环境工程-固体废物课程设计

固体废物处理与处置课程设计
设计题目：有机垃圾产沼工艺的设计
姓名：
学号：
年级：
系部：食品工程学院
专业：环境工程
指导教师：
完成时间：
目录
1前言...................................................................................................................... - 1 -2设计任务及基本资料.......................................................................................... - 1 -2.1课程设计的题目.................................................................................................. - 1 -2.2课程设计的目的.................................................................................................. - 1 -2.3课程设计参数和依据.......................................................................................... - 1 -2.4课程设计任务要求.............................................................................................. - 2 -3设计方案.............................................................................................................. - 2 -3.1自然温度半批量投料发酵工艺.......................................................................... - 2 -3.2自然温度连续投料发酵工艺.............................................................................. - 2 -4设计计算.............................................................................................................. - 3 -4.1发酵料液的计算.................................................................................................. - 3 -4.2发酵间的设计...................................................................................................... - 3 -4.3进料口（管）的设计.......................................................................................... - 5 -4.4水压间（管）的设计.......................................................................................... - 6 -4.5沼气发酵的投料计算.......................................................................................... - 7 -5设计说明与注意事项.......................................................................................... - 7 -5.1发酵原料的预处理.............................................................................................. - 7 -5.2安全注意事项...................................................................................................... - 8 -6附图......................................................................................... 错误！未定义书签。

7结论.................................................................................................................... - 10 -8文献资料............................................................................................................ - 10 -
1前言
有机垃圾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。

固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形三种池型。

这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相应提高。

这个不断增高的气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。

这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就叫做“水压”。

用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出；当沼气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。

这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就之为水压式沼气池。

水压式沼气池，是我国推广最早、数量最多的池型，是在总结“三结合”、“圆、小、浅”、“活动盖”、“直管进料”、“中层出料”等群众建池的基础上，加以综合提高而形成的。

“三结合”就是厕所、猪圈和沼气池连成一体，人畜粪便可以直接打扫到沼气池里进行发酵。

有机垃圾发酵有很多优点。

有机垃圾发酵可产生甲烷，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。

2设计任务及基本资料
2.1课程设计的题目
有机垃圾产沼工艺的设计
2.2课程设计的目的
通过课程设计进一步消化和巩固环境工程专业相关课程所学内容，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。

提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力。

2.3课程设计参数和依据
（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）。

我国常采用的池容产气率为0.25。

（3）贮气量：贮气量系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为8m3。

（5）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％为宜。

- 1 -
（6）某农户家共6人，畜生（猪）5头。

（此处根据我国农村一般情况自定数值）。

2.4课程设计任务要求
（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）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。

课程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，装订成册。

（7）图纸要求：沼气池池型图或构造图一张。

池型图应标出主要配件、管件及其编号。

构造图应标出各部分尺寸。

3设计方案
沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍采用的是下面两种工艺。

3.1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，该工艺主要缺点使出料操作劳动量大。

3.2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。

- 2 -
我们选择的是自然温度连续投料发酵工艺。

4设计计算
4.1发酵料液的计算
1. 发酵料液体积的计算
V1=[(n1+n2)k2+n3]T
=[(0.036＋0.4)×0.6+0.034]×30=8.87m³
式中V1—发酵料液的体积，m³；
n1—产人粪便总量。

按6口人×0.006／（人. d）取值；
n2 —产牲畜粪便总量。

按5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0.034；
k2—收集系数。

取值0.6；
T —原料停滞期（d ）蔬菜区T取30。

2. 气室容积的计算
V2=1/2•V1•k3
=1／2×8.87×0.2=0.887 m3
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，为常温下产率。

4.2发酵间的设计
1.发酵间的容积
V=（V1—V2）•k1
=（8.87-0.887）×0.9=7.18m³
式中V—发酵间的容积，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。

本次设计取0.9。

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2.8m （1）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=2.8/6=0.47m
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6。

- 3 -
- 4 - ②池盖削球体净容积 Q 1=π/6•f 1(3R 2+f 12)
=3.14/6×0.47×(3×1.42+0.472)=1.5（m 3） 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 。

（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/α2=2.8/8=0.35（m ） 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8。

②池底削球体净容积 Q 3=π/6•f 2(3R 2+f 22)
=3.14/6×0.35×(3×1.42+0.352) =1.1（m 3） 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。

（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 213Q V Q Q =-- =7.18-1.5-1.1=4.58 m 3 式中 Q 1—池盖削球体净容积，m 3； V —发酵间总容积，m 3；
Q 2—发酵间池身圆柱体容积，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
H=Q 2/πR 2
=4.58/(3.14×1.42)=0.745（m ）
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 。

（4）发酵间内总面积
- 5 - ① 盖削球体球面内表面积
()2211S R f π=+
=3.14×（1.42+0.472）=6.848 (m 2)
式中 S 1—池盖削球面内表面积，m 2； 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。

② 圆柱体池身内表面积
S 2=2πRH =2×3.14×1.4×0.745=6.55（m 2） 式中 S 2—池身圆柱体内表面积，m 2； 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3.14。

③ 池底削球体内表面积 (
)
22
32S R f π=+
=3.14×(1.42+0.352 )=6.539（m 2） 式中 S 3—池底削球体内表面积，m 2； f 2—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。

④ 发酵间总表面积 123
S S S S =++ =6.848+6.55+6.539=19.94（m 2）
式中 S —内总表面积，m 2;
S 1—池盖削球体内表面积，m 2;
S 2—池身圆柱体内表面积，m 2; S 3—池底削球体内表面积，m 2。

4.3 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 ；下部圆管采用∮260预制混领土管，管与池墙角为40°。

（1）
死气箱拱的矢高
()1230.120.040.240.40f h h h m
=++=
++=死
- 6 - 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,取12cm ； h 2—导气管下露出长度，取4 cm ；
h 3—导气管下口到液面距离，一般取24 cm 。

（2）
死气箱容积
()
212330.43.140.4 1.59530.87f V f m πρ⎛
⎫=+ ⎪
⎝
⎭⎛⎫=⨯⨯+
⎪⎝⎭
=死死死 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。

（3）
投料率。

根据死气箱的容积，可计算出沼气池投料率，即
7.180.87
100%87.9%7.18
V V V η--==⨯=死
式中 V ，V 死——分别为发酵间容积和死气箱容积，m 3。

（4）
最大贮气量
()311
7.180.250.922
V m =⨯⨯=⨯⨯=贮池容池容产气率 （5）
气箱总容积
()3
0.870.9 1.77V V V m
=+=+=死贮气
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）。

（6）
发酵间最低液面位
气箱在圆筒形池身部分的容积为
()3
1 1.77 1.50.27V V Q m =-=-=筒气
圆筒形池身内气箱部分的高度为
()22
0.27
0.0443.14 1.4V h m R π===⨯筒筒
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。

4.4 水压间（管）的设计
（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
- 7 - 压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m 处的水平线上。

（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+h 筒=0.47+0.044=0.514m ，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0.514-0.4=0.114m 。

（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
()0.80.1140.686H m =-=水压间
（4）水压间圆柱体底面积 ()20.9
1.30.686
V S m H =
==贮水压间水压间 （5）水压间底面半径
()0.64r m =
=
= 4.5 沼气发酵的投料计算
本次设计的农村家用水压式沼气池的池容为8m 3，假设一个五口之家一天的用气量为1.2 m3,为了保证每天的供气充足。

我们选择了干稻草、人粪、猪粪、青草等作为发酵物。

在8 m 3的沼气池内每天的产气量最大为1.2 m 3.
物料名称 产气量m 3／d 投料量kg ／d 碳所占百分比% 氮所在百分比% 猪粪 0.354 0．90 7.80 0.6 人粪 0.030 0.075 2.5 0.85 青草 0.645 1.5 14.0 0.84 干稻草
0.171
0.5
42.0
0.63
(0.97.8%0.075 2.5%1.514.0%0.542%)
C :N (0.90.6%0.0750.85%1.50.84%0.50.63)
⨯+⨯⨯⨯=
⨯+⨯+⨯+⨯＋＋
= 23.6:1
我们计算出了物料的碳氮比为23.6:1,符合沼气池普通的碳氮比要求
5 设计说明与注意事项
5.1 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。

5.2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
3、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
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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。

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6结论
通过本次的课程设计,我们学到了沼气池设计的步骤和需要注意的地方,在这次课程设计中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问题，可以说得是困难重重，遇到过各种各样的问题，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，比如沼气发酵的原理与计算，CAD图的绘制……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。

不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。

完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。

很少有人会一步登天的，永不言弃才是最重要的。

经过几天紧张的课程设计，从中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。

7文献资料
1. 《固体废物处理与处置》，宁平主编，高等教育出版社，2006年
2. 《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年
3. 《大中型沼气工程技术》，赵立欣编，化学工业出版社，2006年。

8附图
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