沼气池的构造原理（附沼气设计图）

沼气池的建造技术----广东宾士动力销售部：谭莉13825747896（转载）

2.1  沼气的基本知识

2.1.1  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***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***(CH₄)。沼气***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***的作用，沼气***可以分为两大类。***类***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***叫含******，通常叫***菌，它的作用是把 简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成***。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***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******的作用下，将简单的化合物加工成产品—— 即生成***。

2.1.2  沼气的成分

沼气是一种混合气体，它的主要成分是***，其次有二氧化碳、***(H₂S)、氮 及其他 一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括***、***、***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***含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、***平均含量为0.034%。

2.1.3  沼气的理化性质

沼气是一种无色、有味、***、有臭的气体，它的主要成分***在常温下是一种无色、无味、无臭 、***的气体。***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。***对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。***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***。

***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，***高温度可达1?400? ℃左右。纯***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。

2.2  家用沼气池的类型

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、大揭盖水压式池、吊管式水压式池、曲流布料水 压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池。形式虽然多种多样， 但是归总起来大体由水压式沼气池、浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型 变化形成的。与四位一体生态型大棚模式配套的沼气池一般为水压式沼气池，它又有几种不 同形式。 

2.2.1  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2.2)和椭球形(见图2.3) 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***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  8米³圆筒形水压式沼气池型(单位：毫米)

图2.2  球形水压式沼气池构造简图

图2.3  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***早、数量***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。 

水压式沼气池型有以下几个优点：

  (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(即40～160厘米水柱)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，池内浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不 高，池容产气率(即每立方米池容积一昼夜的产气量)偏低，一般产气率每天仅为0.15米³/米³ 左右。

(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***好采用出料机械。 

2.2.2  变型的水压式沼气池图2.4  中心吊管式沼气池

(1)中心吊管式沼气池(见图2.4)  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2.5  曲流布料水压式沼气池剖面图(单位：毫米)

 (2)曲流布料水压式沼气池(见图2.5)  该池型是由昆明市农村能源环保办公室于1984年设计成功的一种新池型。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)。该池型有如下特点：

(1)在进料口咽喉部位设滤料盘。

(2)原料进入池内由布料器进行半控或全控式布料，形成多路曲流，增加新料扩散面，充分发挥池容负载能力，提高了池容产气率。

(3)池底由进料口向出料口倾斜。

(4)扩大池墙出口，并在内部设隔板，塞流固菌。

(5)池拱***、天窗盖下部吊笼，输送沼气入气箱。同时，利用内部气压、气***生 搅拌作用，缓解上部料液结壳。

(6)把池底***低点放在水压间底部。在倾斜池底作用下，发酵液可形成一定的流动推力，实现进出料自流，可以不打开天窗盖把全部料液由水压间取出。

2.2.3  其他各种变型的水压式沼气池

除了上述两种变型的水压式沼气池外，各地还根据各自的具体使用情况，设计了多种其他变型的水压式沼气池型。如：为了减少占地面积、节省建池造价、防止进出 料液相混合、增加 池拱顶气密封性能的***顶返水水压式沼气池(见图2.6)；为了便于出料的大揭盖水压式沼 气池(见图2.7)和便于底层出料的圆筒形水压式沼气池(见图2.8)；为了多利用秸草类发酵 原料而采用的弧形隔板、干湿发酵水压式沼气池(见图2.9)。

图2.6  ***顶返水水压式沼气池简图

1.进料管  2.发酵池  3.出料联通管4.活动盖  5.导气管  6.水压间

图2.7  大揭盖水压式沼气池简图

1.大直径活动盖  2.蓄水池盖板  3.导气管

图2.8  圆筒形水压式沼气池简图(单位：毫米)

图2.9  干、湿发酵水压式沼气池简图

1.湿发酵区  2.干发酵区

2.2.4  无活动盖底层出料水压式沼气池

无活动盖底层出料水压式沼气池是一种变型的水压式沼气池。该池型将水压式沼气池活动盖取消，把沼气池拱盖封死，只留导气管，并且加大水压间容积，这样可避免因沼气池活动盖 密封不严带来的问题，在我国北方农村，与“模式”配套新建的沼气池提倡采用这种池型。 本书将介绍该种沼气池的建造技术。无活动盖底层出料水压式沼气池的构造如图2.10所示 。沼气池为圆柱形，斜坡池底。它由发酵间、贮气间、进料口、出料口、水压间、导气管等 组成。

图2.10  底层出料水压式沼气池构造

1.发酵间  2.贮气间  3.进料口4.出料口、水压间  5.导气管  6 .出料口通道

(1)进料口与进料管  进料口与进料管分别设在猪舍地面和地下。厕所、猪舍及收集的人畜粪便，由进料口通过进料管注入沼气池发酵间。

(2)出料口与水压间  出料口与水压间设在与池体相连的日光温室内。其目的是便于蔬菜生产施用沼气肥，同时出料口随时放出二氧化碳进入日光温室内促进蔬菜生长。水压间的下端 通过出料通道与发酵间相通。出料口要设置盖板，以防人、畜误入池内。

(3)池底  池底呈锅底形状，在池底中心至水压间底部之间，建一U型槽，下返坡度5%，便于底层出料。  (4)工作原理  ①未产气时，进料管、发酵间、水压间的料液在同一水平面上。②产气时， 经微生物发酵分解而产生的沼气上升到贮气间，由于贮气间密封不漏气，沼气不断积聚，便 产生压力。当沼气压力超过大气压力时，便把沼气池内的料液压出，进料管和水压间内水位 上升，发酵间水压下降，产生了水位差，由于水压气而使贮气间内的沼气保持一定的压力。 ③用气时，沼气从导气管输出，水压间的水流回发酵间，即水压间水位下降，发酵间水位上 升。依靠水压间水位的自动升降，使贮气间的沼气压力能自动调节，保持燃烧设备火力的稳定。④产气太少时，如果发酵间产生的沼气跟不上用气需要，则发酵间水位将逐渐与水压 间水位相平，***后压差消失，沼气停止输出。

2.3  沼气池的设计

2.3.1  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：

(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，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。

(2)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：***，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。

(3)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。

2.3.2  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：

(1)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***，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。

(2)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***。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***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。

(3)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***，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***大拉力约为10吨)，以免出现裂缝和下 塌的***；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***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。

2.3.3  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，***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米²，可建6、8、10米³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***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。

2.4  沼气池的施工技术

2.4.1  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%。

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