新农村建设中沼气池的设计和建造.docx

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新农村建设中沼气池的设计和建造

新农村建设中沼气池的设计和建造

邢台技师学院化工技术系杨立锋

中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价。

沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭。

同时农村沼气池能把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明。

发展沼气池，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义.

一、沼气的基本知识

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，产生的一种可燃气体。

由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫它沼气。

沼气含有多种气体，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:

第一类细菌叫做分解菌，它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。

它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；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。

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工序：

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。

1.2沼气的成分

沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、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%。

1.3沼气的理化性质

沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它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。

甲烷对空气的重量比是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。

沼气每立方米的发热量约23.4千焦，相当于0.55千克柴油或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。

二、沼气池的类型

随着我国沼气科学技术的发展和农村家用沼气的推广，根据当地使用要求和气温、地质等条件，家用沼气池有固定拱盖的水压式池、变型的水压式沼气池。

2.1固定拱盖水压式沼气池

固定拱盖水压式沼气池有圆筒形（见图2.1）、球形（见图2.1．2）和椭球形（见图2.1．3）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，这个水位差就叫做“水压”（也就是U形管沼气压力表显示的数值）。

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，导致沼气压力也随之相应降低。

这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就称之为水压式沼气池。

图2.1．A8立方米圆筒形水压式沼气池型（单位：

毫米）

图2.1．B球形水压式沼气池构造简图

图2.1．C椭球形水压式沼气构造简图（单位：

毫米）

水压式沼气池，是我国推广最早、数量最多的池型，是在总结“三结合”、“圆、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。

2.2变型的水压式沼气池

图2.2．1中心吊管式沼气池

中心吊管式沼气池（见图2.2．A）将活动盖改为钢丝网水泥进、出料吊管，使其有一管三用的功能（代替进料管、出料管和活动盖），简化了结构，降低了建池成本，又因料液使沼气池拱盖经常处于潮湿状态，有利于其气密性能的提高。

而且出料方便，便于人工搅拌。

但是新鲜的原料常和发酵后的旧料液混在一起，原料的利用率有所下降。

图2.2．B曲流布料水压式沼气池剖面图（单位：

毫米）

曲流布料水压式沼气池（见图2.2．B）它的发酵原料不用秸秆，全部采用人、畜、禽粪便，原料的含水量在95%左右（不能过高）。

三、沼气池的设计

3.1沼气池的设计原理

建造“模式”中的沼气池，首先要做好设计工作。

总结多年来科学实验和生产实践的经验，设计与模式配套的沼气池必须坚持下列原则：

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，使人畜粪便不断进入沼气池内，保证正常产气、持续产气，并有利于粪便管理，改善环境卫生，沼液可方便地运送到日光温室蔬菜地里作肥料使用。

坚持“圆、小、浅”的原则“圆、小、浅”是指池型以圆柱形为主，池容6～12立方米，池深2米左右，圆形沼气池具有以下优点：

第一，根据几何学原理，相同容积的沼气池，圆形比方形或长方形的表面积小，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，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。

无论南方、北方，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，是指主池容积不宜过大。

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。

坚持直管进料，进料口加箅子、出料口加盖的原则直管进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。

3.2沼气池的设计依据

设计与“模式”配套的沼气池，制定建池施工方案，必须考虑下列因素：

选择池基应考虑土质建造沼气池，选择地基很重要，这是关系到建池质量和池子寿命的问题，必须认真对待。

由于沼气池是埋在地下的建筑物，因此，与土质的好坏关系很大。

土质不同，其密度不同，坚实度也不一样，容许的承载力就有差异。

而且同一个地方，土层也不尽相同。

如果土层松软或沙性土或地下水位较高的烂泥土，池基承载力不大，在此处建池，承受不了，必然引起池体沉降或不均匀沉降，造成池体破裂，漏水漏气。

一般自然土层，每平方米容许承载力都超过10吨以上，在这样的自然土层上建造沼气池，是没有什么问题的。

因此，池基应该选择在土质坚实、地下水位较低，土层底部没有地道、地窖、渗井、泉眼、虚土等隐患之处；而且池子与树木、竹林或池塘要有一定距离，以免树根、竹根扎入池内或池塘涨水时影响池体，造成池子漏水漏气；北方干旱地区还应考虑池子离水源和用户都要近些，若池子离用户较远，不但管理（如加水、加料等）不方便，输送沼气的管道也要很长，这样会影响沼气的压力，燃烧效果不好。

此外，还要尽可能选择背风向阳处建池。

设计池子应考虑荷载确定荷载是沼气池设计中一项很重要的环节。

所谓荷载，是指单位面积上所承受的重量。

如果荷载确定过大，设计的沼气池结构截面必然过大，结果用料过多，造成浪费；如果荷载确定过小，设计的强度不足，就容易造成池体破裂。

荷载的计算标准一般为：

池身自重（按混凝土量计算）每立方米为2.5吨左右，拱顶覆土每立方米为2吨左右，池内发酵原料每立方米容积为1.2吨左右，沼气池产气后池内每平方米受压为1吨左右。

此外，经常出现在池顶的人、畜等压力以最大量考虑为1吨左右。

所以，地基和承载力至少不能小于每平方米8吨。

设计池子应考虑拱盖的矢跨比和池墙的质量建造沼气池，一般都用脆性材料，受压性能较好，抗拉性能较差。

根据削球形拱盖的内力计算，当池盖矢跨比在1∶5.35时，是池盖的环向内力变成拉力的分界线；大于这个分界线，若不配以钢筋，池盖则可能破裂，因此，在设计削球形池拱盖时矢跨比（即矢高与直径之比。

矢高指拱脚至拱顶的垂直距离）一般在1∶4～1∶6之间；在设计反削球形池底时矢跨比为1∶8左右（具体的比例还应根据池子大小、拱盖跨度及施工条件等决定）。

注意在砌拱盖前要砌好拱盖的蹬脚，蹬脚要牢固，使之能承受拱盖自重、覆土和其他荷载（如畜圈、厕所等）的水平推力（一般说来，一个直径为5米，矢跨比为1∶5，厚度为10厘米的混凝土拱盖，其边缘最大拉力约为10吨），以免出现裂缝和下塌的危险；其次，池墙质量必须牢固。

池墙基础（环形基础）的宽度不得小于40厘米（这是工程构造上的最小尺寸），基础厚度不得小于25厘米。

一般基础宽度与厚度之比，应在1:

（1.5～2）范围内为好。

3.3沼气池容积的计算

建造沼气池，事先要进行池子容积的计算，就是说计划建多大的池子为好。

计算容积的大小原则上应根据用途和用量来确定。

池子太小，产气就少，不能保证生产、生活的需要；池子太大，往往由于发酵原料不足或管理跟不上去等原因，造成产气率不高。

目前，我国农村沼气池产气率普遍不够稳定，夏天一昼夜每立方米池容约可产气0.15立方米，冬季约可产气0.1立方米左右，一般农村五口人的家庭，每天煮饭、烧水约需用气1.5立方米（每人每天生活所需的实际耗气量约为0.2立方米，最多不超过0.3立方米）。

同时应考虑生产用肥。

因此，农村建池，每人平均按1.5～2立方米的有效容积计算较为适宜（有效容积一般指发酵间和贮气箱的总容积）。

根据这个标准建池，人口多的家庭，平均有效容积少一点，人口少的家庭，平均有效容积多一点；北方地区一般气温较低，可多一点，南方地区一般气温较高，可少一点。

如一个五口人的家庭，建造一个8～10立方米的沼气池，管理得好，所产沼气基本上能满足一家人一年四季煮饭、烧水或点灯的需要，在北方即使在冬季气温较低，产气量有所减少的情况下，仍可供煮两餐饭或烧开水用。

所以一般家庭养猪存栏6～10头，日光温室面积在100～150平方米，可建6、8、10立方米的沼气池为宜。

对于建在野外的四位一体生态型大棚模式，一般“模式”面积为667平方米（1亩）左右，这时，养猪头数可增加，沼气池容积大一些为好，但这不是绝对的，因为若沼气池容积满足不了炊事用能及蔬菜生产用肥的需要，可由外界补充能源及肥料，从而使“模式”正常运行。

四、沼气池的建造

4.1备料

建一个8立方米的沼气池需要水泥1吨、砂子2立方米、碎石（规格1～3厘米）0.6立方米、红砖600块、陶瓷管（直径20～30厘米）1～2根、钢筋（直径14毫米）1.2米。

如果建10立方米沼气池，其水泥、砖、砂再增加10%，若建6立方米沼气池，则水泥、砖、砂比8立方米沼气池用量要减少10%。

4.2放线

放线挖坑是保证建池质量的第一关，必须按规定尺寸施工。

图4.2是三种“模式”总体放线布置图，供放线时参考。

以图4.2中A图为例说明放线要点：

①划出总体平面。

②划出温室、猪舍面积，猪舍在东侧或西侧。

③划出“模式”宽度中心线。

④以O为起点，在猪舍内侧找出池的中心点O，以O为圆心，以池的半径加6厘米为半径划圆，确定池的位置。

⑤确定进料口、出料口位置。

要在“模式”宽度中心线上确定为进料口中心点和位于日光温室内的出料口中心点，用白灰做好标记。

1.厕所2.进料口3.沼气池4.出料口5.日光温室

6.模式宽度中心线7.猪舍8.内山墙

1.厕所2.进料口3.沼气池4.出料口5.日光温室

6.猪舍7.模式宽度中心线8.内山墙

1.厕所2.进料口3.沼气池4.出料口5.日光温室

6.猪舍东西宽度中心线7.猪舍

图4.2不同“模式”总体放线布置图

4.3池坑开挖

在“模式”内建沼气池均采用地下埋式，沼气池土方工程采用大开挖的施工工艺。

首先，应确定好正负零的高度。

池坑深度按设计图确定，即沼气池的池顶与出料口保持在一个水平面上，并高出猪舍地面10厘米。

进料口超高地面2厘米，如果挖得过深使沼气池低于地平面，影响配套使用，挖得过浅使沼气池突出地面，给养猪和日光温室施肥造成困难。

具体尺寸如表4.3所示。

表4.36～10立方米沼气池结构规格标准

容积/立方米

内直径/米

池墙高/米

池顶矢高/米

池顶曲率半径/米

水压间

深/米

直径/米

6

8

10

2.40

2.70

3.00

1.00

1.00

1.00

0.48

0.54

0.60

1.74

1.96

2.18

2.10

2.18

2.28

0.90

1.00

1.10

为了便于安放建池模具或利用砖模浇筑池体，减少材料损耗，池坑要规圆上下垂直。

对于土质良好的地区坑壁可挖直，取土时由中间向四周开挖，开挖至坑壁时留有一定余地，然后按定位桩找出中心点，并钉一固定的木桩，用一条绳的一端固定在中心点的木桩上，绳的另一端拴上一把小把锄，使锄刀到中心点的长度等于池的半径加上墙厚度6厘米划圆，刮掉阻碍通道的砂土，边挖边修整池坑，直到设计深度为止。

池坑挖好后马上将池底修成锅底形状；由锅底中心至水压间底部挖一条U形浅槽,下返坡度5%。

对于土质松散的地方，地面80厘米应放坡取土，坡度大小要看土质松散程度而定，以坑壁不坍塌为原则，同时挖好进、出料口坑。

如有地下水出现，池底要挖集水坑，以便排水。

建池时遇到地下水，可采用“避、引、堵”的办法来解决。

“避”就是避开地下水，尽量不在多雨季节施工，选择地下水位较低、地势较高的地方建池，水网地区可建圆球形池或提高池身，建成半地下池。

“引”就是引开地下水，施工前挖排水沟，尽量将水引走。

池墙渗水，可将竹管插入渗水处或在池壁上凿星（“Y”）形小沟，使水集中从沟内流至池底。

对于池底渗水，可采用十字沟或环形沟集水，并在池底中央挖一较深小井，使水流入井内汲走，待工程告一段落无渗水排出时再填此井。

“堵”就是堵住地下水，对池内个别小泉眼，可用砖头、小石块塞紧。

若大面积渗水，可采用水玻璃药液防渗剂掺入水泥进行粉刷，快速凝固，堵塞有效。

同时，在土质差、地下水位高处建池，池底下面还必须设置沙卵石垫层，其垫层的施工可先铺砌卵石，再用水沉法使沙子挤满卵石空隙，起到确保建池质量的作用。

如建池场地确无地下水，池底以下可不加垫层及排水措施。

4.4利用混凝土浇筑6、8、10立方米沼气池的现场施工

四位一体生态型大棚模式中的沼气池，一般采用组合式建池。

所谓组合式建池就是池底、池墙、水压间下部采用混凝土整体现浇，池拱盖及水压间上部采用砖砌。

在现浇拌制混凝土时，必须控制水灰比≤0.65，砂子中泥土含量≤3%，云母含量≤0.5%，碎石中最大粒径≤3厘米，泥土含量≤2%。

混凝土浇筑工序必须连续进行，间断时间不得超过1小时，浇筑时必须振捣密实，防止出现蜂窝麻面现象。

施工顺序如下：

4.4.1砌筑出料口通道。

出料口通道如图4.4．1所示。

出料口通道用红砖及砂灰砌筑，水泥:

砂子＝1∶2.5。

为了便于施工及出料，其通道口宽50厘米，高70厘米，顶部起拱，但上口距池上拱角不得小于35厘米，防止产气多时水面下返而跑气。

4.4.2池墙及水压间下部的浇筑。

池墙及水压间下部的浇筑可采用钢模、木模及砖模，一般上述模具为内模，而以池壁为外模。

由于钢模造价高，很少采用，而木模和砖模用的较多。

若一个村里建多个沼气池，采用木模较方便，若只建一个，则采用砖模为宜。

采用砖模的一般砌法是：

先把砖用水浸湿，防止拆模困难。

每块砖横向砌筑，每层砖砖缝错开，不用带泥口或灰口，做到砌一层砖用混凝土浇筑一层，振捣密实后再砌第二层。

混凝土配合重量比为水泥∶砂子∶碎石＝1∶3∶3，池墙高1米，厚0.05米。

图4.4.1出料口通道（单位：

毫米）

4.4.3池拱盖的施工。

目前，“模式”中的沼气池拱盖用砖砌，“模式”中的沼气池一般采用直管进料，在砌筑池拱盖前要安装好进料管，一般利用直径200毫米、长600毫米左右的陶瓷管，管内穿绳拴挂在地面的木桩上，进料管喇叭口朝上，上下垂直，紧贴池壁固定好。

插入池内深度拱角250～300毫米为宜。

砌筑拱盖可用铁钩或挂绳法固定砖，先由进料管处开始砌，进料管周围要用水泥加固。

砌筑拱盖的砖，要选择质量好的，先用水浸湿，保持外湿内干，用1∶2水泥砂灰

图4.4.3.A池拱盖施工图

砌筑，砂灰和易性要好，灰口饱满，砖与砖要顶紧，每砌筑一圈，要用小石片嵌牢，边砌筑边注意拱盖弧度，每砌筑3～5圈，拱盖外壁用1∶3水泥砂灰抹严抹实，拱角处第1圈砖上层抹灰时，厚度要达到30～50毫米，用以代替圈梁。

随砌随抹灰，随即由外向内均匀地回填土。

回填土前，进料管上部也要砌几层砖，防止回填土由进料管进入池内，进料口宽以240毫米为宜，长度因户而异。

注意第一次回填土约60%即可，防止塌方，其余土量在次日池内密封前回填一部分，整体池完工10天后可全部回填完。

池拱盖施工图如图4.4.3.A所示。

在砌筑池拱盖的同时，应把水压间的上部砌好。

水压间上半部用1/4砖立砌，1∶3水泥砂灰浇筑。

当砌筑池拱盖要封口时，在拱顶正中央安放直径为9～10毫米的铜导气管，插入深度以池内密封层完工后露出10毫米左右为宜，拱顶中央用4条500～700毫米长铁筋摆放成＃字型，抹灰要加厚加固，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200～300毫米，边长180～200毫米的方型围护墙，在输气管引出方向预留出缺口。

猪舍地面以下可砌暗沟或放一个内径为20～50毫米铁管或塑料护管，以便引出输气管。

导气管上面盖上活动盖板，防止输气管被猪啃坏。

活动盖板规格240毫米×240毫米，厚度为50～60毫米，可用2块红砖代替，如图4.4.3.B所示。

图4.4.3.B导气管安装位置示意图

4.4.4池底施工。

池底先铺一层碎石，用1∶4的水泥砂浆将碎石缝隙灌满，然后再用水泥、砂子、碎石以1∶3∶3的混凝土浇筑池底，厚度要达到8～12厘米。

4.4.5沼气池池体内部密封。

由砖和混凝土组合建造的沼气池只靠结构层还不能满足防渗漏求，必须对池体进行密封处理才能不漏气、不漏水。

沼气池密封层采用7层做法和3层做法两种，贮气室及池内进料管部分采用7层做法；池底、池墙、水压间、出料口通道等采用3层做法。

其7层做法第1层用450＃水泥砂灰刷浆，灰∶水＝0.3∶1；第2层抹水泥∶砂子＝1∶2.5的水泥砂灰，厚度为0.8～1厘米；第3层抹0.1厘米厚素灰；第4层抹水泥∶砂子＝1∶2的水泥砂灰，厚度为0.4厘米；第5层抹0.1厘米厚的素灰；第6层用1∶1的细砂灰抹0.3～0.4厘米；第7层刷素灰浆3遍。

而3层做法是第1层与7层做法中的第2层一起做；第2层与7层做法中的第6层一起做；第3层与7层做法中的第7层一起做。

4.4.6养护。

用混凝土浇筑的每个部位，都要进行养护，要求在平均气温大于5℃条件下自然养护，外露混凝土应加盖草帘浇水养护，养护时间为7～10天。

春、秋要注意早晚防冻。

为达到养护目的，在沼气池密封处理以后要把出料口、进料口、池顶口用薄膜盖严。

自然养护期达到后经检查试压就可以投料使用。

建池完工24小时后如果下雨应及时向池内加水，加水量应是池内装料容积的一半，以防地下水位上涨鼓坏池体。

4.4.7检查验收。

新建沼气池和大换料后保养维护的旧池，必须经过检查验收合格，方可投料使用。

其检验方法分为两种：

直接检查法必须全池强度养护达到70%以上才能进行，用手指或小木棒叩击无翘壳空响。

全池内壁无渗水痕迹，无裂缝、砂眼、孔隙等肉眼可见的缺陷；池外输气管线、开关等配套设施安装齐全牢固。

试压检查法在直接检查完好的基础上，推荐采用气压检验为主，水压法检验为辅，亦可混合使用。

一般作法是装水至进、出料管上端20厘米高度，观测12小时，水位降低无明显变化，视为不漏水；再用打气筒（机）充气（或灌水增压），使压力表达到设计压力的50%，观察24小时，若压力不降低，继续打气至设计压力，再观测24小时，压力降低值在设计压力的3%以内，视为不漏气。

亦可采用空池封闭进出料口、直接充气试压的方法，要求同上。

试压中最好将输气管路全部接通，分别检查有否渗漏现象。

检查中如有漏水、漏气者，须查明部位、原因。

经修补使强度达到要求后，再经复验合格，方可投料使用。

但使用前，必须将多余的水抽去。

未经复验合格者，不得勉强使用。

结论

通过对沼气池的设计，通过对不同沼气池类型的分析，沼气池的建造要根据当地使用要求和气温、地质条件、设计图纸的确定、施工技术等等方面的综合考虑，经过方案的对比分析，选择了最佳方案，是对所学知识的灵活运用的最好体现，锻炼了独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，最后取得了理想的效果。