有機(jī)垃圾產(chǎn)沼工藝設(shè)計(jì)說明書

水壓式沼氣池 1 有機(jī)垃圾產(chǎn)沼工藝設(shè)計(jì)說明書 一、前言 沼氣是有機(jī)物在厭氧條件下經(jīng)微生物的發(fā)酵作用生成的一種以甲烷為主體的可燃性混合氣體，其主要成分是甲烷和二氧化碳。 固定拱蓋水壓式沼氣池有圓筒形、球形和橢球形 三種池型。這種 池型的池體上部氣室完全封閉，隨著沼氣的不斷產(chǎn)生，沼氣壓力相應(yīng)提高。這個(gè)不斷增高的 氣壓，迫使沼氣池內(nèi)的一部分料液進(jìn)到與池體相通的水壓間內(nèi)，使得水壓間內(nèi)的液面升高。 這樣一來，水壓間的液面跟沼氣池體內(nèi)的液面就產(chǎn)生了一個(gè)水位差，這個(gè)水位差就叫做“水 壓”。用氣時(shí)，沼氣開關(guān)打開，沼氣在水壓下排出 ；當(dāng)沼氣減少 時(shí)，水壓間的料液又返回池體內(nèi)，使得水位差不斷下降，導(dǎo)致沼氣壓力也隨之 相應(yīng)降低。這種利用部分料液來回串動(dòng)，引起水壓反復(fù)變化來貯存和排放沼氣的池型，就之為水壓式沼氣池。 水壓式沼氣池，是我國(guó)推廣最早、數(shù)量最多的池型，是在總結(jié)“三結(jié)合”、“圓、小、 淺”、“活動(dòng)蓋”、“直管進(jìn)料”、“中層出料”等群眾建池的基礎(chǔ)上，加以綜合提高而形 成的 ?！叭Y(jié)合”就是廁所、豬圈和沼氣池連成一體，人畜糞便可以直接打掃到沼氣池里進(jìn)行發(fā)酵。 沼氣發(fā)酵有很多優(yōu)點(diǎn)。沼氣發(fā)酵可產(chǎn)生甲烷，它是清潔方便的燃料；發(fā)酵過程中 N、 P、 K 等肥料成分幾 乎得到全部保留，一部分有機(jī)氮被水解成氨太氮，速效性養(yǎng)分增加 ;發(fā)水壓式沼氣池 2 酵殘?jiān)梢宰鳛轱暳戏柿希徽託獍l(fā)酵處理有機(jī)物課大量地節(jié)省曝氣消化所消耗的能量等等。 沼氣發(fā)酵非常適合在農(nóng)村地區(qū)推廣使用。 二、課程設(shè)計(jì)的題目 水壓式沼氣池設(shè)計(jì) 三、 課程設(shè)計(jì)的目的 通過課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步笑話和鞏固本課程所學(xué)內(nèi)容，并使所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化，培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行沼氣池設(shè)計(jì)的初步能力。通過設(shè)計(jì)，了解工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法及步驟，培養(yǎng)確定厭氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 、進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、繪制工程圖、使用技術(shù)資料、編寫設(shè)計(jì)說明書的能力。 四、設(shè)計(jì)參數(shù) 1、 氣壓 ： 7840 即 80 柱 ) 2、 池容產(chǎn)氣率：池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池 1 晝夜的產(chǎn)氣量，單位為 氣 ( d)。我國(guó)常采用的池容產(chǎn)氣率包括 種。 3、 貯氣量：指氣箱內(nèi)的最大沼氣貯存量。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的最大貯存氣量以 12H 產(chǎn)氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。 4、 池容：指發(fā)酵間的容積。本設(shè)計(jì)中農(nóng)村家用水壓式沼氣池的池容積為 14 5、 投料率：指最大投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分水壓式沼氣池 3 比，一般在 85%間為宜。 五、工藝流程 沼氣發(fā)酵工藝類型較多，我 國(guó)農(nóng)村普遍采用的是下面兩種工藝。 這種工藝的發(fā)酵溫度隨自然溫度變化而變化投料，基本流程圖如圖所示 這種工藝的發(fā)酵期因季節(jié)和農(nóng)用情況而定，一般為五個(gè)月左右，運(yùn)行中要求定期補(bǔ)充新鮮原料，以免造成產(chǎn)氣量下降，該工藝主要缺點(diǎn)使出料操作勞動(dòng)量大。 2自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝 這種工藝在自然溫度下，定時(shí)定量投料和出料，能維持比較 穩(wěn)定的發(fā)酵條件，使沼氣微生物（菌群積累）區(qū)系穩(wěn)定，保持逐步完善的原料消化速度，提高原料利率和沼氣池 負(fù)荷原料選擇 原料預(yù)處理 配料 加活性污泥 入池發(fā)酵產(chǎn)氣 大出料 定期出料 送農(nóng)田 圖 1 自然溫度半批量投料沼氣發(fā)酵工藝流程 水壓式沼氣池 4 能力，達(dá)到較高的產(chǎn)氣率；工藝自身消耗能少，簡(jiǎn)單方便，容易操作。 我們選擇的是自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝。 六、沼氣池的工作原理 水壓式沼氣池的工作原理可以概括為兩句話：產(chǎn)氣時(shí)，氣壓水；用氣時(shí)，水壓氣。 水壓式沼氣池裝料封蓋后啟動(dòng)前狀態(tài)時(shí)，在發(fā)酵間內(nèi)的料液和水壓間內(nèi)的料液液面上，同時(shí)受到大氣壓力的作用，因此兩個(gè)液面處在同一水平面上，它們之間的氣壓差和液面差均為零。此時(shí)的工作狀態(tài)稱為“初始工作狀態(tài)”，此時(shí)的料液液面高度為 平面，發(fā)酵間內(nèi)存在的空間為 啟動(dòng)以后，沼氣池內(nèi)開始發(fā)酵產(chǎn) 氣，隨著沼氣產(chǎn)量的逐漸增加，發(fā)酵間上部氣箱中的貯氣量越來越大，同時(shí)所產(chǎn)生的沼氣將發(fā)酵間內(nèi)的料液壓入水壓間，壓出的料液體積與所產(chǎn)的沼氣體積相等。當(dāng)發(fā)酵間內(nèi)貯氣量達(dá)到最大貯氣量 壓間里增加的料液也為最大貯液量 時(shí)發(fā)酵間內(nèi)的料液面下降到可能下降的最低位置 平面，水壓間內(nèi)的料液面上升到可能上升的最高位置 平面。此時(shí)的工作狀態(tài)稱為“極限工作狀態(tài)”。發(fā)酵間內(nèi)料液面的下降和水壓間內(nèi)料液面的上升使得兩液面產(chǎn)生了高度差，高位料液具有的勢(shì)能使得發(fā)酵間內(nèi)沼氣產(chǎn)生了一定的壓強(qiáng)，其數(shù)值等于兩液面高差值與料液 比重的乘積。由于料液比重接近于 1，因此水壓式沼氣池 5 一般將兩料液面的高差值視為池內(nèi)沼氣壓強(qiáng)值。在極限工作狀態(tài)時(shí)的液面高差最大，稱為極限沼氣壓強(qiáng)，數(shù)值等于： 21 式中： H 沼氣池最大液面差； 發(fā)酵間液面最大下降值； 水壓間液面最大上升值。 以上就是“氣壓水”的全過程。 當(dāng)用戶的燃燒器工作時(shí)，池內(nèi)沼氣在高位水壓間液體壓力下逐漸輸出，隨著發(fā)酵間內(nèi)沼氣貯量的減少，水壓間料液面漸漸下降，發(fā)酵間內(nèi)液面漸漸上升。此時(shí)，輸出的沼氣的壓強(qiáng)也隨兩料 液液面高差的減少而變得越來越小。當(dāng)發(fā)酵間料液液面與水壓間料液液面相平時(shí)，沼氣池又回到初始工作狀態(tài)，此時(shí)池內(nèi)的沼氣也因壓強(qiáng)為零而不再輸出，“水壓氣”過程結(jié)束。 沼氣池的運(yùn)行過程就是不斷產(chǎn)氣和不斷用氣的循環(huán)過程，在運(yùn)行過程中，水壓式沼氣池總是處在初始工作狀態(tài)和極限工作狀態(tài)的范圍之內(nèi)，不可能超出這個(gè)范圍。 水壓式沼氣池 6 圖 2 水壓式沼氣池初始工作狀態(tài) 圖 3 水壓式沼氣池極限工作狀態(tài) 七、沼氣池的設(shè)計(jì)依據(jù)及原則 分析上述工作原理，可以得到以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)水壓式沼氣池的主要依據(jù)： （ 1）沼氣池裝料 （包括料液）的最高位置只能在沼氣池處于初始工作狀態(tài)時(shí)的液面高度，此時(shí)的液面為 位。在 位時(shí)，發(fā)酵間上部仍有部分氣箱可以貯存沼氣，但是這部分沼氣由于無法被壓出，因此無法被利用，所以稱為2 H 水壓式沼氣池 7 “死氣”?！八罋狻彼紦?jù)的空間稱作“無效氣箱”或“死氣箱”。 （ 2）水壓間內(nèi)的料液液面在 置，即初始工作狀態(tài)時(shí)，其液面處于最低位置，不可能再繼續(xù)下降。因此，在水壓間中如果存在低于 置的料液的話，這部分料液沒有勢(shì)能，不具有壓出氣箱內(nèi)沼氣的作用，是“死液”?！八酪骸彼紦?jù)的那部分水壓間被稱為“無效水壓間”。 無效氣箱和無效水壓間對(duì)沼氣池運(yùn)行不起任何作用，因此應(yīng)當(dāng)盡量控制其容積。在滿足功能要求的情況下，無效氣箱和無效水壓間容積越小，沼氣池的利用效率就越高，造價(jià)也越低。 水壓式沼氣池的極限工作狀態(tài)時(shí)的發(fā)酵間液面是勢(shì)能使得發(fā)酵間內(nèi)沼氣產(chǎn)生了一定的壓強(qiáng)，其數(shù)值等于兩液面高差值與料液比重的乘積。由于料液比重接近于 1，因此一般將兩料液面的高差值視為池內(nèi)沼氣壓強(qiáng)值。在極限工作狀態(tài)時(shí)的液面高差最大，稱為極限沼氣壓強(qiáng)，數(shù)值等于： 21 式中： H 沼氣池最大液面差； 發(fā)酵間液面最大下降值； 水壓間液面最大上升值。 以上就是“氣壓水”的全過程。 當(dāng)用戶的燃燒器工作時(shí)，池內(nèi)沼氣在高位水壓間液體壓力水壓式沼氣池 8 下逐漸輸出，隨著發(fā)酵間內(nèi)沼氣貯量的減少，水壓間料液面漸漸下降，發(fā)酵間內(nèi)液面漸漸上升。此時(shí)，輸出的沼氣的壓強(qiáng)也隨兩料液液面高差的減少而變得越來越小。當(dāng)發(fā)酵間料液液面與水壓間料液液面相平時(shí)，沼氣池又回到初始工作狀態(tài)，此時(shí)池內(nèi)的沼氣也因壓強(qiáng)為零而不再輸出，“水壓氣”過程結(jié)束。 沼氣池的運(yùn)行過程就是不斷產(chǎn)氣和不斷用氣的循環(huán)過程，在運(yùn)行過程中，水壓式沼氣池總是處在 初始工作狀態(tài)和極限工作狀態(tài)的范圍之內(nèi)，不可能超出這個(gè)范圍。 （ 3） 低液面，而水壓間液面 是最高液面，此時(shí)沼氣池內(nèi)的壓強(qiáng)達(dá)到最高值。在設(shè)計(jì)中，稱此時(shí)的壓強(qiáng)為最高設(shè)計(jì)壓強(qiáng)。沼氣池在運(yùn)行時(shí)其池內(nèi)壓強(qiáng)不應(yīng)超過此值，否則將因超負(fù)荷而破壞沼氣池。為防止沼氣池超負(fù)荷運(yùn)行，一般設(shè)計(jì)中采取的措施是：將進(jìn)、出料管（或其中一管）上沿安裝在位面與池身的交線上，這樣，當(dāng)貯氣量超過最大貯氣量，即液面低于 置時(shí)，多余的沼氣自行從進(jìn)、出料管逸出，保持池內(nèi)壓強(qiáng)不大于最高設(shè)計(jì)壓強(qiáng)；同時(shí)，將水壓間的溢料口下沿設(shè)計(jì)在 置上，這樣即使 水壓間液面有超過 出的部分料液也會(huì)從溢料口中溢出，使兩液面差始終保持在最大液差之內(nèi)。 （ 1）沼氣池宜建在畜圈或廁所地表以下，進(jìn)料間與人、畜水壓式沼氣池 9 糞入口相連通。 （ 2）堅(jiān)持適用、衛(wèi)生、平面布局合理，外型美觀。 （ 3）池蓋頂端復(fù)土厚度不小于 200 （ 4）強(qiáng)度安全系數(shù) K （ 5）正常使用壽命 20年以上。 八、 發(fā)酵料液的計(jì)算 根據(jù)投料率即最大投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比，一般在 85%95%。這里取 90%。因此： 1. 發(fā)酵料液體積的計(jì)算 V 90% 式中： 發(fā)酵液體積， 發(fā)酵間容積， 14 90%=12.6 發(fā)酵投料計(jì)算 發(fā)酵料液體積為 12,6，豬糞密度為 33 /101.1 ,秸稈密度為： 33 /100.1 ，豬糞的 C/0，秸稈的 C/N 取 80，設(shè)豬糞體積為 X，秸稈的體積為 10為發(fā)酵料液的 C/N 為25:1，則有： 計(jì)算得， 1 : 25 10 0 . 1 6 . 12 10 1 . 1 80 10 0 . 1 6 . 12 10 1 . 1 10 3 3 3 3 X X X 水壓式沼氣池 10 X=以，豬糞體積為 m ，秸稈體積為 m 中 ： 發(fā)酵料液體積， 氣室容積， 原料產(chǎn)氣率，本次試驗(yàn)為 常溫下產(chǎn)率。 2 九、 發(fā)酵間的設(shè)計(jì) V=（ 中 V 發(fā)酵間的容積， m; 發(fā)酵料液體積， m； 氣室容積， m； 容積保護(hù)系數(shù)，取 次設(shè)計(jì)取 =（ 計(jì)算發(fā)酵間容積 )3()3(6 112121211 水壓式沼氣池 11 )3()3(6 222222222 3 )(2 1 21211 )(2 1 22222 綜合圓筒型沼氣 池的內(nèi)力結(jié)構(gòu)計(jì)算、材料用量計(jì)算和施工管理、使用技術(shù)等諸種因素，一般認(rèn)為：當(dāng)池蓋矢跨比511 底矢跨比812 （對(duì)于 4、 6、 8、 10=1m）時(shí)，沼氣池的尺寸比例比較合理。 這樣，一旦發(fā)酵間某一尺寸被確定以后，我們即可以計(jì)算出其它部分的尺寸和發(fā)酵間各部分的容積。 我們還可以用合理尺寸比例來確定已知容積的發(fā)酵間各部分尺寸。 利用合理尺寸比例和容積計(jì)算公式可 以得出： 31 V 32 V 33 V 因?yàn)榘l(fā)酵間容積321 ，所以 V 。因此可以得一計(jì)算公式： V 11 V 2 V 3 r 1 r 2 R f 1 f 2 D H 水壓式沼氣池 12 3 D 3 4D= 1）發(fā)酵間池蓋削球體矢高和凈容積。 池蓋削球體矢高 池蓋削球體矢高， m； D 圓柱體形池身直徑， m； 直徑與池體矢高的比值，取 5。 =m) 池蓋削球體凈容積 R2+式中 池蓋削球體凈容積， 圓周率，取 池蓋削 球體矢高， m； R 池身圓柱體內(nèi)半徑， m。 則 (3 （ 2）發(fā)酵間池底球體矢高和凈容積。 池底削球體矢高 ,m; D 池身圓柱體直徑， m； 水壓式沼氣池 13 2 直徑與池底矢高的比值，取值 8 那么 =m） 池底削球體凈容積 f 2(3R2+式中 m; 發(fā)酵間池底削球體凈容積， 圓周率，取值 則 (3 = （ 3）發(fā)酵間池身圓柱體容積和池墻高度。 發(fā)酵間池身圓柱體容積 1- 池蓋削球體凈容積， V 發(fā)酵間總?cè)莘e， 發(fā)酵間池身圓柱體容積， 發(fā)酵間池底削球體凈容積， 發(fā)酵間池身圓柱體高度 H= 中 圓周率，取值 R 發(fā)酵間池身圓柱體半徑， m； H 發(fā)酵間池身圓柱體高度， m。 H =m） 水壓式沼氣池 14 （ 4）發(fā)酵間內(nèi)總面積 S=2+中 S 內(nèi)總表面積， 1 池蓋削球體內(nèi)表面積， 2 池身圓柱體內(nèi)表面積， 3 池底削球體內(nèi)表面積， 蓋削球體球面內(nèi)表面積 (R2+式中 池蓋削球面內(nèi)表面積， R 池身圓柱體半徑， m； 池蓋削球面矢高， m； 圓周率，取值 = 圓柱體池身內(nèi)表面積 中 池身圓柱體內(nèi)表面積， R 池身內(nèi)圓柱體內(nèi)半徑， m； H 池身圓柱體高度， m； 圓周率，取值 池底削球體內(nèi)表面積 (R2+水壓式沼氣池 15 式中 池底削球體內(nèi)表面積， 池底削球面矢高， m； R 池身圓柱體內(nèi)半徑， m； 圓周率，取值 (= 發(fā)酵間總表面積 S= 十、進(jìn)料口（管）的設(shè)計(jì) 進(jìn)料口（管）由上部長(zhǎng)方形槽和下部圓管組成，其中上部長(zhǎng)方形槽幾何尺寸是長(zhǎng)寬深 =600320500部圓管才用 300預(yù)制混領(lǐng)土管，管與池墻角為 40。 （ 1） 死氣箱拱的矢高 f 死 =h1+h2+中 池底拱頂點(diǎn)到活動(dòng)蓋下緣平面的距離，該值一般在 10 15取 15 導(dǎo)氣管下露出長(zhǎng)度，該值一般在 3 5間取 5 導(dǎo)氣管下口到液面距離，該值一般在 20 305 f 死 =0. 15+m) （ 2） 死氣箱容積 根據(jù)沼氣池投料率（本設(shè)計(jì)中投料率為 90%），可計(jì)算水壓式沼氣池 16 出死氣箱的容積，即 投料率 =（ V V 死 ） / V 100% 式中 V， V 死 分別為發(fā)酵間容積和死氣箱容積， 90%=(V 死 ） / 100% V 死 =（ 3） 最大貯氣量 V 貯 =池容池容產(chǎn)氣率 1/2 V 貯 =14 1/2= （ 4） 氣箱總?cè)莘e V 氣 =V 死 +V 貯 式中 V 氣 ， V 死 ， V 貯 分別為沼氣池氣箱總?cè)莘e，死氣箱總?cè)莘e和有效氣箱容積（最大貯氣量）。 V 氣 =（ 5） 發(fā)酵間最低液面位 氣箱在圓筒形池身部分的容積為 V 筒 = V 氣 筒 = ） 圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的 高度為 h 筒 = V 筒 / R2 h 筒 =m) 最低液面位在池蓋與池身交接平面以下 h 筒的位置上。這個(gè)位置也就是進(jìn)出料管的安裝位置。 水壓式沼氣池 17 十一、 水壓間（管）的設(shè)計(jì) H 水壓間 =h 筒 +f 死 + 水壓間 = =m) 有效容積： V 有 =池容池容產(chǎn)氣率投料量 1/2 V 有 =14 90% 1/2=H 水壓間 = V 有 / ( R 水壓間 =壓式沼氣池的尺寸設(shè)計(jì)完成 十二、 發(fā)酵原料的預(yù)處理 1. 糞便原料不必進(jìn)行預(yù)處理，作物秸稈必須鍘短到 5 厘米或粉碎。 2. 在接種物用量小于 20%，鮮糞用量與風(fēng)干秸稈的重量比小于 1： 1 時(shí)，啟動(dòng)時(shí)所用的秸稈原料應(yīng)進(jìn)行堆漚處理。方法有： (1)池外堆漚：將原料加 水拌勻。加水量以料堆下部不出水為宜，料堆上加蓋塑料膜。氣溫在 15 攝氏度左右時(shí)堆漚 4，氣溫在 20攝氏度以上進(jìn)堆漚 2。 (2)池內(nèi)堆漚：將原料及接種物拌勻后，投入沼氣池內(nèi)進(jìn)行堆漚，堆漚時(shí)間參照池外堆漚。 接種物 1、沼氣發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)所用的含有大量沼氣發(fā)酵微生物的各種厭氧活性污泥稱接種物。在沼氣發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)，料液中要添加水壓式沼氣池 18 10%接種物。 2、老沼氣池中的懸浮污泥、各種有機(jī)廢水沉污泥、河流湖泊底層的 沉渣、坑塘污泥和積水糞坑的糞肥等，都可用來作接種物。所用接種物的揮發(fā)性固體含量不低于 3%。 沼 氣發(fā)酵的啟動(dòng) 1、投料：將預(yù)處理的原料和準(zhǔn)備好的接種物混合在一起投入池內(nèi)。啟動(dòng)時(shí)的料液干物質(zhì)含水量控制在 6% 2、加水封池：原料和接種物入池后，要及時(shí)加水封池。以料液量約占沼氣池總?cè)萘糠e的 85%宜。然后將蓋密封。 3、放氣試火：沼氣發(fā)酵啟動(dòng)初期，通常不能點(diǎn)燃。因此，當(dāng)水壓表壓力達(dá)到 20 厘米水柱以上時(shí)，應(yīng)進(jìn)行放氣試火。所產(chǎn)沼氣可正常燃燒使用時(shí)，沼氣發(fā)酵的啟動(dòng)階段即告完成。 氣池的運(yùn)轉(zhuǎn)管理 1、當(dāng)沼氣發(fā)酵啟動(dòng)之后，即進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段。為了維持沼氣的均衡產(chǎn)氣，啟動(dòng)后 30天左右就應(yīng)定時(shí)進(jìn)行 補(bǔ)料。 2、正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間進(jìn)池的秸桿原料，只要鍘短或粉碎并用水或發(fā)酵液浸透即可。 3、正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間的進(jìn)料濃度應(yīng)盡量大一些，干物質(zhì)含量可以大于 8%。 4、為了便于管理和均衡產(chǎn)氣，可每隔 5補(bǔ)料一次，“三結(jié)合”沼氣池每天都要有一定量的人畜糞便進(jìn)入沼氣池，產(chǎn)氣量不足時(shí)，則應(yīng)每 5添加秸稈或青草等水壓式沼氣池 19 原料一次。 5、每隔 5攪拌一次，可通過進(jìn)料口或水壓間用木棍攪拌，也可 以從水壓間淘出料液，再從進(jìn)料口倒入進(jìn)行攪拌。若發(fā)生浮料結(jié)殼并嚴(yán)重影響產(chǎn)氣時(shí)，則應(yīng)打開活動(dòng)蓋進(jìn)行攪拌。冬天減少或停止攪拌。 十三、水壓式沼氣池的優(yōu) 缺點(diǎn) （ 1）池體結(jié)構(gòu)受力性能良好，而且充分利用特讓的承載能力，所以省工省料，成本比較低。（ 2）適于裝填多種發(fā)酵原料，特別是大量的作物秸稈。（ 3）為便于經(jīng)常進(jìn)料，廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時(shí)都能打掃進(jìn)池。（ 4）沼