3 沼氣池的設計
3.1 沼氣池的設計原理
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,保証正常產氣、持續產氣,並有利於糞便管理,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2米左右,圓形沼氣池具有以下優點:第一,根據幾何學原理,相同容積的沼氣池, 圓形比方形或長方形的表面積小,比較省料。第二,密閉性好,且較牢固。圓形池內部結構 合 理,池壁沒有直角,容易解決密閉問題,而且四週受力均勻,池體較牢固。第三,我國北方 氣溫較低,圓形池置於地下,有利於冬季保溫和安全越冬。第四,適於推廣。無論南方、北 方,建造圓形沼氣池都有利於保証建池質量,做到建造一個,成功一個,使用一個,鞏固 一個,積極穩步地普及推廣。小,是指主池容積不宜過大。淺,是為了減少挖土深度,也便 于避開地下水,同時發酵液的表面積相對擴大,有利於產氣,也便於出料。
(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 便於攪拌。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。
3.2 沼氣池的設計依據
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,這是關係到建池質量和池子壽命 的問題,必須認真對待。由於沼氣池是埋在地下的建筑物,因此,與土質的好坏關係很大。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。如果土層鬆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 什麼問題的。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;北方乾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 准一般為: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 小於每平方米8噸。
(3)設計池子應考慮拱蓋的矢跨比和池牆的質量
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;大於這個分界線,若不配以鋼觔,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5米,矢 跨比為1∶5,厚度為10釐米的混凝土拱蓋,其邊緣最大拉力約為10噸),以免出現裂縫和下 塌的危險;其次,池牆質量必須牢固。池牆基礎(環形基礎)的寬度不得小於40釐米(這是工程構造上的最小尺寸),基礎厚度不得小於25釐米。一般基礎寬度與厚度之比,應在 1:(1.5~2)範圍內為好。
3.3 沼氣池容積的計算
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,不能保証生產、生活的需要;池子 太大,往往由於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100~150米2,可建6、8、10米3的沼氣池為宜。對於建在野外的四位一體生態型大 棚模式,一般“模式”面積為667平方米(1畝)左右,這時,養豬頭數可增 加,沼氣池容 積大一些為好,但這不是絕對的,因為若沼氣池容積滿足不了炊事用能及蔬菜生產用肥的需 要,可由外界補充能源及肥料,從而使“模式”正常運行。
4 沼氣池的施工技術
4.1 備料
建一個8立方米的沼氣池需要水泥1噸、砂子2立方米、碎石(規格1~3釐米)0.6立方米、紅 磚 600塊、陶瓷管(直徑20~30釐米)1~2根、鋼觔(直徑14毫米)1.2米。如果建10立方米沼氣池 ,其水泥、磚、砂再增加10%,若建6立方米沼氣池,則水泥、磚、砂比8立方米沼氣池用量 要減少10%。
4.2 放線
放線挖坑是保証建池質量的第一關,必須按規定尺寸施工。圖2.11是三種“模式”總體放 線佈置圖,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O,以O為圓心,以池的半徑加6釐米為半徑划圓,確定池的位置。⑤確定 進料口、出料口位置。要在“模式”寬度中心線上確定為進料口中心點和位於日光溫室內的 出料口中心點,用白灰做好標記。
4.3 池坑開挖
在“模式”內建沼氣池均採用地下埋式,沼氣池土方工程採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,並高出豬舍地面10釐米。進料口超高地面2釐米,如果挖得過深使沼氣池低於地平面 ,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。
表2.1 6~10米3沼氣池結構規格標準
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容積/米3
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內直徑/米
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池牆高/米
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池頂矢高/米
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池頂曲率半徑/米
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水壓間
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深/米
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直徑/米
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6
8
10
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2.40
2.70
3.00
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1.00
1.00
1.00
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0.48
0.54
0.60
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1.74
1.96
2.18
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2.10
2.18
2.28
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0.90
1.00
1.10
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為了便於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,取土時由中間向四週開挖,開挖至坑壁時留有一定餘地,然 后按定位樁找出中心點,並釘一固定的木樁,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於池的半徑加上牆厚度6釐米划圓,刮掉 阻 礙通道的砂土,邊挖邊修整池坑,直到設計深度為止。池坑挖好后馬上將池底修成鍋底形狀;由鍋底中心至水壓間底部挖一條U形淺槽,下返坡度5%。對於土質鬆散的地方,地面以下8 0釐米應放坡取土,坡度大小要看土質鬆散程度而定,以坑壁不坍塌為原則,同時挖好進、出料口坑。如有地下水出現,池底要挖集水坑,以便排水。
建池時遇到地下水,可採用“避、引、堵”的辦法來解決。“避”就是避開地下水,儘量不 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,儘量將水引走。池牆滲水, 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。對於池底 滲水,可採用十字溝或環形溝集水,並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。若大麵積滲水,可採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。
4.4 利用混凝土澆筑6、8、10立方米沼氣池的現場 施工
四位一體生態型大棚模式中的沼氣池,一般採用組合式建池。所謂組合式建池就是池底、池 牆、水壓間下部採用混凝土整體現澆,池拱蓋及水壓間上部採用磚砌。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%,雲母含量≤0.5%,碎石中最大粒徑≤3釐米,泥土含量≤2%。混凝土澆筑工序必須連續進行,間斷時間不得超過1小時,澆筑時必須 振搗密實,防止出現蜂窩麻面現象。施工順序如下:
(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:砂 子=1∶2.5。為了便於施工及出料,其通道口寬50釐米,高70釐米,頂部起拱,但上 口距池上拱角不得小於35釐米,防止產氣多時水面下返而跑氣。
(2)池牆及水壓間下部的澆筑 池牆及水壓間下部的澆筑可採用鋼模、木模及磚模,一般上 述模具為內模,而以池壁為外模。由於鋼模造價高,很少採用,而木模和磚模用的較多。若 一個村里建多個沼氣池,採用木模較方便,若只建一個,則採用磚模為宜。採用磚模的一般 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,池牆高1米,厚0.05米。
(3)池拱蓋的施工 目前,“模式”中的沼氣池拱蓋用磚砌,“模式”中的沼氣池一般採用 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,管內穿繩拴挂在地面的木樁上,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挂繩法固定磚,先由進料管處開始砌 ,進料管週圍要用水泥加固。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,進料管上部也要砌几層磚,防止回填土由進料管進入池內,進料口寬以240毫米為宜,長度因戶而異。注意第一次回填土約60%即可,防止塌方 ,其餘土量 在次日池內密封前回填一部分,整體池完工10天后可全部回填完。在砌筑池拱蓋的同時,應把水壓間的上部砌好。水壓間上半部用1/4 磚立砌,1∶3水泥砂灰澆筑。
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10毫米左右為宜,拱頂中央用4條500~700毫米長鐵觔擺放成#字型,抹 灰要加厚加固,以防沼氣池運行時壓力過大漲坏氣箱。在導氣管週圍,砌一個深200~300毫 米,邊長180~200毫米的方型圍護牆,在輸氣管引出方向預留出缺口。豬舍地面以下可砌暗 溝或放一個內徑為20~50毫米鐵管或塑料護管,以便引出輸氣管。導氣管上面蓋上活動蓋板, 防止輸氣管被豬啃坏。活動蓋板規格240毫米×240毫米,厚度為50~60毫米,可用2塊紅磚代替
(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,然後再用水泥、砂 子、碎石以1∶3∶3的混凝土澆筑池底,厚度要達到8~12釐米。
(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。沼氣池密封層採用7層做法和3層做法兩種 ,貯氣室及池內進料管部分採用7層做法;池底、池牆、水壓間、出料口通道等採用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釐米;第3層抹0.1釐米厚素灰;第4層抹水泥∶砂子=1∶2的水泥砂灰,厚度為0.4釐米;第5層抹0.1釐米厚的素灰;第6層用1∶1的細砂灰抹0.3 ~0.4釐米;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,要求在平均氣溫大於5℃條件下自然 養護,外露混凝土應加蓋草帘澆水養護,養護時間為7~10天。春、秋要注意早晚防凍。為達到養護目的,在沼氣池密封處理以後要把出料口、進料口、池頂口用薄膜蓋嚴。自然養護 期達到后經檢查試壓就可以投料使用。建池完工24小時后如果下雨應及時向池內加水,加水量應是池內裝料容積的一半,以防地下水位上漲鼓坏池體。
(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。
②試壓檢查法 在直接檢查完好的基礎上,推薦採用氣壓檢驗為主,水壓法檢驗為輔,亦可 混合使用。一般作法是裝水至進、出料管上端20釐米高度,觀測12小時,水位降低無明顯變 化,視為不漏水;再用打氣筒(機)充氣(或灌水增壓),使壓力表達到設計壓力的50%,觀察2 4小時,若壓力不降低,繼續打氣至設計壓力,再觀測24小時,壓力降低值在設計壓力的3% 以內,視為不漏氣。亦可採用空池封閉進出料口、直接充氣試壓的方法,要求同上。試壓 中最好將輸氣管路全部接通,分別檢查有否滲漏現象。檢查中如有漏水、漏氣者,須查明部 位、原因。經修補使強度達到要求后,再經復驗合格,方可投料使用。但使用前,必須將多 余的水抽去。未經復驗合格者,不得勉強使用。