水壓式沼氣池設(shè)計(jì)85米3混凝土結(jié)構(gòu)-02米天

1、水壓式沼氣池設(shè)計(jì)8.5米3混凝土結(jié)構(gòu)-0.2米天中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)1緒論1.1沼氣沼氣是有機(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，它是由生物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)如秸稈、畜禽糞便等發(fā)酵產(chǎn)生的，其 主要成分是甲烷（CH4）,大約占60%其次是二氧化碳（c（2）,大約占35%此外還有少量其他氣體，有水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氮?dú)獾?。不同條件下 產(chǎn)生的沼氣,成分有一定差異。1.2沼氣發(fā)酵原理厭氧發(fā)酵也稱沼氣發(fā)酵或甲烷發(fā)酵,是指有機(jī)物在厭氧細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為 甲烷（或稱沼氣）的過程。有機(jī)物厭氧消化的生物化學(xué)反應(yīng)過程是非常復(fù)雜的, 中間反應(yīng)及中間產(chǎn)物有幾百

2、種,每種反應(yīng)都是在酶或其他物質(zhì)的催化下進(jìn)行的, 總反應(yīng)式為：有機(jī)物+H2OH營養(yǎng)物- 細(xì)胞物質(zhì)+CH4T+CO2T+NH3T+H2T+H2ST+抗性物質(zhì)+熱量通常把參與沼氣發(fā)酵的微生物分為三類。第一類叫發(fā)酵細(xì)菌,包括各種有 機(jī)物分解菌,它們通過分泌的胞外酶,將復(fù)雜的有機(jī)物分解為較簡單的物質(zhì), 例如多糖轉(zhuǎn)化為單糖,蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為甘油和氨基酸,脂肪轉(zhuǎn)化為甘油和脂肪酸；第二類叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,它們的主要作用是將前一類細(xì)菌分解的產(chǎn)物進(jìn)一步分 解成乙酸和二氧化碳；第三類細(xì)菌叫產(chǎn)甲烷菌,其作用是利用乙酸、氫氣和二 氧化碳產(chǎn)生甲烷。在沼氣發(fā)酵過程中,這三類微生物既相互協(xié)調(diào),又相互制約, 共同完成產(chǎn)沼氣過 程。根

3、據(jù) 三階段理 論,甲烷發(fā)酵原理 可由下圖表 示。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)不產(chǎn)甲弊皿芷產(chǎn)甲愷甕不產(chǎn)甲債菌和產(chǎn)甲揮發(fā)性H摯COj Si和気基勰一一瞎臍醜克-鈿COj謄勵(lì)和甘油中性優(yōu)合物甲礁/ X/ /- V、L水解階段產(chǎn)饋階珂產(chǎn)甲制段SI I：肖機(jī)糊的護(hù)航發(fā)百妞霞（三段理論）1.3沼氣發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)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)氮被水解成氨態(tài)氮, 速效性養(yǎng)分增加；發(fā)酵殘?jiān)梢宰鳛轱暳戏柿?；沼氣發(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。1.4沼氣發(fā)酵原料選擇農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料盡管很多，

4、但從沼氣利用的角度考慮， 主要為秸稈類和糞 便類。糞便類分解速度相對較快，入池和出料都很方便，單獨(dú)使用產(chǎn)氣效果也 很好，因而許多地方只采用糞便入池發(fā)酵。但隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)村種 植和養(yǎng)殖模式發(fā)生了顯著的變化，家庭養(yǎng)豬數(shù)量不斷減少，沼氣發(fā)酵的糞便量 嚴(yán)重不足，秸稈作為發(fā)酵主要原材料成為必然。但秸稈發(fā)酵速度較慢，需要較 長時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期的沼氣產(chǎn)量，且出渣較為困難。為此，入池前需要進(jìn)行切 短、堆漚等預(yù)處理，或和糞便一起發(fā)酵，并采用批量入池，批量出渣的方法。1.5水壓式沼氣池水壓式沼氣池，是我國推廣最早、數(shù)量最多的池型，“三結(jié)合”即廁所、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

5、發(fā)酵。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)不斷增中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)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 力也隨著相應(yīng)降低。這種利用部分料液來回竄動。引起水壓反復(fù)變化來貯存和 排放沼氣的池型，就是水壓式沼氣池。其主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間

6、、出料 管、水壓間、導(dǎo)氣管幾個(gè)部分。水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)簡圖如下:水壓式沼氣池構(gòu)造簡單，施工方便，各種建筑材料均可使用，取材容易，價(jià)格較低，一般68n3沼氣池造價(jià)6001000元。混凝土結(jié)構(gòu)的沼氣池使用壽命 可達(dá)20年。年產(chǎn)沼氣240m3以上（黃河以北），可供五口之家8個(gè)月做飯和全年 照明。1.6工藝流程沼氣發(fā)酵工藝類型較多，我國農(nóng)村普遍采用的是下述兩種工藝。（1）自然溫度半批量投料發(fā)酵工藝這種工藝的發(fā)酵溫度隨自然溫度變化而變化，采用半批量方式投料，基本中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)流程圖如下加活性污泥宇嘲出料 _k送農(nóng)田XX原料妊鐸 _匣料預(yù)處理 f 配料 占 入池發(fā)酵產(chǎn)氣 一 夫

7、出料圏1自然溫度半批量損料沼 V 發(fā)酷 H 藝涼程這種工藝的發(fā)酵期因季節(jié)和農(nóng)用情況而定，一般為5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， 該工藝的主要缺點(diǎn)是出料操作勞 動量大。（2）自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝這種工藝是在自然溫度下，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， 提高原料利用率和沼氣池負(fù)荷能力，達(dá)到較高的產(chǎn)氣率；工藝自身能耗少，簡 單方便，容易操作。2圓筒形水壓沼氣池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算2.1設(shè)計(jì)參數(shù)(1)氣壓:7480Pa(即80cm水柱)。（2）池容產(chǎn)氣率：池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池容積1晝夜的

8、產(chǎn)氣量，單位為n3沼氣/（m3池容d）。我國通常采用的池容產(chǎn)氣率包括0.15、0.2、0.2和0.3幾種。（3）貯氣量：貯氣量系指氣箱內(nèi)的最大沼氣貯存量。農(nóng)村家用水壓式沼氣 池的最貯氣量以12h產(chǎn)氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)（4） 池容：系指發(fā)酵間的容積。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的池容積有4m3、6m3、8rr3 10m等幾種。（5） 投料率：系指最大投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比，一般在85%-95沱間為宜。（6） 某農(nóng)戶家共6人，畜生（豬）5頭。 （此處根據(jù)我國農(nóng)村一般情況自定 數(shù)值）。2.2設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)發(fā)酵間容積（池積）為8.5立方米；

9、最大投料量小于發(fā)酵間總?cè)莘e的90%池容產(chǎn)氣率：0.2米3沼氣/米3池容天；建池材料：現(xiàn)澆混凝土；池內(nèi)正常工作壓力w 800毫米水柱（壓強(qiáng)P=0.08公斤/厘米2）。2.3工藝流程設(shè)計(jì)此處采用自然連續(xù)投料發(fā)酵工藝，以人、禽畜糞便及蔬菜秸稈為發(fā)酵原料，定時(shí)定量投料和出料，簡單工藝流程圖如下：人畜糞 便（青革尺農(nóng) 業(yè)廢物）進(jìn)料間斗厭氧發(fā)酵 間水壓（出料）間農(nóng)田2.4發(fā)酵料液的計(jì)算2.4.1發(fā)酵料液體積的計(jì)算中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)y -丨n1n2k2n3T-丨6 0.009 7 0.040.70丨303= 7.014 m式中：Vi發(fā)酵料液體積，m3;ni產(chǎn)人糞便總量。按常住人口0

10、.0060.013m3/(人d)取值；n2產(chǎn)牲畜糞便總量。按養(yǎng)豬頭數(shù)0.0060.15m3/(頭d)取值；n3-每日舍外能定量收集糞便總量，m3/d;k2收集系數(shù)，取0.51.0;T原料滯留期(d);蔬菜區(qū)T取30，平壩農(nóng)業(yè)區(qū)取35,丘陵農(nóng)區(qū)取40。2.4.2氣室容積的計(jì)算氣室容積11V2小7.014 0.2 =0.701 m322式中：V1發(fā)酵料液體積，m3;V2氣室容積，mB；K3原料產(chǎn)氣率，我國通常采用的產(chǎn)氣率包括0.15m3/(m3d)、0.2m3/(m3d)、0.2m3/(m3d)、0.3m3/(m3d)、0.35m3/(m3d)。本設(shè)計(jì)取0.35m3/(nd)2.5發(fā)酵間的設(shè)計(jì)2.

11、5.1發(fā)酵間的容積V W -V2K V7.014 -0.7140.95:5.96 m3式中：V發(fā)酵間容積，m3；中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)V1發(fā)酵料液體積，m3;V2氣室容積，n;ki容積保護(hù)系數(shù)，取0.91.05。2.5.2 發(fā)酵間各部分尺寸的確定(1)沼氣池的直徑根據(jù)用戶平面布置確定，考慮充分利用土地資源、平3面布局緊湊的原則，D=1.3048X V5.96=3.19m，確定沼氣池的直徑為2.34m(2)發(fā)酵間池蓋削球體矢高和凈容積。1池蓋削球體矢高：式中：f1池蓋削球體矢高，mD圓柱體形池身直徑，ma1直徑與池頂矢高的比值，取56。2池蓋削球體凈容積Q1f13R2f12

12、314“220.638 3 1.1720.63826= 1.507 m33式中：Q池蓋削球體凈容積，m；f1池蓋削球體矢高，mR池身圓柱體內(nèi)半徑，m(3)發(fā)酵間池底削球體矢高和凈容積中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)1池底削球體矢高f2?。?二晉4m式中：f2池蓋削球體矢高，mD池身圓柱體直徑，ma2直徑與池底矢高的比值，取810。2池底削球體凈容積Q3f23R2f260.40 3 1.1720.4026-0.893 m33式中：Q發(fā)酵間池底削球體凈容積，m；f2池底削球體矢高，m；(4)發(fā)酵間池身圓柱體容積和池墻高度發(fā)酵間池身圓柱體凈容積Q2二V g -Q3=5.8 -1.507

13、-0.893 =3.40 m33式中：Q發(fā)酵間池身圓柱體凈容積，m；3V發(fā)酵間總?cè)莘e，m；3Q1池蓋削球體凈容積，m；3Q3發(fā)酵間池底削球體凈容積，m。發(fā)酵間池身圓柱體高度中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)Q23.402=2= 0.79 mR 3.14 1.17式中：R發(fā)酵間池身圓柱體半徑，mH發(fā)酵間池身圓柱體高度，m(5)發(fā)酵間內(nèi)總表面積池蓋削球體球面內(nèi)表面積S ： R2fi2=3.14 1.1720.6382= 5.58 m22式中：S池蓋削球面內(nèi)表面積，m；R池身圓柱體半徑，mf1-池蓋削球面矢高，m圓柱體池身內(nèi)表面積S2=2RH =2 3.14 1.17 0.79 =5.80

14、 m2式中：2S2池身圓柱體內(nèi)表面積，m；R池身圓柱體內(nèi)半徑，mH池身圓柱體高度，3池底削球體內(nèi)表面積S3=二R2f22=3.14 1.1720.402= 4.80 m2式中：S3池底削球體內(nèi)表面積，m；R池身圓柱體內(nèi)半徑，mf2池底削球體矢高，m10中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)4發(fā)酵間總表面積S =S S2S3=5.58 5.80 4.80 =16.18 m22.5.3發(fā)酵間各部分位置標(biāo)注2.6進(jìn)料口（管）的設(shè)計(jì)進(jìn)料口（管）由上部長方形槽和下部圓管組成，其中上部長方形槽幾何尺寸是長X寬X深=600mrn 320mM 500mn;下部圓管采用260mm澆混凝土管,管與池墻角為4

15、0?QQ3D11中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)2.6.1死氣箱拱的矢高f死=gh23二0.12-0.04 0.25二0.41 m式中：hi池蓋拱頂點(diǎn)到活動蓋下緣平面的距離，該值一般在1015cm之間；h2導(dǎo)氣管下露出長度，取35cmh3導(dǎo)氣管下口到液面距離，一般取2030cm2.6.2死氣箱容積20 41)=3.14汽0.412汽1.6675 + I、3丿-0.95 m3式中：V死,f死，p 1分別為死氣箱容積、死氣箱矢高、池蓋曲率半徑2.6.3投料率根據(jù)死氣箱容積，可計(jì)算出沼氣池投料率V -V死V二85 095100% =88.9%式中：V，V死一一分別為發(fā)酵間容積和死氣箱容積

16、，m2.6.4最大貯氣量12中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)113V貯二池容 池容產(chǎn)氣率8.5 0.251.063 m222.6.5氣箱總?cè)莘eV氣=V死V貯-0.95 1.063 =2.013 m3式中：V氣,V死,V貯分別為沼氣池的氣箱總?cè)莘e、死氣箱總?cè)莘e和有效氣箱容積(最大貯氣量)。2.6.6發(fā)酵間最低液面為(1)氣箱在圓筒形池身部分的容積V筒-V氣-Q =2.013-1.507=0.506 m3(2)圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的高度V筒_0.506一二R2一3.14 1.172最低液面位于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)料 管的安裝位置。2.7水壓間的設(shè)計(jì)2.7

17、.1水壓間零壓線無效水壓間的容積取為0。未產(chǎn)生沼氣時(shí)液面位置在池蓋拱頂下0.4m處，因此水壓間底面標(biāo)高確定在池蓋拱頂下0.4m處的水平線上。2.7.2發(fā)酵間最大料液水位降產(chǎn)生最大貯氣量時(shí)的液面距池頂?shù)母叨葹?h筒=0.638+0.118=0.756m，又未產(chǎn)氣時(shí)液面距池頂0.4m,所以，發(fā)酵間最大料液水位降為0.756-0.4=0.356m 2.7.3水壓間高度13= 0.118 m中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為7480Pa（即80cm水柱）,因此水壓間的高度H水壓間=0.8 -0.356 = 0.444 m2.7.4水壓間圓柱體底面積2.7.5水壓間底面半徑2.8

18、導(dǎo)氣管的安裝當(dāng)砌筑池拱蓋要封口時(shí)，在拱頂正中央安放直徑為910m m的銅導(dǎo)氣管,入深度池內(nèi)， 密封層完工后露出10mm為宜， 拱頂中央用四條直徑6.5mm 500700mm長鐵筋擺放成#字型，抹灰要加固加厚，以防沼氣池運(yùn)行時(shí)壓力過大漲壞 氣箱。在導(dǎo)氣管周圍，砌一個(gè)深200300mm邊長180200mm的方形圍護(hù)墻， 在輸氣管引出方向預(yù)留出缺口。地面以下可砌暗溝或放一個(gè)內(nèi)徑為2050mm鐵管或塑料護(hù)管，以便引出輸氣管。導(dǎo)氣管上面蓋上活動蓋板，防止輸氣管損壞。 活動蓋板規(guī)格240mrK 240mm厚度為5060mm可用2塊紅磚代替，具體如圖 所示。S水壓間=H 7水壓間0.444r =S水壓間.3

19、.1414中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)3圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設(shè)計(jì)3.1材料參考用量根據(jù)GB/T4752-2002中4朋10帛現(xiàn)澆混凝土圓筒形沼氣池材料參考用量表,如下：容積混凝土碎石m3m體積m水泥kg中沙m41.2573500.6220.95961.6354550.8091.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容積池體抹灰水泥素漿3m體積m水泥kg中沙m水泥kg40.2771130.29660.3471420.324780.4001630.3749100.5082080.4751115中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程

20、課程設(shè)計(jì)容積3m合計(jì)材料用量水泥kg中沙m碎石m44690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710本設(shè)計(jì)為池容8.5m3，產(chǎn)氣率為0.2m3/( rn d)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)圓筒形水壓式沼氣池，參照標(biāo)準(zhǔn)，取材料用量為水泥604，中砂1.133m3,碎石1.250m3一般情況建一個(gè)6m3的沼氣池需要紅磚540塊，若建6n1沼氣池，則水泥、磚、砂比8nm沼氣池用量要減少10%考慮到進(jìn)出料間用料則本設(shè)計(jì)需紅磚540塊，由于進(jìn)出料管為現(xiàn)澆混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分別增加為33610kg,1.2m，1.3m，鋼筋2.0m。3.2沼

21、氣池施工(1)考察地形，選定施工位置。(2)制定施工方案，繪制結(jié)構(gòu)和施工圖(3)施工準(zhǔn)備。(4)池坑開挖。(5)支模。(6)模板及支架檢驗(yàn)。(7)澆筑混凝土。(8)混凝土養(yǎng)護(hù)。16中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)(9)池底施工。(10)進(jìn)出料管施工。(11)拆模。(12)回填土。(13)密封層施工。(14)質(zhì)量總體檢查驗(yàn)收。3.3成本核算查得325號水泥價(jià)格為320元/噸，中沙60元/立方米，碎石40元/立方米， 紅磚0.43元/塊，鋼筋(直徑14mm每米28元，則所需材料費(fèi)用為S=0.61 320 1.2 601.3 400.43 5402 28 =607.4 元考慮到工人工資，

22、材料運(yùn)費(fèi)及損耗等，應(yīng)乘以一個(gè)2.2的系數(shù)，得到總費(fèi)用S =607.4 2.2 =1336.28 元4沼氣發(fā)酵及管理的具體工藝4.1發(fā)酵原料預(yù)處理1、 人畜糞便原料不必進(jìn)行預(yù)處理，農(nóng)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15C左右時(shí)堆漚4-5天，氣溫在20E以上進(jìn)堆漚2-3天。(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17中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院固體廢物處理工程課程設(shè)計(jì)參照池外堆漚。4

23、.2接種物(1)沼氣發(fā)酵啟動時(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)酵啟動時(shí)，料液中要添加10%-30%的接種物。(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%。4.3沼氣發(fā)酵的啟動(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)。啟動時(shí) 的料液干物質(zhì)含水量控制在6%-12%。(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%-90%為宜。然后將蓋密封。(3)放氣試火：沼氣發(fā)酵啟動初期，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