一种沼气池及其自动排渣的方法

专利名称：一种沼气池及其自动排渣的方法
技术领域：
本发明涉及沼气产生设备领域，更具的说是一种能够消除沼气池内沼液结壳并实现自动排渣，无需人工维护的沼气池和自动排渣的方法。
背景技术：
沼气是一种可燃气体，是利用人畜粪便等有机物，在厌氧条件下，通过沼气池内微生物能量代谢和呼吸作用产生的可燃性气体。普通农家5口人，正常存养4头猪、1头牛，年排放的人畜粪便，按理论计算每年可产810-950m3沼气，扣除粪便散失和沼气发酵压力损失，实际可利用沼气500-550m3。现有技术主要通过沼气池来实现对沼气的利用，采用沼气池除了充分利用费用外还具有众多的优点。人畜粪便投入沼气池发酵后，能有效地将寄生在人畜粪便的细菌性病源、病毒性病源、寄生性病源及蚊蝇虫卵沉降杀灭。在沼气池密闭条件下，微生物分解物质和能量代谢呼吸释放出的惰性物质可在池内循环利用，不存在堆沤方法产生的环境污染；人畜粪便经过沼气池发酵后的废料，可直接用于作物肥料、养鱼、喂猪、浸种或直接排入河流，不产生二次污染；农村使用沼气，还能有效地减少传统炊事烟熏火燎所带来的红眼病、哮喘病等疾病。
沼气是细菌在一定条件下发酵、分解有机物质产生的。当制取沼气的条件越合适，细菌的生命活动越旺盛，产生的沼气就越多。因此，在制取沼气时，要求产气量高，就必须使沼气微生物在厌氧条件下有较旺盛的生命活动，为此，创造一个良好的环境是生产沼气的关键。现有沼气池制取沼气必须满足以下的条件。
1.严格的厌氧环境分解有机物质产生沼气的微生物都是嫌氧性细菌，它们的整个生命活动都不需要空气。相反，空气中的氧气对它们还有损害。因此，修建不漏水、不漏气的沼气池，不仅上为装料和贮气的需要，更重要的是保证细菌在厌氧条件下生活，使之达到非常产气的目的。现有的沼气池结构在发酵池内留有一定的空气腔，所以在发酵料液的上层直接与氧气接触形成结壳层。结壳层厚度不断的增加将严重影响沼气的产生。
2.适当的温度发酵温度是影响沼气发酵的重要因素。在一定温度范围内，发酵料液的分解消化速度随温度的升高而提高，也就是产气量随温度升高而提高，但也不是越高越高。目前农村户用沼气池，都采用自然温度发酵，池内温度为15℃-30℃，超过30℃要进行高温发酵，渣料没有完全发酵，造成浪费。但在15℃以下，发酵菌生命活动缓慢，发酵效果更是不理想。现有的沼气池结构决定池体必须采用浅埋的方式，这样在北方较为寒冷的地带，一到冬天沼气池就进入了休眠期，无法正常工作。
3.充分保证发酵池内的菌层稳定分布沼气菌群是一大类厌氧细菌，它的整个生命活动中都不需要氧。一旦在适当的条件下稳定分布生长就会高效的产气。在沼气池中的发酵料液上层、中层、下层的发酵菌层的分布是有分工的，一旦破坏就会影响发酵产气效果。
4.经常性的搅拌现有的沼气池在不搅拌的情况下，发酵料液明显地分为3层上层结壳层、中层清液层、下层沉渣层。由于发酵料液上层与空气接触发生有氧反应而形成结壳层不利于产气，所以，应考虑采取搅拌措施。搅拌的目的是破坏结壳层，让原料和接种物均匀分布于池内，增加微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量。但由于在反应一段时间之后，料液中会形成针对料液不同的反应过程形成一定的菌层分布。搅拌会打乱菌层分布，使其需要一定时间重新进行分布，所以经常性的搅拌会减缓沼气产生的效率。不过为了破坏结壳层，现有技术只能通过牺牲效率的搅拌方式来解决。
5.定期清渣现有的沼气池产生的渣料主要有两部分，一部分是反应后沉淀于沼气池底部的渣料，另一部分是料液上层与空气腔接触产生的结壳层。现有技术中采用人工或机械来清理底部渣料，但对于料液上层的结壳层却无能为力。虽然采用搅拌的方式可以减缓结壳层的形成，最终也是无法解决问题。所以现有的沼气池寿命一般为2～3年，而沼气池为固定式建筑，所以造成了大量的资源浪费。
以下论述几种常用池的结构特点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、球形和椭球形三种池型。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”。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。
水压式沼气池型存在的缺点主要是(1)由于气压反复变化，而且一般在4～16千帕压力之间变化，压力的极限值难以控制。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，所以发酵料液的利用率不高，池容产气率偏低，一般产气率每天仅为0.15米3/米3左右。
(3)没有解决上部料液结壳的问题，而且由于活动盖直径不能加大，对发酵料液以秸秆为主的沼气池来说，大出料，特别是清结壳渣的工作比较困难。因此，清渣出料的时候最好采用出料机械。
(4)由于池体建造的结构原因，顶盖容易漏气，池体容易破裂。
(5)结构决定必须采用浅埋的方式，所以冬天存在休眠期。
2.中心吊管式沼气池属于变型的水压式沼气池，将活动盖改为钢丝网水泥进、出料吊管，使其具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，清渣出料方便，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。
3.曲流布料水压式沼气池该池型的发酵料液不用秸秆，全部采用人、畜、禽粪便，原料的含水量在95％左右。该池型有如下特点(1)在进料口咽喉部位设滤料盘，需经常清理。
(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)池拱中央、天窗盖下部吊笼，输送沼气入气箱。同时，利用内部气压、气流产生搅拌作用，缓解上部料液结壳。
(6)把池底最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。
还是没有解决上部料液结壳的问题。把池底最低点放在水压间底部，在天冷时会降低池内温度，影响池内发酵，加大休眠期。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种结构设计合理，计算简易，安全性高，能够自动排渣的沼气池及其使用方法。
本发明公开了一种沼气池，与现有的沼气池一样包括发酵池、进料池和出料池等主要结构。进料池和出料池分别通过进料管和出料管与发酵池连通，进料池不低于出料池，出料池底与发酵池顶持平，发酵池上的进料管管口高于出料管管口，发酵池顶设有出气口。本发明的特点是发酵池中进料管管口上端至发酵池顶内侧的体积V与进料池的体积A、出料池的体积B、进料管从发酵池顶至进料池底的部分体积C的关系为(A+B+C)×1.08＝V＝(A+B+C)×0.92。
现有沼气池在使用的过程中，发酵池在池顶内部形成一个沼气空气混合气室，充满可燃气体。如果沼气气室的压力太小或与外界相等的话，那么在打开出气口使用沼气的时候，容易造成将火引入池内，点燃池内可燃气体，引起爆炸，存在很大的危险隐患。另一方面由于沼气池自身承受压力也有一定的限度，如果内部气压过大也会造成池体胀破。所以必须严格控制形成的沼气气室的最大体积和压力不超过沼气池自身能够承受的压力。
基于上述两点要求，本发明要求发酵池中进料管管口上端至发酵池顶内侧的体积必须与进料池的体积、出料池的体积、进料管从发酵池顶至进料池底的部分体积之和等同，误差不超过正负百分之八。第一目的在于实现沼气气室与发酵料液的等量换位计算，当产生多大的沼气气室则排出多少相同体积的发酵料液。由于在使用的过程中气室的大小不断的变化，采用这种方法则能简单方便的计算动态气室、气量及农户用池大小等参数，能够严格控制沼气池能够承受的最大压力。本结构采用液压维持发酵池内沼气气室具有一定的气压。在使用的过程中，当发酵池内形成沼气气室时，气压使进料池和出料池的液面上升高于发酵池内液面，使沼气气室具有一定的气压。在打开出气口的时候，气室的气压使得外界的空气和火焰无法进入气室，则不会造成引燃的危险后果。
本发明的进料池和出料池的位置均不低于发酵池顶，在使用过程中能够持续维持液压。并且进料池的位置不低于出料池，所以能够促成发酵料液从进料池流向出料池。出料池的池底与发酵池顶持平，在首次投料的时候能够判断发酵池内的发酵料液是否充满整个发酵池。可以避免在发酵池内形成空气气室，导致发酵料液与空气气室的接触面形成结渣，甚至是结壳。
本发明发酵池中的气室为根据进料池和出料池的液压动态变化体积的纯沼气气室，利用沼气气室体积的变化所产生的气压，将发酵料液底部的发酵渣料由出料管压出。现有的沼气池也有采用气室压力的原理，不过由于沼气池的结构完全不同，所以造成的效果也不一样。为方便维护，现有的沼气池的排渣口十分大，并且排渣池的高度与发酵池持平，导致了形成的空气腔的压力不足以用于排渣。而本发明使用时包括以下步骤首先从进料池注入发酵料液至发酵料液至少从出料池池底溢出为止，然后关闭出气口，使发酵料液在细菌作用下进行无氧反应产生沼气。现有技术中所有沼气池的使用中都设计有一个稳定的空气或混合气气室，由于空气气室内的氧气对发酵料液的氧化作用，造成沼气池中发酵料液液面上层形成结壳层，而引起沼气池发酵料液的水面结渣，久而久之造成沼气池的报废。本发明的设计突破了目前沼气池的这种设计理念，引入了全新的动态气室概念。将发酵料液每时每刻全部浸泡在水中，使发酵料液产生的反应全部为无氧反应。产生的气室为纯沼气气室，使发酵料液在水中充分发酵，杜绝了水面结渣的必然条件，解决了目前所有沼气池设计和使用中都无法解决的这个难题。由于发酵料液能够在池内充分发酵，所以发酵料液的浓度可以很高，甚至达到40％以上，而现有的标准发酵浓度只能是8％左右，不然就会产生结壳的危险。农户在使用现有的沼气池过程中要进行发酵料液的调配，十分麻烦。而本发明在使用中只要直接将粪便稻草等发酵材料直接倒入即可。
反应后的发酵渣料比重大沉入池底，沼气上升至沼气池顶形成纯沼气气室。由于原来沼气池中全部充满发酵料液，所以形成沼气气室的时候必然排出部分发酵料液。由于进料池的高度不低于出料池，在纯沼气气室的空气压力的作用下，发酵料液液面下降，将池底的发酵渣料经出料管从出料池排出，也有少部分发酵料液从出料池排出形成与气室压力平衡的液压。随着发酵反应的不断进行，形成的沼气气室不断的增大，沼气池内的压力也不断的上升。当气室扩大到发酵池中进料管管口上端时则不再增大，继续产生的沼气将由进料管溢出。此时也是此时的气室压力达到了极限值，所以控制此极限值不超过沼气池能够承受的最大压力也是沼气池设计的重点。根据本发明产生的气体体积与排出的液体体积等量换位原理，能方便的计算和设计动态气室、气量及农户用池大小等参数，结合排出的液体的高度，能够计算和设计沼气池的最大的内气压。
在使用的过程中还包括以下步骤当使用沼气时，打开出气口，由于沼气气室具有一定的压力，沼气被从出气口压出。沼气的使用减小了气室体积和气压，发酵料液在重力作用下回流，液面回升。由于进料池和出料池的高度差的存在，回流的发酵料液主要是从进料池注入，补充了气室减小的空间。在不使用沼气的时候，关闭出气口，使发酵料液继续产生沼气，沼气气室的体积增大，液面再次下降，将沉淀于发酵池的底部的发酵渣料从出料管压出。在结构设计中采用了压力逐步恒定自然释放的设计方式，利用等量换位的原理，自动调节气压力，保持逐步恒定的动态气室和稳定的气量供应。在沼气池投入时候之后，一般相隔一端时间就会重复的打开和关闭出气口，使发酵料液的液面周期性的上下移动，不断的排出发酵渣料，并且使得处于液面的发酵料液不会结渣。在使用的过程中，本发明利用等量换位的原理，在自动式水压高位交换的运行中、动态气室自动运行，使池内压力循环自成系统，而将充分发酵后的沼气池中发酵料液下层沉渣层的沼渣排出沼气池外，实现了户用沼气池的自动排渣。实践证明，此结构的沼气池十年不用清渣。本发明的防火性能也十分高，当动态气室充满燃气，气室内压力大不会产生回火的现象，当燃气用完时气室内又充满了水性的发酵料液，这种自然产生的防火、防爆的强效应是目前任何沼气池都无法比拟的。
目前使用的一些沼气池为了防止池内结渣，普遍采用了人工池内搅拌法的方法。这种方法不但费时费力，而且破坏了池内发酵菌层的分布，降低了池内的自然发酵温度和发酵菌层的运行结构，影响了发酵的进程。尽管如此它还是无法解决沼气池发酵物的水面结渣结壳的问题。而本发明池体结构的设计特点，它在实现等量换位动态气室自动运行时而自然使池内发酵物自动水浮搅拌，进出料都是自动的运行，不存在对菌层稳定分布的破坏，不影响发酵的进程，全方位的解决了沼气池池内结渣的难题，并且保证发酵的效率。因此它能稳定、充分、自然、高效的发酵，彻底杀死沼液内各种有害病菌，排出清洁的沼液。
本发明的结构还有利于沼气池的保温。现有的沼气池由于很多都采用进料池和出料池与发酵池高度持平的结构，为了方便进料和出料，导致了现有结构的沼气池只能采用浅埋的结构，到了冬天温度过低的时候沼气池就无法使用。而本发明的进料池和出料池的高度均不低于发酵池，所以可以将发酵池深埋于地下。可以根据各地最低气温的不同，将沼气池埋藏在不同的地层下，特别是位于冻土层之下，保证充分发酵的温度。不论一年四季发酵池内温度都保持在20℃以上，使池内充分发酵产气，无休眠期，解决了很多沼气池没有解决的这个难题。
本发明在发酵池发酵池底靠近进料管管口一侧设置一面挡料墙，挡料墙与发酵池底边缘的距离l与发酵池底宽度L的关系为1/6L＝1＝5/12L。其目的有(1)新料从进料管管口进入时，停留在挡料墙靠进料管的一侧，不会冲击和破坏挡料墙另一侧发酵菌层区的稳定。新料在这一侧过渡发酵后，在池内发酵物自动水浮搅拌的作用下，从挡料墙的两侧回到主发酵菌层区充分发酵。所以挡料墙的高度最好要高于进料管的管口。(2)挡料墙靠出料管的一侧是一个稳定的主发酵菌层区分布区，发酵的渣料在此区经出料管从出料池排出，挡料墙这一侧的墙壁上会附挂成一个稳定的菌层分布壁，产生固菌作用，保证池内稳定充分发酵。挡料墙设置在靠近进料管的一侧，最佳位置是发酵池底宽度的1/4位置。由于池内压力是自上而下，由中心往两侧分布的，所以本发明将发酵池底制作成倾斜面，靠近出料管管口的发酵池底部分高于发酵池底其他位置。倾斜面的方向与现有技术刚好相反，这是由于发酵池内的压力分布的特点所决定的。出料管一侧高于其他位置的结构，在发酵池内的压力作用下有利于将池底的渣料压出，而不会带走其他未完全发酵料液，造成资源的浪费。根据压力分布的特点，本发明的发酵池的形状最佳为半球形，出气口位于半球形的顶端。这样的结构有利于均匀发酵池池壁的压力分布，减少应力集中的问题，提高结构的稳定性。
由于本发明很少情况下需要进行维护，理论上在发酵池顶可以采用完全密封，只留有出气口的结构。不过为了降低建造的难度，并方便特殊情况下可以对沼气池进行维护。所以本发酵池顶设有池口和与其配合的池盖，将所述出气口设于池盖上。这样一旦沼气池需要维护的时候可以打开池盖进行操作，简单方便。由于本发明的发酵池内会产生较大的压力，为了保证池盖的气密性，在池口外侧设置一个围井，井墙高于池盖。可以在围井中灌入水，如果发生沼气泄漏则直接可以从围井中的水是否有气泡冒出观察得到，以便于用户尽快采取预防和修复措施。
由于进料池和出料池的开口比较大，而一般进料和出料的时候无需采用这么大的开口，所以本专利分别在进料池和出料池的顶部侧面设置进料口和溢料口，进料口的位置不低于溢料口，进料池中进料口至池底的体积为A’，出料池中溢料口至池底的体积为B’，发酵池中进料管管口上端至发酵池顶内侧的体积V为(A’+B’+C)×1.08＝V＝(A’+B’+C)×0.92。所述的进料口可以与发酵料液的源头连接，出料口可以与收集渣料的容器连接，这样便无需人工进行投料或清渣，同时为维持料液的定向流动，进料口的位置略高于溢料口。
本发明相对于现有技术具有以下突出实质性特点和显著的进步1.发酵池中进料管管口上端至发酵池顶内侧的体积必须与进料池的体积、出料池的体积、进料管从发酵池顶至进料池底的部分体积之和等同。一方面方便了沼气池的设计，另一方面当发酵池形成气室的时候能够自然形成压力气室。使用过程中采用了压力逐步恒定自然释放的设计方式，利用等量换位的原理，自动调节气压力，保持逐步恒定的动态气室和稳定的气量供应。
2.本发明结构在形成沼气气室的时候能够自动将发酵料液底部的渣料从出料管排出，并能够从进料管自动引入新鲜的料液进入发酵池内发酵，排渣与进料自动完成，无需人工干预。
3.本发明方法将发酵料液进行无氧反应，使发酵物在水中充分发酵，杜绝了水面结渣的必然条件，解决了目前所有沼气池设计和使用中都无法解决的这个难题。
4.使用的过程中发酵池内发酵物自动水浮搅拌，在实现等量换位动态气室自动运行时而自然使池内发酵物自动水浮搅拌，又不破坏池内发酵菌层分布，不影响发酵的进程，全方位的解决了沼气池池内结渣结壳的难题，提高发酵效率。
5.发酵池内产气稳定防火、防爆的提高。本发明发酵池内气体和发酵料液自动等量换位，发酵料液自动高位落差循环而形成动态气室运行，自然产生了防火、防爆的强效应。沼气池运行时，当动态气室充满燃气，气室内压力大不会产生回火的现象，当燃气用完时气室内又充满了水性的发酵料液，这种自然产生的防火、防爆的强效应是目前任何沼气池都无法比拟的。
6.可以采用深埋式的结构，不会受到地面温度的影响，不存在休眠期，可以使用广大地区。由于池体埋于地下，无需人工的养护和清渣，建池后地面非常清洁，可以种植、可以绿化、可以盖房。
7.沼气池在使用时由于池内发酵物会不停地自动水浮搅拌，池内不会结渣，发酵的温度一年四季池内都保持在20℃以上，在这种充分发酵的条件下它的发酵料液浓度范围很宽，在池内发酵菌层正常运行时，池内可以自然运行高浓度的发酵料液生产沼气。发酵固体浓度最高可达40％，每立方米池容平均日产气量为0.5m3～0.8m3。
8.管理十分简单方便。沼气池池内产气的各种运行，都是自动进行的，无需人工的操作，管理起来非常方便。农户只需定期加入适当的有机肥料，就可以使用充足的燃气。整个沼气池的地面建造除进料池盖外可全封闭，无需人工的养护和清渣，十年都不用开盖维护，非常适合广大的农村使用。
9.池体建造方便、实用。沼气池主池采用砖砌半圆结构，存量最大，占地最小，抗压力强。一个10m3的沼气池，池内高度只有1.5米高，人员在里面施工非常方便。砖砌时采用横砖卧砌法，抗压性高，池体建造非常稳固。
10.整池建造容量可灵活改变。沼气池等量换位设计原则非常灵活，可根据用户的需要量，肥污水的处理量，而建造不同池容量的沼气池供用户使用。在建池施工中它可以根据不同的池容量，采用不同厚度的横砖卧砌方式建造。一个深藏式沼气池的建造池容量可从几立方到几百立方，也可根据地形不同，几池串并连在一起形成一个整体，这是目前任何其他沼气池都不可能做到的。


图1为实施例1的结构示意图；图2为实施例1进料时的使用状态图；图3为实施例1最少进料量的使用状态图；图4为实施例1产生沼气时的使用状态图；图5为实施例1产生的沼气量最多时的使用状态图；图6为实施例1使用沼气时的使用状态图；图7为实施例1排渣时的使用状态图；图8为实施例2的结构示意图；图9为实施例2进料时的使用状态图；图10为实施例2排渣时的使用状态图；图11为实施例3最少进料量的使用状态图；图12为实施例3排渣时的使用状态图。
图13为实施例4的结构示意图；图14为实施例4埋藏在地下的使用状态图。
具体实施例方式
以下将结合附图对本专利做进一步的说明。
实施例1如图1所示的一种沼气池，包括发酵池1、进料池2和出料池3，进料池2和出料池3分别通过进料管21和出料管31与发酵池1连通，发酵池1呈半球形。为使发酵料液能够定向流动，本实施例的进料池2略高于出料池3，出料池3底与发酵池顶11持平，且发酵池1上的进料管管口22高于出料管管口32。在液压的作用下，能够保证发酵料液从进料池2经发酵池1流到出料池3。进料池2和出料池3分别设有池盖21和31，用于进料和排渣。发酵池顶11设有池口14和与其配合的池盖15，所述出气口13设于池盖15上，并连接有出气管4用于排出发酵池1内的气体。发酵池底12靠近进料管管口22一侧设置一面挡料墙14，挡料墙14与发酵池底12边缘的距离l与发酵池底12宽度L的关系为l＝1/3L。如图中阴影部分所示，发酵池1中进料管管口22上端至发酵池顶11内侧的体积V与进料池2的体积A、出料池3的体积B、进料管21从发酵池顶11至进料池2底的部分体积C的关系为V＝A+B+C。由于建造精度的问题，可以存在一定的误差，不过不能太大，一般控制在5％以内。
首次进料时，如图2所示，打开出气口13，进料池2的盖板24，出料池3的盖板34，从进料池2灌入调配好比例的发酵料液。发酵料液逐步充满进料管21、发酵池1和出料管31，发酵料液灌入的方向如图中空心箭头所示。随之料液液面的上升，原处于发酵池1中的空气被逐步从出气口13，经出气管4排出，如图中箭头所示。首次灌入的料液的量为至少从出料池3池底溢出为止，即刚好充满出料管13，如图3所示。由于出料池3的底部与发酵池1的发酵池顶11内侧持平，根据液体连通器的原理，此时发酵池1刚好充满发酵料液，不存在任何的空气腔。为保证所有空气完全排出，也可以稍微多灌一些发酵料液。发酵料液在这种状态下为纯无氧反应，发酵物能够在水中充分发酵，杜绝了水面结渣的必然条件。
接下来关闭出气口13，使发酵料液在细菌作用下进行无氧反应产生沼气。如图4所示，发酵产生的沼气在发酵池1的顶部形成沼气气室D，反应后的渣料5沉入发酵池1的底部。由于原来发酵池1内没有存在空气，所以形成的沼气气室D为纯沼气，没有混合氧气，所以无法燃烧，使爆炸缺少必要条件。形成的沼气气室D形成的气压使发酵池1内的液面下降，如图中箭头所示。液面下降所排出的发酵料液由出料管31和进料管21排出，如图中空心箭头所示。由于进料管管口22的高度高于出料管管口的高度23，所以料液主首先从出料管31排出。如图所示，排出的料液形成两侧对沼气气室D的液压，使沼气气室D形成一个气压高于外界的压力气室。所以即使打开出气口13，外界的空气也无法进入发酵池1内，所以杜绝了发生爆炸的条件。
如图5所示，沼气气室D的体积不断增大，直到气室D扩充到料管管口22上端为止。继续产生的沼气将由进料管21溢出，如图中气泡所示。此时气室D的体积最大，也就是此沼气池的最大储气量，此时气室D的气压也是达到了最大，所以在设计沼气池时要严格控制此气压不超过沼气池池体能够承受的压力。由于发酵池1中进料管管口22上端至发酵池顶11内侧的体积V与进料池2的体积A、出料池3的体积B、进料管21从发酵池顶11至进料池2底的部分体积C的关系为V＝A+B+C。所以此时排开的发酵料液的体积刚好充满进料池2、出料池3、进料管21和出料管31。进料池2和进料管21，或出料池3和出料管31形成一定高度的液压加上大气压则为沼气气室D此时的压力。所以本发明可以简单方便的计算动态气室、气量及农户用池大小等参数，能够严格控制沼气池能够承受的最大压力。在发酵的过程中，在挡料墙14的左侧也会形成少量的渣料51。
在使用沼气的过程中，如图6所示。打开出气口13，在液压的作用下，沼气将从出气管4喷出，如图中箭头所示，用于农户的照明或燃烧。随着沼气的喷出，沼气气室D将逐步减小，发酵池1内发酵料液液面上升，进料池2和出料池3中的液面回落。此时继续从进料池2补充发酵料液，进料池2的液面与出料池3的液面高度形成高度差h，发酵料液将定向从左向右流动，如图中空心箭头所示。在发酵池1的左侧，补充进来的新鲜料液将带动挡料墙14左侧形成少量的渣料51，绕过挡料墙14至其右侧，保持挡料墙14左侧不会有沉渣，如图中实心箭头所示。如图7所示，当用户不再使用沼气时，关闭出气口13，发酵料液继续发酵形成沼气。沼气气室D体积再次增大，发酵池1内液面下降，进料池2和出料池3的液面上升。在沼气气室D的压力作用下，如图中箭头所示，可以将沉淀于发酵池1底部的渣料5经出料管31排至出料池3中。由于挡料墙14的阻挡作用，渣料5基本不会从进料管21排出。并且由于靠近出料管管口32的发酵池底12部分高于发酵池底12其他位置，所以在压力的作用下主要是渣料5排出，其他未发酵完全的料液很少排出。出料池3内的渣料5可以打开池盖34排出，如图中实心箭头所示。
在使用的过程中，沼气池重复图5至图7的步骤。可以看出发酵池1形成气室D的时候能够自然形成压力气室。使用过程中采用了压力逐步恒定自然释放的设计方式，利用等量换位的原理，自动调节气压力，保持逐步恒定的动态气室和稳定的气量供应。使发酵物在水中充分发酵，杜绝了水面结渣的必然条件。沼气池运行时，当动态气室充满燃气，气室内压力大不会产生回火的现象，当燃气用完时气室内又充满了水性的发酵料液，自然产生了防火、防爆的强效应。
实施例2如图8所示，本实施例的基本结构与实施例1相同，主要的结构区别是本实施例分别在进料池2和出料池3的顶部侧面设置进料口23和溢料口33，进料口23的位置略高于溢料口33，进料池2中进料口23至池底的体积为A’，出料池3中溢料口33至池底的体积为B’，发酵池1中进料管管口22上端至发酵池顶11内侧的体积V为V＝A+B+C。同样由于建造精度的问题，可以存在一定的误差，不过不能太大，一般控制在5％以内。挡料墙14与发酵池底12边缘的距离l与发酵池底12宽度L的关系为l＝1/4L。
本实施例在使用的过程中，无需像实施例1那样打开池盖24进行进料，也无需打开池盖34进行排渣。可以之间将进料口23连接发酵料液的料源，溢料口33连接盛渣的容器，进一步提高沼气池运作的自动化程度。进料时如图9所示，直接将发酵料液从进料口23灌入进料池2中，逐步充满发酵池1，如图中空心箭头所示。在排渣的过程中，如图10所示，在沼气气室D的气压作用下，渣料5被从出料管31排出。当渣料52充满出料池3时，渣料52自动从溢料口33溢出，如图中实心箭头所示。而新鲜的料液能够自动的从进料口23补充，如图中空心箭头所示。可以看出在整个沼气池的使用过程中，无需打开池盖24和34，使用简单方便。而池盖24和34只有在清理进料池和出料池的时候才需使用。
实施例3如过在建造沼气池的时候存在一定的精度误差，如图11所示。出料池3底与发酵池顶11存在一定的高度差Δh，这样在进料的过程中，当料液从出料池3的底部溢出的时候，发酵池1在料液的上方还存在一个小型的空气气室E。空气气室E中的氧气能够使料液的上层结渣，形成一个结渣层52，影响了沼气的产生效率。不过由于本发明在使用的过程中，沼气气室的体积不断的变化，不断的补充新的料液，沼气气室的体积可以在0～V的范围内改变。动态气室自动运行时而自然使池内发酵物自动水浮搅拌，能够简易的使结渣层破碎沉入池底，如图12所示。而且由于水浮搅拌是纵向液面的上升与下降，所以搅拌的过程中不破坏池内发酵菌层分布，不影响发酵的进程，全方位的解决了沼气池池内结渣的难题。
实施例4本发明结构的整池建造容量可灵活改变，沼气池等量换位设计原则非常灵活，可根据用户的需要量，肥污水的处理量，而建造不同池容量的沼气池供用户使用，容量可从几立方到几百立方。适用大型的畜牧场需要采用大型的沼气池，容量可达几百立方，所以发酵池内的压力将十分大。所以在具有较高的密封性能的同时，也需要有检测各个密封件之间是否配合紧密的检测手段。本实施例的结构对实施例1做进一步的改良，使其在适用大容量沼气池中具有更高的安全性能。改良的结构是在池口14外侧设有围井4，井墙高于池盖15，如图13所示。由于池口14是贴近沼气气室D并具有构件配合的结构，所以存在较高的沼气泄漏隐患。本发明在使用的过程中，将沼气池整体深埋于地面之下，如图11，应当密切关注池口14是否漏气。本实施的围并14的结构是在使用的过程中，在围井14中灌入水，形成一个水密封层6，如图14所示。并且如果池口14有沼气泄漏时，可以观察到水密封层6有气泡冒出，从而起到密封和防漏双重作用。
在本发明的使用过程中，一般将沼气池结构深埋于地面较深的位置。如图14所示，发酵料液距离地面的深度H一般在1.5米以上。深埋式的结构，不会受到地面温度的影响，不存在休眠期，可以使用广大地区。并且由于池体埋于地下，无需人工的养护和清渣，建池后地面非常清洁，可以种植、可以绿化、可以盖房。
权利要求
1.一种沼气池，包括发酵池(1)、进料池(2)和出料池(3)，进料池(2)和出料池(3)分别通过进料管(21)和出料管(31)与发酵池(1)连通，进料池(2)不低于出料池(3)，出料池(3)底与发酵池顶(11)持平，发酵池(1)上的进料管管口(22)高于出料管管口(32)，发酵池顶(11)设有出气口(13)，其特征是发酵池(1)中进料管管口(22)上端至发酵池顶(11)内侧的体积V与进料池(2)的体积A、出料池(3)的体积B、进料管(21)从发酵池顶(11)至进料池(2)底的部分体积C的关系为(A+B+C)×1.08＝V＝(A+B+C)×0.92。
2.根据权利要求1所述的沼气池，其特征是在发酵池(1)发酵池底(12)靠近进料管管口(22)一侧设置一面挡料墙(14)，挡料墙(14)与发酵池底(12)边缘的距离1与发酵池底(12)宽度L的关系为1/6L＝l＝5/12L。
3.根据权利要求2所述的沼气池，其特征是发酵池底(12)至少部分呈倾斜面，靠近出料管管口(32)的发酵池底(12)部分高于发酵池底(12)其他位置。
4.根据权利要求3所述的沼气池，其特征是发酵池顶(11)设有池口(14)和与其配合的池盖(15)，所述出气口(13)设于池盖(15)上。
5.根据权利要求4所述的沼气池，其特征是在池口(14)外侧设有围井(5)，井墙高于池盖(15)。
6.根据权利要求1所述的沼气池，其特征所述发酵池(1)呈半球形，出气口(13)位于半球形的顶端。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的沼气池，其特征是分别在进料池(2)和出料池(3)的顶部侧面设置进料口(23)和溢料口(33)，进料口(23)的位置不低于溢料口(33)，进料池(2)中进料口(23)至池底的体积为A’，出料池(3)中溢料口(33)至池底的体积为B’，发酵池(1)中进料管管口(22)上端至发酵池顶(11)内侧的体积V为(A，+B’+C)×1.08＝V＝(A’+B’+C)×0.92。
8.一种适用于权利要求1所述沼气池的自动排渣方法，其特征是所述发酵池(1)中的气室为根据进料池(2)和出料池(3)的液压动态变化体积的纯沼气气室，利用沼气气室体积的变化所产生的气压，将发酵料液底部的发酵渣料由出料管(31)压出。
9.根据权利要求8所述的自动排渣方法，其特征是包括以下步骤①从进料池(2)注入发酵料液至发酵料液至少从出料池(3)池底溢出为止；②关闭出气口(13)，使发酵料液在细菌作用下进行无氧反应产生沼气；③反应后的发酵渣料比重大沉入池底，沼气上升至沼气池顶(11)形成纯沼气气室；④在纯沼气气室的空气压力的作用下，发酵料液液面下降，将池底的发酵渣料经出料管(31)从出料池(3)排出。
10.根据权利要求9所述的自动排渣方法，其特征是还包括以下步骤⑤打开出气口(13)使用沼气，使纯沼气气室体积减小，发酵料液液面回升；⑥发酵料液从进料池(2)注入，补充减小的空间；⑦关闭出气口(13)，使发酵料液继续产生沼气，液面再次下降，排出发酵渣料；⑧相隔一端时间重复步骤⑤至⑦，使发酵料液的液面上下移动，不断的排出发酵渣料，并且使得处于液面的发酵料液不会结渣结壳。
全文摘要
本发明涉及沼气产生设备领域，目的在于克服现有技术中的不足，提供一种结构设计合理，计算简易，安全性高，能够消除沼气池内沼液结壳并自动排渣的沼气池及其使用方法。包括发酵池、进料池和出料池等主要结构。进料池和出料池分别通过进料管和出料管与发酵池连通，进料池不低于出料池，出料池底与发酵池顶持平或略低，发酵池上的进料管管口高于出料管管口，发酵池顶设有出气口。本发明的特点是发酵池中进料管管口上端至发酵池顶内侧的体积V与进料池的体积A、出料池的体积B、进料管从发酵池顶至进料池底的部分体积C的关系为(A+B+C)×1.08＝V＝(A+B+C)×0.92。
文档编号C12M1/107GK101054548SQ20061003491
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月11日 优先权日2006年4月11日
发明者朱涛 申请人:陈观梯, 朱涛, 胡康利