1 沼气池设计简介
1.1沼气的基本知识
1.1.1沼气及其产生过程
沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃性气体。由于这种气体最终是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫他沼气。沼气含多种气体，主要成分是甲烷（CH4）.沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵，根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫分解菌，他的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳（CO2）等。他们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的；叫脂肪分解菌；第二类细菌叫甲烷细菌，通常叫甲烷菌，他的作用是将简单的有机物及二氧化碳还原成甲烷。因此，有机物变成沼气的过程，就好比工厂里生产一种产品的两道程序：首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品——结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物加工成产品——即生成甲烷。
1.1.2沼气的成分
沼气是一种混合气体，他的主要成分是甲烷，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、一氧化碳和重烃等气体；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%。
1.1.3沼气的理化性质
沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，他的主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，是一个碳原子与四个
氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的比重是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很少，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。
甲烷是简单的有机化合物，是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰，最高温度可达1400℃左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米发热量约23.4千焦，相当于0.55千克或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。
1.2沼气池的设计原则
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，池容6~12m3，池深2m左右，圆形沼气池具有以下有点：第一，根据几何学原理，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，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，进料口家箅子、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。进料口加箅子是防止猪陷入沼气池进料管中。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。
1.3沼气池的结构与工作原理
水压式沼气池的结构和工作原理见图2-1，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。
(()
()
O-O
（a ）1．加料管 2.发酵间（贮气部分） 3.池内液面O —O 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1-2水压式沼气池工作原理示意图
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O —O 水平，发酵间内尚存的空间（V 0）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（V 贮） 时，发酵间的液面下降到可下降的最低位置A —A 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：
21H H H +=? 1-1 式中：H 1—发酵间液面最大下降值；
H 2—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几个优点：
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。
水压式沼气池型也存在一些缺点，主要是：
1）由于气压反复变化，而且一般在4~16千帕压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。
2）由于没有搅拌装置，池体浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率偏低
3）由于活动盖直径不能加大，对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说，大出料工作比较困难。因此，出料的时候最好采用出料机械。
1.4沼气池的设计参数
设计水压式沼气池时，需掌握的主要参数如下：
1）气压：8000±1000Pa ，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8200Pa 。
2）池容产气率：池容产气率是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）。本次课程设计所取的产气率为0.22。
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。此次课程设计确定的池容是12m3。
5）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85~95%之间为宜。
表1-1 设计参数
2沼气池的具体设计
2.1工艺流程
人畜粪便（青草及农业废物）→进料见→厌氧发酵间→水压（出料）间→农电。
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20℃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37℃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53℃左右，此时是甲烷菌的第二个最佳活性区。以高温发酵产气率最高，但料浆和发酵设备要求加热保温，给管理带来一些复杂问题。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。
2.2形状及平面布局
发酵间的形状一圆形为主，受占地面积限制或地下水位较高时，可将发酵间
设计成椭球形或单跨拱长方形。
平面布局应符合下列要求：
a ）充分利用土地资源，平面布局紧凑；
b ）厕所与畜圈分设；
c ）进、出料方便；
d ）导气管和输气管不被损害；
e ）进、出料中线夹角应大于90℃，进料间蹲位板面应高于发酵间平面。
2.3发酵间的设计
水压式沼气池发酵间的设计可按下列步骤进行：
1）确定池容
预计池容产气率
家庭人口数用气水平池容?=
2）确定贮气量
21??=池容池容产气率贮气量 3）计算圆筒形发酵间容积：圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成。三个部分的容积计算公式如下：
图2-1圆筒形沼气池池体尺寸