2023年12月19日发(作者：桑兰)

中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计

1绪论

1.1沼气

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，它是由生物质和有机质如秸秆、畜禽粪便等发酵产生的，其主要成分是甲烷（CH4），大约占60%；其次是二氧化碳（CO2），大约占35%；此外还有少量其他气体，有水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。不同条件下产生的沼气，成分有一定差异。

1.2沼气发酵原理

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作用下转化为甲烷（或称沼气）的过程。有机物厌氧消化的生物化学反应过程是非常复杂的，中间反应及中间产物有几百种，每种反应都是在酶或其他物质的催化下进行的，总反应式为：

有机物＋H2O＋营养物——→细胞物质＋CH4↑＋CO2↑＋NH3↑＋H2↑＋H2S↑＋…＋抗性物质＋热量

通常把参与沼气发酵的微生物分为三类。第一类叫发酵细菌，包括各种有机物分解菌，它们通过分泌的胞外酶，将复杂的有机物分解为较简单的物质，例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为甘油和氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸；第二类叫产氢产乙酸菌，它们的主要作用是将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳；第三类细菌叫产甲烷菌，其作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在沼气发酵过程中，这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。根据三阶段理论，甲烷发酵原理可由下图表示。

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1.3沼气发酵优点

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等肥料成分几乎得到全部保留，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。

1.4沼气发酵原料选择

农村沼气发酵原料尽管很多，但从沼气利用的角度考虑，主要为秸秆类和粪便类。粪便类分解速度相对较快，入池和出料都很方便，单独使用产气效果也很好，因而许多地方只采用粪便入池发酵。但随着农业产业化的发展，农村种植和养殖模式发生了显著的变化，家庭养猪数量不断减少，沼气发酵的粪便量严重不足，秸秆作为发酵主要原材料成为必然。但秸秆发酵速度较慢，需要较长时间才能达到预期的沼气产量，且出渣较为困难。为此，入池前需要进行切短、堆沤等预处理，或和粪便一起发酵，并采用批量入池，批量出渣的方法。

1.5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，“三结合”即厕所、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。

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，导致沼气压力也随着相应降低。这种利用部分料液来回窜动。引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就是水压式沼气池。其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。

水压式沼气池结构简图如下：

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水压式沼气池构造简单，施工方便，各种建筑材料均可使用，取材容易，价格较低，一般6~8m³沼气池造价600~1000元。混凝土结构的沼气池使用寿命可达20年。年产沼气240m³以上（黄河以北），可供五口之家8个月做饭和全年照明。

1.6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述两种工艺。

（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，基本流程图如下。

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。

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（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。

2圆筒形水压沼气池的结构设计和计算

2.1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）。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.2和0.3几种。

（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有4m³、6m³、8m³、10m³等几种。

（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%之间为宜。

（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）。

2.2设计原始数据

发酵间容积（池积）为8.5立方米；

最大投料量小于发酵间总容积的90%；

池容产气率：0.2米³沼气/米³池容·天；

建池材料：现浇混凝土；

池内正常工作压力≤800毫米水柱（压强P=0.08公斤/厘米²）。

2.3工艺流程设计

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，简单工艺流程图如下：

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2.4发酵料液的计算

2.4.1发酵料液体积的计算

60.00970.040.7030

V1n1n2k2n3T7.014m3式中：V1——发酵料液体积，m³ ；

n1——产人粪便总量。按常住人口×0.006～0.013m³/（人·d）取值；

n2——产牲畜粪便总量。按养猪头数×0.006～0.15m³/（头·d）取值；

n3——每日舍外能定量收集粪便总量，m³/d；

k2——收集系数，取0.5～1.0；

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。

2.4.2气室容积的计算

气室容积

V211V1k37.0140.20.701m322

式中：V1——发酵料液体积，m³；

V2——气室容积，m³；

K3——原料产气率，我国通常采用的产气率包括0.15m³/（m³·d）、

0.2m³/（m³·d）、0.2m³/（m³·d）、0.3m³/（m³·d）、0.35m³/（m³·d）。本设计取0.35 m³/（m³·d）

2.5发酵间的设计

2.5.1发酵间的容积

VV1V2k17.0140.7140.955.96m3

式中：V——发酵间容积，m³；

 5

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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。

2.5.2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，考虑充分利用土地资源、平面布局紧凑的原则，D=1.3048×√5.96=3.19m，确定沼气池的直径为2.34m。

3（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。

①池盖削球体矢高：

f191D3.50.638m1

式中：f1——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

Q16f13R2f213.140.63831.1720.63826

1.507m3式中：Q31——池盖削球体净容积，m；

f1——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

f2D3.1980.40m

2 式中：f2——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。②池底削球体净容积

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Q363.140.4031.1720.402

60.893m3f23R2f22式中：Q3——发酵间池底削球体净容积，m；

f2——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

Q2VQ1Q35.81.5070.8933.40m33

式中：Q2——发酵间池身圆柱体净容积，m3；

V——发酵间总容积，m；

Q1——池盖削球体净容积，m；

Q3——发酵间池底削球体净容积，m。

②发酵间池身圆柱体高度

HQ23.400.79m

R23.141.172333 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

2S1R2f13.141.1720.63825.58m2

式中：S1——池盖削球面内表面积，m；

R——池身圆柱体半径，m；

f1——池盖削球面矢高，m。

②圆柱体池身内表面积

2S22RH23.141.170.795.80m2

 7

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式中：S2——池身圆柱体内表面积，m；

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

2S3R2f223.141.1720.4024.80m2

式中：S3——池底削球体内表面积，m；

R——池身圆柱体内半径，m。

f2——池底削球体矢高，m；

④发酵间总表面积

2SS1S2S35.585.804.8016.18m2

2.5.3发酵间各部分位置标注

Q1

f1

Q2

V

H

f2

Q3 D

R

2.6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φ260mm现浇混凝土管，管与池墙角为40˚。

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h1

h2

h3

fs

2.6.1死气箱拱的矢高

f死h1h2h30.120.040.250.41m

式中：h1——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；

h2——导气管下露出长度，取3~5cm；

h3——导气管下口到液面距离，一般取20~30cm。

2.6.2死气箱容积

f死2V死f死130.41

3.140.4121.6675

30.95m3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。

2.6.3投料率

根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率。

VV死8.50.95100%88.9%

V8.5式中：V，V死——分别为发酵间容积和死气箱容积，m3。

2.6.4最大贮气量

118.50.251.06m33

V贮池容池容产气率222.6.5气箱总容积

V气V死V贮0.951.0632.013m3

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

 9

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效气箱容积（最大贮气量）。

2.6.6发酵间最低液面为

（1）气箱在圆筒形池身部分的容积

V筒V气Q12.0131.5070.506m3

（2）圆筒形池身内气箱部分的高度

h筒V筒0.5060.118m

3.141.172R2最低液面位于池盖与池身交接平面以下h筒的位置上，这个位置也就是进料管的安装位置。

2.7水压间的设计

2.7.1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。

2.7.2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f1+h筒=0.638+0.118=0.756m，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0.756-0.4=0.356m。

2.7.3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0.3560.444m

2.7.4水压间圆柱体底面积

S水压间V贮1.0632.39m2

H水压间0.4442.7.5水压间底面半径

rS水压间2.39m

0.7613.142.8导气管的安装

当砌筑池拱盖要封口时，在拱顶正中央安放直径为9～10mm的铜导气管，插

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入深度池内，密封层完工后露出10mm为宜，拱顶中央用四条直径6.5mm，500～700mm长铁筋摆放成#字型，抹灰要加固加厚，以防沼气池运行时压力过大涨坏气箱。在导气管周围，砌一个深200～300mm，边长180～200mm的方形围护墙，在输气管引出方向预留出缺口。地面以下可砌暗沟或放一个内径为20～50mm铁管或塑料护管，以便引出输气管。导气管上面盖上活动盖板，防止输气管损坏。活动盖板规格240mm×240mm，厚度为50～60mm，可用2块红砖代替，具体如图所示。

3圆筒形水压式沼气池施工及材料设计

3.1材料参考用量

根据GB/T4752-2002中4m3~10m3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表，如下：

容积

m3

4

6

8

10

容积

m3

体积m3

体积m3

1.257

1.635

2.017

2.239

水泥kg

350

455

561

623

池体抹灰

水泥kg 中沙m3

混凝土

中沙m3

0.622

0.809

0.997

1.107

碎石m3

0.959

1.250

1.540

1.710

水泥素浆

水泥kg

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4

6

8

10

容积

m3

4

6

8

10

本设计为池容8.5m3，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604，中砂1.133m3，碎石1.250m3。

一般情况建一个6m3的沼气池需要红砖540块，若建6m3沼气池，则水泥、砖、砂比8m3沼气池用量要减少10%。考虑到进出料间用料则本设计需红砖540块，由于进出料管为现浇混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分别增加为610kg，1.2m3，1.3m3，钢筋2.0m。

水泥kg

469

604

733

842

0.277

0.347

0.400

0.508

113

142

163

208

0.29

0.324

0.374

0.475

6

7

9

11

合计材料用量

中沙m3

0.881

1.133

1.371

1.582

碎石m3

0.959

1.250

1.540

1.710

3.2沼气池施工

（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。

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（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。

3.3成本核算

查得325号水泥价格为320元/吨，中沙60元/立方米，碎石40元/立方米，红砖0.43元/块，钢筋（直径14mm）每米28元，则所需材料费用为

S0.613201.2601.3400.43540228607.4元

考虑到工人工资，材料运费及损耗等，应乘以一个2.2的系数，得到总费用

S607.42.21336.28元

4沼气发酵及管理的具体工艺

4.1发酵原料预处理

1、 人畜粪便原料不必进行预处理，农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℃左右时堆沤4-5天，气温在20℃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。

4.2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%。

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4.3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。

4.4沼气池的运转管理

(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。

(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。

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(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。

参考文献

1 芈振明等编.《固体废物处理与处置》.高等教育出版社

2 GB/T4750-2002 农村家用水压式沼气池施工操作规程

3 宁平等编.《固体废物处理与处置实践教程》.化学工业出版社

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发酵,沼气,沼气池,水压,容积