固废沼气池设计

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1、环境工程专业课程设计固体废弃物课程设计班 级：姓 名：学 号：指导老师：环境科学与工程学院2013年7月目录1设计课题32 设计说明32.1 设计依据32.2 设计原则323设计规模42.4设计参数43 工艺选择53.1 沼气池选择53.2 沼气工艺选择64 工艺流程65 主要设施设计75.1 发酵间设计75.1.1 发酵间容积75.1.2 圆筒形发酵间尺寸85.13死气箱计算105.1.4进、出料管安装位置115.2 水压间设计116 总图设计126.1 总平面布置图126.2 沼气池剖面图1263进、出料系统犬样图127 沼气池的运转管理127.1 沼气池启动阶段127.2 沼气池运转阶段

2、1273沼气池运转注意事项238 沼气池土建施工设计239建设费用A前言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，主要成分是甲烷，其次是二氧化碳、硫化氢（H2S）、氮及其 他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重炷等气 体;不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%70%、 二氧化碳含量为28%44%、硫化氢平均含量为0.034%o沼气发酵有很多优点。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等肥料成分儿乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨态氮， 速效性养分增加；发酵残渣可以作为饲料

3、肥料；沼气发酵处理有机物可大量地节 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。1设计课题某地欲新建一沼气池，用來处理周边产生的人畜粪便和农作物秸秆等。 沼气池总容积为：Q = HRTX MX6Q沼气池容积；HRT-停留时间（d）,取30；M日投料量（t/d）,取1.6t/d；6 一系数，取1.08；2设计说明2.1设计依据三废处理工程技术手册：固体废物卷城镇生活污水净化沼气池设计规范农村家用沼气池设计规范课程设计指导书户用沼气池施工操作规程2.2设计原则1）必须坚持“四结合”原则“四结合”是指沼气池与畜圈、厕所、日光温室相连，是人畜粪便不断进入 沼气池内，保持正常产气、连

4、续产气，并有利于粪便管理，改善环境卫生，沼液 可方便的运送到日光温室蔬菜地里做肥料使用。2）坚持“圆、小、浅”的原则“圆、小、浅”是指池型以圆形柱为柱，圆形沼气池具有以下有点：第一，根据儿何学原理，相同容积的沼气池，圆形比方形话长方形的表面积 小，比较省料。第二，密闭性好，且较牢固。圆形池内部结构合理，池壁没有直角，容易解 决密闭问题，而且四周受力均匀，池体较牢固。第三，在我国北方，气温较低，圆形池置于地下，有利于冬季保温和安全越 冬。第四，适于推广，无论南北，建造圆形沼气池都有利于保证建池质量，做到 建造一个，成功一个，使用一个，巩固一个，积极稳步地普及推广。小，是指主 池溶积不宜过大。浅，

5、是为了减少挖土深度，也便于避开地下水，同时发酵液的 表面积相对扩大，有利于产气，也便于出料。3）坚持直管进料，进料口、出料口加盖的原则直管加料的目的是使进料流畅，也便于搅拌。进料口、出料口加盖是为了保 持环境卫生，消灭蚊蝇孳生场所和防止人、畜掉进池内。2.3设计规模本设计的沼气池总容积为：Q = HRTXMX 6 = 51.84m3Q沼气池容积；HRT-停留时间（d）,取30：M日投料量（t/d）,取1.6t/d：6 一系数，取1.08；2.4设计参数1）气压：80001000Pa,考虑到在南方温度较北方高，本次课程设计取的 产气率也比较高，本次设计气压初步定为SSOOPao2）池容产气率：池

6、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,本次设计取0.25。3）储气量：储气量是指气箱内的最大沼气储存量。农村家用水压式沼气池 的最大储气量以12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。4）池容：池容是指发酵间的容积。此次设计确定的单个池容是10m3o5）投料率：投料率是指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一 般在8595%之间为宜，本设计取90%。3工艺选择3.1沼气池选择在我国农村，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 废弃物來制成农家肥，而且获得生物质

7、能用來照明或作为燃料。厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行。沼气池种类很多，我国农村最常用的有: 家用水压式沼气池，曲流布料沼气池和圆柱形自循环沼气池等。其中，水压式沼 气池是农村推广的主要池型。压式沼气池的结构和工作原理见图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、导气管几个部分。厂I二 二 4 - /:图1水压式沼气池工作原理示意图(a) 1.加料管2.发酵间(贮气部分)3.池内液面00 4.出料间液面(b) 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(c) 1.加料管2.发酵间(贮

8、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(a)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00水平，发酵间内尚存的空间(V。)为死气 箱溶积。图(b)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(VQ 时，发酵间的液面下降到可下降的最低位置AA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：AH = H1 + H2出一发酵间液面

9、最大下降值；战一水压间液面最大上升值； H沼气池最大液面差。图（c）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儿个优点：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。3.2沼气工艺选择沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍釆用的是下述两种工艺。1）自

10、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，釆用半批量方式投料。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，该工艺的主要缺点是出料操作劳动量 大。2）自然温度连续投料发酵工艺这种工艺是在自然温度下，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 原料利用率和沼气池负荷能力,达到较高的产气率;工艺自身能耗少，简单方便， 容易操作。本设计选择的是自然温度连续投料发酵工艺。4工艺流程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

11、量投料和出料，简单工艺流程图如下：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20C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37C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53C左右，此时是甲烷菌的

12、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，给管理带來一些 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。4）原料配比不同的微生物所需的营养物质不

13、同，能达到最佳活性所需底物组成各异。为 了满足最佳碳氮比要求获得较高产气量，需将贫氮有机物和富氮有机物进行合理 配比。碳氮如果过小，则细菌增殖量降低，氮不能被充分利用，过剩的氨变成游 离NH3,抑制了产甲烷菌的活动，发酵不容易进行；碳氮比过高反应速率降低, 其值为35:1时，产气量明显下降。5主要设施设计5.1发酵间设计5：L：L发酵间容积实际的发酵池总容积：Q实=Q 一 K2 = 51.84 十 90% = 57.6m3CU实际的发酵池总容积；Q理论发酵池总容积；心一投料率；取整数Q头为60m3,本设计采用6个单体发酵间容积为10n?的圆筒形水压 式沼气池。5.1.2圆筒形发酵间尺寸131圆

14、筒形发酵间由池盖、池身和池底组成。V3 = hR2HV、V2、V3分别为池盖容积、池底容积、池身容积; 九、几一分别为池盖矢高、池底矢高；池盖曲率半径，与池身半径的关系式为：2池底曲率半径，与池身半径的关系式为：R池身半径；H池身高度；发酵间池盖矢高：人=D/i力一池盖矢高；D圆柱体池身直径；直径和池盖矢高的比值，通常为56,本设计取5。发酵间池底矢高：f2 = D/2,2池盖矢高；D圆柱体池身直径；5直径和池底矢高的比值，通常为8-10,本设计取&综合圆形沼气池的内力结构计算、材料用料计算和施工、管理、使用技术等 各种因素，一般认为：当池盖矢跨比池底矢跨比池身高此时，沼气池的尺寸比较合理。

15、将数值带入计算得出：n DV1 = 6X5(I)21=0.0827D3n DV2=6X821=O.O5O1D3(I)2 DXZ5 = 031420单个发酵间容积为：V = vx + V2 + V3 = 0.0827D3 + O.O5O1D3 + 0.3142D3 = 0.4470D32 VD3 =0.4470J 0.4470 J 0.447010=2.8m池盖矢高:人=善=0.56m池盖曲率半径:1ri2A施鑰(1.42 + 0.562) = 2.0 加池底矢高:罟=0.35 m池底曲率半径:施磊(1.42 + 0.撐)=沁发酵间池身高:竺=1.12m综上，发酵间具体设计数据如下表1所示：表1

16、发酵间设计数据池身高(m)池身直径(m)池盖矢高(m)池盖曲率半 径(m)池底矢高(m)池底曲率半 径(m)1.122.80.562.030.352.985丄3死气箱计死气箱矢高：即池盖拱顶点到发酵间最高液面的距离。/死=hl + h2 + h3&一死气箱矢高；hi池盖拱顶点到活动盖下沿平面的距离，本设计取65cm直径的活动盖, 对于65cm直径的活动盖，其值为10M15cm之间，本设计取10cm；h?导气管下露出长度，一般为35cm,本设计取5cm；hs导气管下口到发酵间最高液面距离，一般为20“30cm,本设计取25cm；/死=h + h2 + lg = 10 + 5 + 25 = 40c

17、m死气箱容积:V死、几、Q 分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径;3.14 X0.402! 2.03-=0.95 m3求投料率：根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率:V_ V卯投料率= X100%V、V死一分别为沼气池容积和死气箱容积，m3；V 一 V和10-0 95投料率=x 100% = X 100% = 90.5%最大贮气量：V贮=发酵间料液量X产气率x|= 9.01 X 0.25 x| = 1.13m3气箱总容积:V 气=V 死 + V 旷=0.95 + 1.13 = 2.08m35.1.4.出料管安装位置池盖容积：* = （3球 + （） = 314-56（3 x 142 +

18、o.562） = 1.815m3 2.08m3Vi、人、R分别为池盖容积、池盖矢高和池身内半径；气箱在圆筒形池身部分的容积：V筒=气 一 V1 = 2.08 - 1.815 = 0.265m3,V筒0.265山筒=嚴=3.14 X 1.42 = 0 04111Va Vp V1分别为气箱在池身部分的容积、气箱容积和池盖容积；h简一气箱在池身部分的高度；此即发酵间最低液面位置，也是进、出口料管安装位置。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X宽X深=600mm X 320mm X 500mm:下部圆管才用0 300预制混领土管, 管与池墙夹角为35。5.2水压间设

19、计水压间设计应符合以下条件：1）水压间的地面标高:此标高应确定在发酵间初始工作状态时的液面位置， 故水压间地面标高为/死=0.40m,即低于地面0.40mo2）水压间高度（H水）：此高度应等于发酵间液面最大下降值（HQ与水压 间液面上升值（出）之和，即HzK=H1 + H2Hi =人 + h 筒/死=0.56 + 0.04 0.40 = 0.20mPHo =Pg85001000 X 9.8=0.87mH 水=Hi + 比=0.20 + 0.87 = 1.07m3）水压间容积：此容积等于池内最大贮气量。池内最大贮气量为V r=1.13m3,设计水压间为圆筒形，水压间直径为:4 X 1.133.1

20、4 X 1.07=1.16m水圧间与发酵间用e 6oo的预制混凝土管链接。水压间设计数据如下表2所示：表2水压间设计数据水压间高（m）水压间直径（m）水压间容积（rr?）水压间底面标高（m）1.071.161.13-0.406总图设计6.1总平面布置图6.2沼气池剖面图6.3进、出料系统大样图7沼气池的运转管理7.1沼气池启动阶段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%o2、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

21、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。7.2沼气池运转阶段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，只要钏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%o4、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

22、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。7.3沼气池运转注意事项1、每年要清池换料1-2次。每次投料，人畜粪便占40%,秸秆杂草占10%, 水占50%。如原料暂时不足，最小投料量应超过进出料管下口上沿15厘米，以 封闭发酵间。发酵料液浓度根据原料及进料季节的气温高低而定，一般为6%- 10%。每次大出料时要留下10%30%的池底脚渣作接种物，以加快新料的分解， 保证及早产气。要严禁农药等有害物入池。2、平时要做到“四勤”管理，即勤进料、勤出肥、勤搅拌、勤检修。每隔 5-7天要在出料口小出肥一次，同时在进料中加入

23、相等数量的新料。勤搅拌能 使发酵原料与池内微生物充分接触，加快沼气的产生和阻止发酵原料结壳。勤检 修是保证正常用气的关键。对沼气池、管道和开关等输气系统要经常检查，防止 漏气或堵塞。3、要注意越冬保温。霜降前尽量向池内添加新料，并适量加入牛、马粪等 热性原料，并使用热水。发酵料液浓度控制在10%左右。池顶覆盖秸秆或保温膜 等物料，以提高沼气池的发酵温度。确保冬季正常产气。4、每次进出料后，应及时将进出料口及活动盖口盖上牢固的盖板，防止人 和畜禽掉入池内，造成不必要的损失。5、经常观测安全水柱压力表，当沼气压力超过设计标准时，应及时用气或 放气，以免压力过大损坏压力表和池体。6、禁止在沼气池进出

24、料口或导气管口试火，以免引起回火造成池体爆炸事 故。7、沼气灯、灶具要远离柴草等易燃物品，以免引起火灾。当发现漏气时， 要及时关闭气源，打开门窗或釆取鼓风等措施，排除室内的沼气。8、安全维修和大出料。沼气池是厌氧发酵密闭装置，池内严重缺氧。同时， 沼气是易燃气体，并含有H2S、CO等有毒气体，因此，进入池内检修和出料时要 特别注意安全。入池工作，只能用手电筒照明，禁止使用蜡烛、火柴等明火，也 不能吸烟，以免点燃池内残存沼气，发生烧伤事故。8沼气池土建施工设计本设计沼气池釆用现浇混凝土浇筑60mm厚墙体。混凝土用量参照GB/T4752-2002用户沼气池施工操作规程第2页，表3 所示，如下表：现

25、浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表容积/m3混凝土池体抹灰水泥素浆合计材料用量体积/m3水 泥 /kg中沙/m3碎石/m3体积/m3水 泥 /kg中沙/m3水 泥 /kg水 泥 /kg中沙/m3碎石/m341.2573500.6220.9590.2771130.25964690.8810.95961.6354550.8091.2500.3471420.32476041.1331.25082.0175610.9971.5100.4001630.37497331.3711.540102.2396231.1071.7100.0582080.475118421.5821.710本设计采用6个10rr?

26、沼气池，参照标准，水泥用量为5052kg,中沙用量为9.492m3,碎石用量为10.26m链接所需的预制混凝土管：0300的预制混凝土管需要5米；0600的预制混凝土管需要2米。9建设费用经调查：325号水泥价格为400元/吨；中沙价格为60 7L/m3；碎石价格为70 7L/m3；0300的预制混凝土管价格为70元/米；0600的预制混凝土管价格为150元/米。考虑到人工工资、材料运输费和材料损耗等因素，因乘以一个2.5的系数, 计算得建设费用为：S = 2.5 X (400 X 5.052 + 60 X 9.492 + 70 X 10.26 + 70 X 5 + 150 X 20)=9896.3 元A参考文献11固体废物处理与资源化，李秀金主编，科学出版社；【2】农村家用沼气池设计规范；3 用户沼气池施工操作规程；4 中国沼气网, ；【5】其他参考来源于百度；