| 最新沼氣池的建造技術 | ||
2.1 沼氣的基本知識 沼氣是有機物質在厭氧環境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下，通過微生物發酵作 用，產生的一種可燃氣體。由于這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中發現的，所以人們叫它沼氣。沼氣含有多種氣體，主要成分是甲烷(CH4)。沼氣細菌分解有機物，產生沼氣的 過程，叫沼氣發酵。根據沼氣發酵過程中各類細菌的作用，沼氣細菌可以分為兩大類。第一類細菌叫做分解菌，它的作用是將復雜的有機物分解成簡單的有機物和二氧化碳(CO2)等 。它們當中有專門分解纖維素的，叫纖維分解菌；有專門分解蛋白質的，叫蛋白分解菌；有 專門分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二類細菌叫含甲烷細菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把簡單的有機物及二氧化碳氧化或還原成甲烷。因此，有機物變成沼氣的過程，就好比工廠 里生產一種產品的兩道工序：首先是分解細菌將糞便、秸稈、雜草等復雜的有機物加工成半成品——結構簡單的化合物；再就是在甲烷細菌的作用下，將簡單的化合物加工成產品—— 即生成甲烷。 沼氣是一種混合氣體，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氫(H2S)、氮 及其他 一些成分。沼氣的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等氣體；不可燃成 分 包括二氧化碳、氮和氨等氣體。在沼氣成分中甲烷含量為55%～70%、二氧化碳含量為28%～44%、硫化氫平均含量為0.034%。 沼氣是一種無色、有味、有毒、有臭的氣體，它的主要成分甲烷在常溫下是一種無色、無味 、無臭 、無毒的氣體。甲烷分子式是CH4，是一個碳原子與四個氫原子所結合的簡單碳氫化合物 。甲烷對空氣的重量比是0.54，比空氣約輕一半。甲烷溶解度很少，在 甲烷是簡單的有機化合物，是優質的氣體燃料。燃燒時呈藍色火焰，最高溫度可達1?400? ℃左右。純甲烷每立方米發熱量為36.8千焦。沼氣每立方米的發熱量約23.4千焦，相當于 2.2 家用沼氣池的類型 隨著我國沼氣科學技術的發展和農村家用沼氣的推廣，根據當地使用要求和氣溫、地質等 條件，家用沼氣池有固定拱蓋的水壓式池、大揭蓋水壓式池、吊管式水壓式池、曲流布料水壓式 池、頂返水水壓式池、分離浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池。形式雖然多種多樣， 但是歸總起來大體由水壓式沼氣池、浮罩式沼氣池、半塑式沼氣池和罐式沼氣池四種基本類型變化形成的。與四位一體生態型大棚模式配套的沼氣池一般為水壓式沼氣池，它又有幾種不 同形式。 固定拱蓋水壓式沼氣池有圓筒形(見圖2.1)、球形(見圖2.2)和橢球形(見圖2.3) 三種池型。這種 池型的池體上部氣室完全封閉，隨著沼氣的不斷產生，沼氣壓力相應提高。這個不斷增高的氣壓，迫使沼氣池內的一部分料液進到與池體相通的水壓間內，使得水壓間內的液面升高。 這樣一來，水壓間的液面跟沼氣池體內的液面就產生了一個水位差，這個水位差就叫做“水 壓”(也就是U形管沼氣壓力表顯示的數值)。用氣時，沼氣開關打開，沼氣在水壓下排出 ；當沼氣減少時，水壓間的料液又返回池體內，使得水位差不斷下降，導致沼氣壓力也隨之相應降低。這種利用部分料液來回串動，引起水壓反復變化來貯存和排放沼氣的池型，就稱 之為水壓式沼氣池。 圖2.1 圖2.2 球形水壓式沼氣池構造簡圖 圖2.3 橢球形水壓式沼氣構造簡圖(單位：毫米) 水壓式沼氣池，是我國推廣最早、數量最多的池型，是在總結“三結合”、“圓、小、 淺”、“活動蓋”、“直管進料”、“中層出料”等群眾建池的基礎上，加以綜合提高而形成的 。“三結合”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行發酵。“圓、小、淺”就是池體圓、體積小、埋深淺。“活動蓋”就是沼氣池頂加活動蓋板。 水壓式沼氣池型有以下幾個優點： (1)池體結構受力性能良好，而且充分利用土壤的承載能力，所以省工省料，成本比較低。 (2)適于裝填多種發酵原料，特別是大量的作物秸稈，對農村積肥十分有利。 (3)為便于經常進料，廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時都能打掃進池。 (4)沼氣池周圍都與土壤接觸，對池體保溫有一定的作用。 水壓式沼氣池型也存在一些缺點，主要是： (1)由于氣壓反復變化，而且一般在4～16千帕(即40～160厘米水柱)壓力之間變化。這對池體強度和燈具、灶具燃燒效率的穩定與提高都有不利的影響。 (2)由于沒有攪拌裝置，池內浮渣容易結殼，又難于破碎，所以發酵原料的利用率不高，池 容產氣率(即每立方米池容積一晝夜的產氣量)偏低，一般產氣率每天僅為 (3)由于活動蓋直徑不能加大，對發酵原料以秸稈為主的沼氣池來說，大出料工作比較困難。因此，出料的時候最好采用出料機械。
(1)中心吊管式沼氣池(見圖2.4) 將活動蓋改為鋼絲網水泥進、出料吊管，使其有一管三 用的功能(代替進料管、出料管和活動蓋)，簡化了結構，降低了建池成本，又因料液使沼氣 池拱蓋經常處于潮濕狀態，有利于其氣密性能的提高。而且，出料方便，便于人工攪拌。但是，新鮮的原料常和發酵后的舊料液混在一起，原料的利用率有所下降。 圖2.5 曲流布料水壓式沼氣池剖面圖(單位：毫米) (2)曲流布料水壓式沼氣池(見圖2.5) 該池型是由昆明市農村能源環保辦公室于1984年設計成功的一種新池型。它的發酵原料不用秸稈，全部采用人、畜、禽糞便。原料的含水量在95%左右(不能過高)。該池型有如下特點： (1)在進料口咽喉部位設濾料盤。 (2)原料進入池內由布料器進行半控或全控式布料，形成多路曲流，增加新料擴散面，充分發揮池容負載能力，提高了池容產氣率。 (3)池底由進料口向出料口傾斜。 (4)擴大池墻出口，并在內部設隔板，塞流固菌。 (5)池拱中央、天窗蓋下部吊籠，輸送沼氣入氣箱。同時，利用內部氣壓、氣流產生攪拌作用，緩解上部料液結殼。 (6)把池底最低點放在水壓間底部。在傾斜池底作用下，發酵液可形成一定的流動推力，實現進出料自流，可以不打開天窗蓋把全部料液由水壓間取出。 除了上述兩種變型的水壓式沼氣池外，各地還根據各自的具體使用情況，設計了多種其他變型的水壓式沼氣池型。如：為了減少占地面積、節省建池造價、防止進出料液相混合、增加 池拱頂氣密封性能的雙管頂返水水壓式沼氣池(見圖2.6)；為了便于出料的大揭蓋水壓式沼氣池(見圖2.7)和便于底層出料的圓筒形水壓式沼氣池(見圖2.8)；為了多利用秸草類發酵 原料而采用的弧形隔板、干濕發酵水壓式沼氣池(見圖2.9)。
1.進料管 2.發酵池 3.出料聯通管4.活動蓋 5.導氣管 6.水壓間 圖2.7 大揭蓋水壓式沼氣池簡圖 1.大直徑活動蓋 2.蓄水池蓋板 3.導氣管 圖2.8 圓筒形水壓式沼氣池簡圖(單位：毫米) 圖2.9 干、濕發酵水壓式沼氣池簡圖 1.濕發酵區 2.干發酵區 無活動蓋底層出料水壓式沼氣池是一種變型的水壓式沼氣池。該池型將水壓式沼氣池活動蓋取消，把沼氣池拱蓋封死，只留導氣管，并且加大水壓間容積，這樣可避免因沼氣池活動蓋 密封不嚴帶來的問題，在我國北方農村，與“模式”配套新建的沼氣池提倡采用這種池型。 本書將介紹該種沼氣池的建造技術。無活動蓋底層出料水壓式沼氣池的構造如圖2.10所示 。沼氣池為圓柱形，斜坡池底。它由發酵間、貯氣間、進料口、出料口、水壓間、導氣管等 組成。 圖2.10 底層出料水壓式沼氣池構造 1.發酵間 2.貯氣間 3.進料口4.出料口、水壓間 5.導氣管 6 .出料口通道 (1)進料口與進料管 進料口與進料管分別設在豬舍地面和地下。廁所、豬舍及收集的人畜 糞便，由進料口通過進料管注入沼氣池發酵間。 (2)出料口與水壓間 出料口與水壓間設在與池體相連的日光溫室內。其目的是便于蔬菜生 產施用沼氣肥，同時出料口隨時放出二氧化碳進入日光溫室內促進蔬菜生長。水壓間的下端 通過出料通道與發酵間相通。出料口要設置蓋板，以防人、畜誤入池內。 (3)池底 池底呈鍋底形狀，在池底中心至水壓間底部之間，建一U型槽，下返坡度5%，便于 底層出料。 (4)工作原理 ①未產氣時，進料管、發酵間、水壓間的料液在同一水平面上。②產氣時， 經微生物發酵分解而產生的沼氣上升到貯氣間，由于貯氣間密封不漏氣，沼氣不斷積聚，便產生壓力。當沼氣壓力超過大氣壓力時，便把沼氣池內的料液壓出，進料管和水壓間內水位 上升，發酵間水壓下降，產生了水位差，由于水壓氣而使貯氣間內的沼氣保持一定的壓力。 ③用氣時，沼氣從導氣管輸出，水壓間的水流回發酵間，即水壓間水位下降，發酵間水位上 升。依靠水壓間水位的自動升降，使貯氣間的沼氣壓力能自動調節，保持燃燒設備火力的穩定。④產氣太少時，如果發酵間產生的沼氣跟不上用氣需要，則發酵間水位將逐漸與水壓 間水位相平，最后壓差消失，沼氣停止輸出。 2.3 沼氣池的設計 建造“模式”中的沼氣池，首先要做好設計工作。總結多年來科學實驗和生產實踐的經 驗，設計與模式配套的沼氣池必須堅持下列原則： (1)必須堅持“四結合”原則 “四結合”是指沼氣池與畜圈、廁所、日光溫室相連，使人畜糞便不斷進入沼氣池內，保證正常產氣、持續產氣，并有利于糞便管理，改善環境衛生，沼液可方便地運送到日光溫室蔬菜地里作肥料使用。 (2)堅持“圓、小、淺”的原則 “圓、小、淺”是指池型以圓柱形為主，池容6～12立方米 ，池深 (3)堅持直管進料，進料口加箅子、出料口加蓋的原則 直管進料的目的是使進料流暢，也 便于攪拌。進料口加箅子是防止豬陷入沼氣池進料管中。出料口加蓋是為了保持環境衛生，消滅蚊蠅孳生場所和防止人、畜掉進池內。 設計與“模式”配套的沼氣池，制定建池施工方案，必須考慮下列因素： (1)選擇池基應考慮土質 建造沼氣池，選擇地基很重要，這是關系到建池質量和池子壽命 的問題，必須認真對待。由于沼氣池是埋在地下的建筑物，因此，與土質的好壞關系很大。土質不同，其密度不同，堅實度也不一樣，容許的承載力就有差異。而且同一個地方，土層也不盡相同。如果土層松軟或沙性土或地下水位較高的爛泥土，池基承載力不大，在此 處建池，承受不了，必然引起池體沉降或不均勻沉降，造成池體破裂，漏水漏氣。一般自然土層，每平方米容許承載力都超過10噸以上，在這樣的自然土層上建造沼氣池，是沒有 什么問題的。因此，池基應該選擇在土質堅實、地下水位較低，土層底部沒有地道、地窖、滲井、泉眼、虛土等隱患之處；而且池子與樹木、竹林或池塘要有一定距離，以免樹根、竹 根扎入池內或池塘漲水時影響池體，造成池子漏水漏氣；北方干旱地區還應考慮池子離水源和用戶都要近些，若池子離用戶較遠，不但管理(如加水、加料等)不方便，輸送沼氣的管道也要很長，這樣會影響沼氣的壓力，燃燒效果不好。此外，還要盡可能選擇背風向陽 處建池。 (2)設計池子應考慮荷載 確定荷載是沼氣池設計中一項很重要的環節。所謂荷載，是指單 位面積上所承受的重量。如果荷載確定過大，設計的沼氣池結構截面必然過大，結果用料過 多，造成浪費；如果荷載確定過小，設計的強度不足，就容易造成池體破裂。荷載的計算標準一般為：池身自重(按混凝土量計算)每立方米為2.5噸左右，拱頂覆土每立方米為2噸左 右， 池內發酵原料每立方米容積為1.2噸左右，沼氣池產氣后池內每平方米受壓為1噸左右。此外 ，經常出現在池頂的人、畜等壓力以最大量考慮為1噸左右。所以，地基和承載力至少不能 小于每平方米8噸。 (3)設計池子應考慮拱蓋的矢跨比和池墻的質量 建造沼氣池，一般都用脆性材料，受壓性 能較好，抗拉性能較差。根據削球形拱蓋的內力計算，當池蓋矢跨比在1∶5.35時，是池蓋 的環向內力變成拉力的分界線；大于這個分界線，若不配以鋼筋，池蓋則可能破裂，因此，在設計削球形池拱蓋時矢跨比(即矢高與直徑之比。矢高指拱腳至拱頂的垂直距離)一般在1∶4～1∶6之間；在設計反削球形池底時矢跨比為1∶8左右(具體的比例還應根據池子大小、 拱蓋跨度及施工條件等決定)。注意在砌拱蓋前要砌好拱蓋的蹬腳，蹬腳要牢固，使之能承受拱蓋自重、覆土和其他荷載(如畜圈、廁所等)的水平推力(一般說來，一個直徑為 建造沼氣池，事先要進行池子容積的計算，就是說計劃建多大的池子為好。計算容積的大小原則上應根據用途和用量來確定。池子太小，產氣就少，不能保證生產、生活的需要；池子 太大，往往由于發酵原料不足或管理跟不上去等原因，造成產氣率不高。目前，我國農村沼氣池產氣率普遍不夠穩定，夏天一晝夜每立方米池容約可產氣0.15立方米，冬季約可產氣0 .1立方米左右，一般農村五口人的家庭，每天煮飯、燒水約需用氣1.5立方米(每人每天生 活 所需的實際耗氣量約為0.2立方米，最多不超過0.3立方米)。同時，應考慮生產用肥。因 此 ，農村建池，每人平均按1.5～2立方米的有效容積計算較為適宜(有效容積一般指發酵間和貯氣箱的總容積)。根據這個標準建池，人口多的家庭，平均有效容積少一點，人口少的家 庭，平均有效容積多一點；北方地區一般氣溫較低，可多一點，南方地區一般氣溫較高，可少一點。如一個五口人的家庭，建造一個8～10立方米的沼氣池，管理得好，所產 沼氣基本上能滿足一家人一年四季煮飯、燒水或點燈的需要，在北方即使在冬季氣溫較低，產氣量有所減少的情況下，仍可供煮兩餐飯或燒開水用。所以一般家庭養豬存欄6～10頭，日光 溫室面 積在100～ 2.4 沼氣池的施工技術 建一個 放線挖坑是保證建池質量的第一關，必須按規定尺寸施工。圖2.11是三種“模式”總體放 線布置圖，供放線時參考。以圖2.11中A圖為例說明放線要點：①劃出總體平面。②劃出溫 室、豬舍面積，豬舍在東側或西側。③劃出“模式”寬度中心線。④以O為起點，在豬舍內側找出池的中心點 以O為圓心，以池的半徑加 1.廁所 2.進料口 3.沼氣池 4.出料口5.日光溫室 6.模式寬度中心線 7.豬舍 8.內山墻 1.廁所 2.進料口 3.沼氣池 4.出料口5.日光溫室 6.豬舍 7.模式寬度中心線 8.內山墻 1.廁所 2.進料口 3.沼氣池 4.出料口5.日光溫室 6.豬舍東西寬度中心線 7.豬舍 圖2.11 不同“模式”總體放線布置圖 在“模式”內建沼氣池均采用地下埋式，沼氣池土方工程采用大開挖的施工工藝。首先，應 確定好正負零的高度。池坑深度按設計圖確定，即沼氣池的池頂與出料口保持在一個水平面上，并高出豬舍地面10厘米。進料口超高地面2厘米，如果挖得過深使沼氣池低于地平面，影響配套使用，挖得過淺使沼氣池突出地面，給養豬和日光溫室施肥造成困難。具體尺寸如表2.1所示。 為了便于安放建池模具或利用磚模澆筑池體，減少材料損耗，池坑要規圓上下垂直。對 于土質良好的地區坑壁可挖直，取土時由中間向四周開挖，開挖至坑壁時留有一定余地，然后按定位樁找出中心點，并釘一固定的木樁，用一條繩的一端固定在中心點的木樁上，繩的 另一 端拴上一把小把鋤，使鋤刀到中心點的長度等于池的半徑加上墻厚度 建池時遇到地下水，可采用“避、引、堵”的辦法來解決。“避”就是避開地下水，盡量不在 多雨季節施工，選擇地下水位較低、地勢較高的地方建池，水網地區可建圓球形池或提高池 身，建成半地下池。“引”就是引開地下水，施工前挖排水溝，盡量將水引走。池墻滲水， 可將竹管插入滲水處或在池壁上鑿星(“Y”)形小溝，使水集中從溝內流至池底。對于池底 滲水，可采用十字溝或環形溝集水，并在池底中央挖一較深小井，使水流入井內汲走，待工程告一段落無滲水排出時再填此井。“堵”就是堵住地下水，對池內個別小泉眼，可用磚頭、小石塊塞緊。若大面積滲水，可采用水玻璃藥液防滲劑摻入水泥進行粉刷，快速凝固， 堵塞有效。同時，在土質差、地下水位高處建池，池底下面還必須設置沙卵石墊層，其墊層的施工可先鋪砌卵石，再用水沉法使沙子擠滿卵石空隙，起到確保建池質量的作用。如建 池場地確無地下水，池底以下可不加墊層及排水措施。 四位一體生態型大棚模式中的沼氣池，一般采用組合式建池。所謂組合式建池就是池底、池 墻、水壓間下部采用混凝土整體現澆，池拱蓋及水壓間上部采用磚砌。在現澆拌制混凝土時，必須控制水灰比≤0.65，砂子中泥土含量≤3%，云母含量≤0.5%，碎石中最大粒徑≤ (1)砌筑出料口通道 出料口通道如圖2.12所示。出料口通道用紅磚及砂灰砌筑，水泥:&, lt;, /SPAN>砂子＝1∶2.5。為了便于施工及出料，其通道口寬50厘米，高70厘米，頂部起拱，但上 口距池上拱角不得小于35厘米，防止產氣多時水面下返而跑氣。 (2)池墻及水壓間下部的澆筑 池墻及水壓間下部的澆筑可采用鋼模、木模及磚模，一般上述模具為內模，而以池壁為外模。由于鋼模造價高，很少采用，而木模和磚模用的較多。若 一個村里建多個沼氣池，采用木模較方便，若只建一個，則采用磚模為宜。采用磚模的一般砌法是：先把磚用水浸濕，防止拆模困難。每塊磚橫向砌筑，每層磚磚縫錯開，不用帶泥口 或灰口，做到砌一層磚用混凝土澆筑一層，振搗密實后再砌第二層。混凝土配合重量比為水泥∶砂子∶碎石＝1∶3∶3，池墻高
(3)池拱蓋的施工 目前，“模式”中的沼氣池拱蓋用磚砌，“模式”中的沼氣池一般采用 直管進料，在砌筑池拱蓋前要安裝好進料管，一般利用直徑200毫米、長600毫米左右的陶瓷 管，管內穿繩拴掛在地面的木樁上，進料管喇叭口朝上，上下垂直，緊貼池壁固定好。插入池內深度拱角250～300毫米為宜。砌筑拱蓋可用鐵鉤或掛繩法固定磚，先由進料管處開始砌，進料管周圍要用水泥加固。砌筑拱蓋的磚，要選擇質量好的，先用水浸濕，保持外濕內干，用1∶2水泥砂灰 砌筑，砂灰和易性要好，灰口飽滿，磚與磚要頂緊，每砌筑一圈，要用小石片嵌牢，邊砌筑邊注意拱蓋弧度，每砌筑3～5圈，拱蓋外壁用1∶3水泥砂灰抹嚴抹實， 拱角處第1圈磚上層抹灰時，厚度要達到30～50毫米，用以代替圈梁。隨砌隨抹灰，隨即由外向內均勻地回填土。回填土前，進料管上部也要砌幾層磚，防止回填土由進料管進入池內，進料口寬以 當砌筑池拱蓋要封口時，在拱頂正中央安放直徑為9～10毫米的銅導氣管，插入深度以池內 密封層完工后露出
(4)池底施工 池底先鋪一層碎石，用1∶4的水泥砂漿將碎石縫隙灌滿，然后再用水泥、砂 子、碎石以1∶3∶3的混凝土澆筑池底，厚度要達到8～12厘米。 (5)沼氣池池體內部密封 由磚和混凝土組合建造的沼氣池只靠結構層還不能滿足防滲漏要 求 ，必須對池體進行密封處理才能不漏氣、不漏水。沼氣池密封層采用7層做法和3層做法兩種 ，貯氣室及池內進料管部分采用7層做法；池底、池墻、水壓間、出料口通道等采用3層做法。其7層做法第1層用450＃水泥砂灰刷漿，灰∶水＝0.3∶1；第2層抹水泥∶砂子＝1∶ 2.5的水泥砂灰，厚度為0.8～1厘米；第3層抹0.1厘米厚素灰；第4層抹水泥∶砂子＝1∶2的水泥砂灰，厚度為0.4厘米；第5層抹0.1厘米厚的素灰；第6層用1∶1的細砂灰抹0.3 ～0.4厘米；第7層刷素灰漿3遍。而3層做法是第1層與7層做法中的第2層一起做；第2層與7層做法中的第6層一起做；第3層與7層做法中的第7層一起做。 (6)養護 用混凝土澆筑的每個部位，都要進行養護，要求在平均氣溫大于 (7)檢查驗收 新建沼氣池和大換料后保養維護的舊池，必須經過檢查驗收合格，方可投料使用。其檢驗方法分為兩種： ①直接檢查法 必須全池強度養護達到70%以上才能進行，用手指或小木棒叩擊無翹殼空響 。全池內壁無滲水痕跡，無裂縫、砂眼、孔隙等肉眼可見的缺陷；池外輸氣管線、開關等配套設施安裝齊全牢固。 |