兰州理工大学技术工程学院校园数学建模A题

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                                                                                   A题
                                         农村户用沼气池的设计
       沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以被称为沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷(CH4)。沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为分解菌和甲烷细菌两大类。分解菌的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等，包含纤维分解菌、蛋白分解菌和脂肪分解菌；甲烷细菌的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。有机物变成沼气首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成结构简单的化合物，然后在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物生成甲烷。
随着我国沼气科学技术的发展和农村家用沼气的推广，根据当地使用要求和气温、地质等条件，家用沼气池有固定拱盖的水压式池、大揭盖水压式池、吊管式水压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池等。形式虽然多种多样，但是归总起来大体由水压式沼气池、浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型变化形成的。
近年，随着煤、油等燃料的价格上涨，我国北方农户用于煮饭、烧水的生活费用大幅增加。同时，政府也倡导利用新能源替代传统能源，以减少环境污染。位于兰州地区某农牧片区的住户（按10人计），欲建造一座沼气池可供给日常生活用热（主要用于煮饭和烧水）。试按以下要求给出您对该农户的合理建议（包括建设成本、经济效益、发酵菌种类型和用量、沼气池结构及尺寸参数等）。
1.建造球形固定拱盖水压式沼气池（结构见附件），并分析各季节产气量；
2.球形沼气池的施工难度大，不便于建造。请根据该地区的实际情况，为该住户重新设计一座结构合理的沼气池；
3.我国北方地区因冬季寒冷而存在沼气不发酵的现象，请给出经济可行的解决方案。
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