1 发酵料液体积的计算
121)(k v v v -= （1）
3122
1k v v =
（2）
式中：V —池容，本次设计为4m ³
V 1—发酵料液的体积，m ³；
k 3——原料产气率 0.2m 3/（m 3·d ）
V 2——气室容积，m 3；
k 1——容积保护系数，取0.9~1.05。

本次取值1.
由（1）（2）两式联立可得 V 1=4.4m 3
2.1.2 气室容积的计算
3122
1k v v ==21×4.44×0.2=0.44m 3； 式中：V 1——发酵料液体积，m 3；
V 2——气室容积，m 3；
k 3——原料产气率 0.2m 3/（m 3·d ）。

2.2 发酵间的设计
2.2.1 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。

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2m 。

（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积
①池盖削球体矢高
4.05
211===αD f 式中：f 1——池盖削球体矢高，m ；
D ——圆柱体形池身直径，m ；
α1——直径与池顶矢高的比值，取5~6。

②池盖削球体净容积
）（212113f 6f R Q +=π=6
14.3×0.4×(3+0.040=0.636m 3 式中：Q 1——池盖削球体净容积，m 3；
f 1——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和净容积
①池底削球体矢高
25.08
222===αD f 式中：f 2——池盖削球体矢高，m ；
D ——池身圆柱体直径，m ；
α2——直径与池底矢高的比值，取8~10。

本次取值为8。

②池底削球体净容积
398.004.325.06
14.33f 622223=⨯⨯=+=）（f R Q π
式中：Q 3——发酵间池底削球体净容积，m 3；
f 2——池底削球体矢高，m ；
（4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度
①发酵间池身圆柱体净容积
=--=312Q Q V Q 4—0.636—0.398=2.966
式中：Q 2——发酵间池身圆柱体净容积，m 3； V ——发酵间总容积，m 3； Q 1——池盖削球体净容积，m 3； Q 3——发酵间池底削球体净容积，m 3。

②发酵间池身圆柱体高度 946.014
.3966
.22
2===
R Q H πm,约等于1m 式中：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）发酵间内总表面积 ①池盖削球体球面内表面积
2222164.3)4.01(14.3)(1m f R S =+=+=π
式中：S 1——池盖削球面内表面积，m 2； R ——池身圆柱体半径，m ； f 1——池盖削球面矢高，m 。

②圆柱体池身内表面积
225.648.61114.322m RH S ≈=⨯⨯⨯==π
式中：S 2——池身圆柱体内表面积，m 2； R ——池身圆柱体内半径，m ； H ——池身圆柱体高度，m 。

③池底削球体内表面积
()
34.325.0114.3)(22223=+=+=f R S π
式中：S 3——池底削球体内表面积，m 2； R ——池身圆柱体内半径，m ； f 2——池底削球体矢高，m 。

④发酵间总表面积
S=S 1+S 2+S 3=3.64+6.59+3.34=13.59m 2
2.3 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 ×400mm ；下部圆管采用φ260mm 现浇混凝土管，管与池墙角为40˚。

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。

该位置计算
如下： 2.3.1
死气箱拱的矢高
()1230.150.040.250.44f h h h m =++=++=死
式中：h 1——池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在10~15cm 之间，取15cm ； h 2——导气管下露出长度，取3~5cm,取4cm ；
h 3——导气管下口到液面距离，一般取20~30cm,取25cm 。

2.3.2
死气箱容积
2212
81.03
44
.0212.144.014.33
m f f V =+
⨯⨯=+
=）（）（死死死ρπ 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。

2.3.3
投料率
根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率。

%804
81
.04=-=
-=
V
V V 死
η 式中：V ，V 死——分别为发酵间容积和死气箱容积，m 3。

2.3.4
贮气量
1春秋最大贮气量
Vz=池容*池容产气率*0.5=4×0.2×0.5=0.4m 3 2.夏季最大贮气量
Vx=池容*池容产气率*0.5=4×0.3×0.5=0.6m 3 2.3.5
气箱总容积
V 气1=V 死+V Z =0.81+0,4=1.21m 3 V 气2=V 死+V X =0.81+0.6=1.41m 3
式中：V 气，V 死，V 贮——分别为沼气池的气箱总容积、死气箱总容积和有效气箱容积（最大贮气量）。

2.3.6
发酵间最低液面位
（1）气箱在圆筒形池身部分的容积 V 筒1=V 气1—Q 1=1.21-0,318=0.892m 3 V 筒2=V 气2—Q 1=1.41-0,318=1.092m 3 （2）圆筒形池身内气箱部分的高度h 筒=2
R
V π筒
H 筒1=0.284 H 筒2=0.347
最低液面位于池盖与池身交接平面以下筒h 2的位置，这个位置也就是进料管的安装位置。

2.4 水压间的设计
2.4.1
水压间零压线
无效水压间的容积取为0。

未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下0.4m 处，因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m 处的水平线上。

2.4.2
发酵间最大料液水位降
产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f 1+筒h =0.4+0.284 =0.687m ，又未产气时液面距池顶0.4m ，所以，发酵间最大料液水位降为0.687m 。

2.4.3
水压间高度
由于设计压强为7480Pa （即80cm 水柱）,因此水压间的高度 H 水压间=0.8—0.284 =0.516m 同理，夏季的最低高度为0.453m 2.4.4
水压间圆柱体底面积
S 水压间=水压间
贮H V =
516
.04
.0=0.775m 2
2.4.5
水压间底面半径
R=0.5m 2.4.6
校核该设计适用条件
3221)(1n T k n n v ++= （3）
n 1 —产人粪便总量。

按0.006／（人. d ）取值； n 2 —产牲畜粪便总量。

按0.08／（头 d ）取值； n 3 —玉米秸秆用量
k 2— 收集系数。

取值人粪取0.9，猪粪取0.7 k 3——原料产气率 0.2m 3/（m 3·d ）。

T — 原料停滞期（d ）t 取30。

则假设为3口之家则月产粪量为 0.9×0.006×3×30=0.486m 3,，占总体积10044
.4486
.0⨯%=11% 假设家庭有两头猪，则月产粪量为 0.7×0.08×2×30=3.36m 3，占投放总体积的
%10044
.436
.3⨯=76.4%
查资料可知，鲜人粪，猪粪，和玉米秸秆的C 、N 比分别为2.9:1、13:1和53:1
假如在沼气池中加入人粪，猪粪和秸秆的比例分别为11%，30%和59%。

则秸秆的使用量为0.59×4.44=1.3m 3 校核C,N 比：
1
89
.23113%5953%309.2%11=
⨯+⨯+⨯ 符合设计要求
所以此次设计的沼气池适合一个有两头猪的三口之家使用
3 安全注意事项
在沼气池的预处理过程中，有许多安全事项需要注意，具体如下：
（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。

4 圆筒形水压式沼气池施工及材料设计
4.1 材料参考用量
根据GB/T4752-2002中4m 3~10m 3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表，如下：
表6-1 现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表（1）
现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表（2）
现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表（3）
本设计为池容4m3，产气率为0.2m3/（m3·d）的现浇混凝土结构圆筒形水压式沼气池，参照标准，取材料用量为水泥469kg，中砂0.881m3，碎石0.9593。

4.2沼气池施工
修建一个沼气池，施工大概有过程包括准备阶段、进行过程、后期检查等。

具体步骤如下：
（1）考察地形，选定施工位置。

（2）制定施工方案，绘制结构和施工图。

（3）施工准备。

（4）池坑开挖。

（5）支模。

（6）模板及支架检验。

（7）浇筑混凝土。

（8）混凝土养护。

（9）池底施工。

（10）进出料管施工。

（11）拆模。

（12）回填土。

（13）密封层施工。

（14）质量总体检查验收。

小结
通过本次的课程设计,我们学到了有机垃圾在生活中的运用和沼气池的设计，不但提高了动手能力而且进一步理解和掌握了所学知识。

在设计的过程中遇到了各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

我认为，在这次课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，我们学会了很多学习的方法。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

从整体的设计工艺流程来看，本次设计方案仅符合设计的要求。

虽然在许多等方面仍存在缺陷，但是通过有关文献的查阅及相关资料的复核、校正，在一定的设计条件下，设计计算的理论结果是符合设计要求的，使得本次的设计方案，具有了一定的说服力。

从本次的课程设计中我学到了许多在课本上所学不到的东西，而且锻炼了自己画图的水平，提高了自己的能力，使自己也更深地了解了沼气池的特点及原理，为以后走上工作岗位奠定了一定的基础。

感谢在本次课程设计中给于帮助的同学们和老师。

最后，在设计中有许多的不足之处，衷心希望老师能够批评指导。