农村户用可变容积式塑料沼气池的设计与试验

马孝松，邢攸冬



农村户用可变容积式塑料沼气池的设计与试验

马孝松，邢攸冬

（桂林电子科技大学机电工程学院，桂林 541004）

为了解决传统形式的沼气池建造周期长、运输困难、一体化生产价格高的难点，结合现有的工艺与技术设计建造一种可变容积的聚氯乙烯（PVC）塑料沼气池。该池体由PVC塑料单板与支撑件经由胶剂粘接而成，组装简单，单板运输方便；在不增加设计、加工要求的基础上，可根据用户要求轻松扩展容积。试验证明设计的9 m3的池体结构，在承受竖向土层载荷作用下以及在侧向土层载荷、沼气压力、沼液压力共同作用下能完全满足使用需要；胶黏剂与凹槽组装的结构在24 h试验下的气体泄漏量小于国标2%，因此该结构能够保证池体的密封性能；池体在常温工作条件下，日产气可达1.380 m3，产气量可满足一家3～5口的生活燃气需求；池体进料容易，出渣依据压力差作用较为方便，压力仓的作用能更好的保证密封与防止结壳产生；整个池体在日常条件工作，可使用20 a。

沼气；设计；塑料；PVC沼气池；可变容积

0 引 言

近年来，中国沼气行业蓬勃发展，沼气作为一种优质清洁可再生的能源，已经得到政府部门的大力支持[1]。在农村户用沼气综合利用方面，中国一直处于领先地位，许多地方都相继开展了各种综合利用研究[2]。生活中可用的沼气主要来源于沼气池的厌氧反应。沼气池不仅能产生良好的燃料，实现废弃物品变废为宝并且能缓解大气污染问题[3-4]。

国外建造的沼气池体是为了处理工业废水与城市垃圾，池体类型为大中型[5-9]。中国是沼气池建设比较早的国家，沼气池的使用大都在农村地区，沼气池池体体积一般为中小型，用来满足一个家庭需求。在中国传统类型的沼气池体有水泥混凝土型、玻璃钢式等，这些类型的沼气池技术成熟但也存在较多问题。玻璃钢沼气池结构设计紧凑，池材密封性能好，性能稳定可靠[10-11]，缺点是运输麻烦，运输成本高，制作成本也高。混凝土浇灌的建池方法和技术，是在中国一直沿用的技术，但投入的人力、物力和资金较大，建池速度慢；建池技术难度大，受到技术人员的责任心、技术水平等因素的影响，容易产生漏气现象，影响沼气池的正常使用[12]，一段时间就废弃。为解决传统混凝土沼气池存在的建池难、维护难、寿命短、占地多、不便批量化生产等问题，塑料沼气池便应运而生，其具有质量轻、耐腐蚀、密封性能好的特点[13]；然而普通塑料沼气池也有其缺点，一体式建造运输困难、价格高，中间没有加固件，强度低，建造后容易坍塌。罐式沼气池制作简单，运输和安装都很方便，承受沼气压力大[14]，但它是由钢材料一体制作，模具价格较高，体积大比较笨重难以运输。

为应对以上各类沼气池的不足之处，结合已有的工艺技术，农村家庭户用的可变容积式PVC塑料沼气池的想法便应运而生[15]。

1 PVC塑料沼气池的设计与组装

1.1 池体结构设计

1.1.1 池体板材材料的选择

1.1.2 池体板材的设计

在农村3口之家，沼气池体容积通常为8～10 m³，以组装一套9 m³的沼气发生系统为例，整体的组装为板材、支撑件、胶黏剂的结合，由31块板材与2块支撑件组装而成。沼气池的主池体包括左池体（进料部分）、右池体（出料部分）、中间体以及压力仓4部分，其中中间池体为可变容积部分，可以在不增加任何设计的基础上按照用户需求扩大池体容积；压力仓部分设计到发生器的顶端，它可多容纳沼液、扩大沼气的压力，覆盖沼液，以免沼液外露；所设计的零部件必须满足塑料件的加工工艺要求。左/右端盖为正六边形柱体，柱体上带有环形凹槽，槽深度为5 mm，宽度为10 mm，池体结构如图1所示，各部分尺寸如表1。池体顶部为压力仓部分，压力仓的大小是依据池体内压力来设计的。压力仓设计到顶部的目的是依靠压力差原理阻止结壳现象的发生以及作为沼气进入管道的动力；另外压力仓部分还作为沼液和沼渣的排放口。以上所有板材都是规则形状，可以做到批量生产。

1.压力仓 2.进料管 3.出气管 4.压力仓-主池体连接管 5.排渣管 6.支撑件 7.可变容积池体 8.边槽 9.端盖

表1 各部分尺寸

1.1.3 可变容积的构想

PVC可变容积沼气发生系统，可按照客户的需求，在不增加任何工艺设计与复杂结构的基础上，改变池体的容积。具体的方法就是再增加若干个标准的中间体以达到可变容积体。理论上池体容积可以做到无限大，但是实际中，由于地形等的限制，池体容积一般不会超过20 m3。

1.1.4 支撑件的设计

支撑件为中空的六边形柱体，外形尺寸与端盖相同。支撑件的六边形两面均加工有凹槽。支撑件中间孔洞大小的设计依赖于沼液的流通量与池体的强度，设计时要满足底部沼液流通和顶部沼气流动；为保证支撑件能有更好的强度，切去的材料不宜过大，支撑件中间孔的加工要尽可能简单、容易。综上，结合池体的受力情况，经仿真试验，可得切去板材总量的1/3较为适合，如图2、图3所示。另外，支撑件的个数依赖于池体的强度，加入支撑件的目的就是为了增强池体的抗压性能，防止池体塌陷。因此，只要池体强度符合使用性能，就可以尽量减少支撑件个数。

1. 通孔 2.边槽

1.1.5 凹槽加胶剂的连接方式

左右端盖的边缘部位，均设计有凹槽，设计凹槽的目的就是为了便于板材件之间的相互组装，凹槽能提供更好的支持与固定作用；涂抹胶剂有更好的密封性能与连接性。

1.2 压力仓的设计

压力仓设计在主池体的顶端，它的主要作用是用来盛纳厌氧反应后的废弃沼液和调节池体内部的压强，即当厌氧反应开始后，生成的沼气挤压池体内部的沼液沼渣，通过压力仓-主池体连接管在内部压力的作用下压入压力仓内，之后打开排渣管就可以把沼液沼渣排除；此外当用户使用沼气时，池体内部压力减小，此时压力仓内的液体回流至主池体内，起到了一定的搅拌作用，防止结壳的产生，压力仓能增加沼气的密度，进而增加储气量。此外，压力仓部分的体积较小，中间处可以不设置支撑件。

1.3 池体进排料

沼料通过进料管进入沼气池内部，进料量为池体总容量的50%～80%，进料前沼料应该切碎切细，这样便于池体的发酵和排渣；池体排料依据压力差原理，当池体内部的压力增大时，沼气把发酵的沼液沼渣压入压力仓内，通过压力仓的排渣口即可排除沼液沼渣，依据压力差的作用，池内压力降低，压力仓的液体回流起到搅拌作用，池体可省去搅拌除结壳的装置。

1.4 池体整体组装方式的选择

常用的连接方式包括焊接、机械连接以及胶接形式。可变容积塑料沼气池的组装方式本着方便、容易的原则，选用胶接的形式。相较于其他形式：1）焊接对技术要求较高，容易造成池体的破坏；机械连接应力集中现象严重且密封效果较差。2）胶接技术要求不高，且密封性能较好，应力集中现象较少。胶体的选择本着容易购买，粘结强度符合使用要求，粘结固化时间适中这3点综合考虑，选用704硅橡胶[17-18]。

1.5 池体的组装

池体的组装过程十分简单，就是把加工好的板材组装成完整池体之后涂胶密封即可。步骤包括①先将左端盖凹槽处与支撑件凹槽处均匀涂抹胶黏剂，之后把标准的中间体板材件一端插入端盖的凹槽内，另一端插入支撑件的凹槽内；这样可把6块中间板全部插入，组装成进料池体。之后再用胶黏剂涂抹表面进行密封。②中间池体与出料池体的组装方式完全同于进料池体，只要注意开孔的板材位置安放正确即可。③之后是压力仓部分的安装，只需要把设计好的板材按照相应位置组装后，涂抹胶体密封即可。④池体安装完成后，按照对应的开口位置安装进出料管与出气管，为保证密封性能，先在接口处涂抹胶剂，为保障管材不会脱落，可以选用点焊加固。⑤沼气系统组装完成后，静置24 h等待胶体固化，之后可以投入使用。

图3 中间体受土压载荷仿真

2 池体受力分析

在系统组装前，为检验设计的可靠性，利用SolidWorks建立模型，并通过有限元软件对池体进行受力分析。

2.1 池体受力来源

池体组装完成后主池体埋入地下，压力仓暴露于大气中，以便于沼液排出。主池体上部的覆土高度不应低于20 cm。因此沼气池在工作状态下所受到的载荷主要来源于3个方面，即内部沼气压力，外部土壤质量以及池体内部沼液的压力。沼气池内部气压是一个慢慢变化的过程[19]，沼气池进、出料口下端的上沿至进出料口上端最低处边沿的高度，决定沼气池所承受最大压力的大小[20]，所以池体压强不会高于10 kPa。外部土壤的质量可以考虑为一个恒定的载荷。池体内部沼液的压力依据高度来计算。

2.2 土层竖向土压力学计算

池体组装完成后，由于池体体积较大，跨度广，有一定的自重加之池体两侧有土层的覆盖，池体能否满足强度是要考虑的重要问题之一。结合实际情况与有限元方法，进行验证。

以一个9 m3的池体为例，在同等条件下中间体部位是强度最弱区，因此只要中间体部分满足强度要求，整个池体强度就满足要求。

池体在工作时要承受土壤的质量，包括作用在顶部的竖向压力，两侧土壤的侧压力等[21]，单位长度的竖向土压力F按照下式计算：

式中γ为回填土的重力，取18 kN/m3；H为池体顶部至土表的高度，m；为池体顶部的外径，m。

用Solidworks自带的simulation进行受力分析，以池体的底部作为固定端，网格划分采用最密网格，受力面为池体的左右2个上端面，做静应力分析。得出池体的应力与位移情况，得到最大米瑟斯应力值远小于板材的弯曲强度，最大位移量在中间处与端部皆在容许范围内，如图4所示。网格划分采用最密网格得出结果后，又采用基于曲率的网格进行验证，两者之间的误差在10%以内，可认定最密网格划分的准确性。

图4 中间体受土压载荷仿真

2.3 土层侧向压力、沼液压力与沼气压力的力学计算

沼气池在工作情况下，还会受到侧向土层载荷、沼液的压力与沼气的压力三者的共同作用。其中侧向土压的压力方向由外指向池体，沼液的压力与沼气的压力由池体内部指向土层。

侧向压力可以表达为F，其表达式为：

式中K为主动土压力系数，沙土或者黏土可取1/4～1/3；为自地面至计算截面处的深度，m[22]。

沼气池内部气体压强不会高于10 kPa，在此选用极值下的载荷。沼液压力与高度有关，池体内满液体时对池体内壁的压力最大，沼液对池体内壁的压力沿着池壁的高度线性降低，沼液最大高度以1 300 mm计算。以进料池体为例受力分析如图5所示。由受力分析可得，池体最大应力与位移量皆在允许范围内，可认为池体有较好的强度。

图5 土层侧向压力、沼液压力与沼气压力共同作用下的载荷仿真

2.4 可变容积池体与支撑件的关系

以建造一个9 m3的池体为例。池体的建造方式除建设成3个池体组合的方式外（即左池体，右池体，中间体各3 m3），还可以根据当地的具体条件，减小池体的高度，增加池体的长度，此时占用地面面积较大，适合于地面土壤比较难深度挖掘的情况。

沼气池体支撑件的数量应该随着沼气池长度的增加而增加，得出当中间体部分长度每增长1 m，支撑件的数目最少要增加一个以保证结构的强度。为保证池体的直线度，池体总体积不宜超过20 m3，长度不应长于10 m。

3 池体密封性检验

池体组装完成后应该静置1～2 d，池体工作时应该保证漏气漏水在国标范围以内。由PVC板材的性能可知，PVC有良好的防水性，硅橡胶的密封性能也较好。因此若池体出现泄漏，很大原因就发生在组装搭接处。为验证凹槽加胶黏剂结构防漏水气的可行性，用部分含有凹槽结构的池体完全密封用来做试验，只要在凹槽密封处没有漏水漏气，就可说明池体有很好的密封性能。将池体缓慢充入空气至10 kPa，对池体密封性进行验证，如图6所示。

1. 气嘴 2.气体压入口 3.气压表

用图6所设计的池体做密封试验。池体外部有明显的胶瘤痕迹。胶瘤的存在能有更好的防漏性和强度。将水充入池体后每隔相同时间再次测量；向池内充入气压为10 kPa的气体，测量24 h气压泄漏量（国家规定池体泄漏量低于2%）[23]。以池体的累积泄漏量为指标，测得数据如表2所示。

表2 池体内气压变化

由表2可知，池体的累积漏气率随着时间的增加逐渐减小但是减小梯度不大，主要原因就是随着气体的泄漏，池体内部的压力也逐渐减小，反过来池体气体泄漏速度就变慢。在24 h内，池体的漏气率合计在1.2%，小于国标的2%，池体有较好的防漏气性。

4 沼气池产气量计算

PVC塑料沼气池在组装完成、试验密封性能合格后便可投入使用。

4.1 试验原料

本池体用来发酵的原料为猪粪、草树叶以及厨余垃圾[23]。接种物为下水道污水与污泥。各原料的配比为：猪粪为4 m³，厨余垃圾以及烂草树叶400 kg，接种物3 m³，之后填入废水直至整个池体体积90%左右。

4.2 试验方案

以6月1日至6月30日为例，研究农村户用可变容积式PVC塑料沼气池的产气性能。将沼料填入沼气池，约占池体容积90%，首次入料充分搅拌。试验期间每天19:00点记录试验值。

4.2.1 单位池容产气率

日均产气率：发酵装置单位容积每天产生的沼气体积[24]，表达式如下

式中为单位池容，m3/(m3·d)；为产气量，m3；为发酵天数，d；为沼气池容积，m3。

4.2.2 料液质量分数

料液质量分数的计算公式为[25]

式中为料液质量分数，%；m为总固体质量分数（TS），%；M为物料质量，kg；为水的质量，kg。

池体日产气量如图7所示。第1天产沼气1.23 m3，从第3天开始，随着沼气池内发酵反应的进行，池内温度逐渐上升，沼气日产量逐渐增加，到第7天达到了最大值2.07 m3；随后产气量有所下降，并在16 d内维持在1.56 m3/d附近；从第24天开始，随着料液质量分数的减小，沼气日产量逐渐减少，第30天试验结束。累计产气共38.06 m³，沼气池平均日产沼气1.38 m³，有效池容积产气率为0.22 m3/(m3·d)。

图7 沼气池日产气量曲线图

5 池体寿命分析

池体在自然环境下工作，温度、空气、水分等因素对寿命会有一定的影响。为验证自然条件下环境对池体的老化破坏情况，采用与组装池体相同的搭接形式，制作搭接件做老化试验分析，结果如图8所示。试验发现，老化后的搭接件破坏全部发生在胶结处，因此池体的整体寿命由胶黏剂的使用年限决定。

图8 凹槽搭接件拉伸试验

为进一步研究胶黏剂使用寿命，采用硬质PVC与硅橡胶的搭接件进行老化分析做恒温水浴老化加速试验。以拉伸强度作为判断失效准则，由于池体埋在地下，因此可把搭接强度下降50%作为极限标准。

硅橡胶的工作范围在−60～200 ℃，使用时的最高温度在60 ℃，因此老化试验温度尽量不要高于200 ℃，否则胶剂可能会出现严重劣化，也不应该低于使用时的最高温度60 ℃，否则老化过程会非常缓慢，甚至可能不会出现任何的退化效果[26]。选择70、80、90 ℃为老化温度，用恒温水浴锅加热分别老化不同时间。对老化后的搭接件进行拉伸试验，试验结果如表3所示。

表3 拉伸力测量结果

试验得出在70，80，90 ℃温度下水体老化后的拉伸力值，之后运用阿伦尼兹模型，利用高应力水平下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征[27]。由于沼气池内部的产气温度一般为10～50 ℃，在10～20 ℃温度下池体平均工作2个月，在40～50 ℃温度下池体平均工作2个月，在20～30 ℃温度下平均工作8个月，以平均温度30 ℃作为池体工作时的温度，外推池体的寿命，池体使用寿命可达20.9 a。

6 总 结

1）可变容积式PVC塑料沼气池由板材组装而成便于运输、组装快速、可批量化生产、无需模具、寿命高、价格低廉，解决了传统户用沼气池的种种不便。

2）可变容积的构想，可在不增加任何工艺的基础上增加池体的体积，满足了不同客户的使用要求。

3）胶黏剂的使用能使池体有更好的密封性能，使材料表面无损伤，24 h内的气体泄漏量在国家规定范围内；设计的凹槽能使池体结构有更高的强度；池体结构能够完全承受土层压力与各种载荷的共同作用。

4）池体在常温条件，投料容积为80%池体容积的情况下进行为期一月的产气测量，结果得出有效容积日产气可达1.380 m³，有效池容积产气率为0.22 m3/(m3·d)，产气量可满足一家3～5口的生活燃气需求。

5）池体在水浸环境下工作温度为30 ℃，在正常使用条件下，池体寿命可达20.9 a。

[1] 骆世明. 农业生态学近年研究领域与研究方法综述[J]. 中国生态农业学报，1999，7(1)：19－22.

Luo Shingming. A review of research fields and research methods in agricultural ecology in recent years[J]. Journal of Eco-Agriculture, 1999, 7(1): 19－22. (in Chinese with English abstract)

[2] 覃静. 农村沼气新技术研究及综合评价[D]. 南宁：广西大学，2012.

Qin Jing. Research and Comprehensive Evaluation of New Technologies for Rural Biogas[D]. Nanning: Guangxi University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[3] 李小骥. 太阳能沼气池的试验研究[D]. 昆明: 昆明理工大学，2008.

Li Xiaoji. Experimental Study of Solar Digesters[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2008.(in Chinese with English abstract)

[4] Lissens G, Vandevivere P, De B L, et al. Solid waste digestors: Process performance and practice for municipal solid waste digestion[J]. Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2001, 44(8): 91－102.

[5] Omer A M, Fadalla Y. Biogas energy technology in Sudan[J]. Renewable Energy, 2003, 28(3): 499－507.

[6] Beddoes J C. An analysis of energy production costs from anaerobic digestion systems on U.S. livestock production facilities[J]. Social Science Electronic Publishing, 2007，10(1): 1－22.

[7] Demuynck M, Nyns E J. Biogas plants in europe[J]. International Journal of Solar Energy, 1984, 2(6): 477－485.

[8] Poeschl M, Ward S, Owende P. Prospects for expanded utilization of biogas in Germany[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(7): 1782－1797.

[9] Gruber E, Herz H. The role of small-scale biogas production in rural areas for sustainable development in Germany and Peru[J]. Energy for Sustainable Development, 1996, 3(4): 58－63.

[10] 陈彪，徐庆贤，钱午巧. 6 m3农村户用玻璃钢沼气池的设计[J]. 能源与环境，2004(3)：74－76.

[11] 张无敌，宋洪川，尹芳，等. 4 m3商品化户用玻璃钢沼气池的实际运行效果[J]. 可再生能源，2004(1)：31－33.

[12] 张万俊，谢建，张臻勇，等. 机械化批量生产塑料沼气池研究应用最新进展[J]. 农业工程学报，2006，22(增刊1)：88－92.

Zhang Wanjun, Xie Jian, Zhang Zhenyong, et al. Recent advances in research and application of mechanized mass production of biogas digesters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2006, 22(Suppl.1): 88－92. (in Chinese with English abstract)

[13] 韦仲烈，黄霞. 运用PVC材料建造沼气池[J]. 中国沼气，2009，27(1)：49－50.

[14] 周光全. 罐式沼气池制作技术[J]. 现代农业科学，2006(9)：38－38.

[15] 马孝松，邢攸冬.一种沼气发生器[P].中国专利：201710196897.3，2017-03-29.

[16] 刘忠科，雍奎刚，武文，等. PVC塑料的性能与应用研究进展[J]. 塑料科技，2014，42(5)：128－131.

[17] 谭京生. 单组份室温硫化硅橡胶胶粘剂[J]. 中国胶粘剂，2005(4)：46－46.

[18] 刘德源，朱丽清，苏杰南. 自动回流破壳（PVC）沼气池的构造与建造[J]. 可再生源，2011，29(2)：130－132.

[19] 赵猛，童薇，高建和，等. 基于ANSYS的塑料化粪池力学分析与加强方案探讨[J]. 机械工程与自动化，2013(5)：20－22.

[20] 张平. 水压式沼气池原理与构造[J]. 可再生能源，2003(6)：29－30.

[21] 方玉树. 经典土压力理论及其应用的合理性分析[J]. 交通科学与工程，2011，27(3)：1－5.

[22] 韦仲烈，黄霞. 运用PVC材料建造沼气池[J]. 中国沼气，2009，27(1)：49－50.

[23] 龙利军. 西北地区农村住房建筑节能技术研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2012.

Long Lijun. Study on Energy-saving Technology of Rural Housing in Northwest China[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2012. (in Chinese with English abstract)

[24] 李金平，单少雄，董缇. 地上式户用太阳能恒温沼气池产气性能[J]. 农业工程学报，2015，31(5)：287－291.

Li Jinping, Shan Shaoxiong, Dong Ti. Study on gas production performance of solar energy thermostatic biogas digesters[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 287－291. (in Chinese with English abstract)

[25] 孙勇，李文哲，张鸿琼. 高寒地区两相厌氧户用沼气系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(9)：196－201.

Sun Yong, Li Wenzhe, Zhang Hongqiong. Design and test of biogas system for two-phase anaerobic household in alpine region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(9): 196－201. (in Chinese with English abstract)

[26] 马海全. 胶接结构加速试验及寿命可靠性评估技术[D]. 南昌：南昌航空大学，2010.

Ma Haiquan. Accelerated test of adhesive bonding structure and reliability assessment of life expectancy[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[27] 李腾. 0Cr18Ni9不锈钢弹簧蠕变和应力松弛研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

Li Teng. Study on Creep and stress Relaxation of 0Cr18Ni9 Stainless Steel Spring[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of variable volume plastic biogas digester for rural households

Ma Xiaosong, Xing Youdong

(541004,)

In order to solve the problems of the traditional form of rural household biogas digesters such as long construction cycle, short life, poor sealing, integrated production prices, and hard transportation, in this study we combined with the existing technology and technologic design to build a variable volume of polyvinyl chloride (PVC) plastic biogas digesters. The cell body from the PVC veneer and the support were made through the silicone rubber paste in accordance with the processing of a good groove bonding. Silicone rubber has good adhesion and waterproof sealing. The presence of the groove can provide a certain degree of reference, but also increase the bond strength and sealing. The tank body structure was simple, easy to assemble, and the assembly cycle was 1-2 days. Veneer can be stacked transport to save the overall delivery of high freight and inconvenience. Without increasing the design, processing requirements, users can easily expand the volume based on their requirement, the volume of the pool can be variable in the 3-20 m³. Design and processing of biogas digesters mainly consisted of four parts, the left pool body, from which its main role was to feed, the middle pool body, which mainly played a connection role and the use of Sheng satisfied biogas, right pool body, the main role of which was to discharge biogas slurry, and the pressure chamber, mainly used to contain excess liquid and to ensure the pressure inside the pool body. The tank body was easy to feed, the slag was more convenient according to the pressure difference effect. The pressure of soil layer was 1 800 N. When the gas pool was in work situation, it also would be affected by lateral soil load and biogas slurry pressure and the pressure of the gas. The 9 m³ cell structure designed by finite element verification was able to withstand the soil pressure and the external force. To the biogas digesters filled with sufficient water and gas, the barometer and scale were used to check the pool of internal pressure and water. Verification of adhesive and groove assembly structure was conducted in the 24 h experiment to test water and gas leakage. The gas pressure inside the cell body decreased from 10 kPa to 9.88 kPa, and the leakage rate of the cell body was 1.2%. For pool body leakage steam was less than 2% of national standard, so the structure can ensure the sealing performance of the pool. The cell body was measured at room temperature for 1 month of production at room temperature and 90% of the volume of the container. The results showed that the daily production of gas up to 1.380 m³, the effective pool volume gas production rate of 0.22 m3/(m3·d), gas production to meet a 3-5 mouth of life gas demand. The water temperature aging experiment was made for the pool parts under 70, 80, 90 ℃. With the cell body strength decreased by 50% as the standard, through the Allenitz formula extrapolation pool body in the flooding environment operating temperature of 30 ℃ service life. The results showed that the whole cell body under normal conditions of use, the cell life can up to 20.9 years.

biogas; design; plastics; PVC biogas digesters; variable volume

2017-08-01

2018-01-10

国家级星火计划项目（2015GA790015）

马孝松，教授，主要从事材料工程和生物质新能源方面研究。Email：13205342370@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.031

S216.4

A

1002-6819(2018)-04-0255-06

马孝松，邢攸冬. 农村户用可变容积式塑料沼气池的设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：255－260.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.031 http://www.tcsae.org

Ma Xiaosong, Xing Youdong. Design and experiment of variable volume plastic biogas digester for rural households[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 255－260. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.031 http://www.tcsae.org