1、中北大学信息商务学院课程设计任务书20152016 学年第 二 学期学 院： 化工与环境学院 专 业： 环境工程 学 生 姓 名： 宋思奇 学 号： 1304014145课程设计题目：水压式沼气池设计4.0 米 3 混凝土结构（池容产率 0.6 米 3/米 3天）起 迄 日 期： 4 月 29 日 6 月 10 日 课程设计地点： 中北大学信息商务学院指 导 教 师： 李颖 系 主 任： 张建忠 下达任务书日期: 2016 年 4 月 29 日水压式沼气池设计4.0 米 3混凝土结构（池容产气率 0.6 米 3/米 3天）摘要水压式沼气池是我国推广最早、数量最多的池形，是在总结“三结合”、“圆
2、、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。“圆、小、浅”就是池体圆、体积小、埋深浅。“活动盖”就是沼气池顶加活动盖板。这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气池内压力相应提高。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。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出，当沼气减少时，水压间的料也又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应
3、降低。关键词：水压式沼气池，设计，沼气目录1.绪论 11.1 沼气介绍 .11.2 沼气发酵的原理 .11.3 沼气发酵原料选择 .21.4 工艺流程 .21.5 水压式沼气池结构 .31.6 水压式沼气池工作原理及优点 .42.圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算 42.1 设计参数 .42.2 设计原始数据 .42.3 工艺流程设计 .52.4 发酵料液的计算 .52.5 发酵间的设计 .62.6 进料口（管）的设计 .92.7 水压间的设计 103.圆筒形水压式沼气池施工及材料设计 .103.1 材料参考用量 103.2 沼气池施工 123.3 成本核算 124.参考文献 .135.结束语
4、 .14固体废物处理与处置课程设计 11.绪论1.1 沼气介绍沼气是由生物质和有机质如秸秆、畜禽粪便等经微生物发酵产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷（CH 4），大约占 60%；其次是二氧化碳（CO 2），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】1.2 沼气发酵的原理沼气发酵，又称甲烷发酵，是由多种微生物在绝氧条件下分解有机物实现的。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
5、，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。 【1】根据三阶段理论，甲烷发酵原理可由下图表示碳水化合物 糖类 多糖 单糖 挥发酚、CO 2有机物 蛋白质 氨基酸 丙酮酸、乙酸脂肪 脂肪酸、甘油 有机酸、醇类液化 产氢产醋酸产甲烷图 111.3 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CO2、H 2CH4、N 2CO 等固体废物处理与处置课程设计 2粪
6、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。秸秆随农事活动批量获得，能长时间存放不影响产气。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】1.4 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
7、而变化，采用半批量方式投料。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。 【2】1.5 水压式沼气池结构在我国农村，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。 【2】厌氧发酵一般在沼气
8、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。 【3】 其中，水压式沼气池是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。 【2】水压式沼气池结构简图如下固体废物处理与处置课程设计 31 4 5 32图 121加料管；2发酵间；3水压间；4导气管；5控制阀1.6 水压式沼气池工作原理及优点家用水压式沼气池的工作原理是：池内装入发酵原料（约占池体积的 80%左右) ，以料液表面为界限，上部为贮气间，下部为发酵间。当沼气池
9、内产生沼气时，沼气集中在贮气间内，随着沼气的增多，池内的压力不断增大，此时沼气压迫发酵液进入水压间。用沼气时，贮气间的沼气被放出，此时，水压间内的料液进入发酵间，如此“气压水、水压气”反复进行，因此称之为水压式沼气池。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 68m3 沼气池造价 6001000 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。 【3】2.圆筒形水压式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
10、指每立方米发酵池容积 1 昼夜的产气量，单位为 m3 沼气/（m 3 池容d）。我国通常采用的池容产气率包括 0.15、0.2、0.25固体废物处理与处置课程设计 4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有4m3、6m 3、8m 3、10m 3 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。2.2 设计原始数据发酵间容积（池容）为 4.0 立方米；最大投料量小于发酵间总容积的 90
11、%；池容产气率：0.6 米 3/米 3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：图 212.4 发酵料液的计算2.4.1 发酵料液的体积33217.6308.04.85mTnkV式中：V 1发酵料液体积，m 3；n1产人粪便总量。按常住人口0.0060.013m 3/（人d）取值；人畜粪便（青草及农业废物）进料间厌氧发酵间水压（出料）间农田固体废物处理与处置课程设计 5n2产牲畜粪便总量。按养猪头数0.0060.
12、15m 3/（头d）取值；n3每日舍外能定量收集粪便总量，m 3/d；k2收集系数，取 0.51.0；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 3312 504.1.726mkV式中：V 1发酵料液体积，m 3；V2气室容积，m 3；k3原料产气率，我国通常采用的产气率包括 0.15m3/（m 3d）、0.2m3/（m 3d）、0.25m 3/（m 3d）、0.3m 3/（m 3d）。2.5 发酵间的设计2.5.1 发酵间的容积312 0.695.04.76kV式中：V发酵间容积，m 3；V1发酵料液体积，m 3；V2气
13、室容积，m 3；k1容积保护系数，取 0.91.05。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，确定沼气池的直径为 2.2m。（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积固体废物处理与处置课程设计 6池盖削球体矢高 mDf4.0521式中：f 1池盖削球体矢高，m；D圆柱体形池身直径，m； 1直径与池顶矢高的比值，取 56。池盖削球体净容积3221118.04.046.mfRfQ式中：Q 1池盖削球体净容积，m 3；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池底削球体矢高Df275.082式
14、中：f 2池盖削球体矢高，m；D池身圆柱体直径，m； 2直径与池底矢高的比值，取 810。池底削球体净容积 322235.075.017614.mfRfQ式中：Q 3发酵间池底削球体净容积，m 3；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发酵间池身圆柱体净容积3312 59.4.086mQV固体废物处理与处置课程设计 7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；Q1池盖削球体净容积，m 3；Q3发酵间池底削球体净容积，m 3。发酵间池身圆柱体高度RH21.14.592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
15、面积池盖削球体球面内表面积 22211 4014.3mfRS式中：S 1池盖削球面内表面积， m2；R池身圆柱体半径，m；f1池盖削球面矢高，m。圆柱体池身内表面积 22 36.81.43mRHS式中：S 2池身圆柱体内表面积， m2；R池身圆柱体内半径，m；H池身圆柱体高度，m。池底削球体内表面积 22223 04.75.14.3mfRS式中：S 3池底削球体内表面积， m2；R池身圆柱体内半径，m。f2池底削球体矢高，m；发酵间总表面积 2321 8.1604.84. mS固体废物处理与处置课程设计 82.5.3 发酵间各部分位置标注Q1f1Q2 V Hf2Q3 DR图 22 2.6 进料
16、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=600mm320mm500mm；下部圆管采用 260mm 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：2.6.1 死气箱拱的矢高mhf 40.2.01.321 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 1015cm 之间；h2导气管下露出长度，取 35cm；固体废物处理与处置课程设计 9h3导气管下口到液面距离，一般取 2030cm。2.6.2 死气箱容积32187.034.059.4mffV死死死 式中：V 死 ，
17、f 死 ， 1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。 %5.810.67V死式中：V，V 死 分别为发酵间容积和死气箱容积，m 3。2.6.4 最大贮气量30.4521.6021m池 容 产 气 率池 容贮2.6.5 气箱总容积3.4587.0V贮死气式中：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）。2.6.6 发酵间最低液面位（1）气箱在圆筒形池身部分的容积314.08.32mQV气筒（2）圆筒形池身内气箱部分的高度 Rh164322筒筒最低液面位于池盖与池身交接平面以下 h
18、筒 的位置上，这个位置也就是进料管的安装位置。固体废物处理与处置课程设计 102.7 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 =0.44+0.116=0.556m，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 0.556-0.4=0.156m。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mH64.015.8水 压 间2.7
19、.4 水压间圆柱体底面积27.64.0VS水 压 间贮水 压 间2.7.5 水压间底面半径mSr7.14.3水 压 间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 4m310m3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表，如下：混凝土容积m3 体积 m3 水泥 kg 中沙 m3 碎石 m34 1.257 350 0.622 0.9596 1.635 455 0.809 1.2508 2.017 561 0.997 1.540固体废物处理与处置课程设计 1110 2.239 623 1.107 1.710池体抹灰 水泥素浆容积m3 体积 m3 水泥 kg
20、 中沙 m3 水泥 kg4 0.277 113 0.259 66 0.347 142 0.324 78 0.400 163 0.374 910 0.508 208 0.475 11合计材料用量容积m3 水泥 kg 中沙 m3 碎石 m34 469 0.881 0.9596 604 1.133 1.2508 733 1.371 1.54010 842 1.582 1.710表 31本设计为池容 6m3，产气率为 0.15m3/（m 3d）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 604kg，中砂 1.133m3，碎石1.250m3。一般情况建一个 的沼气池需要红砖 600
21、块，若建 6m3沼气池，则水泥、38m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 600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720kg，1.5m 3，1.3m 3，钢筋 1.8m。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。固体废物处理与处置课程设计 12（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。3.3 成本核算查得
22、325 号水泥价格为 390 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 元8.736260431605.3972.0 s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 元96.120.8736S固体废物处理与处置课程设计 134.参考文献1 杨国清主编固体废物处理工程（第二版）M北京：科学出版社，2007： 3722 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，2005：1221233 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，2005：1734 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固体废物处理与处置课程设计 14施工操作规程北京：中国标准出版社，20025 芈振明等编固体废物处理与处置M北京：高等教育出版社，19935.结束语通过本次课程设计，我对水压式沼气池的设计计算和施工建造有了深刻的认识和了解，这也提高了我分析和解决问题的能力，并使我进一步接触到工程实际。与此同时，我在设计中加强了自己的 word、 autoCAD 等多种绘图工具的应用能力，获益匪浅。最后还要感谢老师和同学们的帮助，我会继续努力。
