上部回流三位一體戶用沼氣裝置設(shè)計及應(yīng)用

摘要：針對旋流布料沼氣池在山區(qū)推廣的局限性，依據(jù)山區(qū)特殊的地質(zhì)條件、養(yǎng)殖習(xí)慣和庭院用地實際，以沼、圈、廁三結(jié)合設(shè)計為出發(fā)點，優(yōu)化了戶用沼氣工藝、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)，解決了沼液沖圈沖廁、沼氣池料液循環(huán)不暢、浮渣結(jié)殼、冬季增溫以及安全限壓等長效運行技術(shù)問題，推動了戶用沼氣的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：上部回流；三位一體；戶用沼氣池；沼氣技術(shù)

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114（2013）11-2665-04

陜西省商洛市位于秦嶺南麓，地跨長江、黃河兩大流域，位于暖溫帶和北亞熱帶過渡地帶，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，屬半濕潤山地氣候。轄6縣1區(qū)，從20世紀70年代開始發(fā)展農(nóng)村沼氣，經(jīng)過40余年的發(fā)展，歷經(jīng)了3次重大的技術(shù)革新，建池技術(shù)逐漸成熟[1]。20世紀80年代和90年代主要以標準水壓式沼氣池為主[2]，進入21世紀以來，開始推廣邱凌等[3]設(shè)計的旋流布料沼氣池，從很大程度上解決了傳統(tǒng)水壓式沼氣池存在的發(fā)酵盲區(qū)和料液“短路”的問題，但結(jié)殼現(xiàn)象仍比較嚴重，導(dǎo)致池內(nèi)沼氣聚集受阻，原料利用率低，產(chǎn)氣量少[4]，在商洛山區(qū)推廣存在很大的局限性。

針對國標池和旋流布料沼氣池存在的結(jié)殼和排渣問題，很多農(nóng)村能源工作者都進行了研究和探討，張邦安[5]提出了沼氣池自動排渣設(shè)計與施工方法，在一定程度上解決了沼氣池除渣難的問題。根據(jù)山區(qū)實際，2003～2007年在旋流布料沼氣池的基礎(chǔ)上開展技術(shù)研究，集成了上部回流三位一體戶用沼氣裝置，2008年對該技術(shù)的可行性進行論證評估、示范和推廣，截至2011年底共建設(shè)上部回流三位一體沼氣池44 494口。董照鋒等[6]2012年初曾對該技術(shù)進行了初步報道，下面主要就該戶用沼氣裝置的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)實施效果予以闡述。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

旋流布料沼氣池在商洛山區(qū)推廣出現(xiàn)許多問題，主要有4個方面：一是山區(qū)地質(zhì)條件較差，開挖標準的池坑費時費力，建造、防滲難度大，在水壓間底部或側(cè)邊易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；二是當?shù)仫曫B(yǎng)量相對較少，大多數(shù)農(nóng)戶飼養(yǎng)1頭豬，一般池內(nèi)要加入相當一部分草料，發(fā)酵時容易上浮結(jié)殼，影響產(chǎn)氣；三是料液運動是以兩側(cè)分流為主，單向閥易失效，回流量較少，發(fā)酵料液在池內(nèi)往復(fù)運動帶到水壓間的原料多，這部分產(chǎn)氣排放于空氣中；四是自動回流與人工強制回流路線重復(fù)，只是作平面的環(huán)形運動，不能將更多菌種帶到頂部最需要的地方。針對這些問題，依據(jù)山區(qū)農(nóng)家小院特點和戶外養(yǎng)殖習(xí)慣，在旋流布料沼氣池基礎(chǔ)上，以沼、圈、廁三結(jié)合設(shè)計為出發(fā)點，改進沼氣池技術(shù)，重點解決了沼液沖圈沖廁、沼氣池料液循環(huán)不暢、浮渣結(jié)殼、冬季增溫以及安全限壓等問題。

上部回流三位一體戶用沼氣裝置設(shè)計主要突出上部回流技術(shù)和三位一體結(jié)構(gòu)，由進出料通道、發(fā)酵間、水壓間、沼液池及自動循環(huán)系統(tǒng)組成，各部位尺寸參考旋流布料沼氣池結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計[7]。上部回流三位一體沼氣池設(shè)計見圖1（圖中數(shù)據(jù)單位為mm，其他圖同）。

2 上部回流三位一體沼氣池創(chuàng)新技術(shù)

2.1 U形導(dǎo)管設(shè)計安裝

在沼氣池壁的砼內(nèi)預(yù)置安裝U形導(dǎo)管后，將水壓間底部與沼氣池上部的氣室連通，形成池內(nèi)外的上下回流通道。池內(nèi)的發(fā)酵料產(chǎn)氣時， 沼氣壓力將沼液從出料管壓到沼液池，經(jīng)過沉淀后再到水壓間， 使用沼氣或人工回流時，水壓間的沼液順著U形管回流，從沼氣池內(nèi)料液上40 cm處流下到料液面，起到輸送菌種、上下沖刷攪拌、濕潤沉降浮渣、消除結(jié)殼、安全排氣和室內(nèi)監(jiān)測管理的作用。U形管設(shè)計如圖2。

2.2 出料管的設(shè)計安裝

在沼氣池壁砼內(nèi)預(yù)置安裝PVC管作為出料通道，底部達到沼氣池最低處，上部在水壓間與沼液池隔墻中，產(chǎn)氣壓出的沼液先到沼液池，一方面滿足沖廁的需要，另一方面經(jīng)過沉淀沼渣，沼液達到40 cm后進入水壓間，用氣時回流到沼氣池內(nèi)。出料管設(shè)計如圖3所示。主要優(yōu)點：一是提高了穩(wěn)定性和強度。抽渣器是一個需要經(jīng)常頻繁抽動吸取沼氣池底部沉渣，以便人工強制回流、半自動攪拌發(fā)酵的裝置，其穩(wěn)定性、可靠性十分重要。采用主池墻體砼內(nèi)澆筑安裝抽渣管，避免了使用老化松動造成漏氣、跑氣問題，提高了抽渣器的整體強度，延長了抽渣器的使用壽命。二是抽渣管改到圈舍墻外部，擴大了豬圈的有效空間，有利于增加生豬飼養(yǎng)量，方便農(nóng)戶經(jīng)常性循環(huán)攪拌，便于清除沼渣，極具實用價值。

2.3 進料管的制作安裝

采用DN160 PVC管預(yù)置到沼氣池壁的砼內(nèi)作為進料口，設(shè)計和安裝如圖4所示。

2.4 水壓間、沼液池設(shè)計與施工

該設(shè)計水壓間1.4 m×1.0 m×0.6 m =0.84 m3，沼液池1.2 m×1.0 m×0.6 m =0.72 m3，在水壓間與沼液池的隔墻內(nèi)靠近圈廁是出料口的緩沖分流裝置，高于水壓間20 cm，在水壓間隔墻中距上口20 cm處安裝DN75管，是沼液流向水壓間的通道，沼液池下40 cm起沉淀和沖廁作用，上20 cm還是水壓間容積范疇，容積1.2 m×1.0 m×0.2 m =0.24 m3，水壓間總?cè)莘e0.84 m3 +0.24 m3=1.08 m3。改進后的水壓間也具有酸化池的作用。因此，可將水壓間與酸化池合二為一。制作水壓間時可將底部升高10～20 cm，可加大回流料液的沖刷力度，增加沼氣壓力，同時也加大了沼氣的輸送距離。

2.5 沼氣池底改進技術(shù)

在沼氣池底的中心至池墻一半處做一個從進料口方向到出料口底部的圓弧形旋流導(dǎo)槽，導(dǎo)槽落差40 cm，從而形成渦流底面，促進了料液旋轉(zhuǎn)運動，延長發(fā)酵料運動路線，減少池內(nèi)沉積。

2.6 沼液沖廁沖圈裝置改進技術(shù)

增設(shè)沼液沖廁設(shè)施是在沼液池靠廁所拐角的池墻底部安裝沖廁管，制作材料和方法：DN110 PVC管120 cm、DN50 PVC管80 cm、DN90和DN50直角彎頭1個、DN110伸縮接1個，DN110膠木板1個、DN110變DN50 PVC三通1個。將DN110 PVC管截成20、40、60 cm，DN50 PVC管截成50、30 cm，安裝好后放入1.2 m長的沼液抽吸器就可使用。沖圈裝置在沼氣池的出料管內(nèi)放入2 m長的沼液抽吸器，配合使用分流擋板就可完成沖圈（進出料口底部平面攪拌）、出渣和人工強制上部回流（上下沖刷式立體攪拌）。改進后在沼液池安裝沼液抽吸器，用清液沖廁，衛(wèi)生效果好。渦流底面與出料管配合使用，能及時清出沉渣，沖圈順暢方便，也為清液喂豬提供了便利。

2.7 三位一體設(shè)計

合理配置沼、圈、廁是推廣沼氣技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)，也是發(fā)揮性能的關(guān)鍵。通過對各地沼、圈、廁的調(diào)查分析，結(jié)合當?shù)仞B(yǎng)殖習(xí)慣，按照科學(xué)養(yǎng)殖要求，設(shè)計了與沼氣池相配套的、適合秦嶺山區(qū)的上部回流三位一體沼氣池圈廁模式（圖5）。圈廁占地面積為3.4 m×3.8 m=12.92 m2，水壓間和沼液池占地3.2 m×1.2 m=3.84 m2，共計建筑總面積16.76 m2。把圈廁建在沼氣池的正上方，進料口設(shè)在圈內(nèi)與食槽較遠的拐角地，出料口放在另一拐角墻外，墻上預(yù)留沖圈孔。食槽與豬舍門相鄰。豬舍上做雞舍或貯藏間，高2.4 m，頂做成10 m2曬臺，水壓間和沼液池置于圈墻外，從廁所上部頂檐到圈墻作小拱棚，朝南向，秋冬季氣溫低時可用塑料農(nóng)膜封閉豬舍建成暖圈。

3 技術(shù)論證

為了弄清上部回流三位一體沼氣池的周年使用情況和產(chǎn)氣量，在全市冬季氣溫最低的洛南縣寺坡鎮(zhèn)水墨村、三要鎮(zhèn)永平村和高海拔山區(qū)柞水乾佑鎮(zhèn)蘆柴溝、小嶺鎮(zhèn)常灣村、鎮(zhèn)安縣云蓋寺鎮(zhèn)云鎮(zhèn)村、永樂鎮(zhèn)典史村這6個村選擇50家農(nóng)戶作為監(jiān)測點（其中柞水、鎮(zhèn)安縣分別選擇了1個海拔1 200 m以上的村），開展產(chǎn)氣量及周年使用情況監(jiān)測。監(jiān)測方法：用戶統(tǒng)一安裝沼氣流量表，在每月30日對監(jiān)測戶流量進行記錄。監(jiān)測時間為2008年4月至2009年6月，監(jiān)測結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明，上部回流三位一體戶用沼氣池一年正常產(chǎn)氣使用12個月，海拔1 200 m以上的山區(qū)寒冷冬季仍能正常產(chǎn)氣。對比試驗表明，4～10月份每口上部回流三位一體戶用沼氣池平均日產(chǎn)氣1.50 m3， 每口旋流布料沼氣池平均日產(chǎn)氣1.28 m3，前者比后者提高17.19%；11月和12月每口上部回流三位一體戶用沼氣池平均晝夜產(chǎn)氣分別為0.98 m3和 0.64 m3，每口旋流布料沼氣池分別為0.77 m3和0.44 m3，前者比后者分別提高27.3%和45.5%；1月和2月，上部回流三位一體戶用沼氣池平均晝夜產(chǎn)氣分別為0.44 m3和0.40 m3，而旋流布料沼氣池大多數(shù)不能正常使用，多數(shù)監(jiān)測點水壓間液面變化不明顯，平均晝夜產(chǎn)氣分別為0.07 m3和0.09 m3；3月份氣溫回升，每口上部回流三位一體戶用沼氣池平均日產(chǎn)氣0.87 m3， 每口旋流布料沼氣池平均日產(chǎn)氣0.61 m3， 前者比后者提高42.6%。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，上部回流三位一體戶用沼氣池1年12個月均能正常產(chǎn)氣使用，每口平均年產(chǎn)氣414.9 m3，旋流布料沼氣池每年可正常使用10個月，每口平均年產(chǎn)氣328.2 m3，可見上部回流三位一體沼氣池比旋流布料沼氣池每年多使用1～2個月，平均年產(chǎn)氣量多86.7 m3。

4 效果評估

4.1 單池投入減少

改進后的沼氣池單池增加PVC等材料費61元， 但減少2.4 m3開挖土方量，節(jié)省紅磚394塊，減少制作粉刷用工1.3個，總計248.2元，單池共節(jié)省投入187.2元。

4.2 池型結(jié)構(gòu)簡單，容易密封

改進后的沼氣池只需開挖一個圓坑池。建池時將作好的U形管和進出料管澆筑于池壁上，減少了開挖土方量，結(jié)構(gòu)簡單，容易密封，不易發(fā)生池漏現(xiàn)象。

4.3 產(chǎn)氣旺盛

利用U形管在單純的平面底部弧形回流線路的基礎(chǔ)上，增加了上下沖刷式立體攪拌回流形式，解決了沼氣發(fā)酵的層淅矛盾，攪拌充分，發(fā)酵徹底，同時減少了產(chǎn)氣損失，有效地提高了產(chǎn)氣效率。

4.4 避免大換料

該池型是自動進料，在保持勤進料勤出料、出多少進多少的情況下，不需要大換料。在每天沖圈發(fā)現(xiàn)料液黏稠時表明需要出料，出料時應(yīng)將黏稠沉渣出完，直到抽出液基本變清為止。因此，不會在沼氣池底部出現(xiàn)大量沉積層。

4.5 消除了浮料和結(jié)殼現(xiàn)象

改進后料液從頂部向下沖流，充分攪拌浮料，增加氣室濕度，徹底消除了料面因失水而結(jié)殼或產(chǎn)生浮料的現(xiàn)象。在出現(xiàn)草料上浮時，通過人工上部回流就可達到開頂蓋攪拌的效果。

4.6 具備安全閥功能

84國標池和旋流布料沼氣池都沒有安裝安全裝置，不具備安全排氣功能，易發(fā)生沖蓋或損池現(xiàn)象。安裝U形管以后，沼氣壓力在80 cm水柱時出料管的溢流口向沼液池自動溢流，壓力達到160 cm水柱時自動排氣，徹底避免了沖蓋或損池現(xiàn)象發(fā)生。

4.7 自動顯示池內(nèi)料液水位

通過壓力表或水位計可以判斷料液水位，標準水位0位線為1 m，設(shè)計池內(nèi)料液在80 cm水柱出料管溢流口向沼液池開始溢流，室內(nèi)觀察壓力表或水位計較長時間（3 h左右）維持在80 cm水柱時，證明料液水位正常；如果壓力表水位超過或低于80 cm水柱多少，證明料液低于或高于0位線多少，這時就應(yīng)該給池內(nèi)加料或出料。另外，還可以根據(jù)壓力表停留數(shù)值判斷沼氣池是否漏水漏氣。

4.8 擴大了沼氣池的適應(yīng)范圍

一是可以在1 200 m較高海拔寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用；二是可以在秸稈資源豐富地區(qū)推廣應(yīng)用。用秸稈作為發(fā)酵原料需要對秸稈進行粉碎處理，一般要求秸稈段長度在3 cm以下（粉碎機？準12 mm篩片）。由于該技術(shù)解決了草料漂浮結(jié)殼問題，適應(yīng)范圍進一步擴大。

4.9 池圈廁結(jié)構(gòu)合理

在沼氣池上部建暖棚豬圈和廁所，一口8 m3上部回流三位一體沼氣池占地面積16.76 m2，旋流布料沼氣池占地25 m2，前者比后者節(jié)約用地8.24 m2左右。該結(jié)構(gòu)科學(xué)緊湊，既節(jié)約了用地面積又美化了院落。圈廁糞便自動流入，沖洗管理方便。暖棚養(yǎng)豬，不僅促進了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，還為沼氣池增加了溫度，使其在寒冷的冬季能旺盛產(chǎn)氣。

5 小結(jié)

沼液沖廁沖圈裝置解決了沖圈沖廁問題，但在抽拉過程中比較費勁。將漢中市農(nóng)村能源辦公室發(fā)明的沼氣池可更換底閥裝置[8]應(yīng)用其中，可以明顯減輕沖圈沖廁力量。

暖圈是比較傳統(tǒng)的冬季增溫技術(shù)，但在北緯40°以北地區(qū)要實現(xiàn)全年高效產(chǎn)氣，需要對該模式進一步完善。用魏兆凱等[9]的沼氣池太陽能增溫技術(shù)對該模式進行優(yōu)化，可以有效擴大上部回流三位一體沼氣池推廣區(qū)域。

參考文獻：

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[3] 邱 凌，楊改河，王蘭英，等.磚混結(jié)構(gòu)旋流布料沼氣池建池工藝[J].中國沼氣，2005，23（1）：47-49.

[4] 焦瑞蓮.旋流布料沼氣池為何結(jié)殼[J].北京農(nóng)業(yè)，2008（2）：45-46.

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[7] 邱 凌. 庭園沼氣高效生產(chǎn)與利用[M].北京： 科學(xué)技術(shù)文獻出版社，2008.

[8] 丁躍茹，岳 平，鄭興華，等.沼氣池出料系統(tǒng)可更換底閥[P].中國專利：CN201110403Y， 2008-09-03.

[9] 魏兆凱，劉 凱，王曉洲.沼氣池太陽能增溫技術(shù)研究[J].農(nóng)機化研究，2009（5）：212-216.